NL8020036A - Werkwijze voor het symmetrisch maken van het verti- kale magneetveld in dwars geplaatste smeltings- elektrolyse-cellen. - Google Patents

Description

__ 1 _ 8020036

Werkwijze voor het symmetrisch maken van het vertikale magneetveld in dwars geplaatste smeltingselektrolyse-cellen.

i i j :

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze i : voor het symmetrisch maken van het vertikale magneetveld, waarbij men organische bijprodukten met hoge stroomsterkte, die in serie zijn verbonden en dwars zijn geplaatst ten opzichte van de as van de 5 serie en bestemd zijn voor de bereiding van aluminium door elektrolyse van aluminiumoxyde, dat is opgelost in gesmolten cryoliet.

Voor een goed begrip van het volgende wordt opgemerkt dat de technische bereiding van aluminium plaats heeft door smeltingselektrolyse in elektrisch in serie geschakelde cellen, van : 10 een oplossing van aluminiumoxyde in cryoliet, die is gebracht op een | ! temperatuur van de orde van grootte van 950-1000° C door het Joule effect van de stroom, die de cel doorloopt.

Iedere cel omvat een rechthoekige kathode, die een vat vormt en waarvan de bodem bestaat uit koolstofblokken, die L5 stevig zijn bevestigd op stalen staven, de zogenaamde kathodestaven en dienen voor het afvoeren van de stroom van de kathode naar de anode van de volgende cel.

De anoden, eveneens uit koolstof, zijn bevestigd op stangen, die stevig zijn geklemd op aluminium staven, de zogenaam-· 20 de anodestaven, bevestigd op een bovenbouw, die hangt over het vat van de cel. Deze anodestaven zijn verbonden door aluminium geleiders/ de zogenaamde "stijgleidingen" met de kathodestaven van de voorafgaande cel. |

Tussen de anoden en de kathode bevindt zich het 25 elektrolysebad, dat wil zeggen de oplossing van aluminiumoxyde in cryoliet. Het gevormde aluminium zet zich af op de kathode en op de j bodem van het anodevat wordt doorlopend een hoeveelheid aluminium gehandhaafd.

.......8ïïiTD3'6............”.............'...............................................“.........................'......'.......'..................................

_ 2 _ I Daar het vat rechthoekig is, lopen de anodestaven!,

j I

I die de anoden ondersteunen, in het algemeen evenwijdig aan de lange j zijden daarvan, terwijl de kathodestaven evenwijdig zijn aan de korte zijden, de zogenaamde "celkoppen".

5 De cellen zijn geplaatst in rijen, in lengte- of j | in dwarsrichting, al naar gelang hun lange zijde op hun korte zijde ; evenwijdig is aan de as van de rij. De cellen zijn elektrisch in serie verbonden, waarbij de uiteinden van de serie zijn verbonden met de positieve en negatieve uitgangen van een elektrisch gelijk-ilO richt- en regel-onderstation. Iedere serie cellen omvat een aantal rijen, die in serie zijn verbonden, waarbij het aantal rijen bij voorkeur even is om onnodige lengte van de geleiders te vermijden.

| De elektrische stroom, die de verschillende ge- ! leiders: elektrolyt, vloeibaar metaal, anoden, kathoden, verbindings- j15 leidingen, doorloopt wekt belangrijke magneetvelden op. Deze velden | induceren in het elektrolysebad en in het in het vat aanwezige ge- I smolten metaal zogenaamde Laplace-krachten, die, als gevolg van de | bewegingen die zij veroorzaken, schadelijk zijn voor het goed functio- ! neren van de cel. De constructie van de cel en van de verbindings- j 120 geleiders wordt bestudeerd opdat de magneetvelden, die worden opgewekt door de verschillende delen van de cel en van de verbindings-geleiders, elkaar compenseren: men komt op deze wijze tot een cel met als symmetrievlak het vertikale vlak, evenwijdig aan de rij cellen en lopende door het centrum van het vat.

25 De cellen zijn echter eveneens onderhevig aan de storende magneetvelden van de nabij liggende rij of rijen.

In het volgende moeten de woorden "stroomopwaarts" en "stroomafwaarts" worden gezien ten opzichte van de algemene richting van de elektrische stroom in de beschouwde rij cellen. Onder 30 "nabijgelegen rij" verstaat men de rij, die het dichtst bij de be- | schouwde rij liggen en onder "veld van de nabij gelegen rij" de resultante van de velden van alle andere rijen dan de beschouwde rij.

De uitvinding beoogt een cel te verschaffen, waar-35 van het anodesysteem wordt gevoed door stroomtoevoeren, die zijn [ 8020036 3 aangebracht op de korte zijden van de cel en waarbij de construe- | tie van de geleiders tussen de cellen zodanig is, dat men een uitstekende symmetrie van het vertikale magneetveld bewerkstelligt volgens de volgende regel: 5 de absolute waarde van de component Bz is dezelf-: de in alle vier hoeken, het teken van Bz is afwisselend positief en nega- j I tief als men vein de ene hoek van de cel naar de andere gaat in de I omtreksrichting.

| : 10 Dit resultaat wordt verkregen: a) rekening houdende met het magneetveld, opgewekt door de rijen van de nabij liggende cellen, b) rekening houdende met de modificatie van het magneetveld als gevolg van de aanwezigheid van ferromagnetische delen 15 in de nabijheid van de cel.

Bz geeft de component van het magneetveld aan volgens de vertikale as Oz, in een referentie-drievlakshoek met drie rechte hoeken, waarvan de as Ox evenwijdig is aan de as van de serie in de stroomrichting, waarbij het punt O is gefixeerd in het j ;20 centrum van het kathodevlak.

! In het Franse octrooischrift 2.333.060 en de i aanvulling 2.343.826 op dit octrooischrift, zijn maatregelen beschreven, die beogen het magneetveld te compenseren dat wordt opgewekt door rijen nabij gelegen cellen, waarbij een stroomlus wordt geplaatst 25 onder de uitwendige kop, dat wil zeggen onder de korte zij-de van j de cel, die het verst verwijderd is van de dichtstbij liggende rij. i j

De gebruikte inrichting bestaat uit het afleiden van een deel van de j stroom, die om de uitwendige kop van de cel loopt door deze te laten lopen door een onder de cel gelegen geleider.

j 30 Volgens de werkwijze van de uitvinding, die beoogt de vertikale component van het magneetveld van dwars geplaatste elektrolyse-cellen symmetrisch te maken, dat wil zeggen er voor te zorgen dat het vertikale magneetveld nagenoeg dezelfde absolute waarde heeft in de vier hoeken van de cel, met afwisselend positieve! i 35 en negatieve tekens als men de omtreksrichting van de cel doorloopt,; 812 0 031 _ 4 _ wordt de verdeling van de stroom in de toevoergeleiders van de anode van een cel, stroomafwaarts vanaf de kathode de stroomopwaarts nabij gelegen cel, gemodificeerd door bij de cel twee elektrische | lussen te superponeren, die een extra vertikaal magneetveld opwekken, |5 dat nagenoeg gelijk is aan het gemiddelde vertikale magneetveld van de cel, aan de korte zijde en in tegengestelde richting, welke elek-I trische compensatielussen zijn geplaatst onder elk van de korte j zijden of "koppen" van de cel en het doen passeren, in een extra geleider van een fractie op de totaliteit van de stroom, die de 10 stroomopwaartse negatieve collector doorloopt, welke extra geleider dezelfde stroomopwaartse collector verbindt door het verlengen van I de grote zijde stroomafwaarts van de cel,

De extra geleiders worden zo hoog mogelijk onder de cel geplaatst, horizontaal en evenwijdig aan de korte zijde van 15 de cel en op zodanige wijze, dat de vlakken door de inwendige en uitwendige geleider en door de inwendige kant van de anode op de inwendige en uitwendige korte zijde, respectievelijk met de vertikaal een hoek maken, die ongeveer gelijk is aan 45°.

| De fig. 1 en 2 geven een schematische toelichting 20 van de plaats van de compensatiegeleider onder de koppen van de cel.:

Fig. 3 toont de werkelijke geometrische plaatsing van de compensatielus onder één van de koppen van de cel.

Fig. 4 geeft schematisch, in een plat vlak, de plaats aan van de verbindingsgeleiders tussen twee opeenvolgende 25 cellen en de plaats van de compensatielussen onder de koppen van één1 van de cellen (de stroomopwaartse cel).

Voor het tot uitvoering brengen van de uitvinding: moeten in de eerste plaats de intensiteiten Ii en Ie in de compensa-j tielussen worden bepaald.

30 Men berekent het vertikale magneetveld in elk van de hoeken Bj, B2, B3 en B4 van de cel en wel (fig. 4): Βζ^ in de stroomopwaartse binnenhoek Bz2 in de stroomafwaartse binnenhoek i

Bz_ in de stroomafwaartse buitenhoek J i 35 Bz4 in de stroomopwaartse buitenhoek. j 8 0 2 ö 0 3 6 ........................'..........'...............................................................

.....- 5 _

De vergelijkingen stroomopwaarts/stroomafwaarts moeten worden bezien ten opzichte van de algemene stroomrichting in de rij vein de cel. De berekening van deze velden geschiedt door rekening te houden met het magneetveld, opgewekt door nabij gelegen 5 rijen en met de inwerking op het veld van ferromagnetische massa's die in de nabijheid van de cel zijn gelegen.

Men krijgt dan de beide volgende vergelijkingen: i | BZj + BZ£ = o

Bz3 + Bz4 = 0 (1) 10 De vergelijkingen (1) zijn lineair voor Ii en Ie (daar het magneetveld evenredig is met de intensiteit) en maken het dus mogelijk Ii en Ie te bepalen.

Men weet nu dat bij afwezigheid van nabij gelegen rijen de vertikale component Bz'^, Bz'2, Bz'3, Bz'4 van het magneet- 15 veld in de vier hoeken van de cel anti-symmetrisch in y is, waarbij de cel als gevolg van de constructie symmetrisch is ten opzichte van het vlak xOz; men heeft dus I :

Bz1j = -Bz1^ I Bz,2 = “Bz,3 ί 20 Het vertikale veld, opgewekt door enerzijds nabij gelegen rijen en anderzijds door de magnetische lussen, is praktisch onafhankelijk van de abscis x, dat wil zeggen dat het een constante waarde Bz heeft op de gehele korte binnenzijde en een constante waarde Bz' op de gehele buitenzijde. Men heeft dus 25 BZj = Bz’j + bz

Bz2 = Bz'2 + bz

Bz^ = Bz'3 + bz' = “Bz'2 + bz'

Bz, = Bz' + bz' - -Bz'. + bz' 3 4 1

Uit de vergelijkingen (1) kan men afleiden” | 30 Bz'j + BZ'2 bz = -bz' = - ——- 2 en:

Bz'j - Bz'2

Bz — - ! 8 0 2 0 0 3 6 ! * 6 B2*2 - Bz’l ! B2--=- 2

Bz'j - Bz'2

Bz = ---— 5 3 2

Bz,2 ' Bz'l

Bz. = —- 4 2

Bz j = -BZ,, = Bz^ = -BZ^ (2) 10 !

Daar het doel is het vertikale magneetveld aan j de korte zijde van de cel door modificeren te verbeteren, plaatst men de onder de cel doorlopende geleider op zodanige wijze, dat deze i een maximale werking op de betreffende zone uitoefent.

115 In fig. 1 is C de doorsnede van de condensatie- ! | geleider vanaf het einde gezien en M het punt waar het te condense- j ren magneetveld het krachtigste is; a is de hoek, die het vlak, dat ; de compensatiegeleider C en het punt M bevat, met het vertikaal maakt. Indien men de stroomsterkte in de geleider C aanduidt met I, j 20 geldt voor het magneetveld B op het punt M:

2 I

! g - —-—— Cos. α ! h | ;

Indien men de vertikale component van het veld | in het punt M aanduidt met Bz, krijgt men; 25 Bz = B. sin α 1 « α . α = — x 2 cos sm h = sin 2 α h

Bz is maximaal als sin 2 o = 1, dat wil zeggen 30 als α = 45°.

De compensatiegeleider moet dus worden geplaatst zoals aangegeven in fig, 2, op zodanige wijze, dat het vlak, bepaald i door de geleider en door de buitenhoek van de anode, een hoek met de vertikaal maakt die nagenoeg gelijk .is aan 45°.

35 In deze fig. 2, die schematisch een vertikale

____ _______________ ____ I

8020036 7 ..... ......................... ......

doorsnede aangeeft van de buitenkop van een elektrolysecel, is (1) j de anode, (2) het gesmolten elektrolyt, (3) de laag vloeibaar aluminium, (4) het kathodeblok, (5) de onderrand van de anode in de nabijheid waarvan het te compenseren vertikale magneetveld maximaal is 5 en (6) de compensatiegeleider.

: i

Fig. 3, die een schematisch en perspectivisch aanzicht geeft van de kop van een elektrolysecel, preciseert de plaats en de loop van de compensatiegeleider (7). Deze omvat: een afdalend deel (8) uitgaande van de negatieve uitwendige stroomop-10 waartse geleider (9) tot het niveau van de bodem van de bak (10), een horizontale doorgang (11) onder de bad evenwijdig aan de korte i , zijde (12), een opstijgend deel (13) tot het niveau van de negatieve uitwendige stroomafwaartse collector (14), geplaatst tussen deze laatste en het caisson van de cel en een terugvoer (15), evenwijdig 15 aan de lange zijde (16) van de cel om de verbinding tot stand te brengen met de stroomopwaartse uitwendige collector (9). Het spoor in gestippelde pijlen geeft aan hoe zich de elektrische lus vormt, die het compensatieveld opwekt, De kathodestaven zijn aangeduid door (17). Een identieke en symmetrische lus ten opzichte van de as 20 van de serie, is geplaatst aan de andere kop van de cel,zoals aan-| gegeven op fig. 4.

Bij een serie cellen van 90 kA met 14 m afstand tussen de rijen bakken, gebruikt men de hierboven genoemde inrichting en men berekent uit de vergelijkingen (1): 25 Ii = 9 kA ongeveer

Ie » 22,5 kA ongeveer

Men meet bij de cellen de volgende vertikale magneetvelden in de hoeken: BZj = 31 Gauss 30 BZj = -40 Gauss

Bz3 = 30 Gauss

Bz4 = -40 Gauss j

De symmetrie wordt dus op een zeer bevredigende | wijze bewerkstelligd. Bij een serie identieke cellen, die niet ge- j 35 compenseerd waren, heeft men ter vergelijking de volgende vertikale 8020036 8 magneetvelden in de hoeken gemeten: Βζ^ = 55 Gauss

Bz^ - -25 Gauss

Bz^ = 15 Gauss 5 Bz. = -75 Gauss 4

Een dergelijke onevenwichtigheid beïnvloedt het goede verloop van de cellen en komt tot uiting in een onvoldoende Faraday-rendement.

10 i i i : i i i i 1 | 8020038

Claims (3)

1. Werkwijze voor het symmetrisch maken van de vertikale component van het magneetveld van dwars geplaatste elek- ! trolyse-cellen, dat wil zeggen om te bewerkstelligen dat het verti- 5 kale magneetveld nagenoeg dezelfde absolute waarde heeft in de vier j hoeken van de cel, met afwisselend positieve en negatieve tekens als ! men de omtrek van de cel doorloopt, waarbij men de verdeling van de i stroom in de toevoerleiders van de anode van een cel stroomafwaarts van de kathode van de nabij gelegen stroomopwaartse cel modificeert 110 om op de cel twee elektrische lussen te superponeren, die een extra l ! vertikaal magneetveld teweegbrengen, dat nagenoeg gelijk is aan het gemiddelde vertikale magneetveld van de cel aan de korte zijde en in tegengestelde richting daarmee, met het kenmerk, dat de elektrische lussen zijn gelegen onder elk van de korte zijden van de cel,

2. Werkwijze voor het symmetrisch maken van het vertikale magneetveld van cellen volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men een strooralus vormt onder iedere kop van de cel, door door een extra geleider tenminste een deel te doen lopen vein de | stroom, die de stroomopwaartse negatieve collector doorloopt, welke | 120 extra geleider dezelfde collector stroomopwaarts verbindt door het I verlengen van de grote zijde stroomafwaarts van de cel.

3. Werkwijze voor het symmetrisch maken van het vertikale magneetveld van cellen volgens conclusie 1, met het ken- ! merk, dat de extra geleiders zo hoog mogelijk in de cel zijn ge-25 plaatst, horizontaal en evenwijdig aan de korte zijden van de cel, op zodanige wijze dat de vlakken die lopen door de inwendige en uitwendige geleider en door de inwendige rand van de anode op respectievelijk de korte inwendige en uitwendige zijde, met de vertikaal een hoek maken die nagenoeg gelijk is aan 45°, j 30 Ί ( 8 0 2 0 0 3 .............~........ J