NL7905732A

NL7905732A - Elektrolysecel met gecompenseerde magneetveldcomponen- ten.

Info

Publication number: NL7905732A
Application number: NL7905732A
Authority: NL
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1978-08-04
Filing date: 1979-07-24
Publication date: 1980-02-06
Also published as: DE2841205C3; US4224127A; FR2432562B1; CH649317A5; SE7906554L; JPS5524994A; ES483012A1; NO151374C; DE2841205A1; NO151374B; NO792528L; FR2432562A1; AU4931879A; SE435836B; CA1123786A; GB2027056A; GB2027056B; AU530076B2; ZA793863B; YU189779A

Description

s

A

\

« I

VO 81k6

Schweizerische Aluminium AG

Chippis

Zwitserland

Eleetrolysecel met gecompenseerde magneetveldccmponenten.

De uitvinding heeft "betrekking op een eleetrolysecel voor de "bereiding ran aluminium door middel van smeltvloeielectrolyse, van de langszijden waarvan de uit de kathodestaven afkomstige elèctrische stroom door middel van tenminste vier verzamelrails asymmetrisch naar de anodebalken van de volgende oven wordt geleid.

Voor de winning van aluminium door electrolyse van aluminium-oxyde wordt dit in een fluoridesmelt opgelost, die voor het grootste gedeelte uit kryoliet (lla^AlFg) bestaat. Het kathodisch afgescheiden aluminium verzamelt zich onder de fluoridesmelt op de koolstofbodem van de cel, waarbij het oppervlak van het vloeibare aluminium de kathode vormt. In de smelt zijn van bovenaf anoden gedompeld, die bij conventionele werkwijzen uit amorfe koolstof bestaan. Aan de anoden wordt door de electrolytische ontleding van het aluminiumoxyde zuurstof gevormd, dat zich bij toepassing van koolstofanoden tot CO en COg verbindt. De electrolyse vindt plaats in een temperatuur-gebied van ongeveer 900-1000°C.

Het bekende principe van een conventionele aluminiumelectrolyse-cel met voorgebrande koolstofanoden volgt uit fig. 1, die een verticale doorsnede in de lengterichting door een gedeelte van een eleetrolysecel toont. De stalen kuip 12, die met een thermische isolatie 13 van hittebestendig, warmtetegenhoudend materiaal en met koolstof 11 is bekleed, bevat de fluoridesmelt 10, de electrolyt. Het kathodisch afgescheiden aluminium lU ligt op de koolstofbodem 15 van de cel. Het oppervlak 16 van het vloeibare aluminium stelt de kathode voor. In de koolstofbekleding 11 zijn dwars op de langs-richting van de cel ijzeren kathodenstaven 17 aanwezig, die de electrische gelijkstroom uit de koolstofbekleding 11 van de cel zijdelings naar buiten voeren. In de fluoridesmelt 10 zijn van boven anoden 18 van amorfe koolstof gedompeld, die een gelijkstroom 7905732 ’•Γ 2 % aan de electrolyt toevoeren. De anoden zijn via strocmgeleidingsstangen 19 en door sloten 20 vast-met de anodebalk 21 verbonden.

De stroom loopt van de kathodestaven 17 van de ene cel via niet weergegeven strocunrails naar de anodebalk 21 van de volgende cel.

5 Van de anodebalk 21 loopt hij via de strocmgeleidingsstangen 19, de anoden 18, de electrolyt 10, het vloeibare aluminium 1^· en de koolstofbekleding 11 naar de kathodestaven 17· De electrolyt 10 is bedekt met een korst 22 van gestolde smelt en een zich daarboven bevindende aluminiumoxydelaag 23. Tussen de electrolyt 10 en de 10 gestolde korst 22 vormen zich tijdens bedrijf holle ruimten 25.

Aan de zijwanden van de koolstofbekleding 11 vormt zich eveneens een korst van gestolde electrolyt, n.l. de rand 2b. De rand 2b is mede bepalend voor de horizontale uitzetting van het bad van het vloeibare aluminium 1^ en de electrolyt 10.

15 De afstand d van de benedenzijde 26 van de anoden tot het alu- miniumoppervlak 16, ook wel interpolaire afstand genoemd, kan door opheffen of laten zakken van de anodebalk 21 met behulp van hef-installaties 27» die op zuilen 28 zijn gemonteerd, worden veranderd.

Bij het in werking stellen van de hefinstallatie 27 worden tege-20 lijkertijd alle anoden opgeheven resp. neergelaten. De anoden kunnen bovendien, elk voor-zich, op bekende wijze met behulp van de aan de anodebalk 21 aangebrachte sloten 20 op een bepaalde hoogte worden ingesteld.

De electrolyseovens staan zoals gebruikelijk in reeksen en zijn 25 in de lengte of dwars op elkaar opgesteld. De electrolysestroom stroomt eerst door de in serie geschakelde ovens van de ene reeks en keert vervolgens in een of meerdere naburige reeksen van ovens naar de als bron fungerende gelijkrichtereenheid terug.

Deze terugleiding of terugleidingen wekken een .'verticaal mag- 30 netisch strooi veld H_ op, welke zich volgens de volgende gelijkmatig- z heid, die in het algemeen geldt voor geleiders waar stroom doorheen gaat, kan worden benaderd:

H - --- Ia/ciJ

Z 27Tr L J

35 waarbij I de stroomsterkte in ampere en r de middelbare afstand 7905732 ai·.

3 tot de naburige overtreeks in cm -voorstellen.

De door naburige ovenreeksen opgewekte magneetvelden storen de gewenste magnetische symmetrie van een electrolysecel aanzienlijk, omdat zij in bepaalde gebieden van de oven bij de eigen magneet-5 velden daarvan opgeteld, in andere gebieden daarentegen afgetrokken worden. Het door interferentie gevoimde magneetveld veroorzaakt in het ovenmetaal assymetriéën, die tezamen met horizontale strocm-diehtheidsccmponenten voor metaalstrcmingen, -opwelvingen en -golvingen verantwoordelijk zijn. Ctadat al deze verschijnselen een nadelige 10 invloed hebben, is het van zeer groot belang dat de magnetische veld-verdeling volgens theoretische beschouwingen en praktische ervaringen kan worden beïnvloed.

Het is bekend om de veldverdeling in het gesmolten vloeibare electrolysemetaal door een passende keuze van de strocmverdeling 15 in de nabije en verdere omgeving van de ovens te regelen. Het is b.v. gelukt cm 210 kA-ovens zowel magnetisch alsook wat strocm-dichtheid betreft in symmetrie te brengen resp. geschikte afinetingen te geven. Omdat echter voor de veldverdeling niet alleen invloeden van nabije velden, maar ook invloeden van verre velden van naburige 20 ovenreeksen van belang zijn, is het moeilijk cm in een electrolyse-oven het verre veld in voldoende mate te compenseren.

Uit Erzmetall, 27/10, (197¾) 5 b6b is bekend, dat bij buitengewoon goed in symmetrie gebrachte electrolyseovens alsnog asymmetrieën moeten worden ingebracht, om golvingen in het afgescheiden aluminium 25 te verhinderen. Dit werd gerealiseerd doordat de kathodische aluminium-rails op een bepaalde plaats gescheiden werden, zonder dat de ovens stroomloos werden gemaakt. Het scheiden geschiedde doordat t.o.v. de dwarsas van de oven niet meer evenveel kathodestaven hun strocm naar beide zijden van de langszijde van de oven afvoerden.

30 Deze bekende werkwijze wordt in fig. 2 weergegeven, waarbij de gelijkstroom van een oven 30 via kathodestaven 17 en kathodische stroomrails 31 naar de niet weergegeven dwarsbalk van de volgende cel wordt geleid. Een stroomrail 31 is bij 32 gescheiden, waardoor in de kathodische aansluiting met opzet een asymmetrie met betrekking 35 tot de dwarsas 33 wordt gerealiseerd. Magnetisch werd door het scheiden 7905732 V ^ %.

een naar boven gericht extra veld gecreëerd, waardoor de magnetisch "bepaalde stromingen in het vloeibare metaal feitelijk konden worden opgeheven.

Het Duitse Offenlegungsschrift 26.53.6^3 beschrijft het ccm-5 penseren van magnetische velden, doordat de uiteinden van de kathode- staven aan tenminste een langszijde van de dwars opgestelde electro-lyseovens in verschillend aantal met naar de anoden van de volgende oven leidende rails zijn verbonden. Dit heeft met betrekking tot eeamagnetiseh extra veld dezelfde invloed als het scheiden van de 10 rails.

In beide gevallen is het nadelig, dat het extra veld, dat moet worden opgewekt, bij de in de electrische serieschakeling volgende oven wordt verminderd.

Doel van de uitvinding is derhalve een electrolysecel voor 15 de bereiding van aluminium te verschaffen, waarbij het magnetische strooiveld door naburige ovenreeksen verlaagd of opgeheven kan worden, zonder bij de in de reeks volgende oven een aangelegd extra veld aan te tasten.

Dit doel wordt volgens de uitvinding gerealiseerd, doordat 20 de de stroom in tegengestelde richting afvoerende kathodische ver-zamelrails van de ene langszijde van de oven op verschillende afstanden D,d van de langsas van de oven, en de verzamelrails van de andere langszijde van de oven op verschillende afstanden D',d' van de langsas van de oven zijn geplaatst, waarbij de rails met de 25 langere afstanden D,D' resp. de rails met de kortere afstanden d,d' diametraal tegenover elkaar liggen, en de verplaatsingen D-d resp. D’-d' van de verzamelrails afhankelijk van de positie van de naburige ovenreeks zodanig zijn aangebracht, dat in de electrolysecel een magnetisch extra veld, dat volgens bekende rekenprocédê*s van de 30 electrotechniek is bepaald, ontstaat, dat aan het magnetische strooiveld door de naburige ovenreeks tegengesteld gericht is.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zijn de verplaatsingen van de verzamelrails aan dezelfde langszijde van de oven zo groot, dat het door deze verplaatsingen verkregen magnetische 35 extra veld even groot is als het tegengesteld gerichte, door de 7905732 5 naburige ovenreeks verstrooide magneetveld.

Bij voorkeur zijn zavel de diametraal tegenover elkaar liggende langere afstanden van de verzamelrails van de langsas van de oven alsook de overeenkomstige kortere afstanden telkens even groot.

5 Dit is echter niet onvoorwaardelijk vereist, maar alle variaties zijn moge lijk: - De langere afstanden en de kortere afstanden zijn verschillend; - de langere afstanden zijn gelijk, en de kortere afstanden zijn verschillend; 10 - de langere afstanden zijn verschillend en de kortere afstanden zijn gelijk.

De volgens de uitvinding gerealiseerde asymmetrie kan dankzij de diametraal tegenover elkaar liggende langere en kortere afstanden worden verkregen, doordat elke verzamelrail met evenveel, d.w.z.

15 de helft van de kathodestavenuiteinden aan éên langszijde van de oven wordt verbonden. Volgens andere uitvoeringsvormen kunnen echter diametraal tegenover elkaar liggende kathodische verzamelrails evenveel, van de helft van het totale aantal aan een langszijde van de oven afwijkende kathodestavenuiteinden cmvatten.

20 De uitvinding wordt aan de hand van de tekening, die doorsneden uit ovenreeksen in de vorm van een horizontale doorsnede door drie electrolysecellen toont, nader toegelicht. Hierin toont fig. 3 : Drie dwars opgestelde ovens, waarbij elke kathoderails met vijf kathodestaafuiteinden verbonden is, d.w.z.

25 telkens met een vierde; fig. 4: drie dwars opgestelde ovens zoals in fig. 3, waarbij echter twee diametraal tegenover elkaar gelegen kathoderails met zes kathodestaafuiteinden, en de beide andere diametraal tegenover elkaar gelegen kathoderails met 30 vier kathodestaafuiteinden verbonden zijn.

De in reeksen geplaatste, dwars opgestelde ovens 3b zijn allemaal identiek uitgevoerd. Op de kathodestaven 17 zijn de verzamelrails 35-38 aangesloten, waarbij de rails 35 een afstand D van de lengteas 39, de rails 36 een afstand d, de rails 37 een afstand 35 Dr, en de rails 38 een afstand d' van de lengteas 39 hebben. Deze 7905732 <£ 6 kathoderails 35-38 zijn met de anodebalk Ul -van de volgende oven in dezelfde ovenreeks verkonden. De positie van de naburige ovenreeks is met verwijzingscijfer k2 aangegeven. Deze ovenreeks veroorzaakt in de ovens 3U een magnetisch strooi veld, dat van onder naar boven 5 gericht is. Wanneer de naburige ovenreeks aan de tegenovergestelde zijde zou liggen, zou een verticaal van boven naar beneden gericht magnetisch strooi veld -worden verkregen.

De kathoderails 35 heeft een afstand van de langsas 39 van de oven, die D-d groter is dan de overeenkomstige afstand van de kathode-10 rails 36. Zo heeft ook de stroomrails 37 een afstand van de langsas van de oven, die D'-d' groter is dan de overeenkomstige afstand van de stroomrails 38. In het onderhavige geval is D=D’ en d=d'.

In plaats van een enkele stroomrails kan 35 een serie van evenwijdige stroomrails omvatten, evenals de stroomrails 36, 37 en/of 15 38.

Volgens de bekende wetten van de eleetriciteitsleer kan worden ingezien, dat de met betrekking tot de langsas van de oven tegenover elkaar liggende kathoderails 35 en 36 resp. 37 en 38 een verticaal magneetveld geven, dat van boven naar beneden gericht is, en dat 20 door de overeenkomstige kathoderails van de in de reeks voorafgaande oven niet wordt opgeheven, omdat deze rails telkens een grotere afstand tot de langsas van de oven dan de rails van dezelfde oven bezitten.

Wanneer men elk vierde gedeelte van de oven op zichzelf be-25 schouwt, bevordert de verplaatsing van de kathoderails naar de oven toe of van de oven weg telkens de gewenste magnetische werking in de voorafgaande en volgende oven van de reeks.

Voorbeeld:

In dit voorbeeld wordt het verticale magnetische strooiveld 30 van een naburige ovenreeks en de invloed van de verplaatsing volgens de uitvinding van de kathoderails 35-38 berekend.

Voor een stroomsterkte I=l60kA en een afstand tussen de ovenreeksen van 36 m kan met de bovenstaand gegeven formule voor het magnetische strooiveld een magnetisch strooiveld van H =7,1 A/cm z 35 worden bepaald.

7905732 7 ϊ Λ

Twee ovenlangsassen 39 hadden een afstand van TOO cm. De kathode-rails 35 en 37 hadden in dit geval dezelfde afstand tot de- langsas van de "bijbehorende oven van i+00 cm. Ook de dichterbij de oven geplaatste rails 36 en 38 hebben in dit geval dezelfde afstand tot 5 de langsas van de bijbehorende oven van 270 cm. Daardoor "wordt b .v.

aan de ovenlangsas 39 aan de smalle zijden van de ovens een verticale, naar beneden gerichte magnetische veldsterkte Hz gerealiseerd, die als volgt werd berekend: B2 - K ( afö + 3M "Soó - Ï30> Κ·0.°°22261(=Τ,1 A/cm 10 K, dat de dimensie andere (A) heeft, kan voor een oven met een strocansterkte van l6o kA volgens bekende regels van de electrotechniek voor een in de lengte begrensde geleider worden berekend op 3185.

Met de railsordening volgens dit voorbeeld kon derhalve een magnetisch strooi veld van de naburige ovenreeks van 7*1 A/cm volkomen 15 worden gecompenseerd.

7905732

Claims

1. Electrolysecel voor de "bereiding van aluminium door smelt -vloeielectrolyse, van de langs zij den -waarvan de uit de kathodestaven uittredende electrisehe stroom via tenminste vier verzamelrails asymmetrisch, naar de anodehalk van de volgende oven wordt geleid, 5 met het kenmerk, dat de de stroom in tegengestelde richtingen af voerende kathodische verzamelrails (35* 36) van de ene ovenlangs-zijde op verschillende afstanden (D,d) van de ovenlangsas (39), en de verzamelrails (37, 33) van de andere ovenlangszijde' op verschillende afstanden (Dr,dT) van de ovenlangsas (39) zijn geplaatst, 10 waarbij de rails (35, 37) met de langere afstanden (D,B') resp, de rails (36, 38) met de kortere afstanden. (d,d’) diametraal tegenover elkaar liggen, en de verplaatsingen D-d resp. D'-d' van de verzamelrails afhankelijk van de ligging van de naburige ovenreeks (1*2) zodanig zijn aangebracht, dat in de electrolysecel 15 een volgens bekende rekenprocédé' s van de electrotechniek bepaal baar magnetisch extra veld ontstaat, dat het magnetische strooi-veld door de naburige ovenreeks tegengesteld gericht is.

2. Electrolysecel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verplaatsingen D-d resp. D’-d' van de verzamelrails (35-38) 20 zo groot zijn, dat het extra veld en het tegengesteld gerichte strooi- veld door de naburige ovenreeks (b2) even groot zijn.

3. Electrolysecel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de diametraal tegenover elkaar gelegen afstanden D en D' en/of d en d' van de kathodische verzamelrails (35 en 37) en/of (36 en 38) 25 van de ovenlangsas (39) even groot zijn. h. Electrolysecel volgens een of meer van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de de electrisehe stroom in tegengestelde richtingen afvoerende kathodische verzamelrails (35, 38) aan tenminste één ovenlangszijde met hetzelfde aantal, een vierde, van uiteinden 20 van kathodestaven zijn verbonden. 7905732