NO800716L

NO800716L - ELECTROLYCLE CELLS FOR ALUMINUM PREPARATION BY MELT ELECTROLYSIS.

Info

Publication number: NO800716L
Application number: NO800716A
Authority: NO
Inventors: Peter Entner
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1979-03-23
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1980-09-24
Also published as: AU5614180A; EP0016728A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrolysecelle for aluminiumfremstilling ved smelteelektrolyse av aluminium-salter. The present invention relates to an electrolysis cell for aluminum production by melt electrolysis of aluminum salts.

Katoden i vanlige industrielle elektrolyseceller for aluminiumfremstilling ved smelteelektrolyse av aluminium-salter består som kjent av karbonblokker med samme elektriske ledningsevne og hvori stålstaver er innstøpt for bortledning av den elektriske strøm. Den elektrolyse-strøm som kommer fra anoden, flyter vertikalt gjennom elektrolytten og trenger deretter inn i det flytende aluminiumskikt som dekker karbonkatodeblokkene og sammenlignet med disse karbonblokker har en 2300 ganger bedre elektrisk ledningsevne. Mens strømfordelingen i elektrolytten herunder er tilnærmet homogen og strømretningen hovedsakelig vertikalt, vil strømmen etter innløpet i den meget godt elektrisk ledende metallsmelte søke den vei som har minst elektrisk motstand frem til de katodiske samleskinner. Av dette følger en avbøyning av strømretningen henimot cellens kant med en horisontal strømtetthet, hvis verdi stedvis faktisk kan være av samme størrelsesorden som den vertikale strømtetthet. The cathode in ordinary industrial electrolysis cells for aluminum production by melting electrolysis of aluminum salts consists, as is known, of carbon blocks with the same electrical conductivity and in which steel rods are embedded to conduct away the electrical current. The electrolysis current coming from the anode flows vertically through the electrolyte and then penetrates the liquid aluminum layer that covers the carbon cathode blocks and compared to these carbon blocks has a 2300 times better electrical conductivity. While the current distribution in the electrolyte below is approximately homogeneous and the current direction mainly vertical, the current after entering the very electrically conductive molten metal will seek the path with the least electrical resistance to the cathodic busbars. This results in a deflection of the current direction towards the edge of the cell with a horizontal current density, the value of which may in some places actually be of the same order of magnitude as the vertical current density.

Disse horisontale strømtetthetskomponenter som variererThese horizontal current density components that vary

fra tilfelle til tilfelle frembringer i samvirke med de ytre magnetfelt som frembringes av tilførselsledningene og naborekker av elektrolyseceller elektromotoriske krefter i metallsmelten, som på flere måter har en skadelig virkning på elektrolyseprosessen. from case to case produces, in cooperation with the external magnetic fields produced by the supply lines and neighboring rows of electrolysis cells, electromotive forces in the metal melt, which in several ways have a detrimental effect on the electrolysis process.

(1) Disse krefter frembringer for'det første en mer eller mindre kraftig horisontal sirkulasjon i metallsmelten, hvilket på sin side nedsetter ovnens levetid ved errosjon og hulltæring. Utformingen og intensiteten av denne sirkulasjon forandrer seg ganske vesentlig under en elektrolysecelles aktive driftstid (se K. Grotheim et al., Aluminium Electrolysis, The Chemistry of the Hall-Héroult Process, Dusseldorf 1977, sidene 338/339). (2) De elektromotoriske krefter frembringes i metallsmelten svingninger som på lignende måte påvirker elektro-lyseovnens levetid. (3) Disse krefter fører til den kjente hvelving av over-flaten av det flytende aluminium i elektrolysecellen og vanskeliggjør derved en nøyaktig innstilling av anode-avstanden, eller eventuelt gjør det nødvendig med en etterregulering av denne. (4) Disse krefter fører også til mer eller mindre kraftig bølgedannelse og sirkulasjonsblanding og fremmer derved uønsket fornyet oksydasjon av ovnsmetallet. (1) These forces first produce a more or less strong horizontal circulation in the metal melt, which in turn reduces the lifetime of the furnace through erosion and pitting. The design and intensity of this circulation changes quite significantly during an electrolysis cell's active operating time (see K. Grotheim et al., Aluminum Electrolysis, The Chemistry of the Hall-Héroult Process, Dusseldorf 1977, pages 338/339). (2) The electromotive forces produced in the molten metal fluctuate, which similarly affect the lifetime of the electrolytic furnace. (3) These forces lead to the well-known vaulting of the surface of the liquid aluminum in the electrolysis cell and thereby make it difficult to accurately set the anode distance, or possibly make it necessary to readjust it. (4) These forces also lead to more or less strong wave formation and circulation mixing and thereby promote unwanted renewed oxidation of the furnace metal.

Alle disse prosesser nedsetter elektrolyseprosessens strøm-utbytte, hvilket er av økende betydning med henblikk på den vanskelige energisituasjon, samtidig som de forkorter leve-tiden for de enkelte ovnsanlegg og forhøyer omkostningene ved de uunngåelige vedlikeholdsarbeider. Man har derfor i lengere tid forsøkt å nedsette eller eliminere disse uønskede horisontale strømtetthetskomponenter, hvilket er av særlig betydning ved drift og vedlikehold av allerede eksisterende ovnshaller, hvor de ytre magnetfelter i og for seg ikke kan påvirkes, da disse er bestemt av utformingen av strøm-tilførselsledningene og plasseringen av de forskjellige ovnsrekker, og således vanskelig kan forandres. All these processes reduce the electricity yield of the electrolysis process, which is of increasing importance in view of the difficult energy situation, while at the same time shortening the lifetime of the individual furnace systems and increasing the costs of the inevitable maintenance work. Efforts have therefore been made for a long time to reduce or eliminate these unwanted horizontal current density components, which is of particular importance in the operation and maintenance of already existing furnace halls, where the external magnetic fields in and of themselves cannot be influenced, as these are determined by the design of current - the supply lines and the location of the different oven rows, and thus difficult to change.

Dette er tidligere forsøkt oppnådd ved at den side av katodestavene som er vendt mot anodene i det område langs ovnens langsider som begrenset av anodenes ytterkanter og ytterkantene av katodeblokkene er dekket av et skikt av et ikke elektrisk ledende material. Denne katodeisolasjon tvinger elektrolysestrømmen til å gå vertikalt gjennom katodens karbonblokker og hindrer derved avbøyningen- av strømmen på vedkommende steder og dermed det tilsvarende bidrag til de horisontale strømtetthetskomponenter (DE-AS This has previously been attempted by having the side of the cathode rods facing the anodes in the area along the furnace's long sides limited by the outer edges of the anodes and the outer edges of the cathode blocks covered by a layer of a non-electrically conductive material. This cathode insulation forces the electrolysis current to go vertically through the cathode's carbon blocks and thereby prevents the deflection of the current at the relevant locations and thus the corresponding contribution to the horizontal current density components (DE-AS

2. 318.599). En tilsvarende virkning er oppnådd ved at katodestavene avvekslende er dekket med stykker av ledende og ikke ledende material, idet lengden av de isolerende stykker og dermed deres andel av det dekkende material økes mot kantene av ovnens langsider, således at atter de horisontale strømtetthetskomponenter i disse områder nedsettes (DE-OS 2.624.171). Da disse fremgangsmåter uten unntagelse omfatter alle foreliggende katodestaver og dermed hele lengdeutstrekningen av en gitt elektrolysecelle, oppviser de herunder den ulempe at de fører til forholdsvis høyt anodespenningstall og dermed til en dårligere samlet energiutnyttelse, hvilket med henblikk på den spente energisituasjon er av vesentlig betydning. 2. 318,599). A similar effect is achieved by the cathode rods being alternately covered with pieces of conductive and non-conductive material, the length of the insulating pieces and thus their share of the covering material being increased towards the edges of the furnace's long sides, so that again the horizontal current density components in these areas be reduced (DE-OS 2.624.171). As these methods without exception include all existing cathode rods and thus the entire length of a given electrolysis cell, they also exhibit the disadvantage that they lead to a relatively high anode voltage figure and thus to a poorer overall energy utilization, which is of significant importance with regard to the tense energy situation.

På denne bakgrunn er det et formål for foreliggende oppfinnelse å nedsette de skadelige elektromagnetiske virkninger i en elektrolysecelle (sirkulasjon, overflatehvelv-ning, svingninger i ovensmetallet) ved at de horisontale strømtetthetskomponenter i ovnsmetallet reduseres og derved også de elektromagnetiske krefter som virker i metallet nedsettes, samtidig som det katodiske spenningstap reduseres og dermed også energitapet sammenlignet med de tap som opptrer ved den kjente teknikk som er angitt ovenfor. Against this background, it is an aim of the present invention to reduce the harmful electromagnetic effects in an electrolysis cell (circulation, surface vaulting, fluctuations in the furnace metal) by reducing the horizontal current density components in the furnace metal and thereby also reducing the electromagnetic forces acting in the metal, at the same time as the cathodic voltage loss is reduced and thus also the energy loss compared to the losses that occur with the known technique indicated above.

I henhold til en første utførelsesform av oppfinnelsen oppnås dette ved at: (a) bare en brøkdel av alle foreliggende katodestaver i elektrolysecellen (b) er selektivt isolert overfor karbonkatoden i de områder (c) hvor strømningshastigheten i vertikal retning i metallsmelten er høy sammenlignet med strømningshastigheten i de omgivende områder. According to a first embodiment of the invention, this is achieved by: (a) only a fraction of all available cathode rods in the electrolysis cell (b) is selectively insulated from the carbon cathode in the areas (c) where the flow rate in the vertical direction in the metal melt is high compared to the flow rate in the surrounding areas.

Fortrinnsvis oppnås dette ved isolering av katodestavene i to innbyrdes diagonalt liggende kvadranter av elektrolysecellens grunnriss, idet de isolerte områder i henhold til en ytterligere foretrukket utførelsesform i henhold til oppfinnelsen grenser direkte mot hjørnene av elektrolysecellens grunnriss. Preferably, this is achieved by isolating the cathode rods in two mutually diagonal quadrants of the electrolysis cell's floor plan, the isolated areas according to a further preferred embodiment according to the invention bordering directly on the corners of the electrolysis cell's floor plan.

Til grunn for denne løsning ligger den erkjennelse at forThis solution is based on the realization that for

å oppnå en nedsettelse av spenningstapene samtidig som påvirkningen av de horisontale strømtetthetskomponenter opprettholdes synes mest hensiktsmessig å nedsette disse komponenter og dermed også de ponderomotoriske krefter i ovnsmetallet nettopp i de områder hvor strømningshastigheten i ovnsmetallet og derfor også de tilsvarende belastninger av ovnsveggene er forholdsvis store sammenlignet med andre områder. På disse steder må samme nedsettelse av strøm-tetthetskomponenten dJ frembringe en større reduksjon av strømningshastigheten dv enn på steder hvor det foreliggende absoluttbidrag v til denne hastighet er mindre. Alt etter den enkelte elektrolysecelles driftsalder og varmehushold-ning kan imidlertid disse områder lett forandres og da gjøre det nødvendig med en tilsvarende forandring av utformingen av de isolerte områder av katodestavene i henhold til oppfinnelsen. Det er derfor nødvendig i hvert enkelt tilfelle å måle de lokale strømningshastigheter ved hjelp av en eller annen konvensjonell fremgangsmåte i en represen-tativ elektrolysecelle i vedkommende ovnshall (se tidligere -nevnte fremstilling av K. Grjothem et al., side 337 og følgende sider, samt A.R. Johnson, Metal Pad Velocity Measurements in Aluminium Reduction Cells, Light Metals,.., bind 1 (1978), sidene 45 - 58), for på dette grunnlag å bestemme plasseringen av de områder av katodestavene som skal isoleres i hvert enkelt tilfelle. to achieve a reduction of the voltage losses while maintaining the influence of the horizontal current density components, it seems most appropriate to reduce these components and thus also the ponderomotive forces in the furnace metal precisely in the areas where the flow rate in the furnace metal and therefore also the corresponding loads on the furnace walls are relatively large compared to other areas. At these locations, the same reduction of the current density component dJ must produce a greater reduction of the flow rate dv than at locations where the present absolute contribution v to this velocity is smaller. However, depending on the individual electrolysis cell's operating age and heating conditions, these areas can be easily changed, making it necessary to make a corresponding change in the design of the isolated areas of the cathode rods according to the invention. It is therefore necessary in each individual case to measure the local flow velocities using one or another conventional method in a representative electrolysis cell in the relevant furnace hall (see previously mentioned presentation by K. Grjothem et al., page 337 and following pages, as well as A.R. Johnson, Metal Pad Velocity Measurements in Aluminum Reduction Cells, Light Metals,.., volume 1 (1978), pages 45 - 58), in order on this basis to determine the location of the areas of the cathode rods to be isolated in each individual case .

I henhold til en annen utførelsesvariant oppnås oppfinnelsens formål ved at: (a) bare en brøkdel av alle foreliggende katodestaver i elektrolysecellen (b) er selektivt isolert overfor karbonkatoden i de områder According to another embodiment, the object of the invention is achieved by: (a) only a fraction of all available cathode rods in the electrolysis cell (b) are selectively insulated from the carbon cathode in the areas

(c) hvor de vertikale komponenter av de magnetiske felt(c) where the vertical components of the magnetic field

i metallsmelten er høye sammenlignet med tilsvarende komponenter i de omgivende områder. in the metal melt are high compared to corresponding components in the surrounding areas.

Fortrinnsvis oppnås dette ved isolering av katodestavenePreferably, this is achieved by insulating the cathode rods

i de kvadrater av elektrolysecellens grunnriss som ligger i nærheten av en lokal ansamling av strømledere som frembringer vertikale magnetfeltkomponenter. i samme retning. I henhold til en ytterligere foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen omfatter disse isolerte områder av katodestavene to kvadranter av elektrolysecellens grunnriss som er anordnet aksialsymmetrisk med hensyn på hovedstrøm-retningen i vedkommende rekke av elektrolyseceller. Herunder kan da disse to kvadranter alt etter forholdene i hvert enkelt tilfelle ligge enten i den fremre eller den bakre halvdel av den enkelte elektrolysecelles grunnriss, sett i hovedstrømretningen. I henhold til en ytterligere foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen grenser de således isolerte områder av katodestavene umiddelbart mot hjørnene av elektrolysecellens grunnriss. in the squares of the electrolytic cell's ground plan that are located near a local accumulation of current conductors that produce vertical magnetic field components. in the same direction. According to a further preferred embodiment of the invention, these isolated areas of the cathode rods comprise two quadrants of the electrolysis cell's ground plan which are arranged axially symmetrically with regard to the main current direction in the respective row of electrolysis cells. Depending on the conditions in each individual case, these two quadrants can lie either in the front or the rear half of the individual electrolysis cell's floor plan, seen in the direction of the main current. According to a further preferred embodiment of the invention, the thus isolated areas of the cathode rods border immediately on the corners of the electrolytic cell's floor plan.

Til grunn for denne løsning ligger den erkjennelse at det for en nedsettelse av spenningstapet med samtidig opprett-holdelse av påvirkningen av de horisontale strømtetthets-komponenter synes mest hensiktsmessig å nedsette disse komponenter og dermed de tilsvarende ponderomotoriske krefter i ovnsmetallet nettopp i de områder hvor de vertikale komponenter av det magnetiske felt fl er forholdsvis store sammenlignet med de øvrige områder. Da de ponderomotoriske krefter K er bestemt ved vektorproduktet. K = A.3x H, hvor A er en proporsjonalitetsfaktor, hvori blant annet også den magnetiske permeabilitet ,u inngår, må på disse steder samme nedsettelse av den horisontale strømtetthetskomponent dj The basis for this solution is the recognition that, for a reduction of the voltage loss while simultaneously maintaining the influence of the horizontal current density components, it seems most appropriate to reduce these components and thus the corresponding ponderomotive forces in the furnace metal precisely in the areas where the vertical components of the magnetic field fl are relatively large compared to the other areas. Since the ponderomotive forces K are determined by the vector product. K = A.3x H, where A is a proportionality factor, which also includes the magnetic permeability ,u, in these places the same reduction of the horizontal current density component dj

gi en større reduksjon av den ponderomotoriske kraft di? enn give a greater reduction of the ponderomotive force di? than

på steder hvor den rådende verdi av den magnetiske feltstyrke H og dermed også kraften K er mindre. Den geometriske plassering av disse områder med de høyeste verdier av den vertikale komponent av H avhenger i vesentlig grad av plasseringen av ledningene for tilførsel og bortførsel av strøm såvel som plasseringen av de tilstøtende rekker av elektrolyseceller i en gitt ovenshall. På de steder hvor det lokalt er samlet flere strømledninger med samme strøm-retning, foreligger det som regel høyere magnetiske felt-styrker i de nærliggende områder av metallsmelten enn i andre områder av cellen, og det synes derfor vanligvis mest hensiktsmessig å anbringe vedkommende isolasjon i nærheten av sådanne lokale ansamlinger av strømledere. I hvert enkelt tilfelle kan sådanne områder med høy magnetisk feltstyrke I? lett beregnes på grunnlag av den foreliggende uforander-lige plassering av strømledningene inne i en gitt ovnshall, således at de områder av elektrolysecellenes grunnriss hvor en isolering av katodestavene skal utføres, kan fastlegges på dette grunnlag. in places where the prevailing value of the magnetic field strength H and thus also the force K is smaller. The geometric location of these areas with the highest values of the vertical component of H depends to a significant extent on the location of the lines for the supply and removal of current as well as the location of the adjacent rows of electrolysis cells in a given furnace hall. In places where several power lines with the same current direction are locally assembled, there are usually higher magnetic field strengths in the nearby areas of the metal melt than in other areas of the cell, and it therefore usually seems most appropriate to place the relevant insulation in the proximity of such local accumulations of current conductors. In each individual case, such areas with high magnetic field strength I? can easily be calculated on the basis of the present unchanging location of the power lines inside a given furnace hall, so that the areas of the electrolysis cells' floor plan where an insulation of the cathode rods is to be carried out can be determined on this basis.

Overfor den tidligere kjente teknikk som går ut på isolering av alle katodestaver i en celle medfører foreliggende oppfinnelse en senkning av det katodiske spenningsfall med 50 - 100 mV alt etter omstendighetene, hvilket innebærer en senkning av det samlede energiforbruk under elektrolyseprosessen med 1 - 2 %, og dette tilsvarer i sin tur en besparelse på omkring 0,2 kWh pr. kg fremstilt råaluminium. Med hensyn til fjerning av de skadelige elektromagnetiske virkninger har anordningen i henhold til oppfinnelsen vist seg fullstendig likeverdig med den tidligere kjente teknikk, og fører således til en tilsvarende nedsettelse av de mekaniske skader på ovnsveggene og en tilsvarende økning av den samlede driftslevetid for den enkelte ovn. Overfor de tidligere kjente anordninger som tilstreber samme virkninger ved påvirkning av det ytre magnetfelt, oppviser foreliggende utførelse i henhold til oppfinnelsen den fordel at det ikke er nødvendig med noen forandring av en gitt konstruksjon med hensyn til anordningen av katodeskinnene og strømtilførselen. Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av ut-førelseseksempler under henvisning til de vedføyde teg-ninger, hvorpå: In contrast to the previously known technique which involves the isolation of all cathode rods in a cell, the present invention entails a lowering of the cathodic voltage drop by 50 - 100 mV depending on the circumstances, which entails a lowering of the overall energy consumption during the electrolysis process by 1 - 2%, and this in turn corresponds to a saving of around 0.2 kWh per kg produced raw aluminium. With regard to the removal of the harmful electromagnetic effects, the device according to the invention has proven to be completely equivalent to the previously known technique, and thus leads to a corresponding reduction in the mechanical damage to the furnace walls and a corresponding increase in the overall operating life of the individual furnace . Compared to the previously known devices which aim for the same effects when influenced by the external magnetic field, the present embodiment according to the invention exhibits the advantage that no change is necessary to a given construction with regard to the arrangement of the cathode rails and the current supply. The invention will now be explained in more detail with the help of design examples with reference to the attached drawings, after which:

Fig. 1 og 2 er skjematiske planskisser av elektrolyseceller som er oppstilt på linje i lengderetningen og er forskynt med forskjellige områder av isolerte katodeskinner, Fig. 3 og 4 viser skjematiske planskisser av tverrstilte elektrolyseceller anordnet på linje, Fig. 5 viser et tverrsnitt gjennom en enkelt elektrolysecelle, og Figs 1 and 2 are schematic plans of electrolysis cells which are arranged in a line in the longitudinal direction and are provided with different areas of insulated cathode rails, Figs 3 and 4 show schematic plans of transversally positioned electrolysis cells arranged in a line, Fig. 5 shows a cross section through a single electrolytic cell, and

Fig. 6 et snitt gjennom en sådan celle langs linjen VI-VIFig. 6 a section through such a cell along the line VI-VI

i fig. 5,in fig. 5,

Fig. 7 og 8 viser skjematiske planskisser av elektrolyseceller som er oppstilt på linje i sin lengderetning og har forskjellige innbyrdes varierende områder av isolerte katodestaver, og Fig. 9 og 10 viser skjematisk planskisser av elektrolyseceller oppstilt på linje i sin tverretning. Fig. 7 and 8 show schematic plans of electrolysis cells which are lined up in their longitudinal direction and have different mutually varying areas of insulated cathode rods, and Fig. 9 and 10 show schematic plans of electrolysis cells lined up in their transverse direction.

I den utførelsesform av oppfinnelsen som er vist i fig. 1, 2, 7 og 8 er de enkelte elektrolyseceller 1 oppstilt med ende-kantene vendt mothverandre og danner således en rekke av såkalte lengdeoppstilte ovner. Strømmen tilføres gjennom den anodiske strømbjelke 2 og forlater elektrolysecellen gjennom katodestaver 3 som er utført i metall og innleiret i de karbonblokker som til sammen danner cellens bunn. Katodestavene 3 fra hver tredjedel av den samlede katodeflate er ført til felles katodiske strømsamleskinner 4, 5 og 6, som er anordnet langs begge langsider av elektrolysecellen. In the embodiment of the invention shown in fig. 1, 2, 7 and 8, the individual electrolysis cells 1 are arranged with their end edges facing each other and thus form a series of so-called longitudinally arranged ovens. The current is supplied through the anodic current beam 2 and leaves the electrolysis cell through cathode rods 3 which are made of metal and embedded in the carbon blocks which together form the bottom of the cell. The cathode rods 3 from each third of the total cathode surface are led to common cathodic current collector rails 4, 5 and 6, which are arranged along both long sides of the electrolysis cell.

Disse strømsamleskinner er for.bundet med den anodiske strøm-bjelke 2 for den nærmest påfølgende elektrolysecelle, idet skinnene 4 og 5 er forbundet med den nærmeste, og skinnen 6 These current collector rails are connected to the anodic current beam 2 for the next electrolytic cell, rails 4 and 5 being connected to the nearest one, and rail 6

er forbundet med den borteste ende av denne strømbjelke,is connected to the far end of this power beam,

sett i retning av pilen J som i figurene angir hovedstrøm-retningen for vedkommende rekke av elektrolyseceller. seen in the direction of the arrow J which in the figures indicates the main current direction for the row of electrolysis cells in question.

I den utførelsesform av oppfinnelsen som er vist i fig. 3,In the embodiment of the invention shown in fig. 3,

4, 9 og 10 er de enkelte elektrolyseceller 1 rettet med sine langsider mot hverandre og danner derved en rekke av såkalte tverrstilte ovner. Også ved denne anordning til-føres elektrolysestrømmen over anodiske strømbjelker 2 og forlater elektrolysecellen over et system av katodestaver 3. Disse er forbundet med de to samleskinner 7 og 8 og strømmen fra disse samleskinner føres til den anodiske strømbjelke 2 for den nærmest påfølgende celle. 4, 9 and 10, the individual electrolysis cells 1 are aligned with their long sides towards each other and thereby form a series of so-called cross-aligned furnaces. Also with this device, the electrolysis current is supplied over anodic current beams 2 and leaves the electrolysis cell over a system of cathode rods 3. These are connected to the two busbars 7 and 8 and the current from these busbars is led to the anodic current beam 2 for the next closest cell.

Ved den oppstilling som er vist i fig. 1 og 2 måles deIn the arrangement shown in fig. 1 and 2 they are measured

største strømningshastigheter i ovnsmetallet innenfor to kvadranter av elektrolysecellens grunnriss som ligger diagonalt overfor hverandre. Herunder avhenger det av hvorledes de forskjellige rekker av elektrolyseceller er anordnet i ovnshallen, om disse områder med størst strømningshastighet ligger forut til venstre/bakut til høyre eller forut til høyre/bakut til venstre sett i hovedstrømretningen (angitt ved pilen J i figurene) for vedkommende rekke av elektrolyseceller. Disse områder med størst strømningshastighet be-stemmes etter en i og for seg fremgangsmåte, se side 337 i det tidligere nevnte verk av K. Grjotheim og side 45 samt følgende sider i den tidligere nevnte artikkel av A.R. Johnson. Med støtte av disse målinger fastlegges så i hvilke kvadrant-par av elektrolysecellens grunnriss katodestavene skal isoleres . greatest flow velocities in the furnace metal within two quadrants of the electrolysis cell floor plan that lie diagonally opposite each other. Here, it depends on how the different rows of electrolysis cells are arranged in the furnace hall, whether these areas with the greatest flow velocity are located forward to the left/backward to the right or forward to the right/backward to the left in the main flow direction (indicated by arrow J in the figures) for the person concerned array of electrolytic cells. These areas with the greatest flow velocity are determined according to a procedure in and of itself, see page 337 in the previously mentioned work by K. Grjotheim and page 45 and the following pages in the previously mentioned article by A.R. Johnson. With the support of these measurements, it is then determined in which quadrant pair of the electrolytic cell's floor plan the cathode rods are to be insulated.

I disse områder med største strømningshastighet i ovnsmetallet er de mekaniske skader på ovnsveggene hyppigst og alvorligst. Derfor isoleres katodestavene 3 i disse områder med hensikt fra de omgivende karbonblokker, således at det i de skygge-]agte områder i fig. 1 oppnås en lokal reduksjon av den horisontale strømtetthetskomponent og dermed også av de elektromotoriske krefter i ovnsmetallet. De områder som bør isoleres på grunnlag av disse betraktninger, ligger følgelig i to innbyrdes diagonalt motstående kvadranter av elektrolysecellens grunnriss, idet yttergrensene av disse områder i henhold til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsesgjenstanden faller sammen med elektrolysecellens sidebegrensninger. In these areas with the greatest flow velocity in the furnace metal, the mechanical damage to the furnace walls is most frequent and severe. Therefore, the cathode rods 3 in these areas are intentionally isolated from the surrounding carbon blocks, so that in the shaded areas in fig. 1, a local reduction of the horizontal current density component and thus also of the electromotive forces in the furnace metal is achieved. The areas that should be isolated on the basis of these considerations are consequently located in two mutually diagonally opposite quadrants of the electrolysis cell's floor plan, the outer limits of these areas according to a preferred embodiment of the invention coinciding with the side limits of the electrolysis cell.

Alt etter de foreliggende strømningsforhold kan i deDepending on the current flow conditions, they can

enkelte tilfeller de isolerte områder oppvise forskjellig grunnrissform. I den spesielle utførelse som er angitt i fig. 1 kan isolasjonsområdene omfatte to rektangelflater som ligger ved hvert sitt hjørne av elektrolysecellens grunnriss, og hvis lengste side i henhold til en ytterligere foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen f.eks. tilsvarer halvparten av cellens langside, og hvis kortside tilsvarer 1/6 av cellens korteste side. Ved den ytterligere ut-førelsesform av oppfinnelsen som er vist i fig. 2 oppviser de isolerte områder en grunnflate i form av to innbyrdes sentralsymmetrisk anordnede femkanter, idet to sider av hver av disse femkanter i henhold til en ytterligere foretrukket utførelsesform faller sammen med elektrolysecellens ytterkanter. Den lengste side av disse femkanter kan i henhold til en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen f.eks. utgjøre 1/3. av langsiden av elektrolysecellens grunnriss. Endelig kan de områder som skal isoleres danne en flate i form av to innbyrdes sentralsymmetrisk anordnede rettvinklede trekanter, hvis kateter i henhold til en annen særlig utførelsesform i henhold til oppfinnelsen forløper parallelt med elektrolysecellens sidekanter eller eventuelt faller sammen med disse. Alt etter de strømningsforhold som i hvert enkelt tilfelle foreligger i en celle, kan naturligvis også andre geometriske former anvendes for de områder hvor katodestavene skal isoleres. in some cases the isolated areas have different ground plan forms. In the particular embodiment indicated in fig. 1, the insulation areas can comprise two rectangular surfaces which are located at each corner of the electrolysis cell's floor plan, and whose longest side according to a further preferred embodiment of the invention, e.g. corresponds to half of the cell's long side, and whose short side corresponds to 1/6 of the cell's shortest side. In the further embodiment of the invention shown in fig. 2, the isolated areas have a base surface in the form of two centrally symmetrically arranged pentagons, with two sides of each of these pentagons according to a further preferred embodiment coinciding with the outer edges of the electrolysis cell. According to a further embodiment of the invention, the longest side of these pentagons can e.g. make up 1/3. of the long side of the electrolysis cell floor plan. Finally, the areas to be isolated can form a surface in the form of two mutually centrally symmetrically arranged right-angled triangles, whose catheter according to another particular embodiment according to the invention runs parallel to the side edges of the electrolysis cell or possibly coincides with them. Depending on the flow conditions that exist in each individual case in a cell, other geometric shapes can of course also be used for the areas where the cathode rods are to be insulated.

Også ved den celleoppstilling som er vist i fig. 3 og 4 befinner områdene med størst strømningshastighet i ovnsmetallet seg innenfor hver sin av to innbyrdes diagonalt motstående kvadranter av den enkelte elektrocelles grunnriss, og katodestavene 3 må følgelig med hensikt isoleres på disse steder 9, som er antydet med en skyggelegging. Om de områder som skal isoleres ligger til høyre på forsiden og til venstre på baksiden av elektrolysecellen, slik som angitt i fig. 3 og 4 (sett i retning av pilen J som angir hovedstrømretningen for vedkommende rekke av elektrolyseceller), eller om de tilsvarende speilbildeflater (venstre foran/høyre bak) skal isoleres, avhenger av hvorledes de forskjellige rekker av elektrolyseceller er anordnet i omtalen, og kan i hvert enkelt tilfelle fastlegges ved målinger i henhold til kjente fremgangsmåter (se side 337 samt følgende sider i ovenfor angitte verk av K. Grjotheim et al., samt side 45 og følgende sider i den ovenfor artikkel av A.R. Johnson). Also with the cell arrangement shown in fig. 3 and 4, the areas with the greatest flow rate in the furnace metal are located within each of two diagonally opposite quadrants of the individual electrocell's floor plan, and the cathode rods 3 must therefore be intentionally insulated at these locations 9, which are indicated by shading. If the areas to be insulated are on the right on the front and on the left on the back of the electrolysis cell, as indicated in fig. 3 and 4 (seen in the direction of arrow J which indicates the main current direction for the row of electrolysis cells in question), or whether the corresponding mirror image surfaces (left front/right back) are to be isolated, depends on how the different rows of electrolysis cells are arranged in the description, and can in each individual case is determined by measurements according to known methods (see page 337 and the following pages in the above-mentioned work by K. Grjotheim et al., as well as page 45 and the following pages in the above article by A.R. Johnson).

Atter kan flateformen av de isolerte områder 9 av elektrolysecellens grunnriss anta forskjellige geometriske former, f.eks. to sentralsymmetrisk anordnede rektangler (fig. 3), rettvinklede femkanter (fig. 4) eller rettvinklede trekanter, Again, the surface shape of the isolated areas 9 of the electrolysis cell's ground plan can assume different geometric shapes, e.g. two centrally symmetrically arranged rectangles (fig. 3), right-angled pentagons (fig. 4) or right-angled triangles,

kan i henhold til en ytterligere foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen to innbyrdes perpendikulære sider av disse flateområder forløpe parallelt med elektrolysecellens ytterkanter eller eventuelt falle sammen med disse. De lengste sider av disse rektangler eller femkanter, henholdsvis den lengste katet av de tilsvarende rettvinklede trekanter kan herunder i henhold, til en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen utgjøre omkring 1/3 (i andre tilfeller 1/2) av langsiden av elektrolysecellens grunnriss, mens den korteste side av det område som skal isoleres utgjør 1/6 av elektrolysecellens kortside. Ved at katodestavene 3 innenfor de områder 9 som er skyggelagt i fig. 3 og 4 selektivt isoleres, tvinges den elektriske strøm over i andre områder av katode-flaten, således at den samlede strømtetthet i ovnsmetallet vertikalt over de isolerte områder 9 lokalt nedsettes og dermed også deres særlig skadelige horisontale komponenter reduseres. according to a further preferred embodiment of the invention, two mutually perpendicular sides of these surface areas can run parallel to the outer edges of the electrolysis cell or possibly coincide with them. The longest sides of these rectangles or pentagons, respectively the longest side of the corresponding right-angled triangles can below according to a further embodiment of the invention make up about 1/3 (in other cases 1/2) of the long side of the electrolysis cell's floor plan, while the the shortest side of the area to be insulated is 1/6 of the short side of the electrolysis cell. In that the cathode rods 3 within the areas 9 which are shaded in fig. 3 and 4 are selectively isolated, the electric current is forced into other areas of the cathode surface, so that the overall current density in the furnace metal vertically above the isolated areas 9 is locally reduced and thus also their particularly harmful horizontal components are reduced.

Anordningen av sådanne isolerte områder av katodestavene vil fremgå mer detaljert av fig. 5 og 6, som angir to snitt gjennom en enkelt elektrolysecelle. Elektrolysen finner her sted i et stålkar 11 og anodestrømmen tilføres karbon-anodene 12 over den anodiske strømbjelke 13 og stålboltene 14, samt går fra anodene over i elektrolytten. På under-siden av det tildekkende og kontinuerlig eller tidvis påførte aluminiumoksydskikt 15 befinner seg den smeltede elektrolytt 16 og under denne det flytende aluminiumskikt 17, som er omgitt av størknet skorpe 18 av smeiten, hvis skikttykkelse og geometriske form er bestemt av elektrolysecellens termiske likevekt. Elektrolysestrømmen forlater det flytende aluminium gjennom karbonkatoden 21 og de metalliske katodestaver 22 som er innleiret i denne, samt videreføres endelig over strømsamleskinnene 23 til den neste elektrolysecelle. Bunnen 24 og veggene 25 i cellen er utført i termisk og elektrisk isolerende material. The arrangement of such isolated areas of the cathode rods will appear in more detail from fig. 5 and 6, which indicate two sections through a single electrolysis cell. The electrolysis here takes place in a steel vessel 11 and the anode current is supplied to the carbon anodes 12 over the anodic current beam 13 and the steel bolts 14, and passes from the anodes into the electrolyte. On the underside of the covering and continuously or occasionally applied aluminum oxide layer 15 is the molten electrolyte 16 and below this the liquid aluminum layer 17, which is surrounded by solidified crust 18 of the smelt, whose layer thickness and geometric shape are determined by the thermal equilibrium of the electrolysis cell. The electrolysis current leaves the liquid aluminum through the carbon cathode 21 and the metallic cathode rods 22 which are embedded in it, and is finally passed on over the current busbars 23 to the next electrolysis cell. The bottom 24 and the walls 25 of the cell are made of thermally and electrically insulating material.

Katodestavene 2 2 er på ovenfor angitt måte isolert med et passende material innenfor de områder 2 6 hvori den største horisontale strømningshastighet foreligger i metallsmelten. Denne isolering kan f.eks. i det minste delvis bestå av asbeststrenger eller asbestbånd av passende kvalitet, og som vikles om katodestavene 22, slik som antydet i fig. 5. Katodestavene 22 legges derpå inn i de tilsvarende uttag-ninger i de karbonlokker som utgjør katoden 21, og fugen mellom de to materialer utfylles med et passende bindemiddel. The cathode rods 2 2 are insulated in the manner indicated above with a suitable material within the areas 2 6 in which the greatest horizontal flow velocity exists in the metal melt. This insulation can e.g. at least partly consisting of asbestos strings or asbestos bands of suitable quality, and which are wound around the cathode rods 22, as indicated in fig. 5. The cathode rods 22 are then inserted into the corresponding recesses in the carbon lids that make up the cathode 21, and the joint between the two materials is filled with a suitable binder.

Overfor det forhold at de største horisontale strømtetthets-komponenter forekommer innenfor de nevnte isolerte områder 26 ved kantene av elektrolysecellen, kan isolasjonens skikttykkelse i henhold til en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen øke kontinuerlig henimot elektrolysecellens ytterkanter. Dette kan f.eks. oppnås på enklest måte ved at de anvendte strenger eller bånd påføres med tiltagende vinningstall pr. lengdeenhet på katodestaven 22 i retning mot cellekanten. Denne kontinuerlige økning av isolasjonens skikttykkelse kan naturligvis også oppnås ved andre passende forholdsregler. Hvis isolasjonen består av et belegg av passende material og katodestaven, så kan f.eks. antallet påførte skikt øke kontinuerlig mot elektrolysecellens kanter. In view of the fact that the largest horizontal current density components occur within the aforementioned isolated areas 26 at the edges of the electrolysis cell, the layer thickness of the insulation can according to a further embodiment of the invention increase continuously towards the outer edges of the electrolysis cell. This can e.g. is achieved in the simplest way by applying the used strings or ribbons with increasing profit figures per length unit on the cathode rod 22 in the direction towards the cell edge. This continuous increase in the layer thickness of the insulation can of course also be achieved by other suitable measures. If the insulation consists of a coating of suitable material and the cathode rod, then e.g. the number of applied layers increases continuously towards the edges of the electrolysis cell.

I den utførelsesform som er angitt i fig. 4 og 5 er de enkelte katodestaver isolert over en lengde som omtrent tilsvarer 1/6 av elektrolysecellens samlede bredde, hvilket tilsvarer omtrent 1/3 av hver katodestavs samlede lengde. Dette tilsvarer omkring 1/6 eller i fig. 2 og 4 omtrent 1/12 av den samlede grunnrissflate av elektrolysecellen. Ved en sådan anordning kan det sammenlignet med tidligere kjent teknikk oppnås en innsparing på omkring 2 % av de samlede energi-omkostninger, tilsvarende omtrent 0,2 kWh pr. kg fremstilt råaluminium, uten at de tiltak som er truffet på noen måte virker uheldig på de elektromagnetiske forhold, cellens samlede driftstid eller dens vedlikeholdsomkostninger. In the embodiment shown in fig. 4 and 5, the individual cathode rods are isolated over a length which roughly corresponds to 1/6 of the total width of the electrolysis cell, which corresponds to approximately 1/3 of the total length of each cathode rod. This corresponds to around 1/6 or in fig. 2 and 4 about 1/12 of the overall plan area of the electrolysis cell. With such a device, compared to previously known technology, a saving of around 2% of the total energy costs can be achieved, corresponding to approximately 0.2 kWh per kg of raw aluminum produced, without the measures taken in any way adversely affecting the electromagnetic conditions, the cell's overall operating time or its maintenance costs.

Ved den lokale ansamling av samleskinner 6 med samme strøm-retning ved sidekanten av den bakre halvdel av elektrolyse-cellene i fig. 7 og 8, opptrer de største vertikalkomponenter av den magnetiske feltstyrke H i ovnsmetallet i de to bakre kvadranter av cellenes grunnriss, idet cellerekken betraktes i hovedstrømretningen tilsvarende pilen J. Ved en annen anordning av strømlederne og de forskjellige rekker av elektrolyseceller i en ovnshall kan naturligvis disse områder med størst magnetisk feltstyrke også foreligge i andre kvadranter av de enkelte cellers grunnriss. I disse områder av største vertikale komponenter av den magnetiske feltstyrke i ovnsmetallet er de mekaniske skader på ovnsveggene hyppigst og av alvorlig art. Derfor isoleres i disse områder katodestavene 3 med hensikt fra de omgivende karbonblokker i katoden, således at det innenfor de områder 9 som i fig. 7 og 8 er angitt med skyggelegging, oppnås en lokal nedsetning av de horisontale strømtetthetskomponenter og dermed også av de elektromotoriske krefter i ovnsmetallet. De områder av katodestavene som skal isoleres på grunnlag av disse betraktninger ligger følgelig innenfor to innbyrdes aksialsymmetrisk anordnede kvadranter av elektrolysecellens grunnriss, idet de ytre grenser for disse områder i henhold til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen faller sammen med elektrolysecellens ytterkanter. In the local accumulation of busbars 6 with the same current direction at the side edge of the rear half of the electrolysis cells in fig. 7 and 8, the largest vertical components of the magnetic field strength H in the furnace metal appear in the two rear quadrants of the cells' floor plan, the cell row being considered in the main flow direction corresponding to arrow J. With a different arrangement of the current conductors and the different rows of electrolysis cells in a furnace hall, it can of course these areas with the greatest magnetic field strength also exist in other quadrants of the individual cells' floor plan. In these areas of largest vertical components of the magnetic field strength in the furnace metal, the mechanical damage to the furnace walls is most frequent and of a serious nature. Therefore, in these areas, the cathode rods 3 are deliberately isolated from the surrounding carbon blocks in the cathode, so that within the areas 9 as in fig. 7 and 8 are indicated with shading, a local reduction of the horizontal current density components and thus also of the electromotive forces in the furnace metal is achieved. The areas of the cathode rods which are to be isolated on the basis of these considerations are consequently located within two mutually axially symmetrically arranged quadrants of the electrolysis cell's floor plan, the outer boundaries of these areas according to a preferred embodiment of the invention coinciding with the outer edges of the electrolysis cell.

Alt etter forholdene i de enkelte tilfeller kan de områder som skal isoleres oppvise grunnriss av forskjellig form. Depending on the conditions in the individual cases, the areas to be insulated may have ground plans of different shapes.

I den spesielle utførelsesform av oppfinnelsen som er vistIn the particular embodiment of the invention shown

i fig. 7, kan disse områder omfatte to rektangler som ligger ved hvert sitt hjørne av elektrolysecellens grunnriss, og hvis langside i henhold til en ytterligere foretrukket ut-førelsesform av oppfinnelsen f.eks. utgjør halvparten av cellens langside, og hvis kortside beløper seg til omtrent 1/6 av cellens korteste side. I henhold til den ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen i fig. 8 utgjøres de isolerte områder av flater i form av to innbyrdes aksialsymmetrisk anordnede femkanter, idet to sider av hver av disse femkanter i henhold til en ytterligere foretrukket utførelses-form av oppfinnelsen faller sammen med elektrolysecellens ytterkanter. in fig. 7, these areas can comprise two rectangles which lie at each corner of the electrolysis cell's floor plan, and whose long side according to a further preferred embodiment of the invention, e.g. makes up half of the cell's long side, and whose short side amounts to about 1/6 of the cell's shortest side. According to the further embodiment of the invention in fig. 8, the isolated areas are made up of surfaces in the form of two mutually axially symmetrical pentagons, with two sides of each of these pentagons according to a further preferred embodiment of the invention coinciding with the outer edges of the electrolysis cell.

I den utførelsesform av oppfinnelsen som er vist i fig. 9 og 10 er de enkelte elektrolyseceller 1 anordnet med sine langsider mot hverandre og danner derved en rekke av såkalte tverrstilte ovner. Også i denne oppstilling tilføres elektro-lysestrøm ved hjelp av anodiske strømbjelker 2 og strømmen forlater elektrolysecellen gjennom et system av katodestaver 3. Denne strøm samles opp av de to samleskinner 7 og 8, In the embodiment of the invention shown in fig. 9 and 10, the individual electrolysis cells 1 are arranged with their long sides facing each other and thereby form a series of so-called transverse furnaces. Also in this arrangement, electrolysis current is supplied by means of anodic current beams 2 and the current leaves the electrolysis cell through a system of cathode rods 3. This current is collected by the two busbars 7 and 8,

og strømmen fra disse tilføres den anodiske strømbjelke 2and the current from these is supplied to the anodic current beam 2

i den nærmest påfølgende celle. Også ved denne oppstilling befinner område med de største vertikale komponenter av den magnetiske feltstyrke seg umiddelbart i nærheten av de områder hvor det lokalt foreligger flere strømledere med samme strømretning. I den spesielle utførelsesform av oppfinnelsen som er angitt i fig. 9 og 10 er dette de to aksialsymmetrisk anordnede kvadranter av elektrolysecellens grunnriss som befinner seg i den forreste halvdel av cellen, in the next closest cell. Also with this arrangement, areas with the largest vertical components of the magnetic field strength are located immediately in the vicinity of the areas where locally there are several current conductors with the same current direction. In the particular embodiment of the invention indicated in fig. 9 and 10, these are the two axially symmetrically arranged quadrants of the electrolysis cell's floor plan which are located in the front half of the cell,

sett i retning av pilen J som påtegner hovedstrømretningen for vedkommende rekke av elektrolyseceller. Ved andre anordninger av strømtilførselen kan naturligvis disse områder seen in the direction of arrow J, which indicates the main current direction for the row of electrolysis cells in question. In the case of other arrangements of the power supply, these areas can of course

også ligge i de bakre kvadranter av elektrolysecellens grunnriss, atter sett i vedkommende hovedstrømretning. På disse steder med størst magnetisk feltstyrke 9, som er skyggelagt i figurene, isoleres katodestavene med hensikt, således at det oppnås en tilsiktet nedsettelse av de elektromotoriske krefter ved at de horisontale strømtetthetskomponenter reduseres. also lie in the rear quadrants of the electrolysis cell's floor plan, again seen in the relevant main flow direction. At these places with the greatest magnetic field strength 9, which are shaded in the figures, the cathode rods are intentionally insulated, so that an intentional reduction of the electromotive forces is achieved by reducing the horizontal current density components.

Atter kan flateformen av de områder 9 av elektrolysecellens grunnriss som skal isoleres anta forskjellige geometriske former i forskjellige tilfeller. I den utførelsesform som er angitt i fig. 9 utgjøres isolasjonsområdet av et eneste rektangel, som omfatter begge de forreste kvadranter av elektrolysecellen umiddelbart inntil cellens sidekant og med en bredde tilsvarende T/6 av cellens kortside. Den spesielle utførelsesform av oppfinnelsen som er angitt i fig. 10 oppviser to innbyrdes aksialsymmetrisk anordnede femkanter, som er anbrakt i de forreste hjørnepartier av cellen og hår en lengste utstrekning på omtrent 1/3 av cellens langside samt en bredde på 1/6 av cellens bredside. Ytterligere variasjonsmuligheter oppviser en aksialsymmetrisk anordning av to rettvinklede trekanter, hvis kateter faller sammen med cellens ytterkanter i dens hjørnepartier. I enkelte tilfeller kan også andre geometriske utforminger av de isolerte områder i henhold til oppfinnelsen være hensikts-messige . Again, the surface shape of the areas 9 of the electrolysis cell's ground plan which are to be isolated can assume different geometric shapes in different cases. In the embodiment shown in fig. 9, the isolation area is made up of a single rectangle, which includes both front quadrants of the electrolysis cell immediately next to the cell's side edge and with a width corresponding to T/6 of the cell's short side. The particular embodiment of the invention which is indicated in fig. 10 shows two mutually axially symmetrically arranged pentagons, which are placed in the front corner parts of the cell and have a longest extent of approximately 1/3 of the cell's long side and a width of 1/6 of the cell's broad side. Further possibilities of variation exhibit an axially symmetrical arrangement of two right-angled triangles, the catheters of which coincide with the outer edges of the cell in its corner portions. In some cases, other geometric designs of the isolated areas according to the invention may also be appropriate.

Anordningen av isoleringen på katodestavene kan hensiktsmessig utføres som angitt i fig. 5 og 6. The arrangement of the insulation on the cathode rods can conveniently be carried out as indicated in fig. 5 and 6.

På grunnlag av det forhold at de største horisontale strøm-tetthetskomponenter befinner seg innenfor de isolerte områder 26 ved elektrolysecellens ytterkanter, kan isolasjonens skikttykkelse liksom ved de tidligere beskrevede utførelses-former økes kontinuerlig henimot cellens ytre begrensning. On the basis of the fact that the largest horizontal current density components are located within the isolated areas 26 at the outer edges of the electrolysis cell, the layer thickness of the insulation can be increased continuously towards the outer limit of the cell, as in the previously described embodiments.