PL167366B1 - Sposób zasilania prądem szeregu elektrolizerów - Google Patents

Abstract

Sposób zasilania prądem szeregu elektrolizerów, ustawionych wzdłużnie do kierunku przepływu prądu w serii, z których każdy jest zasilany prądem przez czoło przednie, przez wydzielone wyjścia katodowe z każdej strony elektrolizera, a także przez czoło tylne, przez pozostałą część wyjść katodowych z poprzedniego elektrolizera, a w przewodach kompensacyjnych umieszczonych wzdłuż szeregu elektrolizerów wywołuje się przepływ prądu stałego, znamienny tym, że co najmniej od strony zewnętrznej, prąd z części prętów katodowych od strony wyjścia elektrolizera, poprzez taśmę, szynę katodową skróconą, kolejną taśmę, stojak i giętkie taśmy, doprowadza się od strony czoła następnego elektrolizera do szyny anodowej dodatkowej, którą następnie kieruje się prąd, korzystnie na wyjście podstawowej szyny anodowej od strony tylnego czoła następnego elektrolizera, podczas gdy wewnętrzną szyną kompensacyjną przepływa prąd - o natężeniu około 10% natężenia prądu przepływającego przez elektrolizer - zgodnie z kierunkiem prądu w serii elektrolizerów, a od strony zewnętrznej szeregu elektrolizerów, szyną kompensacyjną przepływa prąd, korzystnie o natężeniu około 10% natężenia prądu przepływającego przez elektrolizer, o kierunku przeciwnym w stosunku do kierunku prądu w serii elektrolizerów

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zasilania prądem szeregu elektrolizerów. Sposób jest przeznaczony dla elektrolizerów ustawionych w szeregu wzdłużnie i zasilanych prądem symetrycznie z poprzedzającego go elektrolizera zarówno przez czoło przednie, jak i czoło tylne.

Doprowadzenie prądu z dwóch przeciwnych stron do oszynowania anodowego wydłuża drogę prądu, lecz jest konieczne ze względu na równomierność rozpływu i zmniejszenie efektów magnetycznych. Rozdział natężeń prądu doprowadzonych z obu stron jest różny, zawsze jednak większą część doprowadza się po krótkiej drodze prądu. Szyny anodowe są często połączone między sobą szynami wyrównawczymi (ekwipotencjalnymi) dla stworzenia równego potencjału w oszynowaniu. Oszynowanie katodowe składa się z kilku szyn, z których każda odprowadza prąd z kilku rdzeni katodowych. Szyny katodowe są czasem izolowane między sobą, co zapewnia sekcjonowane odprowadzenie prądu z katody. Przy dwustronnym doprowadzeniu prądu do anody obok szyn katodowych biegnie odizolowana szyna katodowa z poprzedniego elektrolizera, doprowadzająca prąd do dalej położonego krótszego boku anody. Zatem elektrolizer zasilany jest w czterech miejscach, przy czym część tylna zasilana jest poprzez szyny katodowe poprowadzone wzdłuż elektrolizera następnego na wysokości misy katodowej, a następnie poprzez stojaki od strony tylnej do szyn anodowych.

Znany sposób zasilania prądem elektrolizerów z polskiego opisu patentowego nr 110 620 polega na tym, że rozdziela się wyjściowe pręty katodowe z każdej strony elektrolizera na przynajmniej dwie niezależne grupy, zawierające w przybliżeniu równe liczby prętów oraz zasila się prądem krzyżak elektrolizera rzędu n zarówno od strony pod prąd, jak i przez przynajmniej jedno połączenie boczne z każdej strony elektrolizera, które jest połączone z punktem pośrednim krzyżaka położonym między stroną pod prąd i stroną z prądem”. Przewody łączące każdą grupę prętów katodowych odpowiednio od strony pod prąd i z punktami pośrednimi krzyżaka przez połączenie boczne następnego elektrolizera są niezależne, a ich przekroje są obliczone w taki sposób, ze każdy obwód przewodzi w przybliżeniu taką samą część całkowitego prądu elektrolizy.

167 366

W rozwiązaniu zasilania prądem elektrolizerów pręty katodowe mogą z każdej strony elektrolizera rzędu n być podzielone na dwie niezależne grupy zawierające w przybliżeniu jednakowe liczby prętów: grupę pod prąd zasilającą od strony pod prąd krzyżaka elektrolizera rzędu n+1 oraz grupę z prądem zasilającą, poprzez połączenie boczne tej strony elektrolizera; węzeł położony w przybliżeniu na środku krzyżaka.

W innym rozwiązaniu sposobu zasilania prądem elektrolizerów dotyczącym szeregów elektrolizerów przy zastosowaniu dużego natężenia prądu, na przykład 150000 więcej amperów, pręty katodowe z każdej strony elektrolizera rzędu n podzielone są na trzy niezależne grupy: grupę pod prąd zasilającą od strony pod prąd krzyżaka następnego elektrolizera, rzędu n+1, grupę środkową zasilającą pierwsze połączenie boczne tej strony elektrolizera położone w przybliżeniu na jednej trzeciej długości boku krzyżaka od strony pod prąd oraz grupę z prądem zasilającą drugie połączenie boczne tej strony elektrolizera następnego, położone w przybliżeniu na dwóch trzecich długości boku krzyżaka (licząc od strony pod prąd).

Chociaż zastosowanie sposobu zasilania prądem elektrolizerów pozwala na pełną swobodę w rozdzieleniu wyjść katodowych między grupę pod prąd i grupę z prądem, jak również w wyborze położenia określonych punktów na krzyżaku, to okazuje się, że najlepsze wyniki uzyskuje się, kiedy wyjścia katodowe są podzielone na dwie podzielone grupy i kiedy punkty te znajdują się w środkowej płaszczyźnie poprzecznej anody. W ten sposób całkowita długość grupy przewodów zasilających od strony pod prąd krzyżaka jest prawie równa całkowitej długości grupy przewodów zasilających punkty pośrednie krzyżaka, co umożliwia zastosowanie prętów o tym samym przekroju w obu obwodach.

Znany sposób zasilania prądem elektrolizerów umożliwia wyraźne zwiększenie sprawności elektrolizy. Umożliwia on także przekształcenie kosztem kilku modyfikacji, szeregów z anodami ciągłymi w szeregi z anodami dzielonymi i związane z tym zwiększenia natężenia prądu elektrolizy, umożliwiając osiągnięcie sprawności prądowej do 88%, dzięki lepszej kompensacji wpływu indukowanych pól magnetycznych i wywoływanych przez nie sił Laplace'a.

Niedogodnością znanego sposobu zasilania prądem elektrolizerów jest fakt, że rozwiązanie to stanowi układ symetryczny ułożenia oszynowania oraz przepływu prądu i w efekcie tego nie występuje kompensacja pola magnetycznego sąsiedniego rzędu elektrolizerów. Brak antysymetrii na dłuższych bokach elektrolizera powoduje wysoką wartość bezwzględną składowych pionowych pola magnetycznego w narożach elektrolizera. Ponadto znany sposób cechuje stosunkowo wysoka skuteczność w zakresie wydajności prądowej, ale tylko w odniesieniu do elektrolizerów o dużych natężeniach prądu, co z kolei związane jest z koniecznością chłodzenia podstacji ich zasilania. Doprowadzenie prądu z boku elektrolizera w praktyce przemysłowej utrudnia jego obsługę oraz przejazd wzdłuż wanien elektrolizerów.

Znany sposób zmniejszania zakłóceń magnetycznych w szeregu elektrolizerów o wysokim natężeniu - z polskiego opisu patentowego nr 117 122, umieszczonych wzdłużnie, z których każdy jest zasilany prądem z poprzedzającego go elektrolizera jednocześnie przez czoło przednie o natężeniu a i przez co najmniej jeden inny punkt usytuowany między czołem przednim i tylnym o natężeniu (1-α), charakteryzuje się tym, że rozmieszcza się przewody ujemne równolegle do osi OX i przeprowadza się przez punkty o współrzędnych Y i Z spełniających dwa równania:

γ2 + 2² + μΖ = 0 (μ²ν + 4a²v - 2 /Z² - μ / 1 - 2a² / Z + a²/va² - 1) = 0, w których (μ i v są niezależnymi współczynnikami natężenia zależnymi jedynie od pół szerokości, a układu anodowego, wysokości h skrzyżowania przewodów nad powierzchnią katodową oznaczoną przez XOY i od natężenia α prądu zasilającego czoło przednie każdego elektrolizera.

167 366

Przewody ujemne przeprowadza się przez współrzędne Y i Z spełniające korzystnie trzecie równanie:

y¹ -Z ₌ 1 (y² + 2²)² μCzoło przednie elektrolizera zasilanego prądem przez dwa czoła, zasila się prądem o natężeniu a stanowiącym część całkowitego natężenia, przy czym współczynniki μ i v umożliwiające ustalenie położenia przewodów ujemnych są określone przez zależności:

- (15 ~ ^ra)2h _ -0,9(2a-ł)

V “ 0,9(2α-1)’ ^V_ 2(α~ + h²)1,5ot'

Czoło przednie elektrolizera zasilanego prądem przez to czoło i co najmniej jedno wejście centralne z każdej strony, zasila się prądem o natężeniu a stanowiącym część całkowitego natężenia, przy czym współczynniki μ i v umożliwiające ustalenie położenia przewodów ujemnych są określone przez zależności:

- a) 21 ₌__

V ^_ “ 9,9 ’ + ^_ 2(a² + A²)(l - 0,5α) *

Współczynnik a rozdziału prądu wybiera się równy albo mniejszy od 0,55, a korzystnie zawarty między 0,45 i 0,55 dla elektrolizerów zasilanych przez czoło przednie i co najmniej jedno wejście centralne z każdej strony oraz równy albo mniejszy od 0,75, a korzystnie zawarty między 0,75 i 0,65 dla elektrolizerów klasycznych zasilanych przez dwa czoła.

W znanym sposobie zmniejszania zakłóceń magnetycznych w szeregu elektrolizerów przewody doprowadzające prąd na tył elektrody do szyny anodowej lub z boku wzbudzają wewnątrz elektrolizera pole magnetyczne, przy czym przewody od strony wewnętrznej wywołują pole skierowane przeciwnie w stosunku do pola indukowanego przez sąsiedni rząd. Jest to korzystne dla pola wanny elektrolizera, natomiast przewody od strony zewnętrznej indukują pole zgodne z polem wywoływanym przez rząd sąsiedni. Przyczynia się to do asymetrii pola magnetycznego, a tym samym do zwiększenia falowania kąpieli metalowej w wannie oraz jednocześnie zwiększenia zużycia prądu. Ponadto doprowadzenie prądu do anody z boku elektrolizera w praktyce utrudnia dojście do wanny elektrolitycznej.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 117 500 sposób kompensacji pola magnetycznego indukowanego przez sąsiedni szereg w seriach elektrolizerów, zwłaszcza do wytwarzania glinu, w których natężenie pola magnetycznego jest duże przy czym elektrolizery ustawia się poprzecznie względem osi serii, charakteryzuje się tym, że wzdłuż każdego szeregu umieszcza się z boku wewnętrznego i/lub z boku zewnętrznego przewód kompensacyjny usytuowany zasadniczo w płaszczyźnie poziomu ciekłego glinu i w bezpośrearuej bliskości metalowego zbiornika elektrolizerów oraz wywołuje się w tym przewodzie przepływ prądu stałego o natężeniu nie przewyższającym 20% natężenia prądu elektrolizy i którego dokładne natężenie jest określone jako:

B-d gdzie B jest polem magnetycznym, d jest odległością, tak aby wartość średnia całkowitego pola magnetycznego była równa zeru nad dłuższą osią wanny. Przewód wewnętrzny zasila się prądem stałym płynącym w tym samym kierunku co prąd elektrolizy przyległego szeregu, a w kierunku przeciwnym do prądu elektrolizy sąsiedniego szeregu. Przewód zewnętrzny zasi167 366 la się prądem stałym płynącym w kierunku przeciwnym do prądu elektrolizy przyległego szeregu i w tym samym kierunku co prąd elektrolizy sąsiedniego szeregu. Przewód wewnętrzny i przewód zewnętrzny łączy się szeregowo i zasila się prądem stałym płynącym w przewodzie wewnętrznym w tym samym kierunku co prąd elektrolizy przyległego szeregu, a w przewodzie zewnętrznym w kierunku przeciwnym do prądu elektrolizy przyległego szeregu. Przewód wewnętrzny zasila się jedynie prądem o natężeniu nie przewyższającym o 20% natężenia prądu elektrolizy przy zgodności znaków pola prostopadłego w półwannie od boku wewnętrznego i pola wytwarzanego przez sąsiedni szereg. Wewnętrzny przewód zasila się jedynie prądem o natężeniu przewyższającym o 20% natężenie prądu elektrolizy przy niezgodności znaków pola prostopadłego w półwannie od boku wewnętrznego i pola wytwarzanego przez sąsiedni szereg. Przewód zewnętrzny i przewód wewnętrzny łączy się szeregowo i zasila się prądem stałym o natężeniu nie przewyższającym o 20% natężenia prądu elektrolizy, gdy wartość średnia pola prostopadłego w półwannie od boku wewnętrznego jest w przybliżeniu równa lub mniejsza od jednej dziesiątej pola wytwarzanego przez sąsiedni szereg.

Znany sposób kompensacji pola magnetycznego indukowanego przez sąsiedni szereg w seriach elektrolizerów dotyczy tylko poprzecznie ustawionego szeregu elektrolizerów i nie w pełni kompensuje pole magnetyczne, bo oddziaływanie szyny wewnętrznej i zewnętrznej jest skoncentrowane głównie z jednej i z drugiej strony na czole wanny. Aby uzyskać skuteczność wymagany jest przepływ prądu przez szynę kompensacyjną o znacznym natężeniu, co powoduje z kolei niekiedy w praktyce w niektórych narożach zwiększenie wartości bezwzględnej składowych pionowych pola magnetycznego.

Celem wynalazku jest usunięcie lub zmniejszenie niedogodności znanych sposobów zasilania prądem szeregu elektrolizerów do otrzymywania aluminium, a zadaniem technicznym opracowanie sposobu zasilania prądem umożliwiającego poprawę rozkładu składowej pionowej pola magnetycznego i jego kompensację w elektrolizerach z anodami uprzednio spieczonymi.

Sposób zasilania prądem szeregu elektrolizerów - według wynalazku - charakteryzuje się tym, że co najmniej od strony zewnętrznej elektrolizera, prąd z części prętów katodowych od strony wyjścia elektrolizera, poprzez taśmę, szynę katodową skrócony kolejną taśmę, stojak i giętkie taśmy, doprowadza się od strony czoła następnego elektrolizera do szyny anodowej dodatkowej. Następnie tą. szyną kieruje się prąd, korzystnie na wyjście podstawowej szyny anodowej od strony tylnego czoła następnego elektrolizera, podczas gdy wewnętrzną szyną kompensacyjną przepływa prąd korzystnie o natężeniu około 10% natężenia prądu przepływającego przez elektrolizer, zgodnie z kierunkiem prądu w serii elektrolizerów. Od strony zewnętrznej szeregu elektrolizerów, zewnętrzną szyną kompensacyjną przepływa prąd, korzystnie o natężeniu 10% natężenia prądu przepływającego przez elektrolizer, o kierunku przeciwnym w stosunku do kierunku prądu w serii elektrolizerów.

Przepływ prądu przez tor prądowy w dodatkowej szynie anodowej kompensuje o wartość dodatnią składową pionową pola magnetycznego od strony zewnętrznej.

Sposób zasilania prądem szeregu elektrolizerów według wynalazku, dzięki przeniesieniu doprowadzenia prądu (toru prądowego) z części prętów katodowych od strony wyjścia elektrolizera po stronie zewnętrznej z wysokości misy katodowej na wysokość szyn anodowych, daje głównie kompensację składowej pionowej pola elektromagnetycznego. Efekt ten poprawia także szyna kompensacyjna zainstalowana nad szynami katodowymi, po zewnętrznej i wewnętrznej stronie szeregu elektrolizerów, przy przepływie przez nie prądu o niewielkim stosunkowo natężeniu w stosunku do prądu przepływającego przez elektrolizer. Sposób według wynalazku umożliwia w zasadzie pełną kompensację składowej pionowej pola magnetycznego, bowiem w narożach elektrolizera bezwzględne wartości indukcji magnetycznej są zbliżone, przy czym w środku długości elektrolizera indukcja magnetyczna jest bliska zeru. Zatem dzięki użytym środkom według wynalazku wartość bezwzględna składowej pionowej pola magnetycznego Bz w narożach misy katodowej jest identyczna, a znak Bz jest na przemian dodatni i ujemny podczas przechodzenia wzdłuż obwodu misy katodowej z jednego naroża do drugiego.

167 366

Przykład. Elektrolizery pracujące przy natężeniu 110 kA są ustawione wzdłużnie do kierunku przepływu prądu w serii, z których każdy jest zasilany prądem z poprzedzającego go elektrolizera jednocześnie przez czoło przednie i czoło tylne. Zasilano elektrolizer symetrycznie względem płaszczyzny pionowej przechodzącej przez jego dłuższą oś. Z 13 prętów katodowych z każdej strony elektrolizera - 9 początkowych prętów katodowych poprzez 2 szyny katodowe i 2 stojaki doprowadzano prąd do szyny anodowej, do czoła elektrolizera następnego. Natomiast prąd z 4 kolejnych prętów katodowych od strony wewnętrznej przez inną szynę katodową, a następnie szynę katodową obwodową i inny stojak kierowano do szyny anodowej od strony tylnego czoła następnego elektrolizera. Od strony zewnętrznej prąd z 4 kolejnych prętów katodowych poprzez szynę katodową skróconą i stojak oraz giętkie taśmy aluminiowe doprowadzano do szyny anodowej dodatkowej połączonej z podstawową szyną anodową od strony tylnego czoła następnego elektrolizera. Możliwe jest alternatywne doprowadzenie prądu do tejże szyny anodowej w drugiej połowie, przykładowo w 2/3 jej długości. Jednakże dla przyjętego miejsca połączenia z szyną anodową musi być dobrany przekrój dodatkowej szyny anodowej. Jednym stojakiem doprowadzano prąd do elektrolizera poprzedniego od strony wyjścia po stronie wewnętrznej elektrolizera, a pozostałymi trzema stojakami doprowadzono prąd do następnego elektrolizera od strony jego czoła. Jednocześnie szyną kompensacyjną usytuowaną nad trzema szynami katodowymi, na poziomie misy katodowej w odległości 1,54 m od osi elektrolizera przepływa prąd o natężeniu 10 kA od strony wewnętrznej, zgodnie z kierunkiem prądu w serii elektrolizerów. Natomiast od strony zewnętrznej przez drugą szynę kompensacyjną przepływa prąd przeciwnie do kierunku prądu w serii elektrolizerów.

Do opisu dołączono wykresy (fig. 1 i fig. 2) przedstawiające składową pionową pola magnetycznego dla natężenia prądu 110 kA dla strony wewnętrznej i zewnętrznej dwóch elektrolizerów: z anodą uprzednio spieczoną, w którym zastosowano sposób według wynalazku i z anodą samospiekającą (S oderberga). Wykresy te ilustrują rozkład składowej pionowej pola magnetycznego dla porównywalnych elektrolizerów i dowodzą pełnej kompensacji pola magnetycznego w elektrolizerze ze sposobem zasilania prądem według wynalazku. Na wykresach, współrzędne poziome x oznaczają anody węglowe ułożone zgodnie z kierunkiem przepływu prądu wzdłuż długości elektrolizera, a współrzędna pionowa - składową pionową B_z indukcji magnetycznej, podzieloną w skali mT.

Krzywa wykreślona linią ciągłą na fig. 1 przedstawia składową pionową pola magnetycznego ze strony wewnętrznej dla oszynowania elektrolizera z anodą samospiekającą (Sóderberga), a linia ciągła wykreślona krzywą na fig. 2 przedstawia składową pionową pola magnetycznego dla oszynowania tego elektrolizera ze strony zewnętrznej. Natomiast krzywa wykonana linią przerywaną na fig. 1 i fig. 2 przedstawia składową pionową dla strony wewnętrznej i zewnętrznej oszynowania elektrolizera, w którym zastosowano sposób według wynalazku (z dodatkową szyną anodową). Krzywa oznaczona linią osiową przedstawia składową pionową pola magnetycznego dla strony wewnętrznej i zewnętrznej oszynowania elektrolizera według wynalazku zawierającego dodatkową szynę anodową i dwie szyny kompensacyjne.

Dane wyjściowe zaznaczone na wykresach odnoszą się do punktów położonych wzdłuż dłuższych krawędzi obrysu anod węglowych od strony wewnętrznej i zewnętrznej na granicy metal - elektrolit. To zostało odniesione do osi współrzędnych x i z.

Prosta pionowa zaznaczona linią osiową na fig. 1 i fig. 2 przechodzi przez środek długiego boku elektrolizera.

Usytuowanie toru prądowego nad szyną anodową od strony zewnętrznej elektrolizera powoduje przesunięcie składowej pionowej pola magnetycznego w kierunku wartości dodatnich o około 1,5 mT, zbliżenie wartości B_z w narożach do siebie i wprowadza asymetrię względem płaszczyzny YOZ. Można to wyrazić matematycznie wzorem:

bz ₌ μο · V (J( ~ ^a) ^lz 2Π( τ, -a) ²+(i -b)²

167 366 w którym

B_lz oznacza zmianę składowej pionowej od strony zewnętrznej w punkcie współrzędnych a i b y,, z, - współrzędne szyny katodowej obwodowej usuniętej z elektrolizera ze sposobem wg wynalazku a, b - współrzędna punktu anody węglowej, gdzie składowa pionowa pola magnetycznego B_z = 0 albo w przybliżeniu równa się 0 i, - natężenie prądu μ - stała wielkość fizyczna

Natomiast wprowadzenie dwóch szyn kompensacyjnych po wewnętrznej i zewnętrznej stronie elektrolizera powoduje dalsze przesunięcie składowej pionowej pola magnetycznego o wartość dodatnią. Wyraża się to matematycznie wzorem:

b z ⁽⁴2~ ^{a) 22} Π(y₂ - α)2+ (z₂- b) w którym B_2z oznacza składową pionową pola magnetycznego od szyny kompensacyjnej od strony zewnętrznej i wewnętrznej

Wartości przesunięcia składowej pionowej pola magnetycznego w punkcie x = o i y = a, z = b od zewnętrznej strony równa jest sumie B_lZ i B_2Z.

167 366

Bz [mT]

Fig.1

Βζ [m Τ ]

765-

Fig.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 1,50 zł

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób zasilania prądem szeregu elektrolizerów, ustawionych wzdłużnie do kierunku przepływu prądu w serii, z których każdy jest zasilany prądem przez czoło przednie, przez wydzielone wyjścia katodowe z każdej strony elektrolizera, a także przez czoło tylne, przez pozostałą część wyjść katodowych z poprzedniego elektrolizera, a w przewodach kompensacyjnych umieszczonych wzdłuż szeregu elektrolizerów wywołuje się przepływ prądu stałego, znamienny tym, że co najmniej od strony zewnętrznej, prąd z części prętów katodowych od strony wyjścia elektrolizera, poprzez taśmę, szynę katodową skróconą, kolejną taśmę, stojak i giętkie taśmy, doprowadza się od strony czoła następnego elektrolizera do szyny anodowej dodatkowej, którą następnie kieruje się prąd, korzystnie na wyjście podstawowej szyny anodowej od strony tylnego czoła następnego elektrolizera, podczas gdy wewnętrzną szyną kompensacyjną przepływa prąd - o natężeniu około 10% natężenia prądu przepływającego przez elektrolizer - zgodnie z kierunkiem prądu w serii elektrolizerów, a od strony zewnętrznej szeregu elektrolizerów, szyną kompensacyjną przepływa prąd, korzystnie o natężeniu około 10% natężenia prądu przepływającego przez elektrolizer, o kierunku przeciwnym w stosunku do kierunku prądu w serii elektrolizerów.