DE2841205C3 - Elektrolysezelle mit kompensierten Magnetfeldkomponenten - Google Patents
Elektrolysezelle mit kompensierten MagnetfeldkomponentenInfo
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Description
V)
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle mit kompensierten Magnetfeldkomponenten zur Herstellung
von Aluminium mittels Schmelzflußelektrolyse, von deren Längsseiten der aus den Kathodenbarren
austretende elektrische Strom mittels mindestens vier Sammelschienen asymmetrisch zu den Anodenbalken
des nächsten Ofens geführt wird.
Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fiuoridschmel- t,o
ze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith (NajAIFe)
besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem
Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die μ
Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff
bestehen. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der
sich bei der Verwendung von Kohlenanoden zu CO und CO2 verbindet Die Elektrolyse findet in einem
Temperaturbereich von etwa 900 bis 10000C statt.
Das bekannte Prinzip einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle
mit vorgebrannten Kohleanoden geht aus der F i g. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in
Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen
Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält
die Fluoridschmelze 10, den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem
Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminium stellt die Kathode dar. In die
Kohlenstoffauskleidung 11 sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kp.thodenbarren 17 eingelassen, die
den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich nach außen führen. In die
Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die dem Elektrolyten einen
Gleichstrom zuführen. Die Anoden sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem
Anodenbalken 21 fest verbunden.
Der Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle über nicht gezeichnete Stromschienen zum
Anodenbalken 21 der folgenden Zelle. Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Stromleiterstangen 19, die
Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren
17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen
Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt. Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen
Betrieb Hohlräume 25. An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine
Kruste aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale
Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.
Der Abstand d der Anodenunterseite 26 zur Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt,
läßt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 27
verändern, die auf Säulen 28 montiert sind. Bei der Betätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig
sämtliche Anoden angehoben, bzw. gesenkt. Die Anoden können außerdem — jede für sich — in
bekannter Weise in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20
eingestellt werden.
Die Elektrolyseöfen sind üblicherweise in Reihen angeordnet und längs- oder quergestellt. Der Elektrolysestrom
durchfließt vorerst die in Serie geschalteten öfen einer Reihe und kehrt dann in einer oder mehreren
benachbarten Ofenreihen zu der speisenden Gleichrichtereinheit zurück.
Diese Rückleitung oder Rückleitungen erzeugen eine vertikale magnetische Einstreuung H„ welche sich nach
folgender Gesetzmäßigkeit, welche generell für stromdurchflossene Leiter gilt, abschätzen läßt:
35 im
40
wobei /die Stromstärke in Ampere und rder mittlere
Abstand zu der Nachbarofenreihe in cm bedeuten.
Die durch Nachbarofenreihen erzeugten Magnetfelder stören die erwünschte magnetische Symmetrie einer
Elektrolysezelle erheblich, weil sie in bestimmten Bereichen des Ofens zu dessen eigenen Magnetfeldern
addiert, in anderen Bereichen dagegen subtrahiert werden. Das durch die Oberlagerung entstehende
Magnetfeld erzeugt in Ofenmetall Asymmetrien, die — zusammen mit horizontalen Stromdichtekomponenten
— für Metallströmungen, — aufwölbugen und -schwingungen
verantwortlich sind. Da sich alle diese Phänomene nachteilig auswirken, ist es von großer
Wichtigkeit die magnetische Feldverteilung nach Maßgabe theoretischer Betrachtungen und praktischer
Erfahrungen beeinflussen zu können.
Es ist bekannt, die Feldverteilung im schmelzflüssigen
Elektrolysemetall durch entsprechende Wahl der Stromverteilung in der näheren und weiteren Umgebung
der Öfen zu steuern. So ist es beispielsweise gelungen, 210 kA -Öfen sowohl magnetisch als auch
stromdichtemäßig zu symmetrieren bzw. entsprechend zu dimensionieren. Da jedoch für die Feldverteilung
nicht nur Nahfeldeinflüsse, sondern Fernfeldeinflüsse von benachbarten Ofenreihen zu berücksichtigen sind.
ist es problematisch, in einem Elektrolyseofen Fernfeld in genügendem Maße zu kompensieren.
Aus Erzmetall, 27/10, (1974), 464 weiß der Fachmann, daß bei extrem gut symmetrierten Elektrolyseöfen
nachträglich Asymmetrien eingebaut werden mußten, um Schwingungen im abgeschiedenen Aluminium zu
verhindern. Dies wurde erreicht, indem die kithodischen Aluminiumschienen an einer bestimmten Stelle
durchtrennt wurden, ohne die Öfen stromlos zu machen. Das Durchtrennen erfolgte so, daß bezüglich der
Querachse des Ofens nicht mehr gleichviel Kathodenbarren ihren Strom nach beiden Seiten der Ofenlängsseite
abführten.
Dieses vorbekannte Verfahren wird in Fig. 2 dargestellt, in welcher der Gleichstrom eines Ofens 30
über Kathodenbarren 17 und kathodische Stromschienen 31 zu der nicht gezeichneten Traverse der
folgenden Zelle geführt wird. Eine Stromschiene 31 ist bei 32 durchgetrennt, wodurch im kalhodischen
Anschluß absichtlich eine Asymmetrie in bezug auf die Querachse 33 eingeführt wird. Magnetisch wurde durch
das Durchtrennen ein nach oben gerichtetes Zusat?feld geschaffen, wodurch die magnetisch bedingten Strömungen
im flüssigen Metall tatsächlich beseitigt werden konnten.
Die DE-OS 26 53 643 beschreibt das Kompensieren magnetischer Felder, indem die Enden der Kathodenbarren
auf mindestens einer Längsseite der quergestellten Elektrolseöfen in verschiedener Anzahl mit zu den
Anoden des folgenden Ofens führenden Schienen verbunden sind. Dies hat in bezug auf ein magnetisches
Zusatzfeld denselben Finfluß wie das Durchtrennen der Schienen
In beiden Fällen wirkt sich nachteilig aus, daß das Zusatzfeld, das erzeugt werden soll, beim in der
elektrischen Reihenschaltung folgenden Ofen vermindert wird.
Der Erfinder hat sich Jt^'uib die Aufgabe gestellt,
eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium zu schaffen, bei welcher die magnetische Einstreuung
durch benachbarte Ofenreihen erniedrigt oder beseitigt werden kaiin, ohne beim in der Reihe folgenden Ofen
ein angelegtes Zusatzfeld zu beeinträchtigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst.
daß die den Strom nach entgegengesetzten Richtungen abführenden kathodischen Sammelschienen der einen
Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen D, d von der Ofenlängsachse, und die Sammelschienen der
anderen Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen D', d' von der Ofenlängsachse angeordnet sind, wobei die
Schienen mit den längeren Abständen D, D' bzw. die Schienen mit den kürzeren Abständen d, d' diametral
gegenüber liegen, und die Versetzungen D-c/bzw. D'-d'
der Sammelschienen je nach der Lage der benachbarten Ofenreihe derart angebracht sind, daß in der Elektrolysezelle
ein nach bekannten Rechenverfahren der Elektrotechnik ermitteltes magnetisches Zusatzfeld
entsteht das der magnetischen Einstreuung durch die Nachbarofenreihe entgegengesetzt gerichtet ist
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Versetzungen der Sammelschienen auf
derselben Ofenlängsseite so groß, daß das durch diese Versetzungen erzeugte magnetische Zusatzfeld gleich
groß ist, wie das entgegengesetzt gerichtete, von der benachbarten Ofenreihe eingestreute Magnetfeld.
Zweckmäßig sind sowohl die diametral gegenüberliegenden längeren Abstände der Sammelschienen von der
Ofenlängsachse als auch die entsprechenden kürzeren
g p
das 25 Abstände je gleich groß. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, es sind alle Variationen möglich:
— Die längeren Abstände und die kürzeren Abstände sind verschieden.
— Die längeren Abstände sind gleich, und die kürzeren Abständf. sind verschieden.
— Die längeren Abstände sind verschieden und die kürzeren Abstände sind gleich.
Die erfindungsgemäß erzeugte Asymmetrie kann dank der diametral gegenüberliegenden längeren und
kürzeren Abstände erzeugt werden, indem jede Sammelschiene mit gleichviel, d. h. der Hälfte der
Kathodenbarrenenden auf einer Ofenlängsseite, verbunden wird. Nach anderen Ausführungsformen können
jedoch diametral gegenüberliegende kathodische Sammelschienen gleichviele, von der Hälfte der Gesamtzahl
auf einer Ofenlängsseite abweichende Kathodenbarrenenden umfassen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, welche Ausschnitte aus Ofenreihen in Form eines Horizontalschnitles
durch drei Elektrolysezellen zeigt, näher erläutert. Es zeigt
F i g. 3 drei quergestellte öfen, wobei jede Kathodenschiene
mit fünf Kathodenbarrenenden verbunden ist, d. h. je mit einem Viertel,
Fig.4 drei quergestellte öfen wie in Fig. 3, wobei
aber zwei diametral gegenüberliegende Kathodenschienen mit sechs Kathodenbarrenenden, und die beiden
andern diametral gegenüberliegenden Kathodenschienen mit vier Kathodenbarrenenden verbunden sind.
Die in Reihe angeordneten, quergestellten öfen 34 sind alle gleich ausgebildet. An die Kathodenbarren 17
angeschlossen sind die Sammelschienen 35—38, wobei
bo die Schiene 35 einen Abstand D von der Längsachse 39,
die Schiene 36 einen Abstand d, die Schiene 37 einen Abstand D'. und die Schiene 38 einen Abstand c/'von der
Längsachse 39 hat. Diese Kathodenschienen 35—38 sind mit dem Anodenbalken 41 des Folgeofens in
b5 derselben Ofenreihe verbunden. Die Lage der benachbarten
Ofenreihe ist mit 42 angedeutet. Diese erzeugt in den Öfen 34 eine magnetische Einstreuung, die von
unten nach oben gerichtet ist. Läge die benachbarte
Ofenreihe auf der entgegengesetzten Seite, würde sie eine vertikal von oben nach unten gerichtete magnetische
Einstreuung erzeugen.
Die Kathodenschiene 35 hat einen Abstand von der Ofenlängsachse 39, der um D—d größer ist als der
entsprechende Abstand der Kathodenschiene 36. Ebenso hat die Stromschiene 37 einen Abstand von der
Ofenlängsachse, der um D'—d' größer ist als der entsprechende Abstand der Stromschiene 38. Im
vorliegenden Fall ist D= D'und d= d'.
Statt einer einzelnen Stromschiene kann 35 eine Serie von parallelen Stromschienen umfassen, ebenso 36, 37
und/oder 38.
Nach den bekannten Gesetzen der Elektrizitätslehre kann man erkennen, daß die bezüglich der Ofenlängsachse
gegenüber liegenden Kathodcnschiencn 35 und 36 bzw. 37 und 38 ein vertikales Magnetfeld erzeugen,
das von oben nach unten gerichtet ist, das durch die entsprechenden Kathodenschienen des in der Reihe
vorhergehenden Ofens nicht aufgehoben wird, weil diese Schienen jeweils einen größeren Abstand zur
Längsachse des Ofens als die Schienen des gleichen Ofens haben.
Wenn man jedes Ofenviertel für sich betrachtet, unterstützt die Versetzung der Kathodenschienen zum
Ofen hin oder vom Ofen fort jeweils die gewünschte magnetische Wirkung im vorhergehenden und folgenden
Ofen der Reihe.
In diesem Beispiel soll die vertikale magnetische Einstreuung von einer benachbarten Ofenreihe und der
Einfluß der erfindungsgemäßen Versetzung der Kathodenschienen 35—38 berechnet werden.
Für eine Stromstärke /=160kA und einen Ofenreihenabstand
von 36 m kann nach der Formel
H. =
2πν
durch Einsetzen der Werte eine magnetische Einstreuung von
H, = 7,1 A/cm
ermittelt werden.
Zwei Ofenlängsachsen 39 haben einen Abstand von 700 cm. Die Kathodenschienen 35 und 37 haben in
diesem Falle den gleichen Abstand zur Längsachse des zugehörigen Ofens von 400 cm. Auch die näher beim
Ofen angeordneten Schienen 36 und 38 haben in diesem Fall den gleichen Abstand zur Längsachse des
zugehörigen Ofens von 270 cm. Damit wird z. B. auf der Ofenlängsachse 39 an den Schmalseiten der Öfen eine
vertikale, nach unten gerichtete magnetische Feldstärke H2 erzeugt, die folgendermaßen berechnet wird:
H* = K (2-7Ö + 3ÖÖ - 4ÖÖ - 4Sö) - * ^0022264 = 7
K, welches die Dimension Ampere (A) hat, errechnet Mit der Schienenanordnung dieses Beispiels läßt sich
sich für einen Ofen von 16OkA Stromstärke nach folglich eine magnetische Einstreuung der Nachbarbekannten Regeln der Elektrotechnik für einen in der 35 ofenreihe von 7,1 A/cm2 vollkommen kompensieren.
Länge begrenzten Leiter zu 3185.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Elektrolysezelle mit kompensierten Magnetfeldkomponenten zur Herstellung von Aluminium
mittels Schmelzflußelektrolyse, von deren Längsseiten der aus den Kathodenbarren austretende
elektrische Strom mittels mindestens vier Sammelschienen asymmetrisch zu den Anodenbalken des
nächsten Ofens geführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die den Strom nach entgegengesetzten Richtungen abführenden kathodischen Sammelschienen
(35, 36), der einen Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen (D, d) von der Ofenlängsachse
(39), und die Sammelschienen (37, 38) der anderen Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen
(D', d')von der Ofenlängsachse (39) angeordnet sind, wobei die Schienen (35, 37) mit den längeren
Abständen (D, D')bzw. die Schienen (36,38) mit den
kürzeren Abständen (d, d') diametral gegenüberliegen, und die Versetzungen D-d bzw. D'-d' der
Sammelschienen je nach der Lage der benachbarten Ofenreihe (42) derart angebracht sind, daß in der
Elektrolysezelle ein nach bekannten Rechenverfahren der Elektrotechnik ermitteltes magnetisches
Zusatzfeld entsteht, das der magnetischen Einstreuung durch die Nachbarofenreihe entgegengesetzt
gerichtet ist.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzungen D-d bzw.
£>'-a"der Sammelschienen (35—38) so groß sind, daß
das Zusatzfeld und die entgegengesetzt gerichtete Einstreuung durch die benachbarte Ofenreihe (42)
gleich groß sind.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die diametral gegenüberliegenden
Abstände Dund D'und/oder c/und d'
der kathodischen Sammelschienen (35 und 37) und/oder (36 und 38) von der Ofenlängsachse (39)
gleich groß sind.
4. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die den elektrischen
Strom nach entgegengesetzten Richtungen abführenden kathodischen Sammelschienen (35, 38)
auf mindestens einer Ofenlängsseite mit derselben Anzahl, einem Viertel, von Enden von Kathodenbarren
verbunden sind.
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