KR850000134B1 - 횡적으로 배치된 알루미늄 전해조에서 수직자계의 대칭화를 위한 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

횡적으로 배치된 알루미늄 전해조에서 수직자계의 대칭화를 위한 방법

제 1 도와 제 2 도는 전해조헤드 아래에서의 보정도체 위치의 개략도.

제 3 도는 전해조 헤드의 아래에 있는 보정 루우프 회로의 기하학적 배열도.

제 4 도는 두 연속적인 전해조 사이의 도체 성형 접속부와, 그중 하나의 전해조(상부전해조) 헤드의 아래에 있는 보정 루우프 회로의 위치의 개략적인 평면도이다.

본 발명은 용융 빙정식에 용해된 알루미나의 전기분해에 의한 알루미늄의 제조를 목적으로 한 것으로, 일직선으로 연결되어 있고 그 축에 관하여 횡적으로 위치한 고 강도 전해조에서 수직자계의 대칭화를 위한 방법에 관한 것이다. 하기 기술된 내용을 쉽게 이해하기 위하여 알루미늄의 공업적 제조에 대하여 설명하면, 알루미늄의 공업적 제조는 전해조를 통과하는 전류의 쥬울 효과에 의하여 950-1,000℃의 온도로 상승된 빙정석내에서의 알루미나 고용체의 화성(igneous) 전기분해에 의하여 전기적으로 직렬로 연결된 전해조내에서 행하여 지는 것이었다.

각각의 전해조는 음극바(bar)인 스틸바에 고정된 탄소의 블록에 의해 하부가 형성된 직사각형의 도가니형 음극을 포함하는데, 이것을 통해 전류가 음극으로 부터 다음 전해조의 양극으로 흐르게 된다. 또 탄소로 된 양극은 양극 바인 알루미늄 바에단단하게 고정된 로드에 부착되어 있는데, 이것은 전해조의 도가니 위에 걸려있는 상부 구조에 고정되어 있다. 양극 바는 “라이저(riser)”라 불리워지는 알루미늄 도체에 의해 앞전해조의 음극바에 연결되어 있다.

전기 분해욕(浴), 즉 빙정석 내의 알루미나 고용체는 양극과 음극 사이에 위치하고 있다. 분해된 알루미늄은 음극에 쌓이게 되고, 알루미늄의 적재분을 음극 도가니의 하부에 일정하게 유지되어진다. 도가니는 구형으로 되어 있고, 양극을 지지하는 양극바는 일반적으로 도가니의 긴축부와 평행하게 위치하게 되며, 음극바는 전해조헤드로 여겨지는 도가니의 짧은 측부와 평행하게 되어 있다. 전해조 긴축부 또는 짧은 측부의 라인의 측과의 평행함에 따라서 길이방향으로 또는 횡단 방향으로 일렬로 정렬되어 있다. 그리고 전해조는 전기적으로 직렬로 연결되어 있으며, 그 끝은 전기적 정류 및 조절자의 양극과 음극에 연결되어 있다. 전해조의 각각은 직렬로 연결된 몇개의 라인으로 되어 있으며, 라인의 수는 도체가 쓸데없이 길어지는 것을 피하기 위해 짝수로 되는 것이 바람직하다. 전류는 전해질, 용융금속, 양극, 음극등의 여러가지 도체를 통하여 흐르며, 도체에 연결되어 있고, 상당한 자계를 형성한다. 전해조와 도가니에 포함된 용융 금속내의 자계는 라플라스(Laplace)힘을 일으키며 이 힘은 그 힘에 의한 움직임 때문에 전해조의 만족할만한 작업에 해를 준다. 전해조의 구조와 그의 연결도체는, 전해조의 다른 부분에 의해 발생된 자계와 연결도체에 의한자계가 서로 보정되도록 구성되어 있다. 그러므로 이것은 전해조의 대칭면이 전해조의 라인에 평행한 수직면이 되는 결과를 가져오며, 도가니의 중심을 통과하게 된다. 그러나 각 전해조들은 또한 인접한 라인들로 부터 발생하는 자계에 영향을 주게 된다.

하기의 명세서에서, “상향”와 “하향”이라는 용어는 전해조의 라인에서와 전류의 방향에 관한 것이다. “인접한 라인”이라는 용어는 라인에 가장 근접한 라인을 표시하는데 사용되어 지며, “인접한 라인의 영역”이라는 용어는 전해조의 라인의 모든 영역을 표시하는데 사요되어진다. 본 발명의 목적은, 양극의 시스템이 전해조의 짧은 측부에 위치한 전류 공급장치에 의해 공급되어지며, 내부 전해조 도체의 배열이 다음의 법칙에 따라 수직 자계에 관하여 우수한 대칭이 되도록 구성된 전해조를 제공하는 것이다.

-성분 B_Z의 절대치가 네 모서리에서 동일하다.

-B_Z의 기호는 전해조의 한 모서리로 부터 주위의 다른 모서리까지의 사이에서, 양극과 음극이 바뀌어진다. 이 결과 다음의 것이 얻어진다.

(a) 전해조의 인접한 라인에 의해 얻어진 자계를 고려하고

(b) 전해조의 근처에 위치한 철자석 부분의 존재로 인한 자계의 수정을 고려한다.

B_Z는 수직축 O_Z를 향한 자계의 성분을 표시하고, 삼차원 직각 좌표계에서 축 O_X는 전류의 방향의 직렬축과 평행한 축이며 0점은 음극판의 중심에 고정되어 있다. 프랑스 공화국 특허 제2,333,060호와 제2,343,862호에는, 전해조의 인접라인에 의한 자계를 보정하기 위하여 외부 헤드 즉 인접라인으로 부터 가장멀리 떨어진 측부인 전해조의 짧은 측부의 아래에 전류 루우프 회로를 배치한 장치에 대하여 기재되어 있다. 이와 같은 구조는 전해조의 아래에 위치한 도체를 통하여 전류를 흐르게 함으로써 전해조의 외부 헤드 주위를 통과하는 전류의 일부를 전환시키는 것으로 구성되어 있다.

본 발명에 의한 방법의 목적은 전기분해욕에 횡적으로 위치한 자계의 수직성분을 대칭으로 하는 것, 즉 수직자계가 전해조의 네모서리에서 같은 절대치를 가지도록 하며 전해조 주위를 따라 양극과 음극이 번갈아 바뀌도록 하는 것인데, 그러한 방법은 인접한 상향전해조의 음극으로부터 하향전해조의 양극으로 공급하기 위한 도체에 흐르는 전류의 배치를 수정하는 것이며, 전해조의 짧은 측에 전해조의 평균수직 자계와 동일한 반대 방향의 보조 수직자계를 발생시키는 두개의 전기적 루우프 회로를 전해조에 설치하는 것으로 구성되며 전기적 보정 루우프 회로는 전해조의 헤드 즉 짧은 측부의 아래에 위치하게 되고, 음극 상향 콜렉터를 통하여 흐르는 전류의 전체 또는 일부를 보조 도체를 통하여 흐르게 되며, 그 보조도체는 상부콜렉터와 재결합되고 전해조의 긴 하향측부를 따라 흐르게 된다.

보조 도체는 전해조의 아래 가능한한 높게, 수평적으로, 그리고 전해조의 짧은 측부에 평행하게 위치시키는데, 이러한 방법으로 내부와 외부 도체를 통하여 양극의 내부와 외부의 짧은 측부의 내측 모서리가 형성하는 면은 수직에 대해 45°의 각도를 이루게 된다.

본 발명을 효과적으로 수행하기 위하여, 첫번째로 보정 루우프에서 전류의 크기 I_i와 I_e를 결정하는 것이 필요하다. 수직자계는 전해조(제 3 도에 나타낸 전해조)의 각 모서리에서 계산될 수 있으며, 각각 다음과 같다.

B_Z1: 내부 상향 모서리에서의 수직 자계

B_Z2: 내부 하향 모서리에서의 수직 자계

B_Z3: 외부 하향 모서리에서의 수직 자계

B_Z4: 외부 상향 모서리에서의 수직 자계

상향과 하향이라는 표현은 전해조의 라인에서 전류의 일반적인 방향에 관하여 사용되었다. 이들 자계의 계산은 전해조의 근처에 위치한 자화철 물체의 영역에 대한 작용과 인접라인에 의해 발생한 자계를 고려하여 행해진다.

다음의 두 방정식이 다음과 같이 세워진다.

B_Z1+B_Z2=0 (1)

B_Z3+B_Z4=0

방정식(1)은 I_i와 I_e(자계에서의 강도 비)에 대하여 1차식 이므로, I_i와 I_e를 결정하는 것이 가능하게 된다. 지금 인접한 라인이 없을때, 전해조의 네모서리에서의 자계의 수직 성분 B_Z1', B_Z2', B_Z3',B_Z4'는 y축에 관하여 비대칭이고, 그 전해조는 면_XO_Z에 관하여 대칭이라고 알려졌다고 하자.

그러면 다음과 같이된다.

B_Z1'=-B_Z4'

B_Z2'=-B_Z3'

한편으로 인접라인에 의해, 그리고 다른 한편으로는 자성의 루우프 회로에 의해 얻어진 수직 자계는 가로 좌표 x축에 대하여 무관하므로 내부 짧은 측부에 대해 일정한 b_z값을 가지며, 전체의 외부측부에 대해서는 일정한 값 b_z'를 갖는다는 것이다.

따라서 다음과 같이 된다. 여기서 방정식(1)은 다음과 같이 된다.

그리고

B_Z1=- B_Z2= B_Z3=-B_Z4(2)

목적은 전해조의 짧은 측부에서의 수직 자계를 개선시키기 위해 그 수직자계를 수정하는 것이고, 전해조 아래로 전류가 통과하는 도체는 그것이 최대 작용을 하는 지역에 위치하게 될 것이다.

제 1 도를 참조하여 볼 때, C는 보정도체의 단면을 표시하고, M은 가장 밀도가 높은 보정 되어질 자계의 위치를 표시한다. 그리고 α는 수직에 대한 보정도체 C와 점 M이 형성하는 평면이 이루는 각이다. 만약 도체 C에서의 전류의 세기가 I로 표시되어 진다면, M점에서의 자계 B는 다음의 값을 가진다.

만약 B_Z가 M점에서의 자계의 수직성분으로 표시된다면 다음의 식에 얻어진다.

B_Z=B·sinα

B_Z는 sin2α=1일 때 최대값을 가지며, 이때 α=45°가 된다.

그러므로 보정도체는 제 2 도에 나타난 바와같이, 도체와 양극의 외측 모서리에 의해 형성된 평면이 수직에 대해 45°의 각이 되도록 위치하여야만 한다.

전기분해전해조의 외부 헤드를 따른 수직단면의 개략도인 제 2 도에서, 참조번호 (1)은 양극을 표시하고, 참조번호(2)는 용융 빙정석을 표시하며, 참조번호(2)은 용융 알루미늄층을 표시하고, 참조번호(4)는 음극블록을 표시하며, 참조번호(5)는 보정되어질 수직 자계의 최대점 근처의 양극의 하부각을 표시하고, 참조번호(6)은 보정 도체를 표시한다.

제 3 도는 전해조 헤드의 개략적인 투시도이며, 보정도체(7)의 위치와 라인을 나타낸다. 그 보정도체(7)는 외부 상향 음극도체(9)로 부터 전해조(10)의 하부높이 까지의 하향부분(8)과, 전해조 아래에서 짧은 측부(12)에 평행한 수평부분(11)과, 전해조의 후미와 몸통사이에 위치한 외부 하부 음극콜렉터(14) 높이까지의 상향부분(13)과, 외부 상향음극도체(9)와 재결합하기 위한 전해조의 긴측부(16)에 평행한 귀환부분(15)으로 구성되어 있다. 화살표로 된 점선은 보정 자계를 발생시키는 전기적 루우프가 어떻게 형성되는가를 표시해 준다. 음극바는 참조번호(17)로 표시되어 있다. 동일하고 일련의 축에 관하여 대칭인 루우프는, 제 4 도에 나타난 바와같이 전해조의 다른 헤드끝에 위치한다.

상기 언급된 비열은 전해조의 라인들 사이가 14m인 일련의 90KA전해조에 사용되며, 방정식(1)로 부터 다음값이 얻어진다.

I_i= 약 9KA

b_e=약 22.5KA

다음의 수직 자계는 이들 전해조에서 측정되어 진다. 각각의 값은 다음과 같다.

B_Z1=31가우스 B_Z3=30가우스

B_Z2=-40가우스 B_Z4=-40가우스

그러므로 전체적으로 만족할 만큼 대칭이 이루어진다. 이것과 비교하여, 상기와 동일하기는 하나 보정되지 않은 일련의 전해조의 각각에서 다음의 수직 자계가 측정되었다.

B_Z1=55가우스 B_Z3=15가우스

B_Z2=-25가우스 B_Z4=-75가우스

이러한 균형의 결핍은 전해조의 적절한 작업에 영향을 미치고, 파라데이 출력이 만족하지 못하게 되는 결과를 나타낸다.

Claims (1)

1. 직렬로 연결되고 그 직렬축에 대해 가로질러 배치된 전해조의 자계의 수직성분을 대칭화시켜 그 수직자계의 절대값이 전해조의 네모서리에서 거의 동일하며 음양 부호가 전해조의 외주를 따라 음극(-)과 양극(+)이 교체도히게 하는 방법에 있어서, 인접상향 전해조의 음극으로부터 하향전해조의 양극(1)이 공급하는 도체의 전류 분포가 전해조의 짧은 측부(12)의 평균 수직자계와 거의 동일한 보조 수직자계를 발생시키는 두개의 전기적 루우프를 전해조의 짧은 측부(12) 아래에 배치하여 상향 음극 콜렉터(9)를 통과하는 전류의 적어도 일부가 보조도체(7)를 통과하게 함으로써 전해조의 짧은 측부 즉헤드 아래에서 전기적 루우프를 형성하며, 그 보조도체(7)는 다시 상향음극 콜렉터(9)에 재결합되고 전해조의 긴 하향 측부(16)를 따라 통과되며, 내외측 도체와 내외측 짧은 측의 양극 내측단부가 형성하는 면이 각각 수직과 45도의 각도를 이루도록 전해조의 짧은 측부(12)와 평행하고 수평이면서 전해조 아래 가능한 높게 위치시키는 것을 특징으로 하는 횡적으로 배치된 알루미늄 전해조에서 수직자계의 대칭화를 위한 방법.

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