NO124318B - - Google Patents

Description

Rektangulær celle til aluminiumfremstilling.

Foreliggende oppfinnelse angår rektangulære celler for anvendelse ved fremstilling av aluminium ved elektrolytisk reduksjon av smelter av kryolitt og aluminiumoksyd. Celler av denne art betegnes ofte som Hall-celler og omfatter en elektrisk ledende foring anbrakt i cellekaret. Foringen tjener som katode for tilførsel av elektrisk strøm til smeiten, og cellen har videre anoder og samleorganer anbrakt i foringen for å samle og mate strøm derfra til strømførende samleskinner anbrakt utenfor cellen.

Oppfinnelsen går videre ut på en cellerekke der celler

av denne art anvendes, og formålet med oppfinnelsen er å komme frem til en slik oppbygning av cellene at de uheldige virkninger av de magne-

tiske krefter som settes opp og som skyldes strømstyrker på ofte mer enn 100.000 ampere dempes og i stor utstrekning oppheves.

De magnetiske virkninger av strømmer som overstiger 100.000 ampere skaper blant annet vanskeligheter fordi den ledende smelte på grunn av de magnetiske felter, trekker seg til bestemte områder av cellen der dybden av smeiten på ett sted kan være opptil 40 mm større enn på et annet sted. På grunn av at det smeltede aluminium har en spesifikk vekt på ca. 2,3 og kryolittsmelten har en spesifikk vekt på 2,1 vil kryolittsmelten som<1>skiller bunnflaten av karbonanodene fra det underliggende smeltede aluminiumslag ha en tykkelse på bare 40-50 mm. Det er innlysende at lokale kortslutninger mellom karbon-anoder og det smeltede aluminium som danner katoden, da kan inntreffe.-

I virkeligheten inntreffer det også. kortvarige kortslutninger som kan påvises ved hjelp av de voldsomme strømsvingninger i de enkelte elek-troder. Dette forhold øker vanskelighetene ytterligere fordi bølgene av sterke strømmer fører til ytterligere opphopning eller nivåforskjell i de.forskjellige deler av cellen. Man har også store og mer varige variasjoner i strømtettheten mellom overflatene eller deler av overflatene på anodene og aluminiumslaget og variasjoner i strømtettheten i cellens katodeforing og i de organer som er innlagt i foringen. I praksis kan disse variasjoner føre til en lav virkningsgrad og rød-glødende samleskinner for anode og katode, spist opp av smeltet aluminium som kommer frem til skinnene gjennom sprekker i cellens foring, hvor-etter videre tæring fører til at det oppstår hull i cellens stålskall, noe som fører til at den rektangulær celle må stenges for reparasjon.

Lokale elektromagnetiske effekter, såsom sirkulasjon og opphopning av metall, er direkte proporsjonale med den lokale strøm-tetthet i det smeltede aluminium og den lokale magnetiske fluks i denne fordi både strømmen og den magnetiske fluks i hvert gitt punkt i en ovnskonstruksjon også er proporsjonal med den totale strømbelast-ning som går gjennom ovnen og fordi den lokale elektromagnetiske effekt er proporsjonal med kvadratet av strømstyrken, må man ved den produk-sjon ovnen skal avgi og ved nye ovnskonstruksjoner ta nøye hensyn til disse fenomener.

Hovedhensikten med oppfinnelsen er derfor å komme frem

til en slik oppbygning av den rektangulære celle og de elektriske tilførselsveier at man får kontroll med de nevnte fenomener, og i henhold til oppfinnelsen er dette oppnådd ved at minst en ytterligere

i

samleskinne er anbrakt under cellekaret, hvilken samleskinne danner en elektrisk bane som skal lede en.del av den strøm som samles på en langside av cellen til en motstående langside av denne for derved å redusere mengden av den strøm som flyter i den strømførende samleskinne rundt et hjørne av cellen.

Et annet trekk ved oppfinnelsen består i at samleorganer er anordnet parallelt med langsidene av cellen med noen av samleorganene tett inntil de nevnte sider for samling av en del av den totale strøm som tas fra foringen nær ved minst en side av cellen, hvilken strøm skal ledes direkte til den strømførende samleskinne utenfor cellens kortside for derved å redusere den strømmengde som flyter i den strømførende samleskinne rundt et hjørne av cellen, og dessuten kan den relative motstand av foringen og plaseringen og motstanden i samleskinnene være slik at i noen områder av foringen blir strømmen som passerer gjennom overflaten av de nevnte områder omtrent proporsjonal med tettheten i den vertikale magnetiske fluks i disse områder.

Andre trekk og detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser .en celle av Hall-typen utført i henhold til oppfinnelsen og anvendt i en "side-ved-side plasering" av celler i en cellerekke, der man har en eller flere hjelpesamleskinner på tvers under cellen forbundet med det langsgående samleskinnesystem, f.eks. i punkter omtrent midtveis mellom senterlinjen for langsidene og til-støtende hjørner,

fig. 2 viser et vertikalt snitt tatt etter linjen 2-2

på fig. 1,

fig. 3 viser et horisontalt snitt tatt etter linjen 3~3gjennom katodeskinnen og samleskinnen for cellene på fig. 1 sammen med anodeskinnen for den neste tilstøtende celle i cellerekken, sett oven-fra, sammen med forbindelsesskinnen mellom disse, noe som tilsammen utgjør den metalliske, elektriske krets i installasjonen for celler som står "side-ved-side",

fig. H viser, i forstørret målestokk, et vertikalt snitt gjennom et hjørne av fig. 2, der man ser samleskinner og hvorledes de elektriske strømmer søker å flyte i sideretningen i det smeltede metall og i karbonforingen i cellen på grunn av ledningsevnen for seksjonene av disse materialer i sammenlikning med samleskinnene av stål, og

fig., 5 viser en celle sett fra en langside der man har en eller flere hjelpeskinner på tvers under cellen for sammenkopling av

langsgående katodeskinner på sidene, f.eks. i punkter midtveis mellom senterlinjen for langsidene og endene.

På figurene er det rektangulære cellekar 1 av stål og

det har kasseform som er åpen oppad, mens 2 betegner karbonforingen som i alminnelighet er av kalsinert antrasittkull blandet med tjære og bek, og deretter drevet inn i stålkaret og brent mens det er på plass, eller materialet kan brennes på forhånd i form av blokker inne-holdende en eller flere samleskihner som er festet med karbonpasta eller støpejern. Antrasittkull eller på forhånd brente karbonblokker kan kalsineres elektrisk og derved graffitiseres fullstendig eller delvis slik at man kan få større eller mindre elektrisk ledningsevne.

Kryolittsmelten 3 ligger på en temperatur på 900-1000°C bortsett fra på overflaten som vender mot den omgivende luft, der det dannes en skorpe som vist på fig. 2 og 5, mens de underliggende lag av smeltet aluminium 4 som har liknende temperaturer, danner en metallpute. Man har vanligvis to rader 'anodekull 5 opphengt i kryolittsmelten ved hjelp av kobber eller aluminium anodestaver (og deres til-hørende ståltapper) 6, som leder strøm ned fra aluminiumanodeskinnen 7 mens katodestavene 8 av stål som er innleiret i karbonforingen, leder strøm ut mot katodesamleskinnene 9 av aluminium via stropper 13 av kobber eller aluminium.

Som vist på fig. 3 danner katodesamleskinnene en komplett ring rundt cellen når disse står "side-ved-side" i elektrolysehalen og samleskinnene samler strøm fra cellen og fører strømmen til anodesamle-skinnen for den neste tilstøtende celle i den elektriske seriekrets som dannes av cellene i cellerekken. For å bevare-varmen benyttes det en varmeisolasjon som er kornformet eller av blokktypen eller et ild-fast materiale 11 på bunnen og sidene av cellen mens et tynnere varme-bestandig isolerende materiale 10 vanligvis benyttes for elektrisk isolasjon av samlestavene fra cellen og for å isolere gangplaten 12

som personalet kan stå på når elektrodene justeres, fra foringen i cellen. Cellen kan utvendig kjøles med luft som kan bringes til å sirkulere ved at cellen er understøttet' i avstand fra betonggulvet eller murstensgulvet 14, som vist på fig. 5j ved hjelp av par av kanaljern 15 som er sveiset eller klinket til tykke stålplater 16 som er innlagt mellom hverandre slik at man hindrer utvidelse av langsidene av cellen og dermed løftning av cellens foring.

Det er alminnelig kjent at de uheldigste elektromagnetiske virkninger alltid opptrer på langsiden av rektangulære Hall- celler som står anordnet "side-ved-side". Dette betyr at man her har flere rødglødende anodestaver, flere celler som er gjennombrent på denne side og flere samleskinner oppspist av det smeltede metall, spesielt nær endene av cellene der den vertikale magnetiske fluks ved katodeendeskinnene kommer i tillegg til den vertikale magnetiske fluks for den lange katodeskinnedel 9c>9d og 9e, slik at man her får en maksimal vertikal magnetisk fluks i det punkt som er merket med X

på fig. 3-

Som vist på fig. 3 har cellen en eller flere hjelpeskinner 9h som er av kobber eller aluminium og som løper under cellen fra den lange til den korte sidesamleskinne. Som eksempel kan nevnes at strøm-mer på 4000 ampere er målt gjennom skinnene 9h fra den lange katodeskinne på tvers under cellen til den korte skinne. Fordelene ved den lavere magnetiske fluksvirkning fra endeskinnen i punktet X på fig. 3 og langs enden av den smeltede metallpute fås fordi a) de lange side-skinner og endeskinnene derved fører 4000 ampere mindre og b) den vertikale magnetiske fluks fra hjelpeskinnen 9h er rettet motsatt den vertikale fluks ved endeskinnen i punktet X og hele veien langs enden av den smeltede metallpute. Selv om 4000 ampere her ble valgt som en nominell verdi som eksempel er det klart at skinnen 9h kan plaseres og dimensjoneres for å føre en hvilken som helst strøm man måtte ønske for å redusere den magnetiske virkning av endeskinnen hele veien langs enden av cellen, såvel som langs den lange sideskinne i det vanskelige punkt X. Ved anvendelse av små hjelpeskinner kan man få drastiske reduksjoner i de elektromagnetiske virkninger.

Selv om bruken av skinner under cellen som vist og be-skrevet er en hensikfsmessig og foretrukken utførelse for å oppnå en markert reduksjon i den strøm som flyter i skinnene ved cellens hjørner, kan disse strømreduksjoner understøttes ytterligere ved den plasering man velger for samleorganene i cellens foring.

Av det foregående vil man se at man ved foreliggende oppfinnelse reduserer den elektriske motstand gjennom cellens foring og dessuten reduserer de maksimale elektromagnetiske virkninger i cellen til bare brøkdeler av de verdier man ellers ville ha-

På fig. 1 og 3 anvendes det femti samlestaver eller skinner som eksempel, og de er vist nummerert i urviserretningen fra 8-1 til 8-50, og de er vist med varierende strømyerdier. På fig. 1, 2, 3 og 5 er det vist hvorledes anodeskinnedelene 7 a og ,7b sammen utgjør anodeskinnen og hvorledes katodeskinnedelene 9a til 9h anvendes for oppbygning av de respektive skinner 7 og'9 for å holde strømtetthetene i disse på fornuftige verdier slik at man hindrer overhetning og,

når det gjelder katodeskinnene, kompenserer for den ekstra lengde den lange skinne har slik at den vil få omtrent samme spenningsfall som den korte skinne, hvorved man holder de strømstyrker som samles fra kortsiden av cellen på omtrent det samme som man har i langsiden.

Oppfinnelsen kan virke slik at man reduserer den vertikale magnetiske fluks i punktet X på langsiden der den skaper mest vanskeligheter, og dessuten reduseres de horisontale strømmer som flyter i det smeltede aluminium til omtrent 2/3, slik at den kraft i det smeltede metall som søker å stuve opp eller sirkulere metallet i de vanskelige områder reduseres til omtrent halvparten av det man ellers ville ha. De horisontale strømmer som flyter i det smeltede aluminium, som vist på fig. 4, får! sine verdier i nærheten av punktet X delt opp i komponenter som flyter mot den lange side og komponenter som flyter i rett vinkel på disse mot cellens kortside slik at en del av strømmen ikke flyter rundt hjørnet av cellen ved X.

Når man på samme måte får den vertikale fluks redusert til en brøkdel av sin tidligere verdi som påpekt ovenfor, blir den kraft i metallet som er proporsjonal både til magnetisk fluks og den flytende strøm redusert til halvparten, og man får derved en utnyttelse av den fysiske lov som sier at den kraft som søker å bevege en leder når denne fører strøm og kommer inn i et elektrisk felt med kraft-linjer som virker i rett vinkel på strømretningen i lederen, vil søke å bevege lederen i en retning i rett vinkel både på strømmen og kraft-linjene med en kraft som er proporsjonal både med strømmen og kraft-linjenes tetthet.

Det skulle nu være klart at den maksimale magnetiske fluks som virker på det smeltede aluminium vil ligge i punktet X ved hjørnet av langsiden av cellen fordi virkningen av de korte samleskinner her summeres sammen med virkningen av skinnene på langsiden.

I motsetning til dette er imidlertid virkningen av den korte skinne ved hjørnet ved kortsiden av cellen motsatt virkningen av sideskinnen og summen av magnetfeltene er meget mindre enn ved punktet X på langsiden der de flukskomponenter som skyldes henholdsvis éndeskinne og sideskinne summeres sammen.

Langs den langsgående senterlinje av cellen finnes det et bånd der den vertikale magnetiske fluks er meget lav bortsett fra ved områdene nær endene av cellen der den magnetiske fluks fra endeskinnene utøver sin virkning. Det er fordelaktig at strøm avtappes fra de områder der man har lav vertikal magnetisk fluks ved hjelp av store samleskinner. Por eksempel kan samleskinnene som er vist på fig. 1 og 3 som 8-4, 8-5, 8-6, 8-15, 8-16, 8-17, 8-18, 8-19, 8-20, 8-29, 8-30, b-31, 8-40, 8-41, 8-42, 8-43, 8-44 og 8-45 utføres med større diameter enn de andre samleskinner i cellen for at de skal trekke høyere strøm-mer som vist som eksempel i de strømmer man ser på fig. 3,uten at dette skaper for stor elektromagnetisk sirkulasjon eller oppstuvning av metallet i de områder skinnene ligger; Ved å gjøre dette vil man se at de horisontale elektriske strømmer i det smeltede metall deles slik at de strømmer ikke bare mot cellens sider, men også mot ender og mot midten, på langs såvel som på tvers. Det skal påpekes at strømstyrken som er beregnet for samleorganene på fig. 3 og skinnene på denne figur og andre figurer er oppgitt som en del av denne beskrivelse og skal bare betraktes som eksempler, og videre er det klart at man ved valg av samleorganer og skinner av forskjellige dimensjoner og ledningsevner kan få forskjellige strømverdier som egner seg i hvert enkelt tilfelle da oppfinnelsen anvendes.

En annen fordel ved å benytte samleskinne ved enden er

at motstanden mot at elektrisk strøm flyter fra det smeltede metall til katoderingskinnen er mindre, ikke bare på grunn av de ytterligere samleplater, men også på grunn av at cellens foring ved cellens ender nu benyttes til å føre elektrisk strøm horisontalt. Uten slike ende-samleorganer ville den strømførende evne for cellens foring ved endene være bortkastet i og med at foringen som tidligere forklart, kan føre fra 1/3 til 2/3 av den strøm som flyter sideveis eller mot endene' sammenliknet med samleorganene. Det faktum at skilleflaten mellom smeltet metall og cellens foring ved enden utnyttes vil også ta del i senkningen av motstanden i foringen. I tidligere kjente celleforinger der karbidskorper ved skilleflaten forstyrrer strømgjennomgangen ved denne skilleflate kan motstanden være en stor del av totalmotstandén mellom smeltet metall og katodeskinne. Den kan være årsaken til et spenningsfall på 0,1 volt eller mer av et totalt spenningsfall på 0,4 volt mellom smeltet aluminium og samleskinnen.

Claims (7)

1. Rektangulær celle for anvendelse ved fremstilling av aluminium ved elektrolytisk reduksjon av smelter av kryolitt og aluminiumoksydj omfattende en i cellekaret anbrakt elektrisk ledende foring som tjener som katode for tilførsel av elektrisk strøm til smeiten, og videre omfattende anoder-(5) og samleorganer (8) anbrakt i foringen for å samle og mate strøm derfra til strømførende samleskinner- (9) anbrakt utenfor cellen,, karakterisert ved at minst en ytterligere samleskinne (9h) er anbrakt under cellekaret (1), hvilken samleskinne danner en elektrisk bane som skal lede en del av den strøm som samles på en langside av cellen til en motstående langside av denne for derved å redusere mengden av den strøm som flyter i den strømførende samleskinne- rundt et hjørne av cellen.

2. Celle som angitt i krav 1, karakterisert ved samleorganer (8-1 til 8-9 og 8-26 til 8-34) anordnet parallelt med langsidene av cellen med noen av samleorganene tett inntil de nevnte sider for samling av en del av den totale strøm som tas fra foringen nær ved minst en side av cellen, hvilken strøm skal ledes direkte til den strømførende samleskinne (9) utenfor cellens kortside for derved å redusere den strømmengde som flyter i den strømførende samleskinne rundt et hjørne av cellen.

3. Celle som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den relative motstand av foringen (2) og plaseringen og motstanden i samleskinnene (8) er slik at i noen områder av foringen blir strømmen som passerer gjennom overflaten av de nevnte områder om-vendt proporsjonal med tettheten i den vertikale magnetiske fluks i disse områder.

4. Celle som angitt i krav 1-3, karakterisert v e d at områdene i foringen (2) har varierende ledningsevne.

5- Celle som angitt i krav 1-3, karakterisert v e d at i det minste noen av samleskinnene (8) har innbyrdes forskjellige ledningsevner.

6. Celle som.angitt i et hvilket som helst av kravene 1-3»karakterisert ved at samleskinnene (8) relativt sett ligger tettere opp mot foringens (2) overflate.i det minste i noen områder med forholdsvis minimal vertikal magnetisk fluks.

7. Celle som angitt i ett.av kravene 1-3, karakterisert ved at samleskinnene (8=) står tettere sammen i det minste i ett område av foringen (2), der man har forholdsvis lav magnetisk fluks, enn tilfellet er i andre områder med høyere vertikal magnetisk fluks. y. Anordning, omfattende en rekke rektangulære celler (11) utført som angitt i ett eller flere av de foregående krav og anbrakt inntil hverandre og sammenkoplet ved hjelp av utvendige,' strømførende skinner (9) der strøm som tas fra katodeforingen i én celle, tilføres den påfølgende celle for anodisk påtrykning i denne, karakterisert ved at de strømførende samleskinner (9) er anbragt slik at strøm som samles og mates til en skinne nær ved en kortside av en celle, ikke føres videre til anodisk påtrykning i den påfølgende celle langs en skinne som er anbrakt nær ved en langsgående vegg av cellen, som ligger lengst fra den nærmest påfølgende celle i strømmens bane-.