DE3618588A1

DE3618588A1 - Verbindungsschaltung fuer schmelzflusselektrolysezellen

Info

Publication number: DE3618588A1
Application number: DE19863618588
Authority: DE
Inventors: Joseph Chaffy; Bernard Saint Jean de Maurienne Langon
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1985-06-05
Filing date: 1986-06-03
Publication date: 1986-12-11
Also published as: FR2583068A1; NO862219L; NO862219D0; FR2583068B1; US4696730A; CH668985A5; DE3618588C2

Description

Verbindungsschaltung für Schmelzflußelektrolysezellen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Stromversorgung von Schmelzflußelektrolysezellen in einer Reihe zur Herstellung von Aluminium nach dem Hall-Heroult- Verfahren. Sie ist für Reihen von Schmelzflußelektrolysezellen vorgesehen, die quer zur Achse der Reihe angeordnet sind und die mit einer Stromstärke von mehr als 250 kA und bis zu 300 bis 600 kA arbeiten, ohne daß diese Werte eine Begrenzung des Anwendungsbereiches der Erfindung darstellen.

Die Schmelzflußelektrolysezellen für die Herstellung von Aluminium mittels Elektrolyse von in geschmolzenem Kryolith gelöster Tonerde nach dem Hall-Heroult-Verfahren bestehen aus einer wärmeisolierten rechteckigen Metallwanne, deren Boden eine Kathode aus kohlenstoffhaltigen Blöcken trägt, in die Metallstangen eingelassen sind, die aus den in bezug auf die Stromrichtung hinteren und vorderen Seiten der Metallwanne hervorstehen und die kathodische Ableitungen bilden, an denen die Leiter befestigt sind, die den Strom einer Zelle sammeln und ihn zum Anodensystem der nächsten Zelle führen. Dieses Anodensystem besteht aus mindestens einer und meistens zwei horizontalen leitenden Stangen, die als "Anodenrahmen" bzw. Anodenschiene bezeichnet und durch mindestens einen höhenverstellbaren, starren horizontalen Metallbalken getragen werden; die in zwei parallelen Reihen angeordneten kohlenstoffhaltigen Anoden

- If- 60 39'

werden von leitenden Stangen getragen, die lösbar bsi·?, beweglich mit den Anodenrahmen bzw. Anodenschienen verbunden sind.

Die Elektrolysezellen sind in einer oder in mehreren Reihen hintereinandergeschaltet und längs angeordnet oder derzeit meistens quer, so daß entweder ihre Langseite oder ihre Querseite parallel zur Achse der Reihe verläuft. Die Zellen sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Enden der Reihe mit dem positiven und negativen Ausgang einer elektrischen Gleichrichter- und Regelanlage verbunden sind. In jeder Zellenanordnung wird eine gerade Zahl von Einzel-Reihen bevorzugt, um die Leiterlängen bei einem Minimum zu halten.

Der elektrische Strom, der durch die verschiedenen Leiter, also Anode, Elektrolyt, flüssiges Metall, Kathoden, Verbindungsleitungen, fließt, erzeugt starke Magnetfelder» Diese Felder induzieren im Elektrolysebad und in dem in der Schmelzwanne enthaltenen flüssigen Metall sogenannte Laplace-Kräfte, die durch Verformung der Oberfläche des geschmolzenen Metalls und der Bewegungen, die sie erzeugen, den Betrieb der Zelle beeinträchtigen. Die Zelle und ihre Verbindungsleitungen werden daher so ausgelegt, daß sich die Wirkungen der von den verschiedenen Bauteilen der Zelle und den Verbindungsleitungen erzeugten Magnetfelder kompensieren.

Derartige Zellen, die für eine Stromstärke von 280 kA vorgesehen sind, werden u.a. in der FR-A 2 505 363 beschrieben.

., Man ist bestrebt, die Abmessungen der Produktionseinheiten zu V vergrößern, um die Investitionskosten und die Betriebskosten zu verringern; dies führt zu einer Zunahme der Stromstärke in jeder Zelle. Die Stromstärken der neuen Generationen von Zellen liegt heute über 300 000 A.

- € - 60 394

Bei diesen Stromstärken nehmen die magnetischen Effekte ein derartiges Ausmaß an, daß - wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen werden, um diese Effekte abzuschwächen - die Ausbeute der Elektrolysezellen stark verringert und im Grenzfall der Betrieb unmöglich wird.

Diese Störungen zeigen sich auf verschiedene Art und Weise;

- Verformung der Schicht aus flüssigem Aluminium, die auf der relativ wenig benetzbaren Kohlenstoff-Kathode entsteht und daher zufällige Bewegungen dieser Schicht, die einerseits zu einer Höhenverlagerung der Gesamtschicht führt, die in einigen Fällen größere Werte als der Abstand Anode-Metall annehmen kann sowie andererseits zu einer Deformation der Symmetrie-Verteilung;

- Auftreten von permanenten Bewegungen des Bades aus geschmolzenem Kryolith und des flüssigen Aluminiums, dessen (deren) Konfiguration mehr oder weniger günstig für den guten Ablauf der Elektrolyse sein kann;

- Auftreten von periodischen Bewegungen der Grenzfläche Bad/Metall, die für die Elektrolyseausbeute sehr schädlich sind (Instabilität) und in manchen Fällen bis zu einem Herausspritzen des flüssigen Metalls aus der Metallwanne führen können.

Die gegebenenfalls auftretende Asymmetrie der Bewegungen des Metalls mit Bezug auf die lange Achse der Zelle, führt weiterhin zu folgenden Nachteilen:

- da das mechanische Abtragen des erstarrten Kryoliths durch das flüssige Aluminium direkt mit der Umlaufgeschwindigkeit des Metalls gekoppelt ist, würde eine Asymmetrie dieser Umlaufgeschwindigkeiten bzw. Bewegungen zu einem unterschiedlichen Abtragen des erstarrten Kryoliths auf den beiden Seiten der Zelle führen;

SO 394

- der Wärmeaustausch zwischen Metall und erstarrtem Kryolith ist unmittelbar mit den Umlaufgeschwindigkeiten des Metalls gekoppelt: eine Asymmetrie dieser Umlaufgeschwindigkeiten würde zu unterschiedlichem Wärmeaustausch auf den beiden Langseiten der Zelle führen und dies hätte unterschiedliche Formen des erstarrten Kryoliths auf beiden Langseiten zur Folge, was sich auf die Effektivität der Zelle nachteilig auswirkt.

Um die magnetischen Störungen auszuschalten kann man ent\<?eder auf die horizontalen Ströme einwirken, die in der flüssigen Aluminiumschicht umlaufen, oder auf das Magnetfeld» Im vorliegenden Falle wird von der zweiten Möglichkeit Gebrauch gemacht.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß es wegen der immer größer werdenden Abmessungen der Elektrolysezelle im Zusammenhang mit der zunehmenden Stromstärke in jeder Zelle zunehmend schwieriger wird, Werte für die Magnetfelder zu erhalten, die eine stabile Lage der Metallschicht ermöglichen.

Um diese Stabilität zu erzielen, müßte die vertikale Komponente Bz des Magnetfeldes im quadratischen Mittel unterhalb 10~ T bleiben. Außerdem müßte, um die Badzirkulationen zu stabilisieren und die Geschwindigkeiten des Metalls zu verringern die horizontale Komponente Bx mit Bezug auf die Querachse (kurze Achse) der Zelle antisymmetrisch sein und By müßte im Mittel, bezogen auf die Längsachse (lange Achse), der Zelle antisymmetrisch sein.

Durch Anwendung von Leiterschemata von Zellen geringerer Stromstärke lassen sich die vertikalen Felder auf annehmbare Werte verringern bzw. verkleinern. Dies geschieht, indem die Anzahl der hinteren Steigleitungen der Zelle vervielfacht wird und indem sie in im wesentlichen konstanten Abständen angeordnet werden, jedoch die horizontalen Komponenten By asymmetrisch sind.

60 394

Zum Vergleich sei angegeben: Während bei den Zellen mit einer Stromstärke nahe 180 kA lediglich 50 bis 75 % des Stromes durch die hinteren Steigleitungen fließt muß bei längeren Zellen mit Stromstärken nahe 400 kA der gesamte Strom obligatorisch durch diese Leiter fließen, wodurch stark asymmetrische horizontale Felder erzeugt werden. Es gibt einen Schwellenwert der Stromstärke oberhalb dessen diese Asymmetrie die Effektivität stark beeinträchtigt, indem starke Bewegungen (Zirkulationen) des Bades und des flüssigen Aluminiums erzeugt werden, durch die die Elektrolyse (der Elektrolysevorgang) destabilisiert wird.

Mit Hilfe der Erfindung wird dieses Problem gelöst.

Um die Symmetrie der (Magnet)Felder wiederherzustellen kann man daran denken, eine Steigleitung auf der Vorderseite der Zelle anzuordnen. Um jedoch zu verhindern, daß die vertikalen Komponenten der Felder verzerrt werden, muß diese Steigleitung entlang einer sorgfältig gewählten Bahn angeschlossen und abgezweigt werden, und zwar unter Verwendung der Unterseite der Metallwanne und im wesentlichen parallel zur Längsachse der Wanne, wobei zumindest ein Teil der Bahn vom Kopf zum Zentrum der Zelle verläuft.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung von Leitern, geeignet für quer angeordnete Zellen mit vorgebrannten Anoden und Stromstärken über 250 kA und bis zu 300 bis 600 kA. Diese Anordnung ermöglicht es Werte für Magnetfelder zu erhalten, deren vertikale Komponente überall unterhalb 1" T liegt und deren horizontale Komponenten sich den oben festgelegten Bedingungen der Asymmetrie nähern.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 schematisch für zwei aufeinanderfolgende Halbzellen, die symmetrisch sind mit Bezug auf die kleine Achse (1) der

JiD i 8 5 8 8

- rf - 60 394

• /M-

Zelle, die mit der Achse der Reihe zusammenfällt, die Anordnung der Verbindungsleitungen= Diese Figur ist eine auf die wesentlichen Elemente beschränkte Draufsicht und betrifft Zellen mit einer Stromstärke in der Größenordnung von 480 kA;

Fig. 2 eine analoge Anordnung wie Fig. 1 jedoch für Zellen mit einer Stromstärke nahe 360 kA?

Fig. 3 die Stromverteilung in den Leitern einer Zelle von 480 kA nach der Erfindung.

Der Deutlichkeit der Darstellung wegen sind in Fig_o 1 die kathodischen Ableitungen durch dicke Striche und die verschiedenen Verbindungsieiter in den Fig. 1 bis 3 durch einfache Striche angegeben und die punktierten Linien zeigen an, daß die Leiter unterhalb der Ebene des Bodens der Metallwanne 2 verlaufen.

Der Umriß der Wanne 2 ist mit (2), die hinteren kathodischen Ableitungen sind insgesamt mit 3, die vorderen kathodischen Ableitungen insgesamt mit 4, die Lage der die Anoden tragenden Stangen mit 5, die beiden Teile des Anodenrahmens bzw. der Anodenschiene mit 6 und die sie verbindenden äquipotentialen Leiter mit 7 bezeichnet.

In der folgenden Beschreibung wird jeder Leiter mit einer Zahl und seine symmetrische Entsprechung bezogen auf die gemeinsame Achse 1 der Reihe und der Zelle mit der gleichen Zahl und nachfolgend mit S (um die Symmetrie anzugeben) bezeichnet.

Weiterhin werden folgende Begriffe verwendet?

- "kopfseitige Steigleitung"? die beiden Steigleitungen, die den Anodenrahmen an seinen beiden Enden, auf den üblicherweise "Köpfe" genannten Schmalseiten der Zelle speisen,

r / - 60 394

* /fa·

- "axiale Steigleitung": die im wesentlichen entlang der kurzen Achse (1) der Zelle, die ebenfalls die Achse der Reihe ist, verlaufende Steigleitung; sie kann aus zwei Halb-Steigleitungen bestehen, die nebeneinander angeordnet oder zu einem einzigen Leiter verschmolzen sind,

- "zentrale Steigleitungen": die beiden Steigleitungen, die zu beiden Seiten der axialen Steigleitung angeordnet sind, wenn diese vorhanden ist, oder sonst zu beiden Seiten - und im allgemeinen symmetrisch - der kurzen Achse 1,

- "Zwischen-Steigleitungen": die Steigleitung/en, die zwischen den kopfseitigen und den zentralen Steigleitungen angeordnet ist/sind.

Erfindungsgemäß erfolgt die Stromzufuhr zum Anodenrahmen der (n+l)ten Zelle jeder Reihe gleichzeitig über mehrere hintere, d.h. vorgeschaltete Steigleitungen, die im wesentlichen im gleichen Abstand und symmetrisch in bezug auf die vertikale Ebene, in der die kurze Achse der Zelle verläuft, angeordnet sind, sowie über mindestens zwei vordere, d.h. nachgeschaltete Steigleitungen, die im wesentlichen mit Bezug auf die gleiche vertikale Ebene symmetrisch sind, wobei diese vorderen Steigleitungen ihrerseits über Leiter gespeist werden, die mit den vorderen kathodischen Ableitungen der η-ten Zelle verbunden sind, und mindestens ein Teil dieser Verbindungsleiter unter der (n+l)-ten Zelle entlang einer im wesentlichen zur langen Achse dieser Zelle parallelen Bahn verläuft, wobei die Stromrichtung in diesen Leiterbereichen von den Köpfen zur kurzen Achse geht.

Je nach der Stärke des Gesamt-Elektrolysestroms, der die Serie speist, beträgt die Anzahl der hinteren Steigleitungen beispielsweise 5 bei Zellen von 360 kA, 7 bei Zellen von 420 kA und 9 bei Zellen von 480 kA; die Anzahl der vorderen Steigleitungen ist in diesen verschiedenen Fällen gleich 2 - wobei es sich hierbei lediglich um bevorzugte beispielhafte Angaben handelt, die keine Einschränkung der Erfindung auf die genannten

-X - 60 39Λ

Zahlenwerte bedeuten; insbesondere kann die Anzahl der hinteren Steigleitungen gerade oder ungerade sein.

Es muß ebenfalls darauf hingewiesen werden, daß unter Berücksichtigung der mechanischen Anforderungen an den Bau von Zellen dieser Größenordnung der Begriff "in gleichem Abstand" nicht im streng geometrischen Sinne zu verstehen ist, sondern bedeutet, daß die Steigleitungen in gleichmäßigen Abständen in dem freien Raum zwischen dem von den Anoden und ihren zugehörigen Systemen zur Aufhängung und Verschraubung mit dem Änodenrahmen gebildeten Komplexe so angeordnet sind, daß sie die Entfernung der verbrauchten Anoden und ihren Ersatz durch neue Anoden nicht stören. Das gleiche gilt für den Begriff "Symmetrie⁵', der mit den gleichen Einschränkungen zu interpretieren ist»

Zur Ausführung der Erfindung im Falle einer 480 kA~Zelle, wie sie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, sind 9 hintere Steigleitungen vorgesehen, die sich aufteilen ins eine kopfseitige Steigleitung 10 und ihre symmetrische Entsprechung 1OS (in der anderen Hälfte der Zelle), zwei Zwischen-Steigleitungen 11, 12 und ihre symmetrische Entsprechungen IIS, 12S in der anderen Zellenhälfte, eine zentrale Steigleitung 13 und ihre symmetrische Entsprechung 13S in der anderen Zellenhälfte sowie eine axiale Steigleitung 14, 14S bestehend aus zwei Halb-Steigleitungen, die nebeneinander bzw. hintereinander angeordnet oder auch miteinander verschmolzen und entlang der gemeinsamen Achse 1 der Zelle und der Serie angeordnet sind.

Die beiden vorderen Steigleitungen sind die Steigleitung 15 sowie ihre symmetrische Entsprechung 15S in der anderen Zellenhälfte.

Die kopfseitigen Steigleitungen 10 und 1OS werden von den hinteren kathodischen Sammlern über einen Leiter 16, 16S gespeist, der außerhalb des Zellenkopfes 17, doh. außerhalb der

3S18588

- 4 - 60

•/ft-

Schmalseite der Metallwanne 2 verläuft. Die Zwischen-Steigleitungen 11, 12 und IIS, 12S werden von hinteren kathodischen Sammlern gespeist, gleichzeitig über einen Leiter 18, 18S, der ebenfalls außen am Zellenkopf 17 vorbeiführt und über einen Leiter oder eine Gruppe von Leitern 19, 19S, der/die rund um den Zellenkopf 17 verläuft/verlaufen, sowie über einen Leiter oder eine Gruppe von Leitern 20, 2OS, der/die unter der Metallwanne 2 verläuft/verlaufen. Die zentralen Steigleitungen 13, 13S und die axiale Steigleitungen 14, 14S werden ausschließlich von den vorderen zentralen kathodischen Sammlern wie 21, 22, und 21S, 22S, 23S her gespeist. Die vorderen Steigleitungen 15, 15S schließlich werden durch einen Längs-Leiter 24, der unter der großen Achse der (n+l)ten Zelle verläuft, gespeist, und zwar ausgehend von kopfseitig angeordneten vorderen kathodischen Sammlern 25, 26, 25S, 26S mit Hilfe von Verbindungsleitern 27, 28, 27S, 28S, die unter dem Kopf der (n+l)ten Zelle zum Längs-Leiter 24, 24S hin verlaufen.

Die Verbindung der kathodischen Sammler mit den verschiedenen Kathoden-Ableitungen (sechzehn hintere Ableitungen 3A bis 3P und sechzehn vordere Ableitungen 4A bis 4P) wird folgendermaßen hergestellt:

Hinten

- die Kathoden-Ableitungen 3A und 3B werden an den Sammler angeschlossen, der seinerseits mit den unter der Zelle verlaufenden Stangen bzw. Leitern 20 verbunden ist;

- die Kathoden-Ableitungen 3C, 3D, 3E und 3F werden mit dem Sammler 30 verbunden, der seinerseits mit einer der Stangen bzw. Leiter 18 verbunden ist, die am Zellenkopf 17 vorbeilaufen;

- die Kathoden-Ableitungen 3G, 3H, 31 und 3J werden mit dem Sammler 31 verbunden, der mit der zweiten Stange bzw. dem zweiten Leiter 18 verbunden ist, der um den Zellenkopf 17 herumführt;

y - 60 394

AS-

- die Kathoden-Ableitungen 3K, 3L, 3M und 3N werden mit dem Sammler 32 verbunden, der mit der Stange bzw. dem Leiter 19 verbunden ist, der unter dem Zellenkopf 17 verläuft,

- die Kathoden-Ableitungen 3P und 3Q werden mit dem Sammler 33 verbunden, der mit der Stange bzw. dem Leiter 16 verbunden ist, der um den Zellenkopf 17 herumführt.

- die Kathoden-Ableitungen 4A, 4B, 4C, 4D werden mit dem Sammler 21 verbunden, der die axiale Halb-Steigleitung 14 speist,

- die Kathoden-Ableitungen 4E, 4F, 4G, 4H werden mit dem Sammler 22 verbunden, der die zentrale Steigleitung 13 speist,

- die Kathoden-Ableitungen 41, 4J, 4K, 4L werden mit dem Sammler 23 verbunden, der ebenfalls die zentrale Steigleitung 13 speist,

- die Kathoden-Ableitungen 4M und 4N werden mit dem Sammler 25 verbunden, der über die Stange 27 mit dem Längs-Leiter 24 verbunden ist, der unter der (n+l)ten Zelle angeordnet ist und die vordere Steigleitung 15 speist,

- die Kathoden-Ableitungen 4P und 4Q sind mit dem Sammler 26 verbunden, der über die Stange 28 ebenfalls mit dem Leiter und der vorderen Steigleitung 15 verbunden ist.

Um eine dem gesetzten Ziel entsprechende Verteilung und einen entsprechenden Wert der Komponenten des Magnetfeldes zu erreichen, muß die Verteilung des Stroms in diesen verschiedenen Leitern innerhalb folgender Grenzen liegen (angegeben in % der durch jede Zelle fließenden Gesamtstrosnnienge J„ für Werte von J oberhalb etwa 400 kA) ;

- in jeder kopfseitigen Steigleitung 10 und 1OSsi bis 6 % J

- in jeder Zwischen-Steigleitimg 11, 12„ IiS„ 12Ss 8 bis 15 % J

- in jeder zentralen und axialen Steigleitung .13, 14-M4S und 13S: 9 bis 16 % J

- in jeder vorderen Steigleitung IS₁₇ 15Ss 3 bis 9 % J₀

60 39*

Für die Verbindungsleiter gilt folgende Stromverteilung:

- in den Leitern 16 und 18 sowie 16S und 18S, die um jeden Zellenkopf herum laufen: 10 bis 20 % J

- in jedem Leiter 19 und 19S unter den Zellenköpfen: 3 bis 10 % J

- in jedem Leiter 20 und 2OS die unter der Metallwanne verlaufen: 0,5 bis 6,5 % J

- in jedem Längs-Leiter 24, 24S: 3 bis 9 % J.

Im Falle einer 360 kA-Zelle, gezeigt in Fig. 2, gelten die gleichen Grundsätze und gleichen konstruktiven Merkmale, mit einigen Vereinfachungen aufgrund der geringeren Stromstärke. In diesem Falle sind fünf hintere Steigleitungen vorgesehen, die sich aufteilen in eine Zwischen-Steigleitung ä 60 kA 11 und die nicht gezeigte symmetrische Entsprechung IIS, eine zentrale Steigleitung 13 ä 60 kA und ihre nicht gezeigte symmetrische Entsprechung 13S und eine axiale Steigleitung 14 bestehend aus zwei Halb-Steigleitungen ä 40 kA, die nebeneinander angeordnet oder miteinander verschmolzen sind, und ihre nicht gezeigte symmetrische Entsprechung 14S. Mit Bezug auf eine 480 kA-Zelle sind somit die beiden kopfseitigen Steigleitungen und die beiden Zwischen-Steigleitungen entfallen.

Vorhanden ist jedoch eine vordere Steigleitung 15 ä 30 kA und ihre nicht gezeigte symmetrische Entsprechung 15S.

In jeder Halb-Zelle wird

- die Zwischen-Steigleitung 11 von den hinteren kathodischen Sammlern 34, 35 der vorangehenden, η-ten Zelle über einen Leiter 36, der am Zellenkopf vorbeiführt, gespeist,

- die zentrale Steigleitung 13 von den vorderen kathodischen Sammlern 37, 38 gespeist,

- die axiale Halb-Steigleitung 14 von dem vorderen kathodischen Sammler 39 gespeist und

LS- 60 394

/β

- die vordere Steigleitung 15 von dem hinteren kathodischen Sammler 40 über eine Leitung 41 gespeist, die unter dem Kopf der η-ten Zelle verläuft, dann unter einem Winkel die (n+l)te Zelle und den Längs-Leiter 24 erreicht, der unter der Wanne angeordnet ist und der zu einem Teil im wesentlichen parallel zur langen Achse der Zelle verläuft.

Um die dem vorgegebenen Ziel entsprechende Verteilung und den entsprechenden Wert der Komponente des Magnetfeldes zu erzielen, soll die Stromverteilung in diesen verschiedenen Leitern innerhalb folgender Grenzen liegen, angegeben in % des Gesamtstromes J, der durch jede Zelle fließt, für Werte von J zwischen 300 und 400 kA sowie für fünf hintere Steigleitungen und zwei vordere Steigleitungen:

- in jeder Zwischen-Steigleitung 11, IIS: 12 bis 22 % J

- in jeder zentralen Steigleitung 13, 13S: 12 bis 22 % J

- in jeder axialen Halb-Steigleitung 14, 14A: 6 bis 12 % J

- in jeder vorderen Steigleitung 15, 15S: 6 bis 12 % J.

Die Verteilung der Kathoden-Ableitungen auf die verschiedenen kathodischen Sammler 34, 35, 40 (hinten) und 37, 38, 39 (vorne)

- sowie deren symmetrische Entsprechungen - ist aus Fig. 2 deutlich ersichtlich und braucht nicht näher erläutert zu werden.

Es muß ebenfalls bemerkt werden, daß der Längs-Leiter 24, der die vordere Steigleitung 15 speist, mit der Längsachse der Zelle einen Winkel oC bildet fin der Figur mit 24a durch die gepunktete Linie angegeben) ohne starke Auswirkung auf die vertikale Komponente Bz des Magnetfeldes und auf die Höhe der Grenzfläche Bad-Metall ist. Man kann den Abstand mit weniger

-A

als 1*10 "T annehmen bei einem Winkel <s4 = 30° ο Dasselbe gilt für die "stufenweise" Bahn C24fo in punktiert-gestrichelter Linie); dies läßt einen gewissen Spielraum in Abhängigkeit von der Raumbeanspruchung unter der Metallwanne der Zelle»

- 60 39'·

« Al'

Wenn die hintereinandergeschalteten Elektrolysezellen in zwei oder mehreren parallelen Reihen angeordnet sind, muß allgemein - um die größtmögliche Stabilität und die größtmögliche Faraday-Ausbeute zu erzielen - das störende induzierte Magnetfeld in jeder Reihe durch den in der benachbarten Reihe fließenden Strom kompensiert werden. Diese Kompensation kann in Kombination mit der Erfindung gemäß einem der Verfahren vorgenommen werden, die in älteren eigenen Patentschriften beschrieben sind, vor allem in der FR-A 2 333 060 (= US-A 4 072 597), wonach mit Bezug auf die Achse der Reihe (hintereinandergeschalteten Elektrolysezellen) eine Asymmetrie in der Anordnung der kathodischen Sammler erzeugt wird, gemäß der FR-A 2 343 826 (= US-A 4 090 930) wonach an dem der benachbarten Reihe nächsten Zellenkopf ein Gegen-Magnetfeld erzeugt wird, das im wesentlichen gleich aber von entgegengesetztem Vorzeichen ist wie das durch die benachbarte Reihe erzeugte Feld, indem mit einem Umleitungs-Leiter, der unter dem Zellenkopf verläuft, eine Schleife gebildet wird, oder gemäß der FR-A 2 425 482 (= US-A 4 169 034) wonach entlang jeder Reihe auf entweder einer einzigen Seite oder auf beiden Seiten ein Leiter angeordnet wird, der von einem Strom durchflossen wird, dessen Intensität und Richtung so gewählt werden, daß das von der/den benachbarten Reihe/n induzierte Feld kompensiert wird. Im vorliegenden Falle kann die Kompensation dadurch erreicht werden, daß die hinteren kathodischen Sammler und/oder die vorderen kathodischen Sammler und/oder die Verbindungsleiter, die unter der Zelle verlaufen, mit Bezug auf die Achse der Serie asymmetrisch angeordnet werden oder auch indem mindestens ein kathodischer Sammler auf einer Seite der Zelle mit einer Anzahl Kathodenstangen verbunden wird, die verschieden ist von der Anzahl Kathodenstangen, mit denen der entsprechende auf der anderen Seite der Zelle angeordnete Sammler verbunden ist, so daß das durch eine oder mehrere parallel zu der in Betracht gezogenen Reihe angeordneten Zellenreihen induzierte Magnetfeld in kurzer Entfernung kompensiert wird.

618 5 8 8

60 394

Beispiel;

Jil·

Die Erfindung wurde auf eine Reihe von 480 kA-Zellen angewandt: Jede Zelle war mit zwei Reihen vorgebrannter Anoden versehen sowie auf jeder Langseite (hinten und vorne) mit 32 Kathoden-Ableitungen, von denen jede 7,5 kA aufnahm. Die Stromverteilung in der Gesamtzelle war wie folgt:

Leiter	Anzahl	Stromstärke kA	% J	kA, fließt durch	Gesamt- Stromstärke kA
kopfseitige Steig				die zwei zentrale! Steigleitungen (13,14)
leitungen (10,1OS)	2	15	3,1	30
Zwischen-Steiglei-
tungen(ll,12,HS,
12S)	4	52,5	10,9	210
zentrale Steiglei
tungen (13,14+14S,
13S)	3	60	12,5	180
hintere Steig
leitungen (15,15S)	2	30	6,25	60
Gesamt			100	480
kcpfseitige Leiter
(16+18,16S+18S)	2	75	15,6	150
Leiter unter dem
Zellenkopf(19,19S)	2	30	6,25	60
Leiter unter der
Wanne(20,20S)	2	15	3,1	30
Längs-Leiter
(24,24S)	2	30	6,25	60
N.B. Die Differenz,	d.h. 180
300

(diess Werte sind, in Fig.! jeweils beim betreffenden Leiter angegeben)

Es wurden folgende Magnetfeld-Werte auf der Höhe der flüssigen Metallschicht gemessen:

- 60 394

JLO-

Bz - gefundener Maximalwert: 2"10 T.

-4
Bz quadratisch - Mittelwert: 5*10 T.

-4 By Mittelwert auf der Längsachse: 5,3*10 T.

By Maximalwert: 140Ίθ"⁴ T.

Diese Zellen zeigten beim experimentellen Betrieb eine bemerkenswerte Stabilität und erzeugten Aluminium mit einer Faraday Ausbeute von 94 bis 95 %. Mit den derzeit gebräuchlichen Schaltungsanordnungen kann diese Ausbeute nicht, nicht einmal angenähert erzielt werden.

Claims

ALUMINIUM PECHINEY 3618 5 88 D-8000 MÜNCHEN 90 lA-60 394 SCHVEIGERSTRASSE2 telefon: (089)662051 Telegramm: protectpatent telex: 5 24070 TELEFAX: (089) 663936 (tll) Patentansprüche s

1. Schaltung zum Verbinden zweier aufeinanderfolgender Zellen einer aus einer oder mehreren Reihen bestehenden Serienschaltung von Schmelzflußelektrolysezellen für die Herstellung von Aluminium mittels Elektrolyse von in geschmolzenem Kryolith gelöster Tonerde entsprechend dem Hall-Heroult-Verfahren bei einer Stromstärke von mehr als 250 kA und bis zu 300 bis 600 kA, wobei jede Zelle aus einer rechteckigen wärmeisolierten Metallwanne besteht, deren lange Achse rechtwinklig zur Achse der Reihe und deren kurze Achse parallel zur Achse der Reihe verläuft, die Metallwanne eine Kathode aus miteinander verbun denen kohlenstoffhaltigen Blöcken mit darin eingelassenen Me tallstangen stützt, deren Enden aus der Metallifanne aus deren beiden, bezogen auf die Stromrichtung in der Reihe, hinteren und vorderen Langseiten herausstehen, jede Zelle !weiterhin ein Anodensystem umfaßt, das aus zumindest einem - Anodenrahmen genannten - horizontalen, starren Balken mit mindestens einer horizontalen leitenden Stange besteht, an dem die Stangen zum Aufhängen der Anoden mit Klammern befestigt sind und wobei die Schaltung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellen kathodische Sammler aufweist, die einerseits mit den kathodiscfeen Ablei tungen der- η-ten Zelle und andererseits mit Verbinctangsleitern verbunden sind, die über Steigleitungen mit dem Änoäenrahmen der (n+l)ten Zelle in der Reihe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr zu dem Anoäenrahmen (¹S) der Cn-M)ten Zelle

36185&8.

DU .

- 2 - 6Ό~394

in jeder Reihe gleichzeitig über mehrere, in bezug auf die Stromrichtung hintere, Steigleitungen (11, 12, 13) erfolgt, die in zumindest annähernd gleichem Abstand und in bezug auf die Ebene, in der die kurze Achse (1) der Zelle liegt, symmetrisch angeordnet sind, sowie über zumindest zwei, in bezug auf die Stromrichtung vordere, Steigleitungen (15, 15S), die in bezug auf die gleiche vertikale Ebene im wesentlichen symmetrisch angeordnet sind, wobei diese vorderen Steigleitungen (15, 15S) über Leiter gespeist werden, die mit den vorderen kathodischen Ausgängen (4) der η-ten Zelle verbunden sind, zumindest ein Teil oder Bereich (24) dieser Verbindungsleiter in einer im wesentlichen zur langen Achse dieser Zelle parallelen Bahn unter der (n+l)ten Zelle verläuft und wobei die Stromrichtung in diesen Leiterbereichen (24) von den Köpfen (17) der Zelle zur kurzen Achse der Zelle verläuft.

2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens fünf hintere Steigleitungen und mindestens zwei vordere Steigleitungen vorgesehen sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß neun hintere Steigleitungen und zwei vordere Steigleitungen vorgesehen sind, die ausgehend von kathodischen Ausgängen der vorangehenden Zelle folgendermaßen gespeist werden:

- die kopfseitigen Steigleitungen (10, 10S) sind mit den hinteren kathodischen Sammlern (3) durch eine Leitung (16, 16S) verbunden, die außerhalb des Kopfes (17) der Zelle verläuft,

- die Zwischen-Steigleitungen (11, IIS, 12, 12S) werden zumindest teilweise ausgehend von den hinteren kathodischen Samm- . lern (29, 29S, 30, 3OS, 31, 3IS, 32, 32S) über einen Leiter (18, 18S) verbunden, der um jeden Kopf (17) der Zelle herum-

3S18588

- 3 - 60 394

geht, über mindestens einen Leiter (19, 19S), der unter jedem Kopf (17) verläuft und durch mindestens einen Leiter (20, 20S), der unter der Metallwanne (2) verläuft,

- die zentralen Steigleitungen (13, 13S, 14, 14S) sind mit den zentralen vorderen kathodischen Sammlern (21, 22, 23 bzw. 21S, 22S, 23S) verbunden,

- die vorderen Steigleitungen (15, 15S) sind mit den vorderen kathodischen Sammlern (25, 26 bzw. 25S, 26S)₇ die auf der Seite der Köpfe (17) angeordnet sind, über Verbindungsieiter (27, 28, 27S, 28S) verbunden, die unter dem Kopf der (n+l)ten Zelle verlaufen und die zu einem Leiter (24, 24S) führen, der unter der Metallwanne im wesentlichen im rechten Winkel zur langen Achse der Zelle angeordnet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß in jeder Zelle die kathodischen Sammler mit kathodischen Ausgängen (3, 4) auf folgende Weise verbunden sind?

- die hinteren kathodischen Ableitungen (3Ά, 3B) sind mit dem Sammler (29) verbunden, der seinerseits mit Stangen bzw. Leitungen (20) verbunden ist, die unter der Zelle verlaufen,

- die hinteren kathodischen Ableitungen (3C, 3B„ 3E, 3F) sind mit dem Sammler (30) verbunden, der seinerseits mit einer der Stangen bzw. Leitungen (18) verbunden ist, die um den Kopf (17) der Zelle herumlaufen,

- die hinteren kathodischen Ableitungen (3G, 3H₇ 31, 3J) sind mit dem Sammler (31) verbunden, der mit der zweiten Stange oder Leitung (18) verbunden ist, die um den Kopf (17) der Zelle herumläuft,

- die hinteren kathodischen Ableitungen (3K_r 3L= 3M, 3N) sind mit dem Sammler (32) verbunden, der mit der Stange oder Leitung (19) verbunden ist, die unter dem Kopf (17) der Zelle verläuft,

- die hinteren kathodischen Ausgänge (3P_P 3Q) sind mit dem Sammler (33) verbunden, der seinerseits mit der Stange oder

" 3 1 8 ^ P 8

ν-/ ^J ί O v^ O vj

- 4 - 60 394

Leitung (16) verbunden ist, die um den Kopf (17) der Zelle läuft,

- die vorderen kathodischen Ableitungen (4A, 4B, 4C, 4D) sind mit dem Sammler (21) verbunden, der die axiale Halb-Steigleitung (14) speist,

- die vorderen kathodischen Ableitungen (4E, 4F, 4G, 4H) sind mit dem Sammler (22) verbunden, der die Steigleitung speist,

- die kathodischen Ableitungen (41, 4J, 4K, 4L) sind mit dem Sammler (23) verbunden, der ebenfalls die Steigleitung (13) speist,

- die vorderen kathodischen Ableitungen (4M, 4N) sind mit dem Sammler (25) verbunden, der über die Stange mit dem längsverlaufenden Leiter (24) verbunden ist, der unter der (n+l)ten Zelle verläuft und die vordere Steigleitung (15) speist,

- die kathodischen Ableitungen (4R, 4Q) sind mit dem Sammler (26) verbunden, der über die Stange (28) ebenfalls zu dem Leiter (24) und der vorderen Steigleitung (15) führt.

5. Schaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß bei einer Zellen-Stromstärke von insgesamt 300 bis 400 kA der gesamte durch die Zelle gehende Strom J in folgender Weise aufgeteilt ist:

- in jeder Zwischen-Steigleitung (11, HS) : 12 bis 22 % J

- in jeder zentralen Steigleitung (13, 13S): 12 bis 22 % J

- in jeder axialen Halb-Steigleitung (14, 14S): 6 bis 12 % J

- in jeder vorderen Steigleitung (15, 15S): 6 bis 12 % J.

6. Schaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß bei einer Stromstärke von insgesamt mehr als 400 kA der gesamte durch die Zelle gehende Elektrolysestrom J auf folgende Weise verteilt ist:

- 5 - 60

- in jeder Kopf-Steigleitung (10, 10S): 1 bis 6 % J

- in jeder Zwischen-Steigleitung (11, HS, 12, 12S): 8 bis 15 % J

- in jeder zentralen Steigleitung (13, 13S, 14, 14S); 9 bis 16 % J

- in jeder vorderen Steigleitung (15, 15S): 3 bis 9 % J

7. Schaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Stromes, der durch die Verbindungsleiter fließt wie folgt verteilt ist:

- in den Leitern (16, 16S, 18, 18S), die um die Köpfe verlaufen: 10 bis 20 % J

- in jedem der Leiter (19, 19S), die unter den Köpfen verlaufen: 3 bis 10 % J

- in jedem der Leiter (20, 20S), die unter der Metallx-zanne verlaufen: 0,5 bis 6,5 % J

- in jedem längsverlaufenden Leiter (24, 24S) % 3 bis 9 % J.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hinteren kathodischen Sammler und/oder die vorderen kathodischen Sammler und/oder die Verbindungsleitungen, die unter der Zelle verlaufen, in bezug auf die Achse der Reihe asymmetrisch sind, so daß das Magnetfeld kompensiert wird, das durch eine oder mehrere Reihen von Zellen induziert wird, die parallel zur ersten und in geringem Abstand angeordnet sind.

9. Schaltung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Asymmetrie erzielt wird, indem mindestens ein auf einer Seite der Zelle angeordneter kathodischer Sammler mit einer Zahl Kathodenstangen verbunden wird, die verschieden ist von der Anzahl Stangen, an die der entsprechende„ auf der anderen Seite der Zelle angeordnete Sammler angeschlossen ist.