NO812092L - Stroemskinneanordning for elektrolyseceller. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en strømskinneanordning for

å føre elektrisk likestrøm fra ytterendene av katodestavene i en tverrstilt elektrolysecelle, særlig for fremstilling av aluminium, til anodebæreren for den påfølgende celle, idet noen av "skinnene er anordnet under cellen.

For utvinning av aluminium ved elektrolyse av aluminiumoksyd oppløses denne i en fluoridsmelte som for størstedelen består av kryolitt. Det katodisk utskilte aluminium samler seg under fluoridsmelten på cellens karbonbunn, således at overflaten av det flytende aluminium danner cellens katode. Ned i smeiten er det ovenfra neddykket anoder som er festet til en anodebærer og ved vanlige elektrolyseprosesser består av amorft karbon. Ved den elektrolytiske spalting av alumiumoksydet utvikles ved karbonanodene oksygen, som forbinder seg med karbonmaterialet i anodene til CC>2og CO. Elektrolysen finner vanligvis sted i et temperaturområde på 940-970°C. I løpet av elektrolysen utarmes elektrolytten på aluminiumoksyd.

Ved en nedre konsentrasjon på 1-2 vektprosent aluminiumoksyd

i elektrolytten oppstår det såkalt anodeeffekt, som gir seg til kjenne ved en spenningsøkning på f.eks. 4-5 V til 30 V eller mer. Senest ved dette tidspunkt må skorpen av størknet elektrolyttmaterial gjennombrytes og aluminiumoksydkonsentra-sjonen forhøyes ved til sats av nytt aluminiumoksyd (oksyd-leire).

I elektrolysecellens karbonbunn er det innleiret katodestaver, hvis ytterender rager ut fra elektrolysekaret på begge sider. Disse jernstaver samler opp elektrolysestrømmen, som så flyter gjennom strømskinner anordnet på utsiden av cellen samt stigeledninger, anodebæreren og anodestengene t'il karbonanodene i den påfølgende celle. På grunn av den ohmske motstand i strømbanene fra katodestavene til anodene i den påfølgende celle oppstår energitap av størrelseorden opp til 1 kWh pr kg. fremstilt aluminium. Det er derfor gjentatte ganger gjort forsøk på å optimalisere strømskinnenes plassering med hensyn på denne ohmske motstand. Herunder må man imidlertid også ta hensyn til vertikalkomponentene av de magnetiske felter som induseres av elektrolysestrømmen, og som sammen med de horisontale strømtetthetkomponenter frembringer et kraftfelt i det flytende metall som utvinnes ved reduksjons-prosessén.

I et aluminiumverk med tverrstilte elektrolyseceller finner strømføringen fra celle til celle sted på følgende måte.

Den elektriske likestrøm oppsamles i de katodestaver -som er innleiret i cellens karbonbunn og avgis fra katodestavenes ytterender på henholdsvis oppstrømssiden og nedstrømssiden av elektrolysecellen, regnet i den alminnelige strømretning gjennom anlegget. Katodestavene av jern er over bøyelige strimler forbundet med strømskinner av aluminium. Disse strøm-skinner som eventuelt er ført sammen til samleskinner, fører likestrømmen til området omkring den påfølgende celle, hvor strømmen over ytterligere bøyelige strimler og stigeledninger ledes til den anodebærer som bærer cellens anoder. Stigeledningene er alt efter den foreliggende celletype elektrisk ledende forbundet med endene og/eller en langside av anodebæreren. En sådan typisk skinneføring for aluminiumverk oppviser imidlertid såvel elektriske som magnetiske ulemper, som er fremhevet i flere tidligere publikasjoner.

I britisk patentskrift nr. 1.032.810 omhandler en oppfinnelse som angår cellens innkapsling, og her er det angitt at strøm-skinnene kan anordnes på undersiden av elektrolysecellen. Den elektriske strøm tilføres fra cellens langside symmetrisk til anodebæreren for den påfølgende celle. I henhold til figur 2 er strømledere 135 ført symmetrisk under cellen med hensyn på cellens tverr-retning.

I henhold til US patentskrift nr.3.415.724 tilstrebes en strømskinneføring av sådan art at de magnetiske virkninger ikke økes når strømstyrken tiltar. For dette formål føres en del av den strøm som tas ut fra katodestavenes oppstrømsender, men mindre enn halvparten av denne strøm, på undersiden av cellen. Resten av den strøm som avgis fra katodestavenes oppstrørasender føres samlet rundt enden av cellen. I henhold til figur 3 ligger den leder som fører strøm på undersiden av cellen midt på elektrolysecellen og er utført som samleskinne. Strømtilførselen til anodebæreren i den påfølgende celle finner sted på fire steder langs bærerens langside og symmetrisk i forhold til cellens tverrakse.

Den angiiM;e fremgangsmåte i tysk utlegningsskrif t nr. 26 13 867 gjelder en skinneføring hvorved en del av den cellestrøm som avgis fra oppstrømsendene av katodestavene sammenføres i to skinner, som føres under cellens midtområde og tilkobles anodebæreren i den påfølgende celle fra siden. Resten av strømmen fra oppstrømssiden føres rundt cellen og tilføres anodebæreren i nabocellen ved dens ytterender (figur 3).

Den strøm som avgis fra katodestavenes nedstrømsender til-føres den annen gren av nabocellens anodebærer og mates inn fra siden.

Anordningen for å kompensere skadelige magnetiske påvirkninger i henhold til den publiserte tyske patentansøkning nr.28 45 614 omfatter tre samleskinner som er ført under cellen. Strømmentilføres så anodebæreren i den påfølgende celle fra siden ■"over tre stigeledninger. Denne strømtilførsel er imidlertid asymmetrisk da en mindre andel av cellestrømmen er ført rundt den kortside av cellen som vender mot den magnetisk dominerende naborekke av celler. De nevnte tidligere publikasjoner som representerer teknikkens stand og viser anordninger hvor en del av strømskinnene er ført på undersiden av cellen, oppviser imidlertid den ulempe at de magnetiske og elektriske vanskelig-heter ikke er overvunnet på optimal måte.

Det er derfor et formål for oppfinnelsen å frembringe en strømskinneanordning for tverrstilte elektrolyseceller, og hvor det ved små investeringsomkostninger og godt strømutbytte kan oppnås så små uønskede magnetiske og elektriske virkninger at de kan overses i praksis.

Dette formål er i henhold til oppfinnelsen oppnådd ved at

de stiIrømskinnersom er forbundet med oppstrømsendene av

katodestavene avvekslende er ført enkeltvis under cellen eller i grupper rundt cellen.

De skinner som er forbundet med oppstrømsendene av katodestavene kan føres i grupper under cellen eller omkring denne. Herunder er det vesentlig at disse grupper avvekslende er ført under cellen og omkring denne, og at de strømskinner som er forbundet med katodestavenes oppstrømsender og ikke er ført rundt cellen, er anordnet enkeltvis på undersiden av cellen.

Hvis f.eks. tre påfølgende strømskinner som er forbundet med katodestavenes oppstrømsender danner en skinnegruppe som er ført under cellen, vil de neste tre strømskinner bli samlet og ført som en samleskinne rundt cellen. Den neste gruppe av tre strømskinner fra katodestavenes oppstrømsender vil da atter være anordnet hver for seg på undersiden av cellen, osv.

Antallet strømskinner som kan danne en gruppe er begrenset til 5. På den annen side kan antallet strømskinner i en sådan gruppe nedsettes til en eneste skinne, og i dette tilfellet vil det da ikke lenger være tale om egentlige grupper av skinner, men enkeltskinner som i dette sistnevnte tilfelle er ført avvekslende under cellen og rundt denne.

Hvis hver av de vekslende grupper utgjøres av to til fem strømskinner, er antallet skinner i hver gruppe fortrinnsvis det samme. Dette betyr med andre ord at fortrinnsvis omkring en fjerdedel av de strømskinner som er forbundet med katodestavenes ytterender er ført under cellen. Ordet "omkring"

må tilføyes her da antallet katodestavender alltid er et jevnt tall, men ikke nødvendigvis et multippel av fire.

Når de strømskinner som er forbundet med oppstrømsendene

av katodestavene er ført vekselvis under og rundt cellen, oppfylles nødvendigvis denne betingelse.

i

På cellens nedstrømsside sanunenføres de strømskinner som er ført enkeltvis under cellen til samléskinner. Til disse samleskinner er også tilsluttet de strømskinner som er ført rundt cellen og/eller de skinner som er forbundet med katodestavenes nedstrømsender. Samleskinnene føres så til anodebæreren for den neste celle. Ved større elektrolyseceller kan fleks, alle skinner som er forbundet med en katodestavende være ført sammen til«'fire samléskinner. Disse går over i stigeledninger og er elektrisk ledende forbundet med den nærmeste langsside eller i det minste den ene ytterende av nabocellens anodebærer.

Prinsipielt kan skinneanordningen være symmetrisk eller asymmetrisk.

Ved en symmetrisk skinneføring munner det ut i alle symmetrisk anordnede samléskinner med hensyn på cellens tverrakse det samme antall strømskinner som er forbundet med en katodestavende. Disse samléskinner er forbundet symmetrisk med hensyn på cellens tverrakse med den nærmeste langside eller de to • ytterender av anodebæreren. Fortrinnsvis har samleskinnenes forbindelsesteder med nabocellens anodebærer den samme innbyrdes avstand.

En asymmetrisk strømføring kan hovedsakelig oppnås på følgende måte : De elektriske stigeledere som ligger nærmest den. magnetisk dominerende naborekke av celler er koblet til ytterenden av anodebæreren for den påfølgende celle, mens de øvrige stigeledere er tilkoblet den nærmeste langside av anodebæreren for den følgende celle. Avstandene mellom,, /tilkoblingspunktene for stigelederne med anodebæreren i den følgende celle er fortrinnsvis innbyrdes like store.

Flere strømskinner som er forbundet med en katodestavende er tilkoblet den eller de samléskinner som ligger nærmest den magnetisk dominerende nabocellerekke enn antallet strøm-skinner som er forbundet med den eller de samléskinner som

ligger lenger bort fra nabocellerekken.

Ved siden av disse to viktigste utførelseformer kan imidlertid også en asymmetrisk strømføring f.eks. oppnås ved at de samléskinner som er forbundet med følgecellens anodebærer er utført med forskjellig stort tverrsnitt og/eller består av materialer med forskj-éllig elektrisk motstand. Videre kan katodebæreendene være utført med forskjellig lengde.

Oppfinnelsen vil nu bli nærmere forklart under henvisning til de vedføyde skjematiske tegninger, hvorpå: Figur 1 viser en elektrolysecelle med symmetrisk skinneføring til anodebæreren i den påfølgende celle. Figur 2 viser et verikalsnitt gjennom to innbyrdes inntil-liggende elektrolyseceller. Figur 3 viser en elektrolysecelle med asymmetrisk skinne-føring til anodebæreren i den påfølgende celle samt med ensidig endetilkobling. Figur 4 viser en elektrolysecelle med asymmetrisk strøm-føring til anodebæreren i den påfølgende celle og med side-tilkobling.

Figur 5 viser i perspektiv en asymmetrisk skinneføring.

I den elektrolysecelle 10 som er vist i figur 1 er det innleiret 15 katodestaver 12. Fra de katode,s,tavender 14 som ligger på cellens oppstrømsside med hensyn på den alminnelige strømretning I gjennom anlegget, tas ut elektrisk likestrjjm på følgende måte:

Midt på cellen fører tre aluminiumsskinner 16 strømmen fra

de tre midterste katodestavender på undersiden av cellen 10.

I

De neste to katodestavender på begge-sider er forbundet med

en samleskinne 18, som fører strøm rundt cellen frem til anodebæreren 20 i den påfølgende celle 22.

Fra de to katodestavender som så følger, føres strømmen, som ved de midtre katodestavender, ved( hjelp av enkeltvis anordnede skinner lv6-på undersiden av cellen.

Endelig er de ytterste to katodestavender ved hver ytterende av cellen atter forbundet med en samleskinne 18, som er ført frem til anodebæreren 20 iuden påfølgende celle 22.

Strømskinnene er altså i grupper på to vekselvis ført enkeltvis under cellen eller samlet rundt denne.

De katodestavender 24 som ligger på cellens nedstrømsside regnet i den alminnelige strømretning I er forbundet med samléskinner, idet de ytterste sådanne samléskinner 26 er forenet med de skinner 18 som er ført rundt cellen og munner ut i en stigeledning L^, henholdsvis L^, som forløper oppover til hver sin ytterende av anodebæreren 20. De midtre samléskinner som går over i stigelederen L^, munner ut på midten av anodebæreren 20 på den sideflate som vender mot cellen 10.

Omkring anodebæreren 20 er det antydet anodepar 28.

Skinneføringen i figur 1 er absolutt symmetrisk med hensyn

på cellens tverrakse.

Av det angitte vertikalsnitt i figur 2 vil det fremgå hvorledes den elektriske strøm fra oppstrømsenden 14 av katodestavene 12 av jern er ført over bøyelige ledere 30 til den aluminium-skinne 16 som er anordnet under cellen,.samt videre over ytterligere bøyelige ledere 30 frem til samleskinnen 26.

Denne samleskinne 26 går over i en stigeleder L, som fører

I

strøm til anodebæreren 20 i den påfølgende celle. På denne anodebærer er det ved hjelp av anodestenger 32 opphengt anoder 28. Den viste elektrolysecelle i figur 3 som er anordnet på tvers av den alminnelige strømretning I, er ut-styrt med 25 katodestaver 12, og således 25 katodestavender 14, 24 såvel på oppstrømssiden som på,nedstrømssiden av cellen. Den alminnelige strømretning i den magnetisk dominerende nabocellerekke til venstre i figur 3, er betegnet med I .

Fra katodestavendene 14 føres strømmen avvekslende ved' hjelp av enkeltvis anordnede skinner 16 på undersiden av cellen eller over samléskinner 18 omkring cellen.

Skinneanordningen og strømføringen er asymmetrisk med hensyn på cellens tverrakse, idet vesentlig fler samléskinner 18

er ført rundt den kortside av cellen som er vendt mot den magnetisk dominerende nabocellerekke, enn rundt den motsatt liggende kortside av elektrolysecellen 10. Videre fører den stigeleder som er vendt mot den magnetisk dominerende nabocellerekke til ytterenden av anodebæreren 20 i den på-følgende celle 22, mens de øvrige stigeledere , L~°9^4

er forbundet med den sideflate av anodebæreren som er vendt mot cellen 10. I foreliggende tilfelle har alle sveisefor-bindelser mellom stigelederne og anodebæreren samme avstand innbyrdes såvel,som til bærerens frie ytterende.

Den utførelsesform av cellen som er vist i figur 4, tilsvarer bortsett fra skinneføringen den som er vist i figur 3. I dette tilfellet er imidlertid de strømskinner 16, 18 som er forbundet med oppstrømsendene 14 av katodestavene oppdelt i grupper på 5, som enten er ført med skinnene anordnet hver for seg under cellen eller samlet i grupper rundt cellen. Anordningen av strømskinnene er videre asymmetrisk da samleskinnene 18 fører strøm fra 10 katodestavender 14 rundt den kortside av cellen som er vendt mot den magnetisk dominerende cellerekke, mens bare strøm fra 5 katodestavender 14 er ført rundt den annen kortside. Videre fører hver av stigelederne L og L2strøm fra 15 katodestavender til den nærmeste side av anodebæreren, mens stigelederne og L hver bare fører strøm fra 10 katodestavender. Endelig er avstanden mellom L, og L„ samt mellom L_ og L. mindre enn avstanden

1^2 3^4

mellom L_ og .

Figur 5 er en perspektivskisse som viser skinneføringen frigjort fra cellen. Fra katostavendene 14 på oppstrøms-

siden flyt*ér strømmen avvekslende over skinner 16 på undersiden av cellen samt over samléskinner 18 rundt cellen.

De samléskinner 18 som er ført rundt cellen samt de bøye-

lige strimler 30 som tar strøm fra skinnene 18 og de skinner 26 som mottar strøm fra katodestavendene på nedstrømssiden, forenes i tre store samléskinner som går over i stigeledningene Ll'L2°g L3°g derved fører strøm til nabocellens anodebærer. Som det umiddelbart vil fremgå av figur 5, er også denne skinneanordning asymmetrisk.

Claims (10)

1. Strømskinneanordning for å føre elektrisk likestrøm fra ytterendene av katodestavene i en tverrstilt elektrolysecelle, særlig for fremstilling av aluminium, til anodebæreren for den påfølgende celle, idet noen av skinnene er anordnet under cellen, karakterisert ved at de strømskinner (16, 18) som er forbundet med oppstrømsendene (14) av katodestavene avvekslende er ført enkeltvis (16) under cellen (10) eller i grupper (18) rundt cellen.

2. Skinneanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at grupper på høyst fem strømskinner (16, 18) forbundet med katodestavenes oppstrøms-ender (14) er ført avvekslende under cellen (10) som enkeltvis anordnede skinner (16) samt samlet i grupper (18) rundt cellen.

3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det antall strømskinner i

(16) ;som er ført under cellen (10) tilsvarer omtrent en fjerdedel av det totale antall katodestavender (14,24) på cellen (10)

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at annenhver strømskinne (16,18) som er forbundet med oppstrømsendene (14) av katodestavene ..er ført under cellen, mens de mellomliggende strøm-skinner (18) er ført rundt cellen (10).

5. Anordning som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at de strømskinner (16) som hver for seg er ført under cellen (10) er samlet i samléskinner (26) på cellens nedstrømsside, samt efter ytterligere hensiktsmessig sammenføring med de skinner (18) som er ført rundt cellen og/eller strømskinner forbundet med nedstrøms-ende (24) av katodestavene, ført til anodebæreren (20) i den påfølgende celle i cellerekken.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at alle strømskinner (18, 26) som er forbundet med en katodestavende (14,24) er tilsluttet 3 til 6, fortrinnsvis 4 samléskinner som går over i stigeledere (L^ , , L^ , L^ ) og er koblet elektrisk til den nærmeste langside av anodebæreren (20) for den påfølgende celle (22).

7. Anordning som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved at det i alle samléskinner (26) som ikke ligger i cellens tverrakse munner ut samme antall skinner som er forbundet med en katodestavende (14, 24), mens stigelederne (L) er symmetrisk forbundet med hensyn på cellens tverrakse med den nærmeste langside eller de to ytterender av anodebæreren (20).

8. Anordning som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at den stigeleder (L^ ) som ligger nærmest den magnetisk dominerende naborekke av celler er tilkoblet den ene ytterende av anodebæreren (20) i den påfølgende celle, mens de øvrige stigeledere er forbundet med den nærmeste langside av anodebæreren.

9. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved . at de innbyrdes avstander mellom tilkoblingene av stigelederne (L^ , L^ , L^, ) med anodebæreren (20) for den påfølgende celle er omtrent like store.

10. Anordning som angitt i krav 1-6, 8 eller 9, karakterisert ved at den eller de stigeledere (L^ , L^ ) som er anordnet nærmest den magnetisk dominerende naborekke av celler omfatter flere tilsluttede strømskinner (16, 18) forbundet med en katodestavende (14,24) enn den eller de stigeledere (L^/ L^) som ligger lengst bort fra nevnte naborekke av celler.