NO150364B - Anordning til forbedring av stroemtilfoerselen til elektrolyseceller for fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning til forbedring

av strømtilførselen til elektrolyseceller for fremstilling av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløst i smeltet kryolitt, der cellene er langstilt, det vil si rettet inn i lengderetningen. De celler som benyttes er omtrent utelukkende av langstrakt, rektangulær form og de er elek-trisk seriekoblet. Det er mulig å anbringe cellene i fa-brikkhallen enten side ved side, det vil si slik at langsiden av hver celle står perpendikulært på aksen for rekken, eller ende mot ende, det vil si at langsiden av hver celle står parallelt med aksen for rekken.

I norsk patent nr. 83 883 er det beskrevet anordninger for sammenkobling av langstilte elektrolyseceller der anordningen hovedsaklig består av katodestaver som ved hver tverrende av cellen er koblet til en enkel samleskinne 5 for katodene til mating av tilsvarende stigeledninger for anodene i cellen som ligger på nedstrømsiden, der hver stigeledning er delt i grener som er forbundet raed halvparten av anodene. Denne utførelse har tilbøylighet til å skape en overbelast-ning av strøm på toppen av cellen på nedstrømsiden og fører ikke til noen heldig symmetri når det gjelder den vertikale komponent for magnetfeltet på hele cellen.

Det er vanlig å betegne endene av cellene med uttrykkene "oppstrøm" og "nedstrøm" som viser til strømmens retning gjennom rekken. Hver celle omfatter et metallskall med karbonblokker som virker som katode og metallstaver som er innført i karbonblokkene samler den strøm som forlater cellen. Denne strøm bringes til samlerskinner som leder strømmen gjennom stigeledere på siden til den derpå følgende celle gjennom ledere som danner den bjelke anodene henger ned fra. Elektrolysebaner ligger på karbonblokkene og danner etterhvert laget av flytende aluiminium på disse som utgjør katoden.

Ved denne anordning er det forholdsvis vanlig at katodeutgang fra hver celle føres over til den derpå følgende nedstrøms-celle via oppstrømenden. I tillegg til dette er det kjent at fremstillingskostnadene for disse celler blir vesentlig mindre når de økes i størrelse. Det er normalt å drive slike celler med strømstyrker som ligger opptil og kanskje sterkt overskrider hundretusen ampere. Ved slike energi-mengder vil påvirkningen av det magnetfelt som frembringes ved at strømmen passerer i lederne, ikke lenger kunne settes ut av betraktning. Laplace-kreftene vil i elektrolysebadet føre til en hydrostatisk deformasjon av skilleflaten mellom bad og metall og de hydrodynamiske bevegelser av metallet, som får dette til å bevege seg permanent, medfører dispersjon av metallet i badet, noe som reduserer cellens virkningsgrad. Disse krefter skaper også en betydelig ujevnhet i laget av flytende aluminium, noe som kan føre til kortslutning med anodene, uregelmessig nedslitning av anodene og svingende bevegelser i det flytende aluminium som til og méd kan føre til at flytende aluminium renner over cellens sider.

Produsenter av celler har vært meget opptatt av kontrollen med disse magnetfelter og kompensasjon av deres virkninger og mange løsninger er blitt foreslått. Tysk patent nr. 1.010.744 beskriver en fremgangsmåte til forbedring av strøm-tilførselen til elektrolyseceller som er rettet inn i lengderetningen, der strømtilførselen til hver celle foregår enten via oppstrømenden og nedstrømenden eller via'oppstrømenden og en stigeleder på siden, men de to kretser oppstrømende/ nedstrømende, eller oppstrømende /stigeleder er koplet sammen med en ekvipotensial leder, noe som har den ulempe at lederne blir meget tyngre og det blir nødvendig å bestemme nøyaktig ledernes tverrsnitt for fordeling av strømmen på

en hensiktsmessig måte. I fransk patent nr. 1.143.879 er det beskrevet en fremgangsmåte til reduksjon av ujevnheten i det smeltede metall i elektrolyseceller med høye ampere-styrker og mer bestemt i langsgående rekker av celler som er

forsynt med kontinuerlige ano-der (såkalte "Soderberg-anoder") Denne framgangsmåte bygger på■en analyse av de forskjellige komponenter av magnetfeltet som induseres ved føring av kontinuerlig elektrolysestrøm inn i cellen og inn i forbindelseslederne.

For dette formål går man ut fra det sentrale punkt 0 i bunnen av digelen i elektrolysecellen, og det settes opp et system av rektangulære koordinater i tre dimensjoner, nemlig den horisontale akse Ox som løper i strømmens retning, parallelt med cellens langsider, Oy-aksen i samme horisontalplan er perpendikulær på Ox og dermed parallell med kortsidene av cellen, og Oz-aksen som stiger vertikalt og dermed er perpendikulær på xOy-planet og man får aksesystemet Oxyz.

B er verdien av det magnetiské felt i et gitt punkt og

-y->■ Bx, By og Bz er projeksjonene av B og Ox, Oy og Oz. J er verdien av strømtettheten og Jx, Jy og Jz er projeksjonene av J på Ox, 6y og Oz. Den fremgangsmåte som er oppfinnelses-gjenstanden i fransk patent nr. 1.143.879 består i utlikning av de magnetiske virkninger ved punktet 0. Disse virkninger er tilbake i resten av cellen, men de er forholdsvis svake og deres verdi har en viss symmetri i forhold til punktet 0 og gir derfor tilstrekkelig stabilitet når det gjelder cellens drift. For å oppnå dette resultat, kan det vises at de følgende betingelser må tilfredsstilles i punktet 0: Fig. 4 og 5 viser et lengdesnitt gjennom to celler og de to celler sett ovenfra og de utgjør en del av en langsgående rekke som arbeider ved 70.000 amp., der lederne er blitt anordnet i henhold til den lære man har i fransk patent 1.143.879, slik at de to betingelser

i punktet 0

tilfredsstilles.

De 22 katodeuttak (11 på hver side av cellen og dette tall

er bestemt ut fra betraktninger om strømtetthet i lederne slik fagfolk kjenner til), er delt i to grupper på åtte og tre staver. De to grupper på åtte oppstrømsstaver 3, er forbundet med lederne 4 som mater oppstrømsenden av den til-støtende celle via en stigeleder 5, mens de to grupper på

tre nedstrømsstaver 3' er forbundet med lederne 4' som mater nedstrømsenden av den tilstøtende celle gjennom en stigeleder 5' .

Selv om anordningen på fig. 1, 2 og 3 neppe tillater at

.50.000 apm. overskrides, tillater anordningen på fig. 4 og

5 en stabil og regulær strøm på 70.000 amp. med en strøm-virkningsgrad på mellom 86 og 87%.

Denne anordning har imidlertid vist seg å være utilstrekkelig ved strømstyrker utover 100.000 amp. og selv ved lavere strøm-nivåer vil et magnetfelt eksistere og hindre oppnåelse av en virkningsgrad på 87%, noe som av aluminiumprodusenter ansees for utilstrekkelig, idag.

Foreliggende oppfinnelse som nu vil bli beskrevet, angår en anordning til forbedring av strømtilførselen til en rekke elektrolyseceller for produksjon av aluminium rettet inn i lengderetningen, der en meget betydelig økning av virknings-graden blir mulig med uforandret elektrolysestrøm. Det blir imidlertid også mulig å forandre rekken av kontinuerlige anoder til en rekke av forhåndsbrente anoder med noen få modifikasjoner. Dessuten blir det mulig å øke elektro-lysestrømmen og dermed produksjonen av aluminium bortimot 30% uten å modifisere størrelsen av cellene, samtidig med at man får en strømvirkningsgrad minst lik 88% på grunn av den bedre utlikning av virkningen av de induserte magnetfelter og de dermed følgende Laplace-krefter. Oppfinnelsen går ut på å skille katodeutgangene på hver side av cellen i minst to grupper som er stort sett like i antall og ved å mate bjelken i den påfølgende celle separat både ved opp- strømenden og ved hjelp av en stigeleder på hver side av cellen koplet, til et mellomliggende punkt på bjelken mellom oppstrømenden og nedstrømenden. Ved denne anordning for-binder lederne hver gruppe av katodestaver med oppstrømenden og med de mellomliggende punkter på krysshodet via stigelederne på siden av hver påfølgende celle, idet lederne er separate og har deres tverrsnitt beregnet slik at hver krets fører en stort sett lik del av den totale elektrolyse-strøm.

I en spesiell utførelsesform for oppfinnelsen, er katode-stavene på hver side av cellen i rad "n" delt opp i to adskilte grupper inneholdende et stort sett likt antall staver, der oppstrømgruppen mater oppstrømenden av krysshodet for cellen i rad n+1 og nedstrømgruppen mater kollektoren som står stort sett i midten av krysshodet via stigeleder på hver side av cellen.

I en annen spesiell utførelsesform for oppfinnelsen som er . særlig egnet for meget høye strømstyrker, f.eks. 150.000 amp., og til og med høyere, er katodestaven på hver side av cellen i rad n delt opp i tre adskilte grupper, der oppstrøm-gruppen mater nedstrømenden av krysshodet for den tilstøtende celle i rad n+1, idet den sentrale gruppe mater en første stigeleder på hver side av cellen anbragt stort sett på den første tredjedel av bjelkens oppstrømsside, mens nedstrøm-gruppen mater en ytterligere stigeleder på hver side av cellen anbragt omtrent 2/3 (fra oppstrømenden) langs bjelken.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere i det føl-gende under henvisning til tegningene der, like henvisnings-tall betegner like deler på de forskjellige figurer og der: Fig. 1, 2, 3, 4 og 5 angår teknikkens stand som er behandlet ovenfor, fig. 6 og 7 viser et meget skjematisk vertikalt lengdesnitt gjennom elektrolyseceller og elektrolysecellene sett ovenfra, med anordningen fra den ene ende til den andre der lederne er anbragt i henhold til oppfinnelsen,

fig. 8 og 9 viser skjematisk både som lengdesnitt og sett ovenfra, en annen utførelsesform for lederne i henhold til oppfinnelsen, beregnet for celler med meget høy strøm-styrke,

fig. 10, 11 og 12 viser fordelingen av strøm i anode-og katodeledere i henhold til teknikkens stand i henhold til oppfinnelsen. De svarer til de anordninger av ledere som er vist på fig. 2, 4 og 6,

fig. 1-3, 14, 15, 16, 17 og 18 viser styrken av de magnetiske felt med forskjellige punkter i skilleflaten mellom bad og aluminium i en celle i henhold til teknikkens stand (fig. 13, 14, 15), og i henhold til oppfinnelsen (fig. 16, 17,

1 8), og

fig. 19 og 20 viser et vertikalt lengdesnitt og et planriss av anordningen av lederen i henhold til oppfinnelsen benyttet på celler med på forhånd brente anoder.

På de forskjellige figurer er forbindelseslederne vist skjematisk for å gjøre tegningene oversiktlige, men de viste anordninger er ikke nødvendigvis identiske med deres egent-lige plasering. Særlig gjelder dette katodeuttakehe som i alminnelighet anbringes i et horisontalplan. : På fig-. 6

og 7 er cellen i rad n i rekken matet via lederen som kommer fra foregående celle- i rad n-1 beliggende på oppstrømsiden, og denne mater den påfølgende celle i rad n+1 som ligger på nedstrømsiden via ledere som er anordnet på identisk måte. Pilene viser den vanlige retning for sirkulasjon av strømmen i de forskjellige ledere.

De to grener av bjelken for cellen n blir matet via opp-strømenden og via to mellomliggende punkter A og A'.

De 11 katodeuttak på hver side av cellen er delt i to grupper, en gruppe på seks på oppstrømsiden (henvisning 3) og en gruppe på fem på nedstrømsiden (henvisning 3')- De seks katodeuttak på oppstrømsiden 3 mater bjelken 6 for cellen n+1

via oppstrømenden og via kollektoren 4 og stigelederen 5.

De fem katodeuttak 3' på nedstrømsiden mater det mellomliggende punkt A via kollektoren 4' og stigelederen 5.

Da cellen er symmetrisk, finnes den samme anordning på

den annen side for matning av de to grener av bjelken A og A1 .

Selv om utførelsesformen for oppfinnelsen tillater en viss frihet når det gjelder fordelingen av katodeuttakene mellom oppstrømgruppen og i nedstrømgruppen såvel som når det gjelder valg av plassering av punktene A og A' på bjelken, er det klart at de beste resultater fåes når katodeuttakene for-deles i to stort sett like grupper og når punktene A og A' ligger stort sett i samme nivå som det tversgående midtplan for anoden. Totallengden for gruppen av ledere som mater oppstrømenden av krysshodet, vil derfor være stort sett lik den totale lengde av gruppen av ledere som mater de mellomliggende punkter A og A' på bjelken og dette gjør det mulig å benytte staver med samme tverrsnitt i de to kretser.

Fig. 8 og 9 viser et vertikalt lengdesnitt og et plan-

riss av to celler som står i en rekke ende mot ende, der forbindelseslederne for cellene også er anordnet i henhold til oppfinnelsen. Dette er en rekke for meget høye strøm-styrker (150.000 amp.) der katodeuttakene omfatter femten staver på hver side av cellen og et totalt antall på tredve blir da delt i tre grupper på hver side.

Nedstrømgruppen på fem staver (3) for cellen i rad ner koplet til enden av' bjelken 6 for cellen i rad n+1 via lederen 4 og stigelederen 5 på siden.

Gruppen på fem sentrale staver (3') for cellen i rad n

er koplet til et mellomliggende punkt 1 som ligger i den første tredjedel av lengden på oppstrømsiden og da ved hjelp av lederen 4' og stigelederen 5' på siden.

Nedstrømgruppen på fem staver (3" ) for cellen i rad n er koplet til et ytterligere mellomliggende punkt B for cellen i rad n+1 og punktet ligger to tredjedeler ned på lengden. Koplingen foregår ved hjelp av lederen 4" og stigelederen

5" på siden. Da cellen er symmetrisk, finnes den samme anordning på den annen side for matning av punktene A<1>og B' i krysshodet.

Det skal påpekes på fig. 6 og 7 såvel som fig. 8 og 9 at lederne 4 og 5 på den ene side og lederne 4' og 5' på dén annen side eller lederne 4-5, 4'-5' , 4 "-5" har stort sett samme lengde og dermed kan man bruke staver med samme tverrsnitt . Fig. 10, 11 og 12 viser fordelingen av strøm i anoden og katodelederne langs en rekke celler som står ende mot ende. Fig. 10 viser en i og for seg kjent rekke der krysshodet for hver celle bare mates via oppstrømsenden fra katodestaver i den foregående celle. Fig. 11 viser en rekke i henhold, til fransk patent nr. 1.143.879 der bjelken for hver celle mates av to ender, der oppstrømenden fra åtte oppstrømkatodestaver i foregående celle og nedstrømhodene, danner tre nedstrøm-staver i den foregående celle. Fig. 12 viser oppfinnelses-gjenstanden der bjelken for hver celle mates via oppstrøm-hodet fra seks oppstrømkatodestaver i- foregående celle og ved et mellomliggende punkt som ligger omtrent på midten av bjelken fra de fem nedstrømkatodestaver i den foregående celle.

På disse tre figurer er lengden av cellene og den horisontale projeksjon av forbindelseskretsene vist som abscisser med en vilkårlig skala og strømmens amperestyrke også med en vilkårlig skala.

De kurver som representeres av bokstaven A gjelder anode-lederne, mens bokstaven K gjelder katodelederne. De vertikale piler viser posisjonen der katodestrømmen fra cellen n-1 blir anodestrøm i cellen n, plassert vilkårlig i midten av rommet som skiller nedstrømenden av én celle fra opp-strømenden av den derpå følgende celle.

Da cellene er symmetriske om et langsgående vertikalt plan, er bare lederne (anode og katode) på en side blitt betraktet, og på grunn av det faktum at det finnes elleve katodestavér på hver side, er styrkene blitt gjengitt som en brøkdel på 1/11, der 1 er lik halvparten av den totale strømstyrke som flyter gjennom rekken.

Man vil se at fordelingan av strømmen langs anode-og katodelederne forbedres i utpreget grad, og særlig åt fallet i anodestrøm (punktet -3) som finnes på fig. 11 mellom ned-strømenden og punktet M er forsvunnet (minustegnet angir at anodestrømmen sirkulerer i motsatt retning sammenlignet med hovedretningen for strømmen i rekken). Fordelene ved oppfinnelsen er ennu mer fremtredende når man tenker på verdiene av det magnetiske felt som induseres i forskjellige punkter i en elektrolysecelle i planet for skilleflaten mellom bad og aluminium. Fig. 13, 14 og 15 angår en elektrolysecelle i henhold til fransk patent nr. 1.143.879 (matet ved de to ender) og fig. 16, 17 og 18 angår en

celle i henhold til oppfinnelsen. På fig. 13 og 16 angir de øvre tall komponenten Bx for det magnetiske felt og de nedre tall komponentet By for det magnetiske felt i ni punkter ved anodeflaten i cellen, nemlig: ved de fire hjørner, i midten av de fire sider og i sentrum.

På fig. 14 og 17 angir tallet verdien av det resulterende Bxy (vektoriell sammensetning av Bx og By).

Man ser at utførelsesformen for oppfinnelsen fører til en meget vesentlig reduksjon av Bxy ved de to ender og en betydelig reduksjon av forskjellen mellom feltet i sentrum og feltet ved enden av cellen. På fig. 15 og 18 represen-terer tallene verdien av de vertikale felt Bz ved kjente utførelser (fig. 15) og i henhold til oppfinnelsen (fig.18).

Man ser også at utførelsesformen i henhold til oppfinnelsen fører til en fremtredende reduksjon av Bz i hjørnene og en vesentlig reduksjon i uoverensstemmelsen mellom forskjellige verdier av dette felt langs langsidene.

_Sluttelig oppnår man ved foreliggende oppfinnelse, sammenlignet med fransk patent nr. 1.143.879 en ytterligere stor fordel, nemlig en vesentlig besparelse i aluminiumstaver som skal danne matekretsene.

Hvis kretsene på fig. 5 (teknikkens stand) sammenlignes med de på fig. 7 (i henhold til oppfinnelsen), ser man at i henhold til oppfinnelsen er kretsene 3+4+5 og 3' +4' + 5' av lik og minimal lengde, mens i henhold til teknikkens stand kretsen 3' +4' og 5' er tydelig lenger enn kretsen 3+4+5. For å hindre katoden i den foregående celle i å bli ubalansert, er det nødvendig å bruke en strømtetthet (i A/cm 2) for kretsen 3' +4' +5' som er tydelig mindre enn kretsen 3 + 4 + 5 og dermed også forskjellig fra den såkalte "økonomiske" strømtettet. Da denne lave strøm-tetthet flyter ,i den lengste krets, fører dette til en storøkning i vekten av lederne, noe som også øker proporsjonalt med størrelsen -av cellene, mens anordningen i henhold til oppfinnelsen, der strømtettheten A er lik i hver krets,

kan strømtettheten velges som den optimale og mestøkonomiske verdi A.

For en Celle som skal føre 90.000 ampere vil forskjellen

i vekt i forbindelseslederne være 8% mindre for en celle i henhold til oppfinnelsen, en besparelse på 1000 kg aluminiumstaver/celle. For en celle på 150.000 ampere vil denne besparelse være på 1800 kg.

Erfaring har vist at tilstedeværelse av en og til og med

to av stigelederne på siden av hver side av elektrolysecellen ikke hindrer maskiner i å utføre sitt arbeid ved cellen, f.eks. skorpebrytere, utstyr for tilførsel av aluminiumoksyd og utstyr for tapping av flytende aluminium når de er av typen en halv galge eller en kjørbar kran som beskrevet, særlig i fransk patent 1.245.598 og 1.526.766.

Eksempel.

En "langsgående" rekke av elektrolyseceller med Soderberg-anoder som arbeider ved 70.000 ampere og var koplet i overensstemmelse med fig. 4 og 5 (teknikkens stand) frem-stilte 485 kg aluminium/celle/dag, svarende til en strøm-virkningsgrad (Faradays virkningsgrad) på 86%, noe som nå be-traktes som ikke tilfredsstillende.

Uten å endre karene ble Soderberg-anodene 7 byttet ut med

på forhånd brente anoder 10 i henhold til fig. 19 og 20,

der to ganger fire anoder er vist for å forenkle tegningene, mens det virkelige tall var to ganger ti.

Forbindelsen ble utført i henhold til fig. 6 og 7 etter oppfinnelsen for å redusere forstyrrelser skapt av det magnetiske felt. På grunn av at de kontinuerlige anoder var byttet ut med på forhånd brente anoder, var det mulig å øke strøm-styrken i rekken og denne ble forandret fra 70.000 til 90.000 amp., det vil si en økning på 28,6%. Produksjonen av aluminium økte til 640 kg/celle/dag, svarende til en Faradayvirkningsgrad på 88%.

På tross av økningen på 28,6% i strømstyrke, noe som ville

ha ført til en tilsvarende økning i magnetfeltene hvis plasseringen av lederne ikke var blitt forandret, arbeidet den modifiserte rekke stabilt og ensartet. Utførelsen i henhold til oppfinnelsen førte derfor til en forbedring i den eksisterende rekke ved å øke Faradays virkningsgrad meget betydelig på grunn av reduksjonen i forstyrrelser skapt av magnetfeltet, og den tillot også økning i strøm-styrke, samtidig med at man opprettholdt en høy virkningsgrad .

Det er også mulig med spesielle plasseringer av lederne

i henhold til oppfinnelsen for å kompensere for det magnetfelt som induseres av den tilstøtende rad av celler.

Claims (3)

1. Anordning til forbedring av strømtilførselen til langstilte elektrolyseceller for fremstilling av aluminium, ved reduksjon av forstyrrelser som settes opp av det induserte magnetfelt, der cellene omfatter katodeuttaksstaver (3) og overliggende anodebjelker (6),karakterisert vedat katodeuttaksstavene (3) på hver side av cellene er koblet sammen i adskilte grupper (3, 3') med stort sett likt antall staver i hver gruppe og ved at anodebjelken (6) i cellen i rad (n) er tilsluttet oppstrøm-gruppen av katodeuttaksstaver i cellen i rad (n - 1) ved oppstrømsenden og ved at et punkt mellom endene av anodebjelken er koblet med en stigeleder (5) på hver side til nedstrømgruppene av katodeuttaksstavene i cellen i rad (n -

2. Anordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat katodeuttaksstavene (3) på hver side av cellene er delt opp i to adskilte grupper (3, 3') inneholdende stort sett like antall staver, og ved at anodebjelken (6) for cellen i rad (n) er innrettet til å bli tilført strøm både via oppstrømenden fra oppstrømgruppen av katodeuttaksstaver i cellen i rad (n - 1) og via en stigeleder (5) på hver side koblet til et punkt på anodebjelken (6) omtrent på midten av denne fra nedstrømgruppen av katodeuttaksstaver i cellen i rad (n - 1).

3. Anordning som angitt i krav 1 ,karakterisert vedat katodeuttaksstavene (3) på hver side av cellene er delt i tre uavhengige grupper (3, 3', 3") inneholdende omtrent like antall staver, og ved at anodebjelken (6) for cellen i rad (n) er innrettet til å bli tilført strøm både via oppstrømenden fra oppstrømgruppen (3) av katodeuttaksstaver i cellen i rad (n - 1) via en første stigeleder (5') på hver side, koblet til et punkt på bjelken (6) liggende stort sett på oppstrømsiden, en tredjedel av avstanden fra den sentrale gruppe (3') av katodeuttaksstaver i cellen (n - 1) og via en andre stigeleder (5") på hver side koblet til et punkt på bjelken liggende stort sett på oppstrømsiden, 2/3 av avstanden fra nedstrøm-gruppen (3") av katodeuttaksstaver i cellen i rad (n - 1).