KR800001344B1 - 횡으로 배열된 용융 전해조의 인접열 내의 자장 보상장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

횡으로 배열된 용융 전해조의 인접열 내의 자장 보상장치

제1도는 인접열과 스텝(step)들에 의하여 발생되는 자장의 방향을 나타내는 다이아그램.

제2도는 인접열의 자장이 외부 상부측의 첫번째 음극바아를 내부 상부 도체에 연결하여서 보상되는 직렬로 된 두 전지의 평면도.

제3도는 인접 열의 자장이 외부 하부측의 첫번째 음극바아를 내부 하부 도체에 연결하여서 보상되는 직렬로 된 두 전지의 유사한 평면도.

제4도는 인접 열의 자장이 와류 수평자장의 발생없이 보상되는 직렬로 된 두 전지에 대한 다른 평면도.

제5도 및 제6도는 선행된 실시예를 변형하여 구성되는 보상장치를 도시한 도면으로,

제5도는 블록 다이아그램이며, 제6도는 실시예의 좀 더 상세한 예를 도시한 도면.

제7도는 전기 루우프(loop)를 통하여 흐르는 전류에 따른 도가니의 4모서리에서의 자장을 도시하는 그라프.

본 발명은 횡으로 배열된 용융 전해조의 인접열의 자장을 보상하기 위한 장치에 관한 것이다.

알루미늄은, 전기적으로 직렬로 연결된 전해조들 내에서, 전해조를 통하여 흐르는 전류의 주울(Joule) 효과에 의하여 950°-1000℃ 정도의 온도로 가열된 빙적석 내에 있는 알루미나 용액을 용융 전기 분해하여 상업적으로 생상된다.

각 전해조는 도가니를 형성하는 직사각형 음극으로 구성되며, 그 도가니의 기부는 소위 음극바아(bar)로 불리우는 강철바아에 고정된 탄소 블럭(block)으로 형성되어, 이 음극바아는 전류를 한 전해조의 음극으로부터 다음 전해조의 양극으로 이동시키는데 사용된다.

마찬가지로 탄소로 만들어진 양극은 전해조의 도가니 위에 걸쳐있는 상부 구조물에 고정된 소위 양극 바아로 불려지는 알루미늄 바아에 고착된 막대에 고정된다. 이들 양극 바아들은 소위 “스텝”이라고 불리우는 알루미늄 도체에 의하여 앞에 있는 전해조의 음극 바아에 연결된다.

전해액, 다시 말해서 빙정석 내의 알루미나 용액은 양극과 음극 사이에 놓인다. 산출된 알루미늄은 음극에 퇴적되고, 잔류 알루미늄은 음극 도가니의 기부에 보존된다.

도가니는 직사각형이므로, 양극을 지지하는 양극 바아는 일반적으로 도가니의 큰 변과 평행하며, 반면에 음극 바아는 소위 전해조 헤드(head)라 불리우는 도가니의 작은 변과 평행하다.

전해조들은 전해조의 큰 변 혹은 작은 변 중 어떤 변이 열의 축과 평행한가에 따라 종으로 또는 횡으로 열들로 배열된다. 전해조들은 전기적으로 직렬로 연결되어, 열의 양단은 정류 및 조절을 위해 변전소의 양출력과 음출력에 연결된다. 직렬로 연결된 각 전해조들에는 일정한 수의 직렬로 연결된 열이 포함되며, 열의 수는 불필요한 도체를 없애기 위해 짝수이면 좋다.

여러가지 도체, 즉 전해질, 액체금속, 양극, 음극, 결선도체를 통하여 흐르는 전류는 상당한 자게를 만들어낸다. 도가니 내의 전해액 및 용융금속 내에서, 이들 자계는 소위 라플라스 힘(Laplace force)을 유기하는데, 이 힘은 변동이 생기므로 전해조의 작용에 해가된다. 전해조와 전해조 결선도체들은 전해조의 여러 부품 및 결선도체에 의해 발생되는 자장들이 서로 보상되어지게 설계된다. 따라서, 전체적인 결과는 전해조가, 대칭면으로서, 전해조들의 열에 평행하고 도가니의 중심을 통과하는 수직면을 가지게 된다.

그러나, 이러한 전해조들은 또한 인접열 또는 인접열들로부터 발생되는 자장에 의하여 장애를 받게 된다.

여기서부터, “상부”(upstream)와 “하부”(downstream)란 용어는 문제의 전해조들의 열을 통하여 흐르는 전류의 방향에 관한 것이다. “인접열”이란 용어는 문제의 열에 가장 인접한 열이며, 반면에, “인접열의 자장”은 문제되는 열 이외의 다른 모든 열들의 자장의 합이다.

본 발명은 횡으로 배열된 용융 전해조들의 인접열에서의 자장을 보상하는 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 장치에서, 인접 상부 전해조의 음극으로부터 하부 전해조의 양극에 공급되는 도체들 내의 전류의 분포는, 인접열에 의하여 발생되는 자장과 거의 같으며 방향이 반대인 추가 자장을 만드는 전기 루우프를 전해조에 중첩시키는 방식으로 변경된다.

본 발명에 의한 장치에 의하면, 적어도 하나의 상부 전해조와 하나의 하부 전해조로 구성되는 전해조들의 열에 있어서, 인접 열의 자장을 보상하는 것이 가능하다. 각 전해조는, 양극에 부착된 막대가 고정되는 적어도 2개의 양극 바아와, 그 기부가 음극 바아에 봉해진 탄소 블럭들로 형성되는 음극 도가니로 구성되어, 하부 전해조의 양극 바아에는 적어도 2스텝에 의하여 상부 전해조의 음극 바아로부터의 전류가 공급된다. 여기서 2스텝이란 내부 스텝, 즉 인접열의 측면에 놓이는 것과 외부 스텝을 가리키는 것으로, 각 스텝은 2개의 도체로 이루어져서, 하나는 음극 바아의 상부 단부에 연결되고 나머지 하나는 음극 바아의 하부단부에 연결된다. 상부측 또는 하부측에 있는, 내부 스텝의 도체의 하나는 내부에서 취해진 음극 바아들의 대응하는 단부의 반 이상과 연결되고, 외부 스텝의 대응 도체는 내부 스텝과 연결되지 않는 외부측 단부와 연결되며, 반면에 하부 또는 상부측에 있는 다른 내부 도체는 대응 단부들의 내부 반 및 외부 반의 대응하는 외부 도체에 연결된다.

본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 지금부터 예로써 설명한다.

도면에서, 동일한 부품들은 동일한 참조번호로 표시된다.

횡으로 배열된 전해조들의 인접열의 자장을 보상하는 방법으로, 인접한 열에 의하여 만들어진 자장과 거의 같고 방향이 반대인 보상자장을 발생하는 전기루우프가 도체 내의 전류분포를 약간 변경시키도록 전해조에 중첩되어지게 한다.

직렬로 연결된 한 전해조들에 있어서, 연결도체들은 다음 두 형태 중에서 한 형태로 설계된다.

첫번째 형태는, 하부 전해조의 양극 바아들이 양극 바아의 단부에서 공급된다(단부 스텝).

두번째 형태는, 하부 전해조의 양극 바아들이 바아 길이의 1/4 및 3/4에서 공급된다(중간 스텝). 두 형태에서, 상부측의 음극으로부터 유출되는 전류의 전부 또는 일부는 다음의 하부 전해조에서 끝나는 스텝을 공급하기 위하여 전해조의 헤드 주위로 흐른다. 결국, 전해조의 헤드를 따라 배치된 도체를 통하여 흐르는 전류는 보통 그 열의 전체 강도의 1/2과 1/3 사이를 나타낸다.

제1도는 음극 도가니로 표시된 첫번째 열의 전해조 1을 도시하고, 음극 도가니는 열의 축에 수직한 수직평면을 따라 단면으로 도시된다. 이 전해조 1의 양극들(도시 안됨)은 두 스텝 2와 3에 의하여 공급된다. 문제의 열에서, 전류는 관측자로부터 멀리 흐르며, 스텝 2에 의하여 발생된 자장은 화살표 4로 표시되고, 한편 스텝 3에 의하여 발생된 자장은 화살표 5로 표시된다.

이 전해조의 우측에는 전해조 음극 도가니로 표시된 바로 인접한 열의 전해조 6이 있다. 이 전해조의 양극(도시 안됨)은 스텝 7 및 8에 의하여 공급된다. 이 열에서, 전류는 도면의 수직 방향에 있는 관측자를 향하여 흐른다. 이 전해조는 전해조 1에 화살표 9로 표시된 수직 자장을 발생한다.

만약, 인접한 전해조 6의 측면에서 전해조 1을 따라 놓이는 스텝 2를 내부 전해조라고 명명하고 반대측의 스텝 3을 외부 전해조라고 명명한다면, 스텝 3은 전해조 1에 인접한 열의 전해조 6에 의해 발생된 자장과 같은 방향으로 수직 자장 5를 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 이것은 또한 훨씬 약간 수평 자장을 발생시키며, 이것은 다시 설명될 것이다.

본 발명에 의한 방법에서, 외부 스텝 3을 통하여 흐르는 전류의 강도는 외부의 작은 면에 있는 외부 도체에 의해 발생된 음의 자장을 감소시키고 또 내부의 작은 면에 있는 내부 스텝 2에 의해 발생된 양의 자장을 증가시키는 내부 스텝 2에 도움이 되게 감소된다. 전기 루우프는 이와 같이 전해조에 중첩되어 전해조의 대부분에 나타나는 양의 자장에 중첩되는 추가자장을 발생시킨다.

본 발명의 장치들의 첫번째 실시예를 도면 2와 3을 참조하여 설명한다.

이들 도면은 동일 열에 속하는 두개의 횡으로 배열된 인접한 전해조들을 도시한다. 상부 전해조 10은 음극 바아 13에서 24까지에 부착된 탄소블럭들에 의해 형성된다. 하부 전해조 25는 음극도가니 26과 양극 막대들(rods)(도시 안됨)이 부착된 두 양극 바아 28과 29를 포함하는 상부 구조물 27을 포함한다.

이들 전해조들은 단부 스텝 형태의 전해조이다. 12개 음극 바아중 좌측의 6개 음극 바아, 즉 13에서 18까지의 상부 단부는 도체 30에 의해 하부 전해조의 양극 바아 28 및 29의 대응단부에 이미 알려진 방식으로 연결되어 있고, 또 동일 음극 바아 13에서 18까지의 하부 단부는 도체 31에 의해 양극 바아 28 및 29의 같은 단부에 연결되어서, 이들 두 도체 30 및 31은 함께 왼편 스텝, 즉 내부 스텝을 형성하는데, 왜냐하면 인접한 열이 동일하게 왼편에 놓인다고 사료되기 때문이다. 유사한 방식으로, 양극 바아 28 및 29의 우측 단부는 도체 32에 의해 6개의 나머지 음극 바아 19에서 24까지의 상부 단부와 연결되고, 도체 33에 의해 동일 음극 바아의 하부 단부와도 연결되어서, 도체 32와 33은 함께 오른편 스텝, 즉 외부 스텝을 형성한다.

왼쪽에 놓여진, 인접열의 자장을 보상하기 위해서, 축 34의 바로 우측에 놓인 음극 바아 19의 상부 단부(제2도) 또는 하부 단부(제3도)는 왼편 스텝의 대응하는 도체 30 또는 31에 연결되기 위하여 음극 바아의 도체 32 또는 33과는 연결되지 않는다. 내부 스텝 30과 31에 흐르는 전류의 세기는 이와같이 외부 스텝에 흐르는 전류의 세기를 희생시켜서 증가되어서 전기 루우프 40을 만들어낸다. 제3도에 도시된 하부 결선은 제2도에 나타난 상부 결선보다 덜 효율적이다. 왜냐하면 하부 도체 31과 33은 하부 전해조 25의 폭의 반만을 통과할 뿐이며, 반면에 상부 도체 30과 32는 상부 전해조 10의 전면을 통과하고 또 하부 전해조 25의 반쪽을 통과하기 때문이다. 따라서, 두 장치의 효율의 비율은 상부 단부가 1:3으로 유리하다.

하나 이상의 음극 바아의 단부들, 예를들어 직렬 연결의 축 34에 가장 인접된 두 바아 19 및 20의 단부들을 내부 도체와 연결시키는 것도 물론 가능하다.

상기에서 설명된 두 장치는, 상술한 형태에 따르면 90,000amp 전해조의 경우 약 5 가우스(gauss)의 약한 횡축 수평 자장을 발생한다는 결점을 가지고 있다. 세번째 장치에서 단부 스텝을 가진 전해조의 경우에 수평 자장을 발생하지 않고서도 인접열들의 자장을 보상할 수 있다. 이와 같은 목적으로, 축 34에 인접한 외부 음극 바아들의 상부 단부의 몇개, 예를 들어 제4도의 바아 19 및 20의 상부 단부는 내부 상부 도체 30에 연결되며, 축 34에 인접한 동일 수의 내부 음극 바아의 하부 단부들, 예를 들어 바아 17 및 18의 하부 단부는 외부 하부 도체 33에 연결된다. 이러한 방법에 있어서, 변경되는 것은 단지 음극의 수평면에 놓이는 도체에 흐르는 전류의 세기 뿐이므로, 음극 내에서는 수평 자장이 발생하지 않는다.

그러나 제1도에서 도시된 바와 같이, 전해조의 두 상부 모서리에서의 수직 자장은 부호가 반대인 반면에, 인접열에 의하여 발생된 자장의 부호는 같다는 것을 알 수 있다. 그리하여, 인접열의 자장의 보상은 외부 상부 모서리에서는 좋은 효과가 있으나, 내부 하부 모서리에서는 좋지 못한 효과가 나타난다.

이같이 바람직하지 못한 효과는 제5도에 도표로 도시된 네번째 실시예와 제6도에 도시된 한 예에 의하여 제거된다. 이 실시예는 내부측에서 보다 외부측에 보다 더 크게 보상한다는 점에 있어서 선행된 실시예를 개선한 것이다. 선행된 실시예에서와 같이 균일하게 양극 바아들에 공급하는 대신에, 상부 양극 바아는 상부 전해조의 상부 음극 바아들과 연결되고, 하부 양극 바아는 하부 음극 바아들에 연결되거나 혹은 그 반대로 연결되는데 있어서, 다음의 공정으로 되어진다.

내부측에서는 상부 양극 바아 27이 스텝 35에 의해 상부 전해조의 상부 음극 바아들에 연결되고, 외부 측에서는 스텝 36에 의해 상부 전해조의 음극 바아들에 연결된다.

내부측에서는 하부 양극 바아 28은 스텝 37에 의해 상부 전해조의 하부 음극 바아들에 연결되고, 반면 외부측에서는 스텝 38에 의해 상부 전해조의 상부 음극 바아들과 연결된다.

추가 도체 39는 두 양극 바아를 중간에서 연결한다.

음극 바아들은 세번째 실시예에서 설명된 바와 같이 동일한 방법으로 분류된다.

전환된 전류의 세기 I는 제5도에 나타나며, 내부측에서는, 전해조를 따라 흐르는 전류의 세기는 양극 바아의 외부측에서 I의 값을 가지며 양극 바아들의 사이에서는 0이 되는 반면에, 외부측에서는 양극 바아의 외부측에서 2I이고 양극 바아들의 사이에서는 I가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 전체 보상은 외부측에서 더 크다.

수평자장은 0이 아니지만, 이것은 세로방향이므로 중앙에서 횡적 수평자장을 가지는 첫번째 및 두번째의 실시예에서 보다 전해조의 작동에 훨씬 덜 해롭다.

도체들은 전기적으로 균형되게 연결된다. 즉, 병렬로 연결된 모든 회로에서 전압의 강하가 균일하도록 설계된다. 그러므로 도체 30과 32는 도체 31과 33보다 더 길기 때문에 더 큰 단면적을 가진다.

자장은 전류의 세기에 비례하므로, 인접열에서 발생하는 음의 수직 자장과 같은 세기의 양의 수직 자장을 추가로 발생하는 전기적 루프를 형성하도록 외부 도체에서 내부 도체로 치환되는 전류의 세기를 결정하기는 용이하다. 따라서, 전류의 세기를 중첩시켜서 대응하는 자장은 중첩된다. 결과적으로 제2도, 제3도, 제4도, 제5도에 도시되고 설명된 회로는 종래의 보상되지 않은 전해조와 쇄선으로 도시된 전기 루우프 40을 중첩시킨 것으로 개략화할 수 있다. 이들 쇄선에서 화살표는 루프를 통해 흐르는 전류 방향을 나타내고 다른 화살표는 여러 스텝 내에서의 전류의 방향을 표시한다. 보상되지 않은 전지의 경우에 여러 도체를 통해 흐르는 전류의 세기와 루프를 통해 흐르는 전류의 세기를 중첩시켜서 보상 후에 이들 각 도체에 흐르는 전류의 합의 전류 세기가 된다.

따라서, 전환될 전류의 세기는 루프에 흐르는 전환된 전류의 세기와는 별도로, 위에 정의된 루프에 의해 발생한 자장을 측정하고, 계산한 후, 이 자장을 보상되지 않은 전해조의 자장에 중첩시키고, 최종적으로 전해조의 최대 수직 자장이 절대값으로 가능한한 최소가 되도록 I를 변화시켜 계산된다.

사실상, 전해조의 4모서리에서의 수직 자장의 값은 I의 함수로 그라프에서 계산되거나 측정하여 기록되며, 최대 수직 자장의 최소 절대값에 대응하는 I의 값은 직접 읽을 수 있다(제7도 참조). 그 후에 일정한 수의 음극 바아를 각 회로에 연결함으로써 전기적 결선이 이루어지고, 자장의 세기 I는 I₀에 최대한 가깝게 된다.

제7도에서, 횡축은 전환된 전류의 세기를 킬로 암페아 단위로 나타낸 것이며, 하부 수평축에 대응하는 바아의 수를 표시하며, 반면 종축은 각 전해조의 모서리에서의 자장을 가우스단위의 절대치로 표시한다. 양의 기울기를 갖는 상부 직선은 내부의 하부 모서리에서의 자장을 나타내며, 음의 기울기를 갖는 상부 직선은 외부 상부 모서리의 자장을 나타낸다. 양의 기울기를 갖는 하부 직선은 외부 하부 모서리에서의 자장을 나타내며, 음의 기울기를 갖는 하부 직선은 내부 하부 모서리에서의 자장을 나타낸다. 실선은 제4도의 실시예에 관한 것이고, 점선은 제5도, 제6도 실시예에 관한 것이다. I의 최적치는 I₀=6KA임을 알 수 있다. 따라서 최적의 보상을 하기 위해서는 2개의 바아를 포함하여야 한다.

다음의 표는 제2도에서와 같이 인접열에서 발생한 자장으로 보상하지 않았으나, 음극 바아 19의 상부 단부를 내부 도체 30이 아닌 외부 도체 32에 연결하였거나, 혹은 제2, 3, 4 및 5, 6도의 각 실시예에 따라 보상한 90,000amp 전해조의 자장을 가우스로 나타낸 것이다.

제7도에 도시된 그라프는 제4도의 실선 및 제5, 6도의 점선으로 도시된 배열과 상기 변수에 관한 것이다.

[표]

본 발명에 따른 장치에는 중간 스텝도 적용될 수 있으나 설명된 실시예는 단부 스텝을 갖는 전해조에 관한 것이다. 이 경우에 스텝은 전해조의 작은 변에 위치되는 것이 아니라 전해조 길이의 1/4과 3/4의 위치에 있다.

본 발명은 횡으로 설치된 전해조에 관한 것으로 알루미늄을 생산하는 전해조의 인접열의 자장을 보상하는데 적용될 수 있다.

Claims (1)

1. 횡으로 배열된 용융 전해조의 인접열의 자장을 보상하기 위해, 적어도 하나의 상부 인접열와 하부 전해조를 포함하고 있어서 각 전해조는 적어도 2개의 양극 바아를 가지고 있고 이 양극 바아에는 양극에 고착된 막대가 고정되며, 또한 음극 도가니를 포함하고 있어서 그 기부는 음극 바아에 고착된 탄소 블럭들로 형성되며, 하부 전해조의 양극 바아에는 적어도 두 스텝에 의하여 상부 전해조의 음극 바아로부터의 전류가 공급되고, 이 두 스텝은 인접열의 측면에 놓이는 내부 스텝과 반대쪽에 있는 외부 스텝으로 이루어지고, 각 스텝은 2개의 도체를 포함하여 그 중 하나는 음극 바아의 상부 단부에 연결되고 나머지 하나는 음극 바아의 하부 단부에 연결되며, 상부측 또는 하부측에 있는 내부 스텝의 도체 중의 하나는 내부측에서 볼 때 음극 바아의 대응하는 단부의 반 이상에 연결되고, 외부 스텝에 대응하는 도체는 내부 스텝에 연결되지 않은 외부측으로부터의 음극 바아의 단부에 연결되고, 반면에 상부측 또는 하부측에 있는 나머지 내부도체는 음극 바아의 대응하는 단부 내측에서 반미만에 연결되고 대응하는 외부 도체는 외부측에 있는 음극 바아에 반미만에 연결되는 장치.

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