NO317172B1 - Skinneanordning for elektrolyseceller - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en skinneanordning for å lede elektrisk likestrøm fra katodestavendene for en lengdeorientert elektrolysecelle, særlig for fremstilling av aluminium, over strømskinner til den etterfølgende celles tverrstavender, idet en strømskinne er ført under cellen i dens lengderetning.

For å utvinne aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd, blir denne løst i en fluorid-smelte som for det meste består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på cellens kullbunn slik at det flytende aluminiums overflate danner katoden. Ovenfra senkes anoder festet på anodestaver eller tverrstaver ned i smeiten, idet disse ved konvensjonelle fremgangsmåter består av amorft karbon. Ved den elektrolytiske spalting av aluminiumoksydet oppstår det oksygen på kullanodene, som forbinder seg med karbon i anodene, til C02 og CO. Elektrolysen finner vanligvis sted i et temperaturområde fra omtrent 940 til 970° C. I løpet av elektrolysen utarmes elektrolytten med hensyn til aluminiumoksyd. Ved en nedre konsentrasjon på 1 - 2 vekt-% aluminiumoksyd i elektrolytten opptrer det en anodeeffekt som gir en økning av spenningen på fra f.eks. 4 - 5 V til 30 V, eller mer. Senest på dette tidspunkt må skorpen dannet av stivnet elektrolyttmaterial slås hull på og aluminiumoksydkonsentra-sjonen heves ved tilsetning av ny aluminiumoksyd.

I vanlig drift blir elektrolysecellen normalt betjent periodisk, også når det ikke opptrer noen anodeeffekt, ved at det slås hull på skorpen og aluminoksyd tilsettes.

Katodestavendene er innleiret i elektrolysecellens kullbunn slik at deres ender på begge langsider løper gjennom elektrolysekaret. Disse jernstaver samler elektrolysestrømmen som over strømskinner anordnet på utsiden av cellen, stigeledninger, anodestaver eller tverrstaver samt anodestenger, flyter til den etterfølgende celles kullanoder. På grunn av den ohmske motstand fra katodestavene til den etterfølgende celles anoder forårsakes det energitap som er av en størrelsesorden på inntil 1 kWh pr. kg produsert aluminium. Det er derfor flere ganger blitt forsøkt å optimere anordningen av strømskinnene med hensyn til den ohmske motstand. Det må imidlertid da også tas hensyn til vertikal-komponentene som dannes av den magnetiske induksjon og som sammen med de horisontale strømtetthetskomponenter oppretter et kraftfelt i det flytende metall utvunnet ved hjelp av reduksjonsprosessen.

I et aluminiumverk med lengdeorienterte elektrolyseceller foregår strømføringen fra celle til celle på følgende måte: Den elektriske likestrøm flyter ut fra katodestavene anordnet i cellens kullbunn. Over bøyelige bånd er endene av katodestavene forbundet med samle- eller strømskinner som løper parallelt med elektrolysecellerekken. Fra disse strømskinner som løper langs cellens langsider, føres strømmen over andre bøyelige bånd og over stigeledninger til begge ender av den etterfølgende celles tverrstenger. Alt etter ovnstype varierer strømfordelingen mellom den nære og fjerne ende av tverrstengene i forhold til den generelle strømretning i cellerekken, med fra 100/0 % til 50/50 %. De vertikale anodestenger er mekanisk festet til tverrstengene og bærer kullanodene som mates med elektrisk strøm.

I magnetisk henseende er den for tiden vanlige matning med elektrisk likestrøm ikke særlig gunstig. Ved overlagring av tre strømningskomponenter oppstår det bevegelser i det flytende metall: - En første strømningskomponent som i prinsippet er en sirkulasjonsbevegelse langs den indre cellevegg og som har særlig skadelig innvirkning på elektrolysecellens stabilitet. Denne første komponent oppstår på grunn av innvirkning fra nærliggende elektrolysecellerekker, og som fører den elektriske strøm tilbake til likeretteren. Rotasjonens dreieretning er avhengig av om nabocellerekken ligger til høyre eller

venstre i forhold til cellen med hensyn til likestrømmens generelle retning.

- En andre strømningskomponent som opptrer fordi det i hver cellehalvdel (i forhold til lengderetningen) oppstår en egen sirkulasjonsstrømning stik at strømningene løper i motsatte retninger. Denne rotasjonsform er avhengig av strømfordelingen mellom

stigeledningene.

- En tredje strømningskomponent som til sist består av fire rotasjoner dannet i celle-kvadratene, idet de rotasjonsretninger som befinner seg diagonalt overfor hverandre, er like. Disse rotasjoner oppstår på grunn av den ulike strømfordeling på strømskinn-ene og tverrstengene fra den ene celleende til den annen.

Overlag ringen av disse strømningskomponenter gjør at metallstrømningenes hastighet innenfor en celle er meget forskjellig. Der alle tre strømningskomponenter har samme retningsforløp, oppstår det en høy metallhastighet.

I DE 28 28 180 er det beskrevet en skinneføring av den innledningsvis nevnte type. Med denne tidligere kjente anordning oppnås det allerede en viss kompensasjon for de elektromagnetiske kraftfelt. Dessuten er det i GB 2 001 344 beskrevet en anordning for kompensering av skadelige horisontalfelter i anlegg for smelteelektrolytisk fremstilling av metall.

På bakgrunn av denne teknikkens stilling har oppfinnelsen som formål å frembringe en skinneanordning av den innledningsvis nevnte type, med hvilken det kan oppnås en mest mulig vidtgående kompensasjon for de elektromagnetiske kraftfelt som frembringes av de forskjellige strømgjennomganger.

I henhold til oppfinnelsen oppnås dette ved at en del av katodestavendene på hver langside av cellen er ført sammen tii hver sin delstrømskinne, idet delstrømskinnene er ført fra langsidene av den etterfølgende celle på tvers av dens lengdeakse under cellen og er ført sammen til en samlestrømskinne under cellen, og hvor samlestrømskinnen er ført under cellen i dens lengderetning til den ende av tverrstangen som befinner seg nedstrøms.

Skinneanordningen for lengdeorienterte elektrolyseceller utført i henhold til oppfinnelsen egner seg for anordninger med strømstyrke inntil 170 KA.

I en foretrukket skinneanordning er delstrømskinnene under hver celle i sitt lengdemidt-punkt anordnet rettvinklet på deres lengdeakse, mens samleskinnene forløper i cellens lengdeakse.

På fordelaktig måte løper delstrømskinnene under hver celle mellom katodekarets støtte-bærere, mens samleskinnen går på tvers av støttebærerne. Anordningen bestående av delstrømskinnene og samleskinnene er fortrinnsvis anordnet i halv høyde i forhold til støttebærernes høyde.

Med strømskinnekonfigurasjonen i henhold til oppfinnelsen forbedres både cellens stasjonære tilstand ved minskning av de flytende metalloverflaters nivåforskjell og cellens stabilitet i den ikke-stasjonære tilstand ved redusert innflytelse fra forstyrrelser under driften av cellen.

Ytterligere fordeler, særtrekk og detaljer ved oppfinnelsen fremgår av den etterfølgende beskrivelse av et foretrukket utførelseseksempel gitt med henvisning til den vedføyde tegning, på hvilken:

fig. 1 skjematisk viser et snitt gjennom en elektrolysecelle, og

fig. 2 skjematisk viser prinsippet for den magnetiske kompensasjon.

Ifølge fig. 1 oppviser en elektrolysecelle 10 et stålkar 12 kledd med en termisk isolasjon 14 som rommer en kullbunn 16. I kullbunnen 16 er det innlemmet katodestenger 18 hvis ender løper gjennom stå I ka ret på begge langsider. Over bøyelige strømbånd 20 er katodestengene 18 tilkoblet strømskinner 22. Stålkaret 12 er anordnet i en avstand h fra gulvet 26 og hviler på stålbærere 24.

Prinsippet for den magnetiske kompensasjon ved hjelp av den spesielle strømskinne-føring fremgår ved betraktning av fig. 2 som viser at anordningen i henhold til oppfinnelsen omfatter en rekke elektrolyseceller 10 med en nominell strømstyrke på 140 KA. Den elektriske likestrøms generelle retning er betegnet med bokstaven I. Tallene som i fig. 2 er vist i parentes, angår antallet katodestenger som samtidig er ført sammen til enkelt-samleskinner. Strømfordelingen inne i en celle retter seg da ved lik celletype, etter strømstyrken. Siden det ikke foreligger noen lineær sammenheng mellom strømstyrke og strømfordeling blir strømfordelingen, dvs. det nøyaktige antall katodestavenheter som samtidig er ført sammen til en enkelt samleskinne, beregnet ut fra magnetohydro-dynamiske modeller for en bestemt strømtetthet.

I det foreliggende eksempel er elektrolysecellen 10n utstyrt med 20 katodestavender på hver cellelangside, av hvilke 26 katodestavenheter mater den ende av anodestaven eller tverrstaven 28 i den etterfølgende celle 10n+1 som ligger oppstrøms, og 14 enheter som ligger ved nedstrømsenden. Tre og tre katodestavenheter fra hver langside av cellen 10n er koblet sammen til hver sin ene delstrømskinne A, B, og ført langs den langsgående midte m av den etterfølgende celle 10n+1 under cellen, til dennes lengdeakse x. I midten av cellelengdeaksen x forenes så de to delstrømskinner A, B til en samlestrøm-skinne C som løper langs lengdeaksen x til nedstrømsenden av tverrstangen 28.

De to delstrømskinner A, B forløper mellom stålbærere 24. Samlestrømskinnen C løper gjennom stålbærerne 24, dvs. igjennom forut anordnede gjennombrudd 25. Anordningen som består av delstrømskinnene A, B samt samlestrømskinnen C og som oppviser formen av en T, befinner seg på en høyde a over gulvet 26, som tilsvarer omtrent den halve høyde h av stålbæreren 24.

Den magnetiske påvirkning fra delstrømskinnene A, B såvel som samlestrømskinnen C forsterkes av elektrolyttmetallets nærhet og den tilstedeværende ferromagnetiske om-givelse som følge av stålkaret 12 og stålbærerne 24. Den lille avstand mellom delstrøm-skinnene A, B så vel som samlestrømskinnen C fra elektrolysemetallet tillater en senkning av strømmen på grunn av oppdelingen av strømskinnen til en "T". Magneto-hydrodynamiske beregninger fører i foreliggende tilfelle til de resultater som er sammen-stilt i den etterfølgende tabell.

hvor:

Vmaks = største hastighet i det flytende metall,

Vmetan <=> midlere kvadratiske hastighet i det flytende metall, og

Ah = nivåforskjell for de flytende metalloverflater.

De oppnådde verdier viser tydelig hvor overlegen strømskinneføringen i henhold til oppfinnelsen i form av en T er sammenlignet med en konvensjonell skinneføring. Den viktigste informasjon fås fra stabilitetsanalysen. Den største økningsfaktor som er knyttet til de innledende tilstander foreligger for den i magnetisk henseende optimerte skinne-føring i form av en T i forhold til en skinneføring uten T, og som er omtrent tre ganger mindre. Ut fra dette foreligger det en vesentlig forbedring i elektrolysecellens stabilitet.

Claims (4)

1. Skinneanordning for å lede elektrisk likestrøm fra katodestavendene for en lengdeorientert elektrolysecelle, særlig for fremstilling av aluminium, over strømskinner til den etterfølgende celles tverrstavender, idet en strømskinne er ført under cellen i dens lengderetning, karakterisert ved at en del av katodestavendene på hver langside av cellen (10n) er ført sammen til hver sin delstrømskinne (A, B), idet delstrømskinnene er ført fra langsidene av den etterfølgende celle (10n+1) på tvers av dens lengdeakse (x) under cellen og er ført sammen til en samlestrømskinne (C) under cellen, og hvor samlestrøm-skinnen er ført under cellen i dens lengderetning til den ende av tverrstangen (28) som befinner seg nedstrøms.

2. Skinneanordning som angitt i krav 1, og hvor delstrømskinnene {A, B) er anordnet under hver celle (10) i dens langsgående midte (m) samt vinkelrett på dens lengdeakse (x), mens samlestrømskinnen (C) løper i cellens lengdeakse (x).

3. Skinneanordning som angitt i krav 1 eller 2, og hvor delstrømskinnene (A, B) under hver celle (10) løper mellom støttebærere (24) for katodekaret (12), mens samlestrøm-skinnen (C) går på tvers av støttebærerne (24).

4. Skinneanordning som angitt i krav 3, og hvor delstrømskinnene (A, B) og samle-strømskinnen (C) under hver celle (10) er anordnet i omtrent den halve høyde (a) i forhold til høyden (h) av støttebærerne (24).