EP0787833B1 - Schienenanordnung für Elektrolysezellen - Google Patents

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EP0787833B1
EP0787833B1 EP96810051A EP96810051A EP0787833B1 EP 0787833 B1 EP0787833 B1 EP 0787833B1 EP 96810051 A EP96810051 A EP 96810051A EP 96810051 A EP96810051 A EP 96810051A EP 0787833 B1 EP0787833 B1 EP 0787833B1
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bar
longitudinal
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cathode
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Alusuisse Technology and Management Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars

Definitions

  • the invention relates to a rail arrangement according to the preamble of claim 1.
  • the electrolytic cell In normal operation, the electrolytic cell is usually used operated periodically, even if there is no anode effect, by cracking the crust and adding alumina.
  • the cathode bars are in the carbon bottom of the electrolytic cell embedded, the ends of which are the electrolysis pan on both Reach through the long sides. These iron bars collect the Electrolysis current, which is arranged outside the cell Busbars, risers, anode bars or trusses and the anode rods to the carbon anodes the next cell flows. Through the ohmic resistance from the cathode bars to the anodes of the next cell Energy losses are caused in the order of magnitude of up to 1 kWh / kg of aluminum produced. It is therefore Tried repeatedly the arrangement of the busbars to optimize in terms of ohmic resistance.
  • the vertical components formed must also be used of magnetic induction, which - together with the horizontal current density components - in liquid metal obtained by the reduction process Generate force field.
  • the current flow from cell to cell is as follows:
  • the electrical direct current emerges in the carbon bottom of the cell arranged cathode bars.
  • the ends of the cathode bars are connected to the busbars via busbars connected, which is parallel to the electrolytic cell row run. From these along the long sides of the Conducting busbars, the current is passed over others flexible straps and via risers to the two ends the traverse of the next cell. Varies depending on the type of furnace the current distribution between the closer and the more distant End of the traverse, based on the general Current direction of the cell row, from 100/0% to 50/50%.
  • Means The vertical anode rods on the crossbar are locks attached, which carry the carbon anodes and with feed electrical current.
  • GB-A-2 001 344 is a rail guide at the beginning mentioned type disclosed.
  • the inventor has the Task given a rail arrangement of the aforementioned Provide a way that is as extensive as possible Compensation for the different current flows generated electromagnetic force fields can be achieved can.
  • a rail arrangement with the features of claim 1 leads to the achievement of the object according to the invention.
  • Electrolytic cells are suitable for arrangements with current strengths up to 170 KA.
  • the partial current rails are under each cell in the longitudinal center and vertically arranged to the longitudinal axis and the busbar runs in the longitudinal axis of the cell.
  • the partial conductor rails expediently run underneath each cell between support beams of the cathode tub, where the busbar crosses the support beams.
  • the order from partial busbars and busbars is preferred arranged approximately halfway up the height of the support beams.
  • An electrolytic cell 10 has a steel trough according to FIG. 1 12, which is lined with thermal insulation 14 is and receives a coal floor 16.
  • a coal floor 16 In the coal floor 16 are Embedded cathode bars 18, the ends of which the steel pan 12th reach through on both long sides.
  • the cathode bars 18 are connected to busbars 22 via flexible current strips 20.
  • the steel trough 12 is at a distance h from the floor 26 arranged and rests on steel beams 24th
  • Fig. 2 which the inventive arrangement for a number of electrolytic cells 10 with a nominal current of 140 KA.
  • the general direction of electrical DC is denoted by I.
  • the in Fig. 2 in Numbers in brackets refer to the number of Cathode bars, each to individual busbars are merged.
  • the current distribution within one With the same cell type, the cell depends on the current strength. Because there is no linear relationship between current and current distribution exists, the current distribution, i.e. the exact number of individual busbars merged cathode bar units, for a specific Current density based on magnetohydrodynamic models calculated.
  • the electrolytic cell 10 n is equipped with 20 cathode bar ends on each longitudinal side of the cell, of which 26 cathode bar units feed the upstream end of the anode bar or the traverse 28 of the subsequent cell 10 n + 1 and 14 units the downstream end.
  • 3 cathode bar units each from each long side of the cell 10 n are combined to form a partial busbar A, B and are guided along the longitudinal center m of the subsequent cell 10 n + 1 below the cell to its longitudinal axis x.
  • the two partial busbars A, B unite to form a busbar C, which leads along the longitudinal axis x to the downstream end of the traverse 28.
  • the two partial busbars A, B run between the Steel beams 24.
  • the busbar C crosses the Steel beams 24 in openings 25 provided therefor from the partial busbars A, B and the busbar C existing arrangement, which has the shape of a "T" itself at a height a above the floor 26, which is approximately the half height h corresponds to the steel beam 24.
  • the magnetic influence of the busbars A, B and the busbar C is increased by the proximity of the electrolysis metal and by the ferromagnetic environment present as a result of the steel trough 12 and the steel beam 24.
  • the small distance between the busbars A, B and the busbar C to the electrolysis metal allows the current to be reduced by dividing the busbars into a "T”. Magnetohydrodynamic calculations in the present case lead to the results summarized in the table below.
  • the growth factor is optimized for the magnetically Rail guide in the form of a "T” opposite the Rail guidance without "T” reduced by a factor of 3. Out of it there is a significant improvement in the stability of the Electrolytic cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schienenanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith 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 Schmelze tauchen von oben an Anodenbalken bzw. Traversen befestigte Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. 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 bis 970°C statt. Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung 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 angehoben werden.
Im normalen Betrieb wird die Elektrolysezelle üblicherweise periodisch bedient, auch wenn kein Anodeneffekt auftritt, indem die Kruste eingeschlagen und Tonerde zugegeben wird.
Im Kohleboden der Elektrolysezelle sind die Kathodenbarren eingebettet, wobei deren Enden die Elektrolysewanne auf beiden Längsseiten durchgreifen. Diese Eisenbarren sammeln den Elektrolysestrom, welcher über die ausserhalb der Zelle angeordneten Stromschienen, die Steigleitungen, die Anodenbalken bzw. Traversen und die Anodenstangen zu den Kohleanoden der Folgezelle fliesst. Durch den ohmschen Widerstand von den Kathodenbarren bis zu den Anoden der Folgezelle werden Energieverluste verursacht, die in der Grössenordnung von bis 1 kWh/kg produziertes Aluminium liegen. Es ist deshalb wiederholt versucht worden, die Anordnung der Stromschienen in bezug auf den ohmschen Widerstand zu optimieren. Dabei müssen 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.
In einer Aluminiumhütte mit längsgestellten Elektrolysezellen erfolgt die Stromführung von Zelle zu Zelle wie folgt: Der elektrische Gleichstrom tritt aus im Kohleboden der Zelle angeordneten Kathodenbarren aus. Die Enden der Kathodenbarren sind über flexible Bänder mit den Sammel- bzw. Stromschienen verbunden, welche parallel zu der Elektrolysezellenreihe verlaufen. Aus diesen entlang der Längsseiten der Zellen verlaufenden Stromschienen wird der Strom über andere flexible Bänder und über Steigleitungen zu den beiden Enden der Traverse der Folgezelle geführt. Je nach Ofentyp variiert die Stromverteilung zwischen dem näheren und dem entfernteren Ende der Traverse, bezogen auf die allgemeine Stromrichtung der Zellenreihe, von 100/0% bis 50/50%. Mittels Schlössern sind an der Traverse die vertikalen Anodenstangen befestigt, welche die Kohleanoden tragen und mit elektrischem Strom speisen.
In magnetischer Hinsicht ist die gegenwärtig übliche Speisung mit elektrischem Gleichstrom nicht besonders günstig. Durch Ueberlagerung von drei Strömungskomponenten entstehen Bewegungen im flüssigen Metall:
  • Die erste Strömungskomponente, welche im Prinzip eine Zirkulationsbewegung entlang der inneren Zellenwände ist, hat besonders schädliche Auswirkungen in bezug auf die Stabilität der Elektrolysezelle. Diese erste Komponente entsteht durch den Einfluss der benachbarten Elektrolysezellenreihe, welche den elektrischen Strom zum Gleichrichter zurückführt. Der Drehsinn der Rotation hängt davon ab, ob die benachbarten Zellenreihe links oder rechts, bezogen auf die allgemeine Richtung des Gleichstromes, von der Zelle liegt.
  • Die zweite Strömungskomponente besteht darin, dass in jeder Zellenhälfte (in bezug auf die Längsrichtung) je eine Zirkularströmung entsteht, wobei die Strömungsrichtungen gegenläufig sind. Diese Rotationsart hängt von der Stromverteilung zwischen den Steigleitungen ab.
  • Die dritte Strömungskomponente schliesslich besteht aus vier in den Zellenquadranten ausgebildeten Rotationen, wobei die diagonal gegenüberliegenden Rotationsrichtungen gleich sind. Diese Rotationen entstehen durch die ungleiche Stromverteilung in den Stromschienen und der Traverse von einem Zellenende zum anderen.
Die Ueberlagerung dieser drei Strömungskomponenten bewirkt, dass die Geschwindigkeit der Metallströmungen innerhalb der Zelle stark unterschiedlich ist. Wo alle drei Strömungskomponenten in gleicher Richtung verlaufen, entsteht eine hohe Metallgeschwindigkeit.
In der GB-A- 2 001 344 ist eine Schienenführung der eingangs wähnten Art offenbart.
Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Schienenanordnung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, mit der eine möglichst weitgehende Kompensation der durch die verschiedenen Stromflüsse erzeugten elektromagnetischen Kraftfelder erzielt werden kann.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt eine Schienenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Die erfindungsgemässe Schienenanordnung für längsgestellte Elektrolysezellen eignet sich für Anordnungen mit Stromstärken bis zu 170 KA.
Bei einer bevorzugten Schienenanordnung sind die Teilstromschienen unter jeder Zelle in deren Längsmitte sowie senkrecht zu deren Längsachse angeordnet und die Sammelschiene verläuft in der Längsachse der Zelle.
Zweckmässigerweise verlaufen die Teilstromschienen unter jeder Zelle zwischen Stützträgern der Kathodenwanne, wobei die Sammelstromschiene die Stützträger quert. Die Anordnung aus Teilstromschienen und Sammelstromschienen ist bevorzugt etwa in halber Höhe zur Höhe der Stützträger angeordnet.
Mit der erfindungsgemässen Stromschienenkonfiguration wird sowohl der stationäre Zustand der Zelle durch Verminderung der Niveauunterschiede der flüssigen Metalloberfläche als auch die Stabilität der Zelle im nicht-stationären Zustand durch Abnahme der Störungseinflüsse während des Zellenbetriebs verbessert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in
  • Fig. 1   einen Querschnitt durch eine Elektrolysezelle;
  • Fig. 2    das Prinzip der magnetischen Kompensation.
Eine Elektrolysezelle 10 weist gemäss Fig. 1 eine Stahlwanne 12 auf, die mit einer thermischen Isolation 14 ausgekleidet ist und einen Kohleboden 16 aufnimmt. Im Kohleboden 16 sind Kathodenbarren 18 eingebettet, deren Enden die Stahlwanne 12 auf beiden Längsseiten durchgreifen. Die Kathodenbarren 18 sind über flexible Strombänder 20 an Stromschienen 22 angeschlossen. Die Stahlwanne 12 ist in einem Abstand h zum Boden 26 angeordnet und ruht auf Stahlträgern 24.
Das Prinzip der magnetischen Kompensation durch die spezielle Stromschienenführung ergibt sich aus der Betrachtung der Fig. 2, welche die erfindungsgemässe Anordnung für eine Reihe von Elektrolysezellen 10 mit einer nominalen Stromstärke von 140 KA aufweist. Die allgemeine Richtung des elektrischen Gleichstromes ist mit I bezeichnet. Die in Fig. 2 in Klammern gesetzten Ziffern beziehen sich auf die Anzahl der Kathodenbarren, die jeweils zu einzelnen Sammelschienen zusammengeführt sind. Die Stromverteilung innerhalb einer Zelle richtet sich bei gleichem Zellentyp nach der Stromstärke. Da kein linearer Zusammenhang zwischen Stromstärke und Stromverteilung besteht, wird die Stromverteilung, d.h. die genaue Anzahl der jeweils zu einzelnen Sammelschienen zusammengeführten Kathodenbarreneinheiten, für eine bestimmte Stromdichte anhand von magnetohydrodynamischen Modellen berechnet.
Im vorliegenden Beispiel ist die Elektrolysezelle 10n mit je 20 Kathodenbarrenenden an jeder Zellenlängsseite ausgestattet, wovon 26 Kathodenbarreneinheiten das stromauf liegende Ende des Anodenbarrens bzw. der Traverse 28 der Folgezelle 10n+1 speisen und 14 Einheiten das stromab liegende Ende. Je 3 Kathodenbarreneinheiten von jeder Längsseite der Zelle 10n sind zu je einer Teilstromschiene A, B zusammengefasst und entlang der Längsmitte m der Folgezelle 10n+1 unter der Zelle zu deren Längsachse x geführt. In der Mitte der Zellenlängsachse x vereinigen sich die beiden Teilstromschienen A, B zu einer Sammelstromschiene C, die entlang der Längsachse x zum stromab liegenden Ende der Traverse 28 führt.
Die beiden Teilstromschienen A, B verlaufen zwischen den Stahlträgern 24. Die Sammelstromschiene C durchquert die Stahlträger 24 in hierfür vorgesehenen Durchbrüchen 25. Die aus den Teilstromschienen A, B sowie der Sammelstromschiene C bestehende Anordnung, die die Form eines "T" aufweist, befindet sich auf einer Höhe a über dem Boden 26, die etwa der halben Höhe h der Stahlträger 24 entspricht.
Der magnetische Einfluss der Teilstromschienen A, B sowie der Sammelstromschiene C wird durch die Nähe des Elektrolysemetalls und durch die als Folge der Stahlwanne 12 und der Stahlträger 24 vorhandenen ferromagnetischen Umgebung verstärkt. Der geringe Abstand der Teilstromschienen A, B sowie der Sammelstromschiene C zum Elektrolysemetall lässt eine Herabsetzung des Stromes durch Aufteilung der Stromschienen zu einem "T" zu. Magnetohydrodynamische Berechnungen führen im vorliegenden Fall zu den in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellten Ergebnissen.
Stationäre Analyse Stabilitätsanalyse
Schienenführung Stromstärke Vmax Vmetal Δh Zuwachsfaktor
(KA) (cm/s) (cm/s) (mm) (1/S) .10-2
ohne "T" 140 28 7.8 37 1.5
mit "T" 140 20 6.6 28 .44
Vmax = maximale Geschwindigkeit im flüssigen Metall
Vmetal = mittlere quadratische Geschwindigkeit im flüssigen Metall
Δh = Niveauunterschied der flüssigen Metalloberfläche
Die errechneten Werte zeigen deutlich die Ueberlegenheit der erfindungsgemässen Stromschienenführung in Form eines "T" im Vergleich zu einer konventionellen Schienenführung. Die wichtigste Information ergibt sich aus der Stabilitätsanalyse. Das Maximum des mit den Anregungszuständen verknüpften Zuwachsfaktors ist für die in magnetischer Hinsicht optimierte Schienenführung in Form eines "T" gegenüber der Schienenführung ohne "T" um den Faktor 3 geringer. Daraus ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Stabilität der Elektrolysezelle.

Claims (4)

  1. Schienenanordnung zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer längsgestellten Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, über Stromschienen zu den Traversenenden der Folgezelle, wobei eine Stromschiene unter der Zelle in deren Längsrichtung geführt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Kathodenbarrenenden an jeder Längsseite der Zelle (10n) zu je einer Teilstromschiene (A, B) zusammengefasst ist, wobei die Teilstromschienen von den Längsseiten der Folgezelle (10n+1) quer zu deren Längsachse (x) unter die Zelle geführt und unter der Zelle zu einer Sammelstromschiene (C) zusammengeführt sind und die Sammelstromschiene unter der Zelle in deren Längsrichtung zum stromab liegenden Ende der Traverse (28) geführt ist.
  2. Schienenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstromschienen (A,B) unter jeder Zelle (10) in deren Längsmitte (m) und senkrecht zu deren Längsachse (x) angeordnet sind und die Sammelstromschiene (C) in der Längsachse (x) der Zelle verläuft.
  3. Schienenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstromschienen (A,B) unter jeder Zelle (10) zwischen Stützträgern (24) der Kathodenwanne (12) verlaufen und die Sammelstromschiene (C) die Stützträger (24) quert.
  4. Schienenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstromschienen (A,B) und die Sammelstromschiene (C) unter jeder Zelle (10) etwa in halber Höhe (a) zur Höhe (h) der Stützträger (24) angeordnet sind.
EP96810051A 1996-01-26 1996-01-26 Schienenanordnung für Elektrolysezellen Expired - Lifetime EP0787833B1 (de)

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