NO154925B - Stroemskinneanordning ved elektrolyseceller. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en strømskinneanordning for føring av elektrisk likestrøm fra katodestavender for en langsstilt elektrolysecelle, særlig for fremstilling av aluminium, til anodene for en påfølgende celle.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløses denne i en fluoridsmelte, som for største delen består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. I smeiten er det ovenfra neddykket anoder som er festet til en overliggende anodebjelke og ved vanlige elektrolyseprosesser består av amorft karbon. Med elektrolytisk spaltning av aluminiumoksyd oppstår det ved karbonanodene oksygen som forbinder seg med anodenes karbonmaterial til CC>2 og CO. Elektrolysen finner vanligvis sted i et temperaturområde fra omkring 940 til 970°C. Under elektrolysen utarmes elektrolytten på aluminiumoksyd. Ved en nedre konsentrasjon på 1 - 2 vekt% aluminiumoksyd i elektrolytten opptrer det en såkalt anodeeffekt, som gir seg til kjenne ved en spenningsøkning fra for eksempel 4 - 5 V opptil 30 V eller mer. Senest ved dette tidspunkt må den dannede skorpe av størknet elektrolytt-material gjennombrytes og aluminiumoksydkonsentrasjonen økes ved tilsats av nytt aluminiumoksyd (oksydleire).

I normal drift betjenes elektrolysecellen vanligvis periodisk, selv når det ikke opptrer noen anodeeffekt, idet skorpen gjennombrytes og oksydleire tilsettes. I elektrolysecellens karbonbunn er det innleiret katodestaver, hvis ender rager ut fra cellens langsider. Disse jernstaver samler opp elektro-lysestrømmen som flyter gjennom strømskinner på cellens ut-side, stigeledningene, anodebjelkene og anodestengene til karbonanodene for den påfølgende celle. På grunn av den ohmske motstand i strømføringen fra katodestavene til anodene i den påfølgende celle oppstår det energitap, som er av størrelses-orden opptil 1 kWh/kg fremstilt aluminium. Av denne grunn er det gjort mange forsøk på å optimalisere strømskinneanord-ningen med hensyn, på ohmsk motstand. Samtidig må man imidlertid ta i betraktning de vertikale komponenter av induserte magnetfelt, som sammen med de horisontale strømtetthetskom-ponenter frembringer kraftfelter i det flytende metall som fremstilles ved foreliggende reduksjonsprosess.

I et aluminiumsmelteverk med langsstilte elektrolyseceller finner strømføringen fra celle til celle sted på følgende måte. Den elektriske likestrøm trer ut fra de katodestaver som er anordnet i cellens karbonbunn. Endene av disse katodestaver er over fleksible lederstrimler forbundet med samleskinner som forløper parallellt med elektrolysecellerekken. Fra disse strømskinner langs cellelangsidene føres strømmen over ytterligere bøyelige strømledere samt stigeledninger til de to ytterender av anodebjelken for den påfølgende celle. Alt etter celletype varieres strømfordelingen mellom den nærmeste og den borteste ende av bjelken, regnet i den almin-nelige strømretning for cellerekken, fra 100 - 0 til 50 - 50 %. De vertikale anodestenger som bærer karbonanodene og forsyner dem med elektrisk strøm er ved hjelp av bolter festet til anodebjelken.

Dette samleskinnearrangement, som er typisk for aluminiumsmelteverk, har imidlertid visse ulemper både fra et elektrisk og et magnetisk synspunkt.

Den elektriske strøm må føres en relativ lang avstand fra katodestavendene for en elektrolysecelle til anodene for den påfølgende celle. Sett i cellens lengderetning må en del av den elektriske strøm føres i samleskinner til den elektriske nedstrømsende av anodebjelken og derfra flyte tilbake gjennom denne bjelke. Sett i vertikalretningen føres den elektriske strøm fra katodestavenes plan opp i nivå med anodebjelken og derpå ned til anodene. Denne strømføring frem og tilbake i motsatte retninger betyr at mer metallmaterial er påkrevet for samleskinnene når cellerekken bygges opp, samt også at mer energi forbrukes under drift av cellene på grunn av den ohmske

motstand i samleskinnen.

Heller ikke med hensyn til de frembragte magnetiske felter er den nåværende vanlige ledningsføring for tilførsel av elektrisk likestrøm til cellene særlig gunstig. Tre metallstrøm-ningskomponenter frembragt av magnetiske felter overlapper hverandre i cellen og frembringer bevegelser i det flytende metall. Disse komponenter kan beskrives på følgende måte: a) Den første strømningskomponent som i prinsipp utgjør en sirkulær bevegelse langs innsiden av celleveggen, er særlig skadelig for cellens stabilitet. Denne første komponent frembringes av en naborekke av elektrolyseceller som fører den elektriske strøm tilbake til likeretter-anlegget. Strømningsretningen for denne sirkulære strøm-ningskomponent avhenger av om naborekken av celler ligger til venstre eller til høyre for den betraktede celle sett i hovedretningen for strømføringen gjennom cellen. b) Den annen komponent skriver seg fra det forhold at det i hver halvdel av cellen (med hensyn på lengderetningen) foreligger en sirkulær metallstrømning med innbyrdes motsatt strømningsretning i de to halvdeler. Denne type roterende strømning avhenger av strømfordelingen mellom stigelederne. c) Den tredje strømningskomponent er sammensatt av roterende strømninger i de fire cellekvadranter, idet rotasjons-retningen parvis er den samme i diagonalt motsatte cellekvadranter. Disse roterende strømninger skriver seg fra ujevn strømfordeling i samleskinnene og anodebjelken fra den ene til annen celleende.

Den innbyrdes overlagring av disse tre strømningskomponenter har som følge at mengdestrømmen av metall varierer betraktelig innenfor cellen. På de steder hvor alle tre komponenter virker i samme retning vil mengdestrømmen av metall i cellen

være høy, hvilket medfører erosjon av karbonforingen.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å komme frem til en strømskinneanordning for føring av elektrisk likestrøm fra katodestavender for en langsstilt elektrolysecelle til anodene for den påfølgende celle på sådan måte at det går med mindre metallisk strømskinnematerial og oppnås mindre elektrisk energitap, samt i tillegg nedsettes de skadelige magnetiske virkninger.

Oppfinnelsen gjelder således en strømskinneanordning for føring av elektrisk likestrøm fra katodestavenes ender i en langsstilt elektrolysecelle for fremstilling av aluminium til anodene i en påfølgende celle, og hvor elektrolysecellens katodestavender er forbundet med anodene i den påfølgende celle over fleksible lederstrimler som gruppevis er tilkoblet en av minst to strømskinner som forløper langs en langside av cellen.

På denne bakgrunn av prinsippielt kjent teknikk fra de norske patentskrifter nr. 135.149 og 150.364 har så strømskinnean-ordningen i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at nevnte første strømskinner som forløper langs en langside av elektrolysecellen samt andre strømskinner som forløper langs samme langside av den påfølgende celle er innbyrdes elektrisk sammenkoblet mellom den siste katodestavende i elektrolysecellen og dens første anode i den påfølgende celle og derved danner en elektrisk ekvipotensialforbindelse, mens de andre strøm-skinner over fleksible lederstrimler er gruppevis forbundet med anodene i den påfølgende celle, og såvel de første strøm-skinner som de andre strømskinner på den celleside som er vendt mot en nabocellerekke har en avstand fra cellenes langside som er mindre enn strømskinnenes avstand fra cellelangsidene på den side som vender bort fra vedkommende nabocellerekke.

De fleksible lederstrimler som er anordnet tett sammen og fører strøm fra katodestavendene til de samleskinner som fører til den neste celle, eller fører strøm fra samleskinnene som er forbundet med katodestavendene i den forutgående celle til anodene, frembringer som en følge av sin alternerende anordning en eliminering av den ovenfor nevnte tredje, type metall-strømning, nemlig den roterende strømning som finner sted i de fire cellekvadranter. Ved denne såkalte symmetriske løsning, hvor samleskinnene befinner seg i samme avstand fra begge langsider av cellen, kan denne magnetiske virkning faktisk forhindres til en viss grad, men ikke på langt nær fullstendig.

Ved at strømskinnenes avstand fra den langside av cellen som vender mot naborekken gjøres mindre enn strømskinnenes avstand fra cellen på den annen langside, oppnås imidlertid en asymmetri som opphever den magnetiske virkning fra nabocellerekken og derved begrenser eller helt eliminerer den ovenfor nevnte første strømningskomponent langs innsiden av celleveggen.

Med strømskinnene i forskjellig avstand fra cellens langsider vil de fleksible lederstrimler som forbinder katodestavendene med skinnene være bøyd i større eller mindre grad. Når strøm-skinnens avstand fra cellens langside er kort, vil disse bøyelige lederstrimler være sterkt bøyd, mens de med'større avstand mellom samleskinnene og cellens langside nesten vil være helt strukket. Dette betyr at den elektriske motstand ikke forandres, men bare virkningen av de frembragte magnetfelter .

Hensiktsmessig kan samleskinnene på de sider som henholdsvis vender mot eller bort fra nabocellerekken være anordnet slik at forskjellen mellom deres respektive avstander fra vedkommende cellelangside er 50 - 80 cm.

Da en celle i praksis ikke behøver å ha samme antall katodestavender og anoder, er alle de første strømskinner elektrisk forbundet innbyrdes. I elektrisk strømretning oppstrøms og nedstrøms for denne ekvipotensialforbindelse er tverrsnittet av henholdsvis de første og de andre strømskinner valgt slik at den elektriske motstand for alle samleskinner er omtrent den samme. De kortere strømskinner kan herunder ha mindre tverrsnitt enn de lengre skinner. Alternativt kan strømskin-nene være utført i metaller med forskjellig spesifikk elektrisk motstand, således at de korteste skinner har størst spesifikk motstand, mens de lengste skinner har minst spesifikk motstand.

Den asymmetriske skinneanordning kan forsterkes ved å koble et forskjellig antall katodestavender til de første strømskinner på motsatt side av cellens lengdeakse.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere omtalt under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 er en oversiktsskisse som viser føringen av strøm-skinner fra katodestavender for en elektrolysecelle til anodene for den påfølgende celle, idet strømføringen fra katodestavendene for den sistnevnte celle også er antydet, og Fig. 2 viser skjematisk et vertikalt, snitt langs linjen II-II

i fig. 1 på tvers av cellens lengderetning.

De elektrolyseceller 10 og 12 som er vist i fig. 1 represen-terer to påfølgende celler i en rekke elektrolyseceller som er oppstilt ende mot ende i et aluminiumsmelteverk. Hovedretningen av den elektriske likestrøm er angitt ved I. Nabocellerekken som utøver en magnetisk virkning på cellene 10 og 12 befinner seg til venstre i forhold til hovedretningen av cellestrømmen I. Katodestaver som er innlagt i karbongulvet i cellene 10 og 12 er bare angitt skjematisk. Ved begge ender av katodestavene er det anordnet bøyelige lederstrimler 14, 16 som, slik som vist i fig. 2, er sterkt nedbøyet i forbindelse med strømskinnene 18, 20 og 24 som ligger nær inntil en til-støtende side av cellen, mens strømskinnene på den motsatte side av cellens lengdeakse ligger betydelig lenger fra den tilstøtende celleside og de tilordnede fleksible strømledere således nesten er helt utstrukket. Strømskinnene 18, 20, 22 og 24 er innbyrdes kortsluttet ved koblingsforbindelsen 26. Tre strømskinner 28, 30 og 32 som forløper langs siden av den påfølgende celle 12 er forbundet elektrisk med ekvipotensialforbindelsen 26. Fleksible lederstrimler 34 er avgrenet fra hver av disse samleskinner og på sådan måte at hver strimmel er forbundet med en anodebjelke som ikke er vist her. Strøm-skinnen 28 fører strøm til de nærmest liggende anoder 36, mens strømskinnen 30 er forbundet med anodene 36 midt på cellen og strømskinnen 32 står i forbindelse med de lengst bortliggende anoder 36 i den påfølgende celle 12 sett i strømretningen I. Fortrinnsvis har alle strømskinner samme elektriske motstand, og hvis alle skinner består av samme material vil da strøm-skinnene 24 og 28 ha det minste tverrsnitt, mens skinnene 18 og 32 har størst ledertverrsnitt. Elektrolysecellen 10 er naturligvis også utstyrt med anoder og tilsvarende strømleder-føring, men disse er utelatt på tegningen for å gi bedre oversikt.

I foreliggende tilfelle oppviser hver elektrolysecelle 32 katodestavender, men har bare 30 anoder. For at det skal oppnås en jevn strømfordeling må det ved forskjellig antall katodestavender og anoder anordnes en ekvipotensialforbindelse 26.

I fig. 2 angir henvisningstallet 38 elektrolysekaret av stål, 40 den termiske isolasjon, 42 karbonbunnen og 44 katodestavendene. Videre angir a den store avstand til strømskinnen 18, mens b angir den mindre strømskinneavstand.

Foreliggende oppfinnelse oppviser følgende fordeler.

a) Strømføringsveien for den elektriske likestrøm fra en katodestavende til en anode for den påfølgende celle er

forkortet og omtrent 2 meter kan spares for hver strøm-skinne, hvilket innebærer lavere investeringsomkostninger

på grunn av lavere energiforbruk tilsvarende den lavere

elektriske skinnemotstand.

b) Cellens drift er mer stabil, hvilket fører til ytterligere nedsettelse av energitapene og/eller 'en mulighet for øket

porduksjon.

c) Det foreligger mindre erosjon av katodeforingen, hvilket medfører at en øket levetid kan oppnås for cellen.

Claims (5)

1. Strømskinneanordning for føring av elektrisk likestrøm fra katodestavenes ender i en langsstilt elektrolysecelle for fremstilling av aluminium til anodene i en påfølgende celle, og hvor elektrolysecellens katodestavender er forbundet med anodene i den påfølgende celle over fleksible lederstrimler (14, 16) som gruppevis er tilkoblet en av minst to strøm-skinner som forløper langs en langside av cellen, karakterisert ved at' nevnte første strøm-skinner (18, 20, 22, 24) som forløper langs en langside av elektrolysecellen (10) samt andre strømskinner (28, 30, 32) som forløper langs samme langside av den påfølgende celle (12) er innbyrdes elektrisk sammenkoblet mellom den siste katodestavende (44) i elektrolysecellen og dens første anode (36) i den påfølgende celle og derved danner en elektrisk ekvipotensialforbindelse (26), mens de andre strømskinner over fleksible lederstrimler (34) er gruppevis forbundet med anodene i den påfølgende celle (12), og såvel de første strømskinner (18, 20, 22, 24) som de andre strømskinner (28, 30, 32) på den celleside som er vendt mot en nabocellerekke har en avstand (b) fra cellenes langside som er mindre enn strømskinnenes avstand (a) fra cellelangsidene på den side som vender bort fra vedkommende nabocellerekke.

2. Strømskinneanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at forskjellen mellom nevnte største avstand (a) og nevnte minste avstand (b) er 50 - 80 cm.

3. Strømskinneanordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at alle første strømskinner (18, 20, 22, 24) har omtrent samme elektriske motstand mellom katodestavendene (44) og ekvipotensialforbindelsen (26).

4. Strømskinneanordning som angitt i krav 1 3, karakterisert ved at alle andre strømskinner (28, 30, 32) har omtrent samme elektriske motstand mellom ekvipotensialforbindelsen (26) og tilslutningene til vedkommende anoder (36) som skal strømforsynes.

5. Strømskinneanordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at innbyrdes forskjellig antall katodestavender er koblet til tilstøtende første strømskinner (18, 20, 22, 24) på innbyrdes motsatte sider av cellens lengdeakse.