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Schienenanordnung für Elektrolysezellen
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schienenanordnung
zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer quergestellten
Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, zu der Traverse der
Folgezelle, wobei ein Teil der Schienen unter der Zelle angeordnet ist.
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Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid
wird dieses in Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith besteht.
Das kathodisch abge- -schiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze
auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die
Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben an einer Traverse befestigte Anoden
ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen.
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An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des
Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO
verbindet. Die Elektrolyse findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich von
etwa 940 - 9700 C statt. Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid.
Bei einer unteren Konzentration von 1 - 2 Gew.-8 Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt
es zum Anodeneffekt, der sich in einer Spannungsernöhung von beispielsweise 4 bis
5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die aus erstarrtem Elektrolytmaterial
gebildete Kruste eingeschlagen und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von
neuem Aluminiumoxid (Tonerde) angehoben werden.
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Im Kohleboden der Elektrolyse zelle sind die Kathodenbarren eingebettet,
wobei deren Enden die Elektrolysewanne auf beiden Seiten durchgreifen. Diese Eisenbarren
sammeln den Elektrolysestrom, welcher über die ausserhalb der Zelle angeordneten
Stromschienen, die Steigleitungen, die Traverse und die Anodenstangen zu den Kohleanoden
der Folgezelle fliesst.
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Durch den ohmschen Widerstand von den Kathodenbarren bis zu den Anoden
der Folgezelle werden Energieverluste verursacht, die in der Grössenordnung von
bis zu 1 kWh/kg produziertes Aluminium liegen. Es. ist deshalb wiederholt versucht
worden, die Anordnung der Stromschienen in bezug auf den ohmschen Widerstand zu
optimalisieren. Dabei müsssen jedoch auch die gebildeten Vertikalkomponenten der
magnetischen Induktion berücksichtigt werden, welche - zusammen mit den horizontalen
Stromdichtekomponenten - im durch den Reduktionsprozess gewonnenen flüssigen Metall
ein Kraftfeld erzeugen.
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In einer Aluminiumhütte mit quergestellten Elektrolyse zellen erfolgt
die Stromführung von Zelle zu Zelle folgendermassen: Der elektrische Gleichstrom
wird von im Kohleboden der Zelle eingebetteten Kathodenbarren gesammelt und tritt
in bezug auf die allgemeine Stromrichtung aus den stromauf- und stromab liegenden
Enden aus. Die eisernen Kathodenbarren sind über flexible Bänder mit Stromschienen
aus Aluminium verbunden.
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Die gegebenenfalls zu Sammelschienen zusammengefassten Stromschienen
führen den Gleichstrom in den Bereich der Folgezelle, wo der Strom über andere flexible
Bänder und über Steigleitungen zu der die Anoden tragenden Traverse geführt wird.
Die Steigleitungen sind je nach Zellentyp mit den Stirn-und/oder einer Längsseite
der Traverse elektrisch leitend verbunden.
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Diese für Aluminiumhütten charakteristischen Schienenführungen weisen
jedoch sowohl elektrische als auch magnetische Unannehmlichkeiten auf, die in mehreren
Vorveröffentlichungen zu beheben versucht worden sind.
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In der GB-PS 1 032 810 wird im Rahmen einer Erfindung, welche die
Ofenkapselung betrifft, offenbart, dass die Stromschienen unterhalb der Elektrolysezelle
angeordnet werden können.
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Der elektrische Strom wird von der Ofenlängsseite aus symmetrisch
in die Traverse der Folgezelle eingespeist. Nach Fig. 2 werden Stromführungen 135
in bezug auf die Ofenquerrichtung
symmetrisch-unter der Zelle durchgeführt.
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Nach der US-PS 3 415 724 wird eine Schienenführung angestrebt, mit
welcher die magnetischen Effekte nicht erhöht werden, wenn die S.tromstärke erhöht
wird. Zu diesem Zweck wird ein Teil des stromauf aus den Kathodenbarrenenden austretenden
Stromes, jedoch weniger als die Hälfte, unter der Zelle hindurchgeführt. Der übrige,
stromauf aus den Kathodenbarrenenden austretende Strom wird konzentriert um die
Stirnseiten der Zelle herumgeführt. Nach Fig. 3 liegen die den Strom unter der Zelle
hindurchführenden Leiter in der Mitte der Elektrolyse zelle und sind als Sammelschienen
ausgebildet. Die Einspeisung in die Traverse der Folgezelle erfolgt in bezug auf
die Ofenquerachse symmetrisch an vier Stellen der Traversenlängsseite.
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Das Verfahren der DE-AS 26 13 867 offenbart eine Schienenführung,
nach welcher ein Teil des stromauf aus den Kathodenbarrenenden austretenden Ofenstromes,
zusammengefasst in zwei Schienen, in der Zellenmitte unter dem Ofen durchgeführt
und seitlich in die Traverse des Folgeofens gespeist wird. Der Rest des stromauf
austretenden Stromes wird um die Zelle herum in die Stirnseiten der Traverse der
Folgezelle eingespeist (Fig. 3).-Der aus den stromab liegenden Kathodenbarren austretende
Strom wird zum anderen Zweig der Traverse der Folgezelle geführt und seitlich eingespeist.
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Die Anordnung zum Kompensieren schädlicher magnetischer Einflüsse
nach der DE-OS 28 45 614 umfasst drei unter der Zelle durchführende Sammelschienen.
Der Strom wird über drei Steigleitungen in die Traverse der Folgezelle seitlich
eingespeist. Diese Stromeinspeisung ist jedoch asymmetrisch, weil ein geringer Anteil
des Ofenstromes um diejenige kurze Seite der Zelle herumgeleitet wird, welche der
magnetisch vorherrschenden benachbarten Reihe von Zellen zugewandt ist.
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Die den Stand der Technik bildenden Veröffentlichungen bzw.
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die in ihnen offenbarten Vorrichtungen, bei welchen ein Teil der Schienen
unter der Zelle hindurch angeordnet ist, weisen den Nachteil auf, dass die magnetischen
und elektrischen Unannehmlichkeiten nicht in optimaler Weise beseitigt sind.
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Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Schienenanordnung
für quergestellte Elektrolysezellen zu schaffen, welche bei niedrigen Investitionskosten
und guter Stromausbeute praktisch vernaclässigbare magnetische und elektrische Effekte
erzeugt; Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mit den stromauf
liegenden Kathodenbarrenenden verbundene Schienen alternierend einzeln unter der
Zelle durch und paketweise um die Zelle herum angeordnet sind.
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Die mit den stromauf liegenden Kathodenbarrenenden verbundenen Schienen
können gruppenweise unter der Zelle durch-oder um die Zelle herumgeführt werden.
Dabei ist wesentlich, dass die unter der Zelle durch- und um die Zelle herumgeführten
Gruppen alternierend sind, und dass jede mit einem stromauf liegenden Kathodenbarrenende
verbundene, nicht um die Zelle herumführende Schiene einzeln unter der Zelle hindurch
geführt wird.
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Falls z.B. drei aufeinanderfolgend angeordnete, mit den stromauf liegenden
Kathodenbarrenenden verbundene Schienen eine unter der Zelle durchführende Dreiergruppe
bilden, so werden die nächsten drei, ebenfalls stromauf liegenden Kathodenbarrenenden
zu einem Paket zusammengefasst und in einer Schiene um die Zelle herumgeführt. Die
nächste Dreiergruppe von mit den stromauf liegenden Kathodenbarrenenden verbundenen
Schienen geht dann wiederum einzeln unter der Zelle durch, usw
Die
Zahl der die Gruppen bildenden Schienen ist auf fünf begrenzt; auf der anderen Seite
kann die Anzahl der die Gruppen bildenden Schienen auf eins reduziert werden, wobei
keine eigentlichen Gruppen, sondern Einzelschienen alternieren, d.h. in diesem letzteren
Fall wechseln unter der Zelle durch führende Schienen und um die Zelle herumführende
Schienen ab.
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Wenn zwei bis sechs Schienen die alternierenden Gruppen bilden, ist
die Anzahl der Gruppenmitglieder vorzugsweise etwa gleich gross. Mit anderen Worten
heisst dies, dass bevorzugt etwa ein Viertel der mit den Kathodenbarrenenden verbundenen
Schienen unter der Zelle durchgeführt wird. Das "etwa" muss hinzugefügt werden,
weil die Anzahl von Kathodenbarrenenden wohl immer eine gerade Zahl ist, aber nicht
einem Mehrfachen von vier entsprechen muss. Wenn die mit den stromaufliegenden Kathodenbarrenenden
verbundenen Schienen abwechslungsweise unter der Zelle durch- und um die Zelle herumgeführt
werden, ergibt sich dieser Sachverhalt zwangsläufig.
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Auf der stromab liegenden Seite der Elektrolysezellen werden die einzeln
unter der Zelle durchgeführten Schienen zu Sammelschienen vereinigt. In diese Sammelschienen
münden ebenfalls die um die Zelle herumgeführten Schienen und/oder die mit einem
stromab liegenden Kathodenbarrenende verbundenen Schienen. Die Sammelschienen werden
zur Traverse der Folgezelle geführt.
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Bei grösseren Elektrolyse zellen können beispielsweise alle mit einem
Kathodenbarrenende verbundenen Schienen zu vier Sammelschienen zusammengefasst sein.
Diese gehen in Steigleitungen über und sind elektrisch leitend mit der näheren Längsseite
bzw. mit mindestens einer Stirnseite der Traverse der Folgezelle verbunden.
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Grundsätzlich kann die Schienenanordnung symmetrisch oder asymmetrisch
sein.
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Bei einer symmetrischen Schienenführung mündet in alle in bezug auf
die Zellenquerachse symmetrisch angeordneten Sammelschienen die gleiche Anzahl von
mit einem Kathodenbarrenende verbundenen Schienen. Die Sammelschienen sind in bezug
auf die Zellenquerachse symmetrisch mit der näheren Längsseite bzw. den beiden Stirnseiten
der Traverse verbunden. Bevorzugt haben die Verbindungsstellen der Sammelschienen
mit der Traverse der Folgezelle den gleichen Abstand.
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Eine asymmetrische Stromführung kann im wesentlichen auf folgende
Arten erreicht werden: - Die am nächsten bei der magnetisch vorherrschenden Nachbarzellenreihe
liegende Steigleitung ist mit der Stirnseite der Traverse der Folgezelle verbunden,
während die übrigen Steigleitungen in die nähere Traversenlängsseite der Folgezelle
münden. Die Abstände zwischen den Verbindungen der Steigleitungen mit der Traverse
der Folgezelle sind vorzugsweise ungefähr gleich gross.
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- In die am nächsten bei der magnetisch vorherrschenden Nachbarzellenreihe
liegende/n Sammelschiene/n münden mehr mit einem Kathodenbarrenende verbundene Schienen
als in die weiter von der Nachbarzellenreihe entfernte/n Sammelschiene/n.
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Neben diesen beiden wichtigsten Ausführungsformen kann jedoch eine
asymmetrische Stromführung beispielsweise auch erreicht werden, indem zur Traverse
der Folge zelle führende Sammelschienen mit verschieden grossem Querschnitt ausgebildet
sind undzoder aus Materialien mit verschiedenem elektrischem Widerstand bestehen.
Weiter können die Kathodenbarrenenden verschieden lang ausgestaltet sein.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen schematisch: - Fig. 1 eine Elektrolyse zelle mit symmetrischer
Schienenführung zu der Traverse der Folgezelle - Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch
zwei nebeneinanderliegende Elektrolysezellen - Fig. 3 eine Elektrolysezelle mit
asymmetrischer Schienenführung zu der Traverse der Folgezelle, mit einseitiger Stirneinspeisung
- Fig. 4 eine Elektrolysezelle mit asymmetrischer Stromführung zur Traverse der
Folgezelle, mit Seiteneinspeisung - Fig. 5 eine stilisierte, asymmetrische Schienenführung.
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In die Elektrolysezelle 10 von Fig. 1 sind fünfzehn Kathodenbarren
12 eingebettet. Von den in bezug auf die allgemeine Stromrichtung I stromauf liegenden
Kathodenbarrenenden 14 wird der elektrische Gleichstrom wie folgt abgeführt: - Im
Zentrum der Zelle führen drei Aluminiumschienen 16 den Strom der drei mittleren
Kathodenbarrenenden unter der Zelle 10 durch ab.
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- Die nächsten beiden Kathodenbarrenenden sind mit einer Sammelschiene
18 verbunden, welche den Strom um die Zelle herum zu der Traverse 20 der Folgezelle
22 führt.
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- Von den nächsten beiden Kathodenbarrenenden wird der Strom, wie
bei den~mittleren Kathodenbarrenenden,
mittels Schienen 16 einzeln
unter der Zelle durchgeführt.
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- Schliesslich sind die äusseren beiden Kathodenbarrenenden wiederum
mit einer Sammelschiene 18 verbunden, die zu der Traverse 20 der Folgezelle 22 führt.
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Die Schienen sind also in Zweiergruppen alternierend einzeln unter
der Zelle durch und paketweise um die Zelle herum angeordnet.
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Die in bezug auf die allgemeine Stromrichtung I stromab liegenden
Kathodenbarrenenden 24 sind mit Sammelschienen verbunden, wobei sich die äusseren
Sammelschienen 26 mit den um die Zelle herumgeführten Schienen 18 vereinigen und
in einer Steigleitung L1 bzw. L3 zu den Stirnseiten der Traverse 20 emporgeführt
werden. Die in die Steigleitung L2 übergehende mittlere Sammelschiene mündet in
der Mitte der Traverse 20 in die der Zelle 10 zugewandte Seitenfläche.
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Im Bereich der Traverse 20 sind die Anodenpaare 28 angedeutet.
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Die Schienenführung von Fig. 1 ist in bezug auf die Zellenquerachse
absolut symmetrisch.
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Im Vertikalschnitt von Fig. 2 ist ersichtlich, wie der elektrische
Strom am stromauf liegenden Ende 14 des eisernen Kathodenbarrens 12 über flexible
Leiter 30 zu der unter der Zelle hindurchführenden Aluminiumschiene 16 und wieder
über flexible Leiter 30 zu der Sammelschiene 26 geführt wird.
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Diese Sammelschiene 26 geht in einen Steigleiter L über, der den Strom
zu der Traverse 20 der Folgezelle 22 führt. An dieser Traverse sind mittels Anodenstangen
32 die Anoden 28 aufgehängt.
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Die in Fig. 3 dargestellte, in bezug auf die allgemeine Stromrichtung
I quer angeordnete Elektrolysezelle hat 25 Kathodenbarren 12, bzw. je 25 stromauf
und stromab angeordnete Kathodenbarrenenden 14, 24. Die allgemeine Stromrichtung
der magnetisch vorherrschenden Nachbarzellenreihe, links von Fig. 3, ist mit IN
bezeichnet.
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Von den Kathodenbarrenenden 14 wird der Strom abwechselnd mit einzeln
angeordneten Schienen 16 unter der Zelle 10 durch oder mit Sammelschienen 18 um
die Zelle herumgeführt.
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Die Schienenanordnung bzw. Stromführung ist in bezug auf die Zellenquerachse
asymmetrisch, indem um die der magnetisch vorherrschenden Nachbarzellenreihe zugewandten
Stirnseite der Elektrolysezelle 10 wesentlich mehr Sammelschienen 18 herumgeführt
werden, als um die gegenüberliegende Stirnseite der Zelle. Weiter führt die der
magnetisch vorherrschenden Nachbarzellenreihe zugewandte Steigleitung L1 zu der
Stirnseite der Traverse 20 der Folgezelle 22, während die übrigen Steigleitungen
L2, L3 und L4 mit der der Zelle 10 zugewandten Seitenfläche der Traverse verbunden
sind. Im vorliegenden Fall haben alle Schweissverbindungen der Steigleitungen mit
der Traverse sowohl untereinander als auch von der freien Stirnseite der Traverse
den gleichen Abstand.
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Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der Zelle entspricht -
abgesehen von der Schienenführung - derjenigen von Fig. 3. Hier sind jedoch die
mit den stromauf liegenden Kathodenbarrenenden 14 verbundenen Schienen 16, 18 in
Fünferpaketen alternierend einzeln unter der Zelle durch und paketweise um die Zelle
herum angeordnet. Weiter ist die Schienenführung asymmetrisch, weil die Sammelschienen
18 auf der der magnetisch vorherrschenden Zellenreihe zugewandten Stirnseite den
Strom von zehn Kathodenbarrenenden 14 um die Zelle herumführen, auf der gegenüberliegenden
Stirnseite jedoch nur denjenigen von fünf Kathodenbarrenenden 14, und weil die
Steigleitungen
L1 und L2 den Strom von je fünfzehn Kathodenbarrenenden zu der näheren Traversenseitenfläche,
die Steigleitungen L3 und L4 nur den Strom von je zehn Kathodenbarrenenden führen.
Schliesslich ist sowohl der Abstand zwischen L1 und L2 als auch zwischen L3.und
L4 kleiner als der Abstand zwischen L3 und L4.
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In Fig. 5 sind die isolierten Schienenführungen stilisiert dargestellt.
Von den stromauf liegenden Kathodenbarrenenden 14 fliesst der Strom abwechselnd
über Schienen 16 unter den Zellen durch und über Sammelschienen 18 um die Zelle
herum.
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Die um die Zelle herumführenden Sammelschienen 18, die den Strom yon
den Schienen 16 abnehmenden flexiblen Bänder 30 und die den Strom von den stromab
liegenden Kathodenbarrenenden abnehmenden Schienen 26 vereinigen sich zu drei grossen
Schienen, die in Steigleitungen L1, L2 und L3 übergehen und und Strom zur Traverse
der Folgezelle führen. Wie aus Fig. 5 leicht ersehen werden kann, ist auch diese
Anordnung asymmetrisch.