KR860001218B1 - 고강도 전해셀의 배열에서 자기요란을 감소시키기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고강도 전해셀의 배열에서 자기요란을 감소시키기 위한 장치

제1도는 Oz축이 지면에 대해 수직이 되도록 배열된 전해셀의 횡단면도로서, 중심라이저(riser) 및 횡연결도체에 의해 유도된 자기장의 벡터가 좌측에 표시되어 있고, 우측 반면은 양극의 반쪽(a)을 표시하고 있다.

제2도는 전해셀의 음극을 4부분으로 분할하여 1부터 4까지 번호를 붙인 수평단면도.

제3도는 자장에 의하여 금속내에서 발생한 라플라스 힘(Laplace force)으로 알려진 힘의 종축수평성분의 그래프.

제4도는 4분의 1셀당 평균 Bz 자장의 그래프.

제5도는 본 발명에 따른 전해셀간의 연결도체의 도해도.

제6도, 제7도 및 제8도는 양극 버스비아(bus bar)의 양단과 그 중간 연결도체에 공급하는 전류강도의 분율의 차이를 표시한 도면으로서, 도면을 간단히 하기위해 좌측 반면에만 수치를 붙였으며, 우축반면은 이와 대칭이다.

제9도는 금속면에 대한 버스바아의 위치의 함수로서 표시한 횡연결도체의 자장 Bz 및 By 값의 비교그래프.

본 발명은 용융 빙정석내에 용해된 알루미나를 전해하여 알루미늄을 제조하는 데 사용되는 횡으로 배열된 고강도 전해셀들의 배열에서 자기요란을 감소시키는 장치에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 각 전해셀 및 동 배열의 인접셀에 의하여 형성된 활성자장에 의해 발생되는 자기요란을 감소시키는 데 적용된다.

전해셀에 공급하는 전류를 증가시키게 되면 투자 비용이 감소되어 이익이 증대될 수 있는 것으로 알려져 있고, 이에따라 20년전에는 100,000암페어를 사용하였으나 현재에는 200,000암페어가 사용되고 있다.

또한 같은 크기의 전해셀을 종방향으로 배열하는 것 보다는 횡방향으로 배열하는 것이 작업조건이 좀 복잡하더라도 자기 영향을 덜 받는다는 사실이 입증된 바 있다.

이하의 설명에서, 중심점 0가 전해셀의 음극면의 중심에 위치하는 직각 삼면체의 Ox, Oy 및 Oz축에 따르는 자장성분은 각각 Bx, By 및 Bz로 표시하였으며, 여기서 Ox는 배열방향의 종축이고 Oy는 횡축이며, Oz는 위로향한 수직축을 나타낸다.

또, "상류" 또는 "하류"라는 용어는 전류방향을 기준으로 표시한 것이며, 자장의 그래프에서, 주어진 평면에 대한 "비대칭"이란 용어는 주어진 평면에 대해 대칭인 임의의 두점에 대응하여 절대값은 같지만 부호가 반대인 두 값을 갖는 함수를 나타낸다.

알루미늄 페치니사 명의로 1977년 9월 20일자 허여된 미합중국 특허 제4,049,528호에는 횡방향 배열의 전해셀의 자기효과를 감소시키기 위한 조건이 제시되어 있는데, 이 조건을 위와 같은 형태의 전해셀에 적용한 결과, 알루미늄의 제조, 특히 에너지절약면에서 상당한 진전이 있었다.

그러나 이 이론은 도가니(pot shell), 상부구조물, 음극봉 및 건물 등과 같은 강자성체에 의해 발생하는 스크린 효과를 고려하지 않은 것이었다.

현재에는 전해욕의 중심이나 음극 금속에서 작업중인 전해셀을 측정하는 방법이 개발됨으로써, 계산된 자장에 미치게되는 강자성체영향을 측정할 수 있게 되었다.

본원에서 사용하는 "자화자장(field of magnetisation)"이라하는 용어는 측정자장과 계산자장사이의 "오차"를 말하는 것으로서, 이 자화자장은 음극의 모든 점에서 각기 다른 값을 나타내며, 경험에 의하여 전해셀의 양단에서 최대값을 나타내고 전해셀의 중심쪽으로 갈수록 점점 감소하여 그 중심에서 0이 된다는 사실을 알았다.

특히 수직자장성분 Bz에서의 측정자장과 계산자장간의 "오차"는 +y측에 위치한 음극의 각 점에서 보통 양이되며, -y축에 위치한 음극의 각점에서는 "비대칭"에 의해 음이된다.

이것은 Bz 성분이 전해셀 주변에 있는 다른 여러가지 전도체의 성분 자장에 의해 발생된 것이라는 사실로 풀이되는데, 이들 전도체들중 주요한 것은 다음과 같은 것들이 있다(제1도 참조).

·+y 축에 위치하여 셀들을 연결하는 횡연결도체로서, 음극의 각점들이 +y축상에 위치에 있기 때문에 항상 음의 자장 Bz(1)을 제공한다.

·양극 버스바아(3)에 연결되는 중심 라이저(riser)(2,2')로서, 자장 Bz(2) 및 Bz(2')를 발생시키며, 이 자장의 합은 항상 양이다. (여기서 "양극 버스바아"라함은 단일 교차비임, 전기적으로 분리된 두개의 교차비임 또는 등전위로 연결된 두개의 교차 비임등의 구조물에 대한 현가장치 또는 양극의 전류공급장치를 지칭하는 것이다.)

·-y 측에 위치하여 전해셀을 연결하는 횡연결도체(1')로서, 항상 양인 자장 Bz(2')을 제공한다.

여기서, 횡연결도체(1)과 (1')에 의해 형성되는 수직자장은 항상음이 되는데, 이 수직자장은 도가니(4,4')의 헤드부에 의해 형성된 스크린 효과에 의해 크게 감쇄되며, 반면 중심라이저(2,2')에 의해 형성된 결과적인 수직자장은 항상 양으로, 이 자장에 미치는 스크린 효과는 상기 횡연결도체에 의한 수직자장에 미치는 효과보다 적다.

따라서 +y 축에서의 자장 Bz의 실측치와 계산치 간의 오치는 양으로 된다.

또, 중심근처에 위치한 점에서의 스크린 효과는 Bz의 생성원(source)인 모든 전도체에 대해 균등하게 되므로 약화되며, 더우기, 서로 다른 자장들은 평형을 이루어 소멸된다.

따라서 실측치와 계산치 사이에는 미약한 "오차"만이 존재하며, 이 "오차", 즉 자화자장은 발생된 약한 Bz 자장에 가해진다.

이상과 같은 이론은 자기효과를 감소시킬 수 있도록 전해셀에 연결되는 각각의 전도체를 순환하는 전류분포를 선택할 수 있게하는 실험적인 측정방법에 의해 증명된다.

금속에서 발생되는 라플라스힘(Laplace forces)으로 알려진 하기와 같은 힘은 전해욕/금속계면의 변형을 유발하는 원인이 된다.

Oy 축상의 힘 : f(y)=j_zB_x-j_xB_z

Ox 축상의 힘 : f(x)=j_yB_z-j_zB_y

여기서 B_x, B_y및 B_z는 O_x, O_y및 O_z을 따른 자장 B의 3성분이며, j_x, j_y, j_z는 금속의 전류밀도의 3성분이다.

측정 B_x=계산 B_x+자화자장 B_x

측정 B_y=계산 B_y+자화자장 B_y

측정 B_z=계산 B_z+자화자장 B_z

제2도는 횡배열 전해셀의 수평단면도로서, 음극의 중심점을 기준으로 하여 O_x, O_y축에 의해 4부분으로 분할되어 있다.

제1부에서 횡좌표(x)의 O_y에 평행한선 상의 힘 f₁(y)의 힘은 O_y축에 평행한 각각의 축상에서, j_z가 모든 전해셀을 통해 균일하므로 일정하고, j_x도 음극바아의 통상배열로 인해일정하기 때문에 하기와 같이 표시할 수 있다.

이와 마찬가지로 제4부에서 O_y에 평행한 동일 y축상에서의 힘 f₄(y)의 합은 다음과 같이 표시할 수 있다.

(2)

만약 F₁(y)가 -F₄(y)이면 O_y에 평행인 각 선상의 힘들은 동일하고 반대일 것이다. 이로써 다음의 식이 성립된다.

(3)

(3)

상기 두식은 y축상의 B_x와 B_y의 값이_xO_z면에 대해 비대칭이면 증명될 수 있을 것이다.

수평저장 B_x의 경우 : y 축 및 z축에 따르는 전도체가_xO_z에 대해 대칭으로 배열되는 횡배열 전해셀에서 계산 B_x자장은 비대칭이다.

이와 마찬가지로_xO_z에 대해 대칭으로 배열되는 강자성체의 경우에도 가화자장 B_x는 비대칭이 되는데, 이러한 사실은 실제측정자장 B_x또한 O_x에 대해 비대칭이 된다는 것을 의미한다.

수직자장 B_z의 경우 : x축 및 y축을 따르는 전도체가_xO_z에 대해여 대칭으로 배열되어 있는 횡배열 전해셀에 있어서 계산 B_z자장은 비대칭이 된다.

이와 마찬가지로_xO_z에 대해 대칭으로 배열되는 강자성체의 경우에도 자화자장 B_z는 비대칭이 되는데, 이것은 실제측정자장 B_z가 O_x에 대해 비대칭이 됨을 의미한다.

모든것을 y축상에서 생각하면

F₁(y)=F₄(y) (5)

(6)

이제 제2,3부에서 종축힘을 측정하여 보자.

방정식은 상기 제1,4부의 식과 동일하다.

(7)

방정식(6) 및 (7)은 전해욕/금속의 계면이_xO_z면에 대해 대칭임을 보여준다.

이제 라플라스힘이 O_x축의 양편에서 동일해지도록 추가조건을 부가해야 한다.

(8)

(9)

F₁과 F₂의 라플라스 힘의 방정식은

(10)

(11)

j_z는 음극 바아의 통상 배열에 기인하여 O_y에 대해 대칭으로 배열된 양축상에서 동일하게 된다.

j_x에 있어서, 음극 바아를 흐르는 전류는 O_y에 대해 대칭으로 배열된 모든점에서 동일하고 반대방향이다.

그러므로 j_2x=-j_1x

그리고 방정식(11)은 제4부에서 다음과 같이 된다.

(12)

수평자장 B_x의 경우 : O_y축 및 O_z축에 평행한 전도체가_yO_z면에 대칭으로 배열되어 있는 횡배열 전해셀에서, 수평자장 B_x는 대칭이된다.

수평자장 B_x의 경우 : 방정식(10)과 (12)의 제1항은 동일시된다.

방정식(8)을 검산하기 위하여 다음식이 만족되어야 한다.

(13)

즉

(14)

다시 말하면, O_y에 대해 대칭으로 배열된 양축상의

값이 비대칭이면 방정식(13)과 (8)이 증명된다.

횡축도에서 O_y에 평행인 양축상에 실제자장의 적분

의 값은 O_y축상의

적분값에 대하여 비대칭이라는 것을 알 수 있다.

그러므로 조건(13)은 O_y축상에서 측정자장의

가 0로 될때만족된다.

결론적으로, 조건(14)가 만족되면 제3도와 같이 O_y에 평행하고 또 O_y에 대해 X₁의 거리를 두고 대칭으로 배열된 양축상에서 다음식이 얻어진다.

F₁=-F₄; F₁=F₂; F₂=-F₃즉 F₃=F₄

즉 F₂=F₁; F₃=-F₁; F₄=-F₁(15)

또, 부분전 해셀명 종축힘의 합은

이와같이 두개씩 반대값을 갖는 동일성에 의해 다음결과가 얻어진다.

1. 전해욕/금속간 계면의 형상은 돔형이며_xO_z에 대해 대칭이다.

2. 돔의 구부러짐(bend)은 최소가 될 것이고, 실제로 조건(14)가 만족될 때 전해욕/금속간 계면은 거의 편편해지며, 또 양극장치의 주변에서만 1cm 이하정도와 같이 측정하기 어려운 정도록 약간 불균일하게 된다.

3. 전해셀의 저항의 변화에 의해 감지할 수 있는 금속의 유동은 더이상 존재하지 않는다.

실제로 방정식(4)와 (13)은 전해셀의 제1부에서 평균B_z1이라고 하는 다음 값을 갖게 한다.

평균

여기서 s는 4분의 1셀의 표면적이다.

제1부의 평균 B_z=+B_z1제3부의 평균 B_z=+B_z1

제2부의 평균 B_z=-B_z1제4부의 평균 B_z=-B_z1

따라서 금속의 유동은 4분의 1셀당 B_z의 평균값에 의해서 결정된다.

이값은 제4도에서 도시한 것대로 둘씩 동일하고 반대부호를 가질때 무시할 수 있다.

또한 상기 동일성은 평균 B_z의 4분의 1셀당 최소값에 일치한다.

측정장치상의 기술적 진전에 의하여 강자성체에 대한 여러가지 상이한 전도체의 위치에 따라 상기 여러가지 전도체의 기분 자장에 미치는 강자성체의 의한 "오차"작용을 증명할 수 있었으며, "자화자장"이라 칭하는 계산시 수정되어야 하는 상기 "오차"작용을 실험적으로 측정할 수 있었다.

O_y축상에서 측정된 실제 자장의 조건

는 절대치는 같으나 부호가 반대인 4분의 1셀당 평균 B_z값이 되며, 상기 조건에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

·실제적으로 전해욕/금속간의 계면이 편평해진다.

·음극 금속의 움직임이 없게된다.

이와 같은 안정성으로 인해 전해셀의 작업조건을 최적이되게 할 수 있고, 에너지의 수율을 높일 수 있으며, 컴퓨터를 이용한 정밀한 제어가 가능하다.

상기조건

및 O_y축에서 측정된 실제 자장의 유사조건

은 전해셀을 통과하는 전류강도, 또 전해셀 사이를 연결하는 연결전도체의 위치에 따라 결정된다.

제5도는 상류측 전해셀(n-1)과 하류측 전해셀(n) 사이를 연결하는 전도체의 조립체의 배열을 도시한 것으로서, 두개의 헤드 라이저와 두개의 중심 라이저가 하류측 전해셀의 양극 버스바아(3)에 연결되어 있다.

도면에서는 중심 라이저가 2개로 표시되어 있으나, 그 갯수는 제한되지 않는다.

그러나, 전류가 70,000 내지 100,000 암페어 정도로 작거나 비교적 좁은 공간에 설치된 기존의 전해셀에 본 발명을 적용할 경우에는 O_x축을 따르는 중심라이저를 하나만 설치할 수도 있다.

상류측 전해셀(n-1)의 음극봉(5), (5')의 각단부는 음극 바아(6), (6'), (7), (7')에 연결되어 있으며, 상기 음의 바아의 갯수는 일반적으로 전해셀의 칫수에 따라 정해지는 것으로서, 제5도에서는 간단히 하기 위해 4분의 1전해셀당 1개만을 도시했다.

4분의 1전해셀당 음의 바아를 떠나는 전류의 전체전류 강도는 2i/8 이다.

상류측 전해셀(n-1)의 상부 음의 바아(7), (7')는 상류측 전해셀의 상류측 모서리(8), (8')을 돌아서, 하류측 전해셀(n)의 양극 버스 바아(3)에 전류를 전도하는 횡연결도체(1), (1')에 연결된다.

상류측 전해셀의 하류측 음의 바아(6),(6')은 중심라이저(2), (2')에 의해 하류측 전해셀의 양극 버스바아(3)에 연결된다.

전해셀의 크기, 강자성체(예로써, 도가니, 상부구조, 음극봉 및 건물등)의 크기 및 전해셀들을 연결하는 봉들의 위치등에 따라 양극버스바아의 양단에 공급되는 전류강도(i)는 보통 전해셀을 구성하는 데 사용된 강자성체들의 중량에 따라 i/8에서 2i/8 사이의 값을 가져야 한다는 것이 관찰되었다.

제6도, 제7도, 제8도는 각 양극 버스바아 헤드에 공급되는 전류강도(i)가 각각 i/8, 1.5xi/8, 2xi/8인 경우의 도표이다.

전도체의 위치는 도가니(pot shell)의 헤드부에 가능한한 근접 설치하는 것이 좋으나 전해셀의 작업성과 전기적인 안정성등도 고려하여 설치하는 것이 좋다.

상기 전도체를 수직으로 설치할 경우에는

·각 α의 코사인 값인 B_z성분을 비교적 작계하기 위해 회로의 길이가 길어지지 않도록하고(제9도 참조)

·전도체가 금속면에서 멀어지게되면 사인 α 값에 따라 B_x, B_y성분의 불필요하게 생성되므로 이것을 방지하도록 하기 위해 전도체와 금속면간의 거리가 매우 가깝게되도록 설치한다.

또, 실제로 공장에서 전해셀 사이를 연결하는 전도체의 길이는 가능한 짧은 것이 경제적으로 유리하지만, 이거은 본 발명의 적용분야를 제한하는 사항은 아니다.

전류강도(i)는 다음 방법으로 결정된다.

·연결도체(전도체)를 토대로 하여 O_y축상에서 B_z의 이론치의 곡선을 구한다.

이 곡선은 "i"의 함수이다.

·O_y축상의 자화자장 B_z의 값은 실험에 의해 구해지며, 이 곡선 또한 "i"의 함수이다.

·측정 B_z는 이론 B_z+ 자화자장 B_z와 동일하므로, 실제 B_z의 곡선은 "i"의 함수로서 O_y축상에서 계산에 의해 구해진다.

·O_y축상의 실제

를 여러가지 "i"값에 대해 계산하여 O_y축상의 실제

의 조건에 부합되는 "io"값을 구해보면 "io"의 값이 i/8 내지 2i/8의 범위에 있음을 알 수 있다.

[실시예]

미합중국 특허 제4,049,528호의 청구범위에 따라 설계한 175,000 암페어 전해셀로 부터는 하기의 결과를 얻게 된다.

평균전류강도 : 175,500 암페어 평균전압 :4.07볼트

파라데이수율 :91.1% 전력소비율 : 13,330KWh/t

다음에, 두개의 중심 라이저를 구비하고 양극 버스바아의 양단자에 공급되는 전류가 1.3×i/8 인 본 발명의 전도체를 상기 전해셀에 적용한 결과 다음과 같은 양호한 결과를 얻었다.

평균전류강도 : 177,000 암페어 평균전압 :4.02볼트

파라데이수율 :92.8% 전력소비율 : 12,940KWh/t

Claims (1)

1. 양극버스바아(3), 다수의 음극봉(5,5'), 상류측 전해셀(n-1)의 음극봉(5,5')와 하류측 전해셀(n)의 양극버스바아(3) 사이를 연결하는 적어도 하나의 중심라이저(2,2')를 구비하며 배열축에 대해 횡방향으로 배치되는 일련의 고전류 전해셀의 배열에서 자기요란을 감소시키도록 전류를 공급하는 장치에 있어서, 상기 양극버스바아(3)의 양단자와 상기 적어도 하나의 중심라이저(2,2')를 통해 전류를 공급하기 위한 횡연결도체(1,1')를 포함하여, 상기 양극버스바아(3)의 각 단자에 공급되는 전류강도가 i/8 내지 2i/8(i:전체전류강도)의 범위인 것을 특징으로 하는 고강도 전해셀의 배열에서 자기요란을 감소시키기 위한 장치.

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