DE2904441C2 - Stromschienensystem von Elektrolysezellen zur Aluminiumherstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich aul'die elektrolytische Aluminiumherslellung, insbesondere auf Stromschienensy-Niemc von Elektrolysezellen zur Aiuminiumherstellung, insbesondere auf die Anordnung der Anodensteigleiter in bezug auf die Anodensysteme der Elektrolysezellen.

Am vorteilhaftesten kann die Erfindung in Stromschienensystemen von Elektrolysezellen zur Aluminiumherstclliing verwendet werden, die in einer Reihe in Queranordnung mit Abständen untereinander angeordnet sind.

Bei der Aiuminiumherstellung ist es üblich, daß man die Elektrolysezellen in einer Reihe mit Abständen untereinander anordnet. Die Elektrolysezellen in dieser Reihe sind reihcngcschaltet, d.h. die Katode jeder Elektrolysezelle ist mit Hilfe eines Slromschiencnsystems an das Anodensystem der nachfolgenden Elektrolysezelle angeschlossen. Die ganze Reihe der Elektrolysezellen wird also vom elektrischen Strom durchflossen.

Beim Betrieb von Elektrolysezellen entstehen starke elektromagnetische Felder, die durch die Einwirkung der Starkströme bedingt sind, von denen die hlcktrolysezellen durchflossen werden. Diese elektromagnetischen Felder üben einen bedeutenden Einfluß auf den Prozeß der Aluminiumelektrolyse und dessen wirtschaftliche Kennwerte aus.

Mit dem Leistungsanstieg einer Aluminiumelckirolysezclle wird der ungünstige Einfluß des Magnetfeldes auf den Prozeß der Aluminiumelektrolyse größer. Infolge einer Wechselwirkung zwischen dem äußeren Magnetfeld und den im geschmolzenen Metall fließenden Strömen entstehen in diesem Metall sehr starke clektromagnetische Kräfte. Die elektromagnetischen Kräfte führen Oberflachenstörungen des flüssigen Katodenmetalls und dessen starke Zirkulation herbei.

Infolge einer bedeutenden Schiefläge bzw. Wölbung des Metalls arbeiten die Elektrolysezellen bei einem Elektrodenabstand, der größer ist als der optimale Absland. Dies ruft eine Zunahme der Spannung an der Elektrolysezelle, einen Überverbrauch an elektrischer Energie und eine Überhitzung der Schmelze hervor, wodurch die Stromausneutc ungünstig beeinflußt wird.

Infolge der starken Zirkulation dringt das Metall in größerem Maße in den Nebenanodenhereich, wo es durch die anodischen Gase oxydiert wird. Durch zahlreiche Beobachtungen hat man festgestellt, daß in denjenigen Elekirolysezellenzonen, wo die Intensität des Magnetfeldes und die Zirkulation der Metallslröme ihre Höchstwerte erreichen, eine Verformung der Wandungen des Katodengehäuses stattfindet und oben in diesen Zonen die seitlichen Kohleplatten durch das geschmolzene Metall am häufigsten zerstört werden.

Bei gemeinsamer Einwirkung der Gasströme und der elektromagnetischen Kräfte entstehen Wellen auf der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums. Diese Wellen können örtliche Kurzschlüsse hervorrufen, wodurch die Stromausbeute wesentlich herabgesetzt wird.

Der Einsatz von Elektrolysezellen mit großer Leistung ist daher nur dann vertretbar, wenn man wirksame Maßnahmen zur Verhütung der schädlichen Magnetfeldeinwirkung getroffen hat.

In der Industrie versuchte man, diese Störung durch eine Modifikation des Verfahrens zu beseitigen, bei der der elektrische Strom den Elektrolysezellen zugeführt wird.

In einem System zur Stromzufuhr zu den Aluminiumelektrolysezellen sind die Stromleiter in mehrere parallel angeordnete Stromschienen geteilt, die in etwa eine Horizontalplatte unter den Elektrolysezellen bilden, wobei diese Leiter den Strom den Anoden abwechselnd zuführen. Obwohl diese Konfiguration zur Magnetfelddämpfung beiträgt, stellt eine große Leiteranzahl Hindernisse zur Bedienung der Elektrolysezellenbehälter dar und nimmt außerdem viel Platz in Anspruch.

Man schlug auch vor. die Stromschienen möglichst weit von den Elektrolysezellen anzuordnen und zugleich den Strom in den benachbarten Leitern in den entgegengesetzten Richtungen Hießen zu lassen. Diese Anordnung erfordert ebenfalls eine größere Produktionsfläche und dementsprechend höhere Investitionen. Außerdem führt die zusätzliche Slromschiencnlängc zu übermäßigen Energicverlusten.

In den letzten Jahren an Versuchs- und Gußbetriebselektrolysezellcn mit einer großen Stromstärke durchgeführte Untersuchungen der Magnetfelder haben es ermöglicht, die Anforderung an das Stromschienensystem einer Aluminiumelcktrolysczelle in der folgenden Gleichung zusammenzufassen:

•0;

wobei B die Querkomponente des Magnetfeldes.

ß_v die Längskomponente des Magnetfeldes.

B. die Vertikalkomponente des Magnetfeldes sind.

Mit anderen Worten bedeuten die oben genannten Forderungen eine Symmetrie des Quermagnetfeldes, eine Konstanz der B_y- und der β,-Größcn längs der Elektrolysezellenachsen und einen Minimalwert der in der< Elektrolysezellcnecken wirksamen absoluten Größen B. sowie eine Symmetrie des Vertikalmagnetfcldes in bezug auf die Elektrolysezellenachsen.

Auf diesem technischen Gebiet ist ein Stromschienensystem für die Aluminiumelektrolysezellen bekannt, die in einer Queranordnung in einer Reihe mit Abständen untereinander angebracht sind, wobei dieses System Katodcnschicncnpakcic. Anodensteigleiter und Anodenstromschienen enthält. In diesem System sind die Anodensteigleiter an den Elektrolysezcllenstirnflächen angeordnet. Das Stromschienensystem erzeugt ein symmetri-

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sches Magnetfeld, dessen Vertikalkomponente eine unbedeutende magnetische Feldstärke aufweist. Doch nehmen dabei die absoluten Werte der Horizontalkomponenten der Magnetfeldstärke stark zu, wodurch eine gesteigerte Zirkulation des flüssigen Aluminiums in der Elektrolysezelle, eine Störung der Stabilität des Elektrolyseprozesses und eine Herabsetzung der technisch-wirtschaftlichen Kennwerte dieses Prozesses hervorgerufen werden.

Das Stromschienensystem mit der Anordnung der Anodensteigleiter an den Elektrolysezellenstirnflächen ist in bezug auf die Anzahl dei Aluminiumstromschienen sehr aufwendig und kennzeichnet sich durch einen großen Spannungsabfall in den Katodenschienenpaketen.

Diese Nachteile werden in Stromschienensyslemen beseiiigl. die eine andere Anordnung der Anodensteigleiter hanen.

Unter anderem ist ein Stromschienensystem von Elekirolysezellen zur Aluminiumherstellung bekannt, die in Queranordnung in einer Reihe mit Abständen untereinander angebracht sind (s. US-PS 3 415 724). von dem die Erfindung ausgeht. Dieses System enthält Katodenschienenpakeie. Anodensteigleiier. die in Reihe in den Räumen zwischen den Elektrolysezellen angeordnet sind und Anodenschienen zur Stromzufuhr zu den Anodensystemen der Elektrolysezellen, die eine Parallelcpipedform aufweisen. Dabei sind alle Anodensteigleiter jeder Elektrolysezelle zwischen den Ebenen angeordnet, die über die Stirnflächen ihres Anodensystems verlaufen. Von der Seite der Elektrolysezelle, die in bezug auf den Stromlauf die Eingangsseite der \-orhergehenden Elektrolysezelle ist. wird Strom den Anodensteigleitern der in der Reihe nachfolgenden Elektrolysezelle über die stromführenden Pakete der Katodenschienen zugeführt, von denen ein Teil unter dem Elektrolysezellenbodcn angebracht ist und der andere Teil um die Elcktrolysezellenstirnfliiche verläuft.

Hierdurch werden alle drei Komponenten der magnetischen Feldstärke symmetrisch verteilt und uhr absoluter Wert reduziert, wodurch ein stabiler Elektrolyseprozeß erreicht und dessen technisch-wirtschaftliche Kennwerte gesteigert werden.

Die Anordnung der Anodcnsieigleiter im Raum zwischen den in der Reihe nebeneinander!legenden Elektrolysczellen setzt den Verbrauch an den Aluminiumschienen und die Leistungsverlusie im Stromschienensystem im Vergleich mit dem System, bei dem die Anodensteigleiter an den Stirnseiten der Elektrolysezellen angeordnet sind, bedeutend herab.

Das Vorhandensein mehrerer Anodcnsieigleiter im Raum zwischen den in der Reihe aufeinanderfolgenden Elektrolysezellen gegenüber dem Anodensyslem erschwert aber eine Mechanisierung der Arbeitsgänge zur Bedienung der Elektrolysezellen und führt einen großen Handarbeitsaufwand herbei. Indem die Anzahl der Anodensteigleiter im oben angegebenen Raum gesteigert wird, begegnet man immer größeren Schwierigkeiten. Wenn man versucht, die Anzahl der Anodensteigieiter zu vermindern, werden dadurch die Werte der magnetischen Feldstärke bedeutend gesteigert, womit die Stabilität des F.lektrolyseprozesses verschlechtert und dessen technisch-ökonomische Kennziffern herabgesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromschienensystem füi die Elektrolysezelle!! /ur Aluminiumhcrslellung zu schaffen, hei dem die Anodensieigleiter derart angeordnet sind, daß sie wenige! Raum zwischen den in der Reihe nebeneinanderlicgenden Flektrolyse/ellen ueuenüber dem Anodeps\siem in Anspruch nehmen.

wodurch eine Mechanisierung der Arbeitsgänge zu deren Bedienung ermöglicht wird, die den Handarbeitsaufwand reduziert, wobei eine Symmetrie der Verteilung aller drei Komponenten der magnetischen Feldstärke erhalten bleibt und deren absoluter Wert unbedeutend gering ist.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Stromschienensystem von Elektrolysezellen zur Aluminiumherstellung, die in einer Queranordnung in einer Reihe mit Abständen untereinander angebracht sind, daß Kalodenschienenpakete, Anodensteigleiter, die in einer Reihe in den Räumen zwischen den Elektrolysezellen angeordnet sind, und die Anodenschienen zur Stromzufuhr von den Anodensteigleitern zu den parallelepipedonförmigen Anodensystemen der Elektrolysezellen aufweist, erfindungsgemäß wenigstens zwei Anodensteigleiter jeder Elektrolysezelle außerhalb der Ebenen angeordnte sind, die über die Stirnkanten der Anodensysteme verlaufen, wobei die Anzahl der auf diese Weise angeordneten Anodensteigleiter so gewählt wird, daß die symmetrische Verteilung der Komponenten der magnetischen Feldstärke erreicht ist.

Dank dieser Lösung wird die Anzahl der Anodensteigleiier vermindert, die im Raum zwischen den in der Reihe nebeneinanderliegcnden Elektrolysezellen gegenüber dem Anodensyslem angebracht sind, wodurch eine Mechanisierung der Arbeitsgänge zur Bedienung der Elektrolysezellen ermöglicht ist. Die gesamte Anzahl der Anodensteigleiter jeder Elektrolysezelle bleibt dabei erhalten, so daß keine Vergrößerung der magnetischen Feldstärke erfolgt. Die Symmetrie aller drei Komponenten der magnetischen Feldstärke bleibt erhalten.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Anvvendungsbeispielc wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Stromschienensystem von Elektrolysezellen zur Aluminiumhcrstellung und

Fin. 2 eine schcmalische Draufsicht auf ein zweites Stromschienensystem von Elektrolysezellen zur Aluminiuniherstellung.

Fig. 1 zeigt schematisch drei Elektrolysezellen 1,2,3in der Mitte einer Reihe von Eleklrolysezellen, die in Queranordnung in einer Reihe mit Zwischenräumen 4 untereinander angebracht sind. Das Stromschienensystem enthält Anodensteigleiter 5, 6, 7, 8, 9, Anodenschienen IO und Kalodenschienenpakete 11, 12, 13. Die Anoden-Steigleiter 5, 6, 7, 8, 9 sind in den Zwischenräumen 4 zwischen den Elektrolysezelle!! 1, 2, 3 angeordnet, wobei sich die Anodensteigleiter 6,7, 8 gegenüber den Anodensystemen 14 der Elektrolysezellen 1, 2, 3 befinden, von denen jedes eine Parallelepipedform hat. und die Anodensieigleiter 5 und 9 außerhalb der Ebenen angeordnet sind, die über die Stirnkanten 15 der Anodcnsystcme 14 verlaufen. Die Anodensteigleiter 5, 6, 7, 8, 9 sind mit den Anodcnschienen 10 verbunden. Die Anoden-Steigleiter 5, 6, 7, 8, 9 der Elektrolysezelle 3 sind mit den Blöcken 16 der Elektrolysezelle 2. die Anodensteigleiter 5, 6, 7, 8, 9 der Elektrolysezelle 2 mit den Blöcken 16 der Elektrolysezelle I mit Hilfe der Katodenschienenpakele 11, 12, 13 verbunden, die nach einem beliebigen üblichen Schema angeordnet sind.

Dank der Anordnung der Anodcnsieiglciter 5 und 9

tv"> außerhalb der Ebenen, die über die Siirnkanlen 15 der Anodensysteme 14 verlaufen, wird der ihnen gegenüberliegende Raum frei. Die vergrößert die Möglichkeiten /ur Mechanisierung der Arbeitsgänge /ur Bedienung der

Elektrolysezellen und setzt dadurch den Arbeitsaufwand für die Aluminiiiniproduktion herab. Dabei störi die oben beschriebene Anordnung der Anodensteigleiter 5 und 9 die Symmetrie der Verteilung aller drei Komponenten der magnetischen Feldstärke nicht.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 sind die Anodensleigleiter 7 der Elektrolysezellen I, 2, 3 gegenüber den Anodensystemen 14 und die Anodensteigleiter 5,6,8 und 9 außerhalb der Ebenen angeordnet, die über die Stirnkanten 15 der Anodensysteme 14 verlaufen. Im übrigen weist diese Ausführungsvariante des Stromschienensystems keine prinzipiellen Unterschiede gegenüber dem oben angeführten System auf.

Bei dieser Ausführungsvariante des .Stromschienensystems wird ein noch größerer Raum gegenüber den Anodensystemen 14 der Eiektroiysezeiien i, 2, 3 frei. Es isi offensichtlich, daß sich dabei noch größere Möglichkeiten einer Mechanisierung der Arbeitsgänge zur Bedienung der Elektrolysezellen mit allen daraus folgenden Konsequenzen ergeben.

In diesem Falle wird ebenfalls die Symmetrie aller drei Komponenten der magnetischen Feldstärke nicht gestört, weil sich außerhalb der Ebenen, die über die Stirnflächen der Anodensysteme verlaufen, eine gleiche Anzahl der Anodensteigleiler befindet.

Das Stromschienensystem kann auch für Elektrolysezellcn verwendet werden, die eine beliebige andere Zahl von Anodensteigleitern haben, die in den Räumen zwischen den Elektrolyse/eilen angeordnet sind. Zur AuI-reehlerhaluing der Symmetrie der Verteilung aller drei Komponenten der magnetischen Feldstärke soll dabei die Zahl der Anodensteigleiter außerhalb der Ebenen, die

ίο über die Stirnkanlen des Anodensystems »'erlaufen, untereinander gleich sein.

Das erfindungsgemäße Stromschienensystem der Elektrolysezellen zur Aliiminiumherstelliing ermöglicht eine Steigerung des Mechanisicrimgsgradcs der Arbcitsgänge zur Bedienung der Elektrolysezelle!! bzw. eine Verminderung des Aufwands .im iiandaibciic-n. Eine Steigerung des Mechanisierungsgr.ides der Arbeitsgänge zur Bedienung der Elektrolysezellen führt wiederum eine Stabilisierung des technologischen Elekirolyseprozesses mit einer gleichzeitigen Steigerung der Produktionsleistung der Elektrolysezellen herbei. Dabei bleibt die Symmetrie der Verteilung der Komponenten der magnetischen Feldstärke aufrechterhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Stromschienensystem von Elektrolysezellen zur Aiuminiumherstellung, die in einer Queranordnung in einer Reihe mit Abständen voneinander angebracht sind, das Kathodenschienenpakete, Anodensteigleiter, die in den Räumen zwischen den Elektrolysezellen angeordnet sind, und Anodenschienen zur Stromleitung von den Anodensteigleitern zu den parallelepipedonförmigen Anodensyslemen der Elektrolysezellen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Anodensteigleiter (5,6,7,8, 9) jeder Elektrolysezelle (1, 2, 3) außerhalb der Ebenen angeordnet sind, die über die Stirnkanten (15) der Anodensysteme (14) verlaufen, wobei die Anzahl der derart angeordneten Anodensteigleiter so gewählt wird, daß die Komponenten der Magnetfeldstärke symmetrisch verteilt sind.

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