KR850001303B1 - 일련의 고전류 전해셀의 인접셀열에 유도되는 자장을 보상하는 장치 - Google Patents

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Description

일련의 고전류 전해셀의 인접셀열에 유도되는 자장을 보상하는 장치

제1도는 배열측에 대해 횡으로 배열된 전해셀위의 임의의 지점 0를 지나는 면을 따라 절개한 단면도.

제2도는 2개의 평행선상에 분리배치된 전해셀 배열의 개략도.

제3,4 및 5도는 본 발명의 3가지 실시예에 따른 인접셀열의 자장 보상 그래프.

본 발명은 횡으로 배치된 일련의 고전류 고온 전해셀의 배열에서 인접셀열에 의해 유도된 자장을 보상하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 특히 용융빙정석내에 용해된 알루미나를 전기분해 하여 알루미늄을 제조하는 일련의 전해셀에 사용된다.

알루미늄은 전기적으로 직렬로 연결된 전해셀에서 전해셀을 통과하는 전류의 주울 효과에 의하여 950-1000℃의 온도로 가열된 빙정석내의 알루미나 용액을 고온으로 전해하여 공업적으로 제조된다.

각 전해셀은 도가니를 형성하는 직사각형의 음극장치로 구성되는데, 그 도가니 저부는 소위음극 바아로 불려지는 강철바아에 고정된 탄소블럭으로 형성되며, 이음극 바아는 한 전해셀의 음극에서 다음 전해셀의 양극으로 전류를 이동시키는데 사용된다.

마찬가지로 탄소로 만들어진 양극 장치는 상부 구조물에 고정된 양극 버스바아 바로밑에 고정되어 있고 다음 전해셀의 음극바아에 연결되어 있다.

전해액 즉 빙정석내에 있는 알루미나 용액은 양극과 음극 장치 사이에 위치한다. 이때 생성된 알루미늄은 음극에 용착되고, 약 두께 20cm의 액체 알루미늄층이 음극 도가니의 저부에 위치하여 있는 열 차단효과를 나타낸다.

도가니가 직사각형이므로 양극을 지지하는 양극바아는 일반적으로 도가니의 긴변에 평행하며 반면에 음극바아는 소위 전해셀 헤드라고 불려지는 도가지의 짧은 변에 평행한다.

전해셀들은 열의 축에 그 전해셀의 큰변이 평형한가 혹은 작은 변이 평행한가에 따라 종방향이나 횡방향으로 배열된다. 전해셀들은 전기적으로 직렬로 연결되어 있으며 각 배열의 끝은 전기정류 및 제어기의 양극과 음극 출력단자에 연결되어 있다. 각 전해셀의 배열은 여러열로 구성되어 있으며 열의 수는 일정하게하여 전도체의 길이가 불필요할 정도로 길어지게 되는 것을 방지하도록 되어 있다.

전해액, 액체금속, 양극 및 음극 연결도체와 같은 각종도체를 통과하는 전류는 상당한 자장을 형성하게 되는데, 이들 자장은 도가니내에 함유된 용융금속 및 전해욕에서 전해조의 기능을 해치는 소위 라플라스(laplace)힘을 유발한다. 전해셀 및 그 연결도체는 전해셀의 여러부품 및 연결 도체에 의해 형성된 자장을 서로 보상시킬 수 있게끔 설계되어, 각 전해셀은 전해셀의 열에 평행하고 대칭면으로서 도가니의 중심부를 통과하는 수직면을 가지게 된다. 그러나, 이 전해셀들은 역시 단열 또는 복수열의 인접셀 열들에서 형성된 자장의 간섭을 받게 된다. "인접셀열"이란 배열중 가장 근접한 셀열을 말하고, "인접셀 열의 자장"이란 문제되는 셀의 열외의 다른 모든 셀열들의 자장의 합을 말한다.

본문에서 사용하는 "상류" 및 "하류"라는 용어는 문제의 전해셀의 열을 통해 흐르는 전류의 방향기준으로 하여 나타내는 것이며, "B_n", "B_y", "B_Z"는 직각 삼면체의 각축 O_X, O_y, O_Z의 자장성분을 나타내는 것으로 중심 0은 전해셀의 음극면의 중심이고, O_X는 전해셀 방향으로의 종축이고, O_y는 횡축이며, O_Z는 상축으로 향한 수직축이며, "전해셀의 내측"이란 인접셀 열쪽으로 향해 있는 측부를 나타내며, "전해셀의 외측"이란 그 반대방향으로 향한 측부를 나타내는 것이다.

인접셀열에 의해 유도된 자장을 보상하는 장치는 이미 공지된 것으로, 미합중국 특허 제3, 063, 919호에는 전해셀의 열의 아래에서 또는 전해셀의 두셀열 중심부에서 각 셀열에 귀환전류를 통하여 함으로써 인접셀열의 자장을 감쇠시키는 자장감쇠루프 장치에 관해 기재되어 있는데, 비록 본 장치는 효과적인 장치이기는 하지만 도체의 길이가 상당히 길어지는 문제점이 있었다.

또한 미합중국 특허 제3, 616, 317호는 전해셀이 종방향으로 배열된 것에만 적용되는 것으로, 상기 특허에 있어서는 두 평행선상에 배치된 전해셀 배열의 외부표면에 보상도체를 설치하고, 그 도체에 인접셀열의 전해전류에 대해 반대방향으로 흐르는 그 전해전류의 약 25%의 강도를 가지는 직류를 통과시키도록 되어 있다.

또한, 미합중국 특허 제4, 072, 597호 및 4, 090, 930호에서는 인접셀열의 자장보상 장치를 개발하였으나, 이는 전해셀의 배열전체가 아니라 전해셀의 각각에 대해 작동을 이루게 구성되어 있었다.

그러나, 상기한 여러 방법들로서는 전류강도가 200,000암페어를 넘는 최근 개발된 고전류 전해셀의 인접셀열에 의해 유도된 자장을 보상하는데는 적합하지 못하였다.

따라서, 인접셀열에 의해 유도된 자장을 허용치내로 유지하기 위해서는 셀열 사이의 간격을 증가시켜야 한다. 그러나, 이로 말미암아 하부구조, 전해셀열 사이의 연결도체의 길이등이 증가하게 되어, 예상치 못한 경비가 소요되고 또한 고전류의 전해셀을 사용하려는 의도가 상실되게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 횡방향으로 배열된 일련의 고강도 전해셀 배열에서 이웃열에 의해 유도된 자장을 보상할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 O_X축에 평행이고 전해셀의 외부금속표피인 포트쉘(pot shell)에 최대로 인접하여 욕과 금속간경계면상에 최소한 1개의 보조전도체를 기존전해셀을 변형시키지 않고 설치하는 것을 특징으로 하는 것으로, 적당한 보상을 제공할 수 있도록 보조도체내에서는 선택된 세기의 직류가 적당한 방향으로 통과하게 되어 있다.

일 전해셀의 열에 의해 다른 전해셀열에 형성된 자장은 그 전해셀열에 대해 수직을 이루게 되는데, 만약 "M"을 전해셀상의 일지점이라하면, 인접셀열에 의해 M에서 형성된 자장은 항상 일정한 부호를 가지며, 점 M이 인접셀열에 가장 인접하게 위치한 짧은 변으로부터 인접셀열에서 가장 먼 짧은 변으로 이동함에 따라 아주 미소한 쌍곡선을 그리면서 감소하게 된다. 본 자장은 +y측에 위치한 이웃열에 의해 발생한 것으로, 제3, 4 및 5도에 곡선 "F"로 도시하였다.

제1도에 있어서, 부호 "1"은 상자, "2"는 액체알루미늄, "3"은 전해액, "4"는 양극장치를 나타낸 것이다.

제2도는 2개의 평행선상에 배열된 전해셀의 배열을 도시한 것으로, 도해의 간략함을 위해 5개씩의 전해셀을 가진 것으로 도시하였지만 실제로는 약 100개씩의 전해조를 가지고 있다. 직류 전해 전류원의 양극을 "헤드(5)로 알려진 측부에 열결되어 있고, "테일"(6)로 알려진 측부에 연결되어 있다.

배열중 헤드(5)는 직류 전해전류 발전기의 양극에 연결되어 있고, 테일(6)은 그의 음극에 연결되어 있다. 이웃열에 의해 유도된 자장을 보상하는 보상도체는 상기 배열의내측에 위치하는 보상도체(7)(7') 및 배열의 외측에 위치하는 보상도체(8)(8')로서, 이들은 도체(9)로 연결될 수 있다. 점선(10)은 전해전류가 흐르는 통로를 가리킨다. 보상도체(7)(7')는 전해셀의 내측을 따라 배열되어 있으며 보상도체(8)(8')는 전해셀의 외측을 따라 배열되어 있다. 양보상도체는 예컨데 미터당 10밀리볼트 정도만이 강하되는 비교적 낮은 전압에서 30,000암페어에 이르는 세기의 전류를 공급하는 보조 정류자로부터 별도로 또는 점선으로 표시한 도체(9)에 의해 일련적으로 위치하여 직류를 공급받을 수 있게되어 있고, 그리하여 이 보상도체에 흐르는 전체출력은 전해 에너지에 미해 대단히 낮게되어 있다.

제3도는 내측의 보상도체(7)(7')에만 30KA의 강도의 전류가 인접셀열의 전해전류의 방향에 대해 반대방향으로 즉 해당셀열의 전해전류 방향과 동일한 방향으로 공급되는 경우의 자장의 그래프이다.

이 경우, 보상도체(7)은 서로 인접한 해당전해셀(A, B, C, D, E,…)에서, 일정한 방향을 가지며 인접셀열(S, T, U, V, W…)에 의해 형성된 자장의 방향과는 반대되는 방향을 가지며,

(B는 10테슬리때의 자장이고, i는 킬로 암페어로 나타낸 강도이며 d는 미터로 표시한 거리)이므로, 전해셀의 내측으로 부터 외측으로 흐르면서 거의 쌍곡선 형태로 강도가 감소하는 수직자장을 형성한다.

실상 본 보상자장은 보상도체(7)과 인접셀열에 위치한 동등한 보상도체(7')의 두 보상 도체에 의해 모두 발생하는 것으로 이것은 제3도에서 곡선 "G"로 표시하였다.

"F+G"의 대수합인 "H"는 상기에 따라 발생된 결과 자장을 나타낸다.

제4도는 외측 보상도체(8)(8')에만 22KA의 세기의 전류가 해당 셀열의 전해전류의 방향에 대해 반대방향으로 즉 인접셀열의 전해전류 방향과 동일한 방향 공급되는 경우의 자장의 그래프이다.

상기 도체는 해당 셀열의 전해셀(A, B, C, D, E…)상에서 방향이 일정하며 일접셀열에 의해 형성된 자장의 방향에 반대되는 방향을 가지며 전해셀의 외측으로부터 전해셀의 내측을 향해 흐르면서 쌍곡선 형태

로 세기가 감소하는 수직 자장을 형성한다. 실제로 상기 보상 자장은 전해셀의 인접보상도체(8) 및 반대로 인접셀열에 위치한 동용보상 도체(8')의 모두에 의해 발생하는 것으로, 제4도에서 곡선 "J"로 표시하였다. "F+J"의 대수합인 곡선 "K"는 형성된 결과 자장을 나타낸다.

제5도는 두 보상도체(7)(7') 및 (8)(8')가 연결도체(9)에 의해 연결배열되어 전류가 공급되고 있으며, 공급되는 전류의 방향이 전술한 두 경우에서와 같은 방향이며 세기가 13KA인 경우의 자장의 그래프이다.

상기 보상도체는 전해셀상에서 일정한 방향을 갖고 인접셀열에 의해 형성된 자장에 반대되는 방향을 가지며 전해셀의 측부에서 보다 전해셀의 중심부(Ox 축상에서)에서 약간 낮은 세기를 갖는 수직 자장을 형성한다.

실상, 이 자장은 전해셀에 인접한 두 보상도체(7)(8)과 인접셀열에 위치한 보상도체(7')(8')의 모두에 의해 발생되는 것으로, 제5도에서 곡선 "L"로 표시하였고, 발생된 자장 "F+L"의 대수합은 곡선 "N"으로 표시하였다. 수치를 명확하게 하기 위해 제5도는 제3도 및 제4도의 경우보다 척도를 크게 하였다.

보상도체에 공급되는 전류의 강도는 최상의 보상이 이루어지게끔 결정되어야 하는데, 실상 상기 보상은 전해전류의 강도의 20%를 초과하지 않는 강도의 전류에 의해 성취되게 된다.

보상도체는 무한도체로 생각되기 때문에, M점에서 전해셀상에서 형성되는 자장은 실제로 M의 횡좌표와는 무관하다.

M점에서 인접셀열에 의해 형성된 자장은 B_F(M)이라고, M점에서 보상도체에 의해 나타난 자장을 B_C(M)이라 할 경우, 전체자장 B_T(T)은 B_F(M)=B_C(M)에 동일한 것이다.

보상도체에서의 전류세기 i의 값은 전해셀의 긴 축상에서의 B_T의 평균값이 공식

에 의거하여 0이 될 수 있게끔 선택된다. 발생된 결과자장은 제3, 4, 5도에서 각각 "H", "K", "N"으로 표시하였다.

이와 같이 본 발명에 의해 전류를 내측 보상도체에 또는 외측 보상도체에 아니면 두 도체에 모두 공급하는 것에 따라 3가지의 형태로 소기의 효과가 얻어지게 되는 것이다.

즉, 제1실시예인 제3도의 경우에는 평균 자장 B_T, B_F와 동일부호를 갖는다. 내측에서는 자장 B_F에 대해 반대부호를 가지며 외측에서는 제2실시예인 제4도의 경우에는, 자장 B_T는 내측에서는 B_F와 동일부호를 가지며, 외측에서는 B_F의 동일부호를 갖는다.

제3실시예인 제5도의 경우에는 자장 B_T는 전체적으로 매우 약하게 되어 있다.

이웃열이 없는 전해셀을 생각해보도록하자. 이 경우는 전해셀뿐만 아니라, 도체로 면_XOZ에 대해 대칭을 이루게되며, 그 결과 인접셀열이 없는 전해셀의 수직 자장성분은 y에 대하여 비대칭을 이루게 된다. 즉 y가-y로 변하면 B_Z는-B_Z로 변한다.횡축으로 절단한 전해셀을 생각해보면, 전해셀의 일측상의 B_Z의 평균값(예컨대 -y의 축)은 반대축의 Bz의 평균값과는 크기는 같고 부호는 반대가 된다.

전해셀의 적절한 기능을 얻게하기 위해서는 B_Z의 평균값을 가능한한 낮게 해야하는데, 이러한 목적을 위하여 하기 의방식에 의해 본 발명에 따른 3가지 실시예중 하나를 적절하게 선택하게 된다.

즉, 전해셀 배열에서의 전해셀의 내측반쪽 및 외측반쪽에 대해 각각 발생된 수직자장의 평균값 Bi, Be을 측정한다. 이것은 인접셀열이 존재하는 경우의 값이지만, 인접셀열이 없는 경우의 수직자장의 평균값 B'i, B'e이 되는 것을 계산결과 알게 되었다. 그뒤에, 이들 두 값의 비 B'i/B'e를 대체로 -1이 되게 한다.

다음에 본 발명에 따른 3가지 실시예중 하나를 선택하여, 인접셀열과 보상도체가 있는 전해셀의 내측반쪽 및 외측반쪽에서의 가능한한 낮게 하도록 한다.

즉, B'i가 인접셀열에 의해 형성된 자장과 부호가 같으면 제1실시예에 적용한다(제3도).

B'i가 인접셀열에 의해 형성된 자장과 부호가 반대이면 제2실시예에 적용한다(제4도).

B'i가 예컨대 인접셀열에 의해 형성된 자장의 10분의 1이하 정도로 매우 낮으면 제3실시예를 적용한다.

[예]

175KA에서 작동하고 50떨어져 있는 두개의 평행선상에 배열된 전해셀의 배열에 있어서, 양극 장치의 길이가 8.4미터이고, 보상도체는 전해조 중심으로부터 내측 및 외측으로 각각 8미터 떨어져 있을때, 각 실시예에 따른 전체수직자장(Br)의 값은 다음과 같다.

전류세기는, 인접셀열과 보상도체에 형성된 자장에 대한 자화효과(즉 상자, 상부구조물, 음극봉, 건축물등에 의해 형성된 강자성체에 의한 스크린 효과)를 고려하여 실자장의 적분치를 0으로할 수 있게. 즉

으로 할 수 있게 정해져야 하는 것이지만, 실험결과 그러한 자화효과를 무시하고 계산하여도 대체로 동일한 값이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

Claims (1)

1. 배열방향에 대해 횡방향으로 배치된 일련의 고전류 전해셀로 구성되는 셀열(A, B, C, D, E)의 양측에 액체알루미늄(2)의 표면내에서 상기 셀의 금속쉘에 인접하여 상기 셀열에 따라서 보상도체(7, 8)를 배치하고, 이 보상도체(7, 8)에 공급되는 전류에 의한 자장에 의해 이 셀열(A, B, C, D, E)에 인접하여 병렬로 설치된 인접셀열(S, T, U, V, W)로 유도되는 자장을 보상하는 장치에 있어서, 상기 인접셀열(S, T, U, V, W)측의 보상도체(7)에는 상기 셀열(A, B, C, D, E)의 전류와 동일한 방향이고 상기 인접셀열(S, T, U, V, W)의 전류와는 반대방향의 전류를 공급하고, 상기 인접셀열(S, T, U, V, W)과는 반대측의 보상도체(8)에는 상기 셀열(A, B, C, D, E)의 전류와는 반대방향이고 상기 인접셀열(S, T, U, V, W)의 전류와는 동일방향의 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 일련의 고전류 전해셀의 인접셀열에 유도되는 자장을 보상하는 장치.

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