NO132877B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår elektrolyseceller for fremstilling av smeltede metaller, såsom aluminium, fra forskjellige metallforbindelser, og mer spesielt en anordning for i vesentlig grad å redusere de skadelige effekter av magnetiske felter på det smeltede metall inne i cellene.

Ved fremstillingen av f. eks. aluminium i en elektrolysecelle dannes smeltet aluminium ved elektrolyse av aluminium-oksyd oppløst i et smeltet saltbad, hvorved man får et lag av smeltet aluminium på bunnen av cellen. Det er kjent at påvirkning fra magnetiske felter og strømtettheter inne i cellen frem-. bringer elektromotoriske krefter som virker på det smeltede aluminiumslag, og dette resulterer i en vesentlig bevegelse og sirkulasjon av aluminiumslaget inne i cellen, og dette frembringer igjen en sterk erosjon av cellens foring. Denne erosjon, spesielt langs sprekker i cellens foring, danner huller i foringen og kan eventuelt resultere i at en eller flere celler må slås av for å reparere og/eller erstatte foringen. Det er innlysende at det å slå av en celle eller det å reparere eller erstatte en celleforing er en meget kostbar prosess, ettersom cellen da ikke fremstiller metall, foruten at tid, arbeidskraft og materialer for reparasjon og erstatning av foringen ér ve-sentlige faktorer.

I tillegg til dette vil det smeltede metallags bevegelse kreve en utillatelig stor adskillelse mellom cellens anoder og celleforingen som er cellens katode, ettersom det bevegede lag har en tendens til å få'en vertikal forskyvning inne i cellen under anodene. Dette store skille mellom cellens anoder og cellens katode øker avstanden- og således den elektriske motstand for strømmen gjennom cellen. Dette resulterer i at man må øke spenningen mellom katode og anode, og man får et høyt kraftfor-bruk. Når man betrakter strømforbruket i hver celle, og en midlere verdi er ofte av størrelsesorden på 150.000 ampere, og det store antall celler i serie, et midlere tall er ofte av størrelsesorden på 150, er det innlysende at den totale økning med hensyn til energiprisen kan bli relativt stor. Når omkostningene ved reparasjon eller erstatning av celleforingene adde-res til økningen i kraft- eller energiomkostningene, forstår man at det kan bli meget kostbart hvis man ikke på noen som helst måte kan regulere det smeltede metalls bevegelse i cellen.

De magnetiske felter som frembringer bevegelsen av metallaget, oppstår både inne i cellen og.utenfor cellen, og hovedkilden for den eksternt fremstilte fluks eller kraftlinjene er tilførselsskinnene for celleanodene og deler av katodeskinnene som elektrisk forbinder cellen med en tilstøtende celle. Kilden for den internt fremstilte magnetiske fluks er cellestrøm-men selv, dvs. elektrolysestrømmen som går fra anoden til katodeforingen gjennom saltbadet og metallaget, og fra katodetil-knyttende skinner som går inn i foringen.

Generelt er det slik at de krefter som beveger metallet kan reduseres ved å senke den magnetiske feltstyrke inn i cellen, ved å senke strømtettheten inne i cellen og i de forbundne ledeskinner og/eller ved å plasere mønsteret av disse va-riable i deres forhold til cellen og det smeltede lag av aluminium. Tidligere praksis for å redusere de skadelige effekter av magnetiske felt inne i cellen har f. eks. innbefattet forskjellige omplaseringer av katoden og anoden samt deres tilførsels-skinner i forhold til cellen. Man har imidlertid funnet at mens man har klart å redusere en spesiell magnetisk feltkomponent in-ne i cellen, så har de andre magnetiske feltkomponenter blitt-påvirket i ugunstig retning, dvs. at de andre komponenters styrke er blitt øket eller senket på en slik måte at man i virkelig-heten har fått øket hastigheten på det sirkulerende aluminium. Dette skjer fordi de elektromotoriske krefter som beveger det smeltede metall har en tendens til å bevege metallet i et kompli-sert sirkulasjonsmønster, slik at en enkel reduksjon eller elimi-nasjon av en magnetisk feltkomponent kan øke metallbevegelses-. problemet snarere enn å eliminere eller redusere-det.

De fleste celler som anvendes i aluminiumsindustrien har en ytre magnetisk ledende stålmantel, som vanligvis tjener til å beskytte det indre av cellen for den magnetiske fluks som fremstillen utenfor cellen. Stålmantelen er imidlertid magnetisk sammennengende langs cellens, sidevegger og endeveggen og omslut-ter fullstendig cellen og de tilstøtende strømskinner. Strømmens retning, inne i- cellen- frembringer en magnetisk ..fluks • som er ret-tet inn ; i .-den .magnetisk, sammenhengende mantel og. induserer derved en meget sterk magnetisk- feltkomponent i mantelen ifølge Ampere's lov / H. , dl .= I (lukket), dvs. at summen av de magnetiske intensiteter H i mantelen slik disse kan måles i voksende avstander langs denne, er lik den totale strøm i mantelen. Hvis man f. eks. antar en jevn fordeling av den magnetiske feltstyrke langs mantelen, vil den magnetiserende kraft H ganske enkelt være den innelukkede strøm dividert med cellens omkrets. Med den økning av elektrolysecellestrøm som har skjedd i de senere år, har den resulterende økning av styrken av de magnetiske felt som fremstilles på denne måten, hatt en tendens til å mette mantelen med magnetisk fluks og derved redusere mantelens effektivitet som skjedd overfor strøm utenfor cellen..

Foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrolysecelle for fremstilling av smeltede metaller med en mantel fremstilt av et magnetisk ledende materiale ■, hvilken celle, i strømførende-tilstand, er en kilde for magnetisk fluks med tendens til å mette mantelen og frembringe en meget sterk magnetisk feltkomponent i alt vesentlig i en retning inne i mantelen, og oppfinnel--sen er kjennetegnet ved en langstrakt anordning i mantelen for å hindre.den magnetiske fluks, og hvilken anordning forløper i en retning som i alt vesentlig er loddrett på den magnetiske felfckomponents retning, og.hvilken flukshindrende anordning konsentrerer kraften av den magnetiske-feltkomponent i selve anordningen og inne i cellen i et område omkring den flukshindrende anordning, og hvor nevnte konsentrasjon.i vesentlig grad reduserer den magnetiske feltkomponent inne i cellen i den gjenværende del-av mantelen samtidig som metningen av den gjenværende del av mantelen reduseres, hvorved cellemantelen gjøres til et effektivt . skj old overfor megnetiske feltkomponenter som utvikles-utenfor cellen...

De f lukshindrende. anordninger, kan være i form av. et innsnitt eller en spalt i mantelen. Innsnittet eller spalten bør fortrinnsvis fylles og lukkes med et ikke-^magnetisk materiale for å lukke,cellen og for å beholde mantelens, strukturelle enhet..- Spalten, i mantelen bør gå i en retning, som' i alt vesentlig er loddrett på retningen av de magnetiske.kraftlinjer (fluks) som frembringes av cellestrømmen. Styrken av den magnetiske feltkomponent i mantelen vil konsentrere seg i spalten og i nær-heten av denne hvor komponentens styrke vanligvis er svak og vanligvis ikke hindrer bevegelsen, av det smeltede metall inne i cellen. Ettersom komponentens totale intensitet er konstant (den er avhengig av cellestrømmen slik det er forklart ovenfor i "forbindelse med Ampere's lov), vil komponentens intensitet i den gjenværende del av mantelen og i den gjenværende del av området inne i cellen bli-svekket tilsvarende, og dette vil igjen gjøre at metallet beveger seg langsommere og/eller stopper.

Spalten i mantelen vil dessuten redusere mantelens tendens til metning, hvorved man øker dens effektivitet som et skjold overfor magnetiske felt frembragt utenfor cellen.

I en ytterligere utførelsesform åv oppfinnelsen blir effekten av en brukbar feltkomponent inne i cellen betydelig bedret ved å bruke en magnet feltkobling. Den koblende struktur vil hjelpe til å mette cellemantelen på kritiske punkter for derved å øke styrken eller å påvirke et ytre frembragt felt i cellen.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert i forbindelse med tegningene, som viser: fig. 1 et delvis loddrett snitt gjennom en elektrolysecelle utstyrt med én ikke-magnetisk spalt i sin ytre mantel i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 et oppriss av cellen på fig. 1,

fig. 3 et forstørret snitt gjennom cellen på fig. 1 langs linjen III - III.

Fig. 1 viser en elektrolysecelle 10 for fremstilling av et metall, såsom aluminium. Slike celler består vanligvis av en ytre mantel 12 fremstilt av et magnetisk ledende materiale, såsom stål, og en indre katodeforing lk fremstilt av et karbon-materiale, slik dette er indikert i tverrsnittet på fig. 3 og med en stiplet linje på fig. 1. Mantelen innbefatter vanligvis et øvre deksel 16 som kan ha den utforming som.er vist på fig.

3, skjønt oppfinnelsen ikke er begrenset til denne konstruksjon.

Inne i foringen 14 til cellen 10 (på begge sider av denne) og gjennom åpningene 17 i mantelen 12 er det plasert ka-todestrømskinner 18. På yttersiden av cellen er strømskinnene vanligvis forbundet med samle skinner (ikke vist) son; igjen er forbundet med ytterligere samleskinner 20 plasert ved enden av cellenj og slike' samleskinner forbinder cellen i serie med anodene på neste celle, slik at man får en serie som vanligvis be-tegnes et cellebatteri.

Opphengt inne i cellen 10 og i en elektrolytt (ikke vist) er anodene 22, som er opphengt ved hjelp av elektrisk ledende staver 24 fortrinnsvis festet til en overliggende anode-skinne (ikke vist). I et cellebatteri vil katodeskinnene frå-den foregående celle gå opp og være forbundet med anodeskinnene slik at man får forbundet tilstøtende celler i en elektrisk serie.

Under drift vil likestrøm bli tilført cellen via anodene 22, og strømmens retning vil i alt vesentlig være vertikal, og ned gjennom celleelektrolytten og det dannede lag av smeltet metall (ikke vist) på bunnen av celleforingen 14. Strømmen går så gjennom foringen og oppsamles ved hjelp av skinnene 18 for

så å bli ført over til neste celle via samleskinnene 20.

Som forklart tidligere vil strømgjennomgangen frembringe magnetiske kraftlinjer (fluks) som ledes inn i den magnetisk ledende mantel 12, og hvis kraftlinjer har en tendens til å mette mantelen og der indusere en meget sterk horisontal magnetisk feltkomponent, og denne metning av mantelen vil i høy grad senke, eller.endog helt eliminere mantelens funksjon som et skjold overfor magnetiske felt som fremstilles utenfor cellen, f. eks. av katode- og anodeskinnene og av de tilstøtende celler.

Den horisontale magnetiske feltkomponent som induseres i mantelen 12 vil bli avbøyd inne i mantelen og vil gå gjennom laget av smeltet metall, hvorved dettes bevegelser øker in-ne i cellen. I en celle av den type som er vist på fig. 1 og 2, vil det i tillegg til den horisontale komponent også eksistere vertikale og transversale feItkomponenter som sammen med den horisontale komponent har en tendens til å sette metallet i omløp med relativt høy hastighet og i ét komplekst mønster, og et av de mer enkle strømningsmønstre er vist på fig. 2. Mer spesielt har metallet en tendens til å strømme langs endene av cellen vekk fra midten, slik det er angitt ved pilene a på fig. 2, og videre horisontalt langs cellens' sider mot cellens sentrum, slik dette er angitt med pilene b. Etterhvert som metallet beveger seg langs cellens sider, vil det så langsomt bøyes inn mot selve midtpunktet av cellen, slik dette er antydet ved hjelp av pilene c. På denne måte vil det generelt danne seg visse grunnleggende strømmer av metall, skjønt strømningsmønstrene i en elektrolysecelle som anvendes for fremstilling av metall er meget komplekse og kan variere for forskjellige typer av celler, og dets mønstre er avhengige av slike ting som plaseringen av samleskinnene og

avstanden til de tilstøtende celler.

På grunn av at det magnetiske felt induseres av hoved-elektrolysestrømmen, vil feltstyrken ved hjørnene av strømkilden synke mot null, mens feltstyrken vil øke til sin maksimale verdi langs sidelinjene for nevnte kilde. Med en mantel av den type som er vist på fig. 1 og 2, vil således den horisontale feltkomponent langs sidene av cellen 10 nær hjørnene i cellen være relativt svak, mens styrken av det horisontale felt vil øke vesentlig langs cellens sider. Denne styrkefordeling på den horisontale komponent vil også eksistere inne i cellen 10 og vil der

øke metallbevegelsen på grunn av den elektromotoriske kraft den utøver på metallet i en retning som står loddrett på feltets horisontale utstrekning. Denne elektromotoriske kraft utøves på metallet i områder inne i cellen som vil øke metallstrømmen i det firkantede mønsteret som er forklart ovenfor, dvs. at styrken av den horisontale komponent nær siden på cellen vil utøve en kraft i retning av pilene c, mens den horisontale feltkomponent vil være svak omkring cellehjørnene (pilene a).

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse vil styrken av den horisontale.feltkomponent som induseres i mantelen 12 langs sidene på cellen 10 ved hjelp av den magnetiske fluks som utvikles av cellestrømmen bli vesentlig redusert samtidig som man øker styrken av den horisontale komponent i de cellesider som støter inntil cellens hjørner (i overensstemmelse med Ampere's lov, slik det er forklart ovenfor). Man oppnår dette ved å til-veiebringe forlengede og relativt trange ikke-magnetiske områder 26 i mantelen nær cellens hjørner, slik dette er vist på tegningene. Disse områder 26. vil effektivt bryte og hindre strømmen

av magnetisk fluks i mantelen, hvorved man generelt hindrer en metning av mantelen, slik at denne i tillegg blir et efaktivt skjold overfor magnetiske felt som utvikles utenfor- cellen. Med

kraften på des langsgående feltkomponent konsentrert i de ikke-magnetiske områder 26,.og således i celleområder hvor strømmen av smeltet-metall går-på tvers av cellen og inn mot dens hjørner,

vil den kraft somuføves på det smeltede metall av den horisontale komponent ;gå inn mot cellens sentrum rett imot den transversale metalistrøm. Tilsvarende vil kraften av den horisontale komponent langs cellens sider mellom de ikke-magnetiske områder 26 bli tilsvarende svekket, slik at den ikke ville ha noen tendens til å understøtte den innadrettede metalistrøm, noe som var' tilfelle med én-magnetisk sammenhengende mantel.

Som vist på fig. 2 og 3j bør.de ikke-magnetiske områder 26 fortrinnsvis gå inn i et deksel 16 på cellen for å sikre et fullstendig brudd på- den.magnetiske krets som tilveiebringes av cellemantelen. Som vist på fig. 1 og 3, bør de. ikke-magnetiske områder fortrinnsvis strekke seg fra dekselet 16 ned tii åpningene 17, som er tilveiebragt i mantelen for de to strømskinner 18 nær enden av cellen.. På. fig. 3 er materialet i det ikke-magnetiske område vist'i snitt.

De"ikke-magnetiske områder 26, slik de er beskrevet her, kan tilveiébringes i mantelen ved å gjøre to i alt vesentlig parallelle og meget trange innsnitt i mantelen på kritiske steder. Den trange delen blir så fjernet, hvorved man får en luftspalt i måTntélen på de kritiske steder, og denne spalt Vil være tilstrekkelig-til.at. man får konsentrert fluksen bg felt-komponehteri her.. For' imidlertid- å. hindre at damper unnviker fra' cellen gjennom spalten og ellers, for å beholde cellens strukturelle enhetj bør en eller flere, spalter fylles og lukkes med et egnet ikke-magnetisk ..materiale. Et slikt materiale er et ikke-magnetisk rustfritt stål,-som i form av en stripe eller en stav fortrinnsvis bør sveises på plass.i mantelen, slik dette er angitt ved de tykkere linjer .27, idet man selvsagt brukér et ikke- - magnetisk sveisemateriale.r

Med en slik cellestruktur og med en slik konsentrasjon og sVekking -av kraften, av det magnetiske feit i kritiske områder av cellen-, vil man kunne .senke og regulere bevegelsen av det smeltede metall på .en slik måte at metallnivået inne i cellen i alt vesentlig er jevnt og ensartet, hvorved anodene i cellen kan senkes lavere- Dette vil igjen redusere strømveien inne i cellen og derved senke cellemotstanden og spenningen,'hvorved man oppnår betydelige besparelser med hensyn til den elektriske energi.

Med den regulering av metallbevegelsen man oppnår ved hjelp av foreliggende oppfinnelse, vil dessuten foringens leve-tid bli vesentlig forlenget, slik at man sparer omkostninger ved at man reduserer hyppigheten av reparasjoner og gjenoppbygninger av foringen.

I den type celle som er vist på tegningene,. vil strøm-skinnene 18 som går inn i katodeforingen 14 utvikle en magnetisk fluks inne i cellen med en komponent som går i rett vinkel i forhold til strømmens retning inne i skinnene og således vertikalt gjennom et lag av smeltet metall inne i cellen. Den magnetiske fluks som utvikles fra hver samleskinné påvirkes av de andre skinnene langs cellen på en måte som har en tendens til å senke styrken av den resulterende vertikale feltkomponent i.området langs den sentrale del av cellen. De samleskinner som imidlertid er plasert ved hver ende av cellen har ingen tilstøtende skinner på den ytre side som eventuelt ville ha tilveiebragt denne fluks-reduserende påvirkning, slik at'man i cellehjørnene: får en meget sterk vertikal komponent.

Fig. 1 og 2 viBer en annen struktur for å regulere bevegelsen av smeltet metall inne i cellen 10, h<y>orved man får ytterligere bedre økonomi, slik dette ble forklart ovenfor i forbindelse med de ikke-magnetiske områder 26. Mer spesielt er det på fig. 1 og 2 vist to C-formede magnetiske koblingslegemer 30 plasert omkring, men i en viss avstand.fra endeskinnen 20. Koblingslegemene er fortrinnsvis festet til mantelen 12 nær cellens utløpsside, slik dette er vist på fig.. 2, idet cellens ut-løpsside er definert som den side som støter inn tii neste celle som mottar strøm fra cellen 10 i et batteri av forbundne celler.

Koblingslegemene '30 er fremstilt av et magnetisk ledende materiale, såsom jern eller stål, og de er plasert nær inntil og omkring skinnene 20 på en slik måte at koblingslegemene leder og. konsentrerer den magnetiske fluks, som utvikles av skinnene når disse leder elektrisk strøm, inn i mantelen 12 på cellen 10 for å mette denne i området omkring koblingslegemene. Når mantelen er mettet i området omkring koblingslegemene, vil den ikke være et effektivt skjold for det magnetiske felt som frembringes av skinnene 20.

Under drift vil cellestrømmen som oppsamles av strøm-skinnene 18 i foringen 14-, slik det er forklart ovenfor, frembringe en magnetisk feltkomponent som går vertikalt gjennom cellen og gjennom det smeltede metall, og disse komponenter har en tendens til å sette metallet i omløp i de fire grunnleggende mønstre, som er forklart tidligere. Med en strøm av elektrisi-tet i hovedskinnene 20 vil det bli frembragt en magnetisk feltkomponent som går vertikalt og i direkte motsatt retning i forhold til den magnetiske feltkomponent som frembringes av samleskinnene 18 inne i cellen nær dennes utløpsside. Da koblingslegemene 30 metter mantelen 12 i området omkring koblingslegemene, slik at mantelen ikke funksjonerer som et skjold for dét indre av cellen fra den vertikale komponent'som frembringes av skinnene 20, vil komponenten trenge inn i endehjørnebmrådene på cellen, slik at den der vesentlig svekker styrken av den vertikale komponent som frembringes av samleskinnene inne i cellen og derved i vesentlig grad redusere hastigheten av det smeltede metall, en hastighet som var frembragt av komponenten fra samleskinnene 18. Med denne reduksjon av det smeltede metalls be-. vegelse kan anodene i cellen plaseres nærmere foringen, hvorved man reduserer motstanden mellom anode og katode samt spéhningen. Videre vil slitasjen på foringen bli redusert, slik at man i vesentlig grad får redusert omkostningene ved reparasjon og erstatning av foringen.

I den utførelse av oppfinnelsen som er beskrevet ovenfor ble koblingslegemene brukt for å svekke en skadelig magnetisk feltkomponent inne i cellen. På grunn av metallstrømmens komplekse mønstre inne i cellen kan det imidlertid være tilfel-ler hvor en eksisterende magnetisk feltkomponent inne i cellen kan økes for derved å senke eller å stoppe strømmen av metall, og dette kan også oppnås ved hjelp av koblingslegemene.

Det er innlysende at med de store strømmengder som anvendes i cellene og det store antall celler som anvendes i se-rier for fremstilling av metall på kommersiell basis, vil en reduksjon av spenningen og foringsslitasje slik dette kan frembringes ved hjelp av de ikke-magnetiske mantelområder 26 og koblingslegemene 3.0' ifølge foreliggende oppfinnelse, frembringe en vesentlig- økonomisk besparelse ved metallfremstillingen.

Claims (7)

1. Elektrolysecelle for fremstilling av smeltede metaller, med en mantel fremstilt av et magnetisk ledende materiale, hvilken celle i strømførende tilstand er en kilde for magnetisk fluks med tendens til å mette mantelen og inne i mantelen frembringe en sterk magnetisk feltkomponent i alt vesentlig i én retning, karakterisert ved en langstrakt hindrende anordning (26) i mantelen (12) for den magnetiske fluks, hvilken anordning forløper i en retning som i alt vesentlig er loddrett på retningen av den magnetiske feltkomponent, og hvilken flukshindrende anordning konsentrerer kraften av den magnetiske feltkomponent i selve anordningen inne. i cellen i et område omkring den flukshindrende anordning, og hvor nevnte konsentrasjon i vesentlig grad reduser er den magnetiske feltkomponent inne i cellen i områder i den gjenværende del. av mant-.len samtidig som metningen av den gjenværende del av mantelen reduseres, hvorved cellemantelen gjøres til et effektivt skjold overfor magnetiske feltkomponenter som utvikles utenfor cellen.

2. Elektrolysecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at den flukshindrende anordning består av en langstrakt ikke-magnetiserbar spalt (2.6), tilveiebragt i mantelen (12) til cellen (10).

3. Elektrolysecelle ifølge krav 2,. karakterisert ved at den f.lukshindrende anordning innbefatter en langstrakt struktur (27) fremstilt av et ikke-magnetisk materiale festet i den. langstrakte spalt (26).

4. Elektrolysecelle ifølge ett av kravene 1-3, hvor den magnetiske feltkomponent strekker seg langs cellen (10) mellom dennes ender, karakterisert ved at den flukshindrende anordning (26) tilveiebragt i mantelen (12), er plasert på sidene av cellen nær dennes ender, og i alt vesentlig vertikalt.

5. Elektrolysecelle ifølge ett av de forannevnte krav, innbefattende minst en elektrisk ledeskinne (20) plasert utenfor og langs minst en del av cellen (10), og hvor ledeskinnen når den fører en elektrisk strøm, frembringer et magnetisk felt som strekker seg i en forutbestemt retning, karakterisert ved en magnetisk ledende struktur (30) plasert nær inntil i det minste en del av den ytre ledeskinne (20), og hvor strukturen i samvirke med ledeskinnen når denne fører elektrisk strøm, effektivt vil mette mantelen til cellen med magnetisk fluks i området nær strukturen.

6. Elektrolysecelle ifølge krav 5,karakter i-s e r-1 ved at den magnetisk ledende struktur (30) er plasert på siden av den ytre ledeskinne (20) vekk fra elektrolysecellen (10).

7. Elektrolysecelle ifølge krav 5 eller 6,karakterisert ved at den magnetisk ledende struktur (30) har en konfigurasjon som i kombinasjon med mantelen (12) til cellen (10), omgir den ytre ledeskinne (20) på det sted strukturen er plasert.