Uprawniony z patentu: Aluminium Company of America, Pittsburgh (Stany Zjednoczone Ameryki) Wanna elektrolityczna do wytopu metali Przedmiotem wynalazku jest wanna elektroli¬ tyczna do wytopu metali, na przyklad aluminium, ze zwiazków tych metali.Przy wytwarzaniu, na przyklad aluminium, w wannie elektrolitycznej, stopione aluminium powstaje w trakcie elektrolizy tlenku glinu roz¬ puszczonego w kapieli stopionych soli, tworzac warstwe na dnie wanny. Wiadomo, ze oddzialy¬ wanie pól magnetycznych i przeplyw pradu wewnatrz wanny wytwarza sily elektromotoryczne, dzialajace na warstwe stopionego aluminium, co prowadzi do wystapienia znacznych ruchów i kra¬ zenia warstwy aluminium w wannie. Ruch taki powoduje . znaczne wyzeranie wykladziny. Wyze¬ ranie, zwlaszcza w miejscach pekniec wykladziny, prowadzi do powstania dziur, co powoduje ko¬ niecznosc wylaczania z ruchu wanny lub wanien w celu reperacji i/lub wymiany wykladziny. Jak wiadomo, wylaczenie wanny i reperacja lub wy¬ miana wykladziny wanny jest operacja kosztowna, poniewaz wanna nie produkuje metalu w okresie wylaczenia, a czas, pracochlonnosc i materialy wy¬ magane do naprawy lub wymiany wykladziny sa znaczne.Poza tym, ruch warstwy stopionego metalu po¬ woduje koniecznosc stosowania znacznej odleglosci anod wanny od jej wykladziny spelniajacej role katody, poniewaz ruchoma warstwa zmierza do przyjecia nierównomiernego rozkladu pionowego w wannie pod anodami. Wspomniana znaczna od- 10 15 20 leglosc anod wanny od katody-wykladziny zwiek¬ sza opór elektryczny pokonywany przez prad prze¬ plywajacy przez wanne. Prowadzi to do malo wy¬ dajnej pracy wanny, ze wzgledu na koniecznosc podwyzszenia napiecia pomiedzy katoda i anodami i w efekcie nadmierne zuzycie mocy. Zwykle sred¬ nia wielkosc pradu przeplywajacego przez wanne jest rzedu 150 000 amperów, co przy znacznej licz¬ bie wanien polaczonych szeregowo, (srednio stosuje sie 150 wanien) powoduje, ze calkowity przyrost ceny energii elektrycznej moze byc bardzo znaczny.Pola magnetyczne powodujace ruch warstwy metalu powstaja zarówno wewnatrz wanny, jak i na zewnatrz, przy czym. glównym zródlem pól zewnetrznych sa pionowe odcinki szyn doprowa¬ dzajacych prad do anod oraz szyny katodowe, la¬ czace sasiednie wanny ze soba. Zródlem wewnetrz¬ nym pola magnetycznego jest sam prad przeplywa¬ jacy przez wanne, to znaczy prad elektrolizy prze¬ plywajacy pomiedzy anodami i katodami-wykla¬ dzina poprzez kapiel soli i warstwe metalu or^rz z szyn doprowadzajacych katody do wykladziny.Sily poruszajace metal mozna zmniejszyc zmniej¬ szajac natezenie pola magnetycznego wewnatrz wanny, zmniejszajac gestosc pradu przeplywajace¬ go przez wanne oraz przez polaczone z wanna szy¬ ny doprowadzajace i/lub przez zmiane rozkladu tych pól wzgledem wanny i znajdujacej sie w jej wnetrzu warstwy stopionego aluminium. Na przy¬ klad, w celu zmniejszenia szkodliwego wjplywu ;pól 79 56479 564 30 magnetycznych wewnatrz wanny stosowano rózne przegrupowania doprowadzen i szyn anodowych i katodowych wzgledem wanny. Stwierdzono jed¬ nak, ze zmniejszenie jednej szczególnej skladowej pola magnetycznego wewnatrz wanny powoduje 5 odwrotny wplyw na inne skladowe pola magne¬ tycznego, to znaczy natezenie innych skladowych wzrastalo lub malalo w sposób, który w istocie powiekszal predkosc krazenia aluminium. Dzieje sie tak dlatego, ze sily elektromotoryczne, które 10 poruszaja stopiony metal, poruszaja go w bardzo skomplikowany sposób, po drodze zakreslajacej zlozony wzór tak, ze proste zmniejszenie lub wy¬ eliminowanie jednej skladowej pola magnetyczne¬ go moze raczej powiekszyc problem ruchu metalu, niz go zmniejszyc.Wiekszosc wanien stosowanych w przemyslowym wytwarzaniu aluminium zawiera zewnetrzna, prze¬ wodzaca magnetycznie powloke, która zazwyczaj spelnia role oslony wnetrza wanny przed polem magnetycznym wytwarzanym na zewnatrz wanny.Jednakze powloka stalowa jest ciagla pod wzgle¬ dem magnetycznym wzdluz boków i konców wan¬ ny i calkowicie otacza wanne i szyny doprowadza¬ jace. Przeplyw pradu wewnatrz wanny generuje ^ strumien magnetyczny skierowany do ciaglej mag¬ netycznie powloki, a tym samym indukuje silna skladowa pola magnetycznego w powloce, zgodnie z prawem Ampera wyrazonym wzorem H • dl = I, to znaczy suma natezenia pola magnetycznego mie¬ rzonego w przyrostach odleglosci w powloce jest równa calkowitemu pradowi otoczonemu przez te powloke. Na przyklad, przy zalozeniu jednorodne¬ go rozkladu natezenia pola magnetycznego wzdluz powloki, natezenie pola magnetycznego H ma war¬ tosc otoczonego przez powloke pradu, podzielonego 35 przez dlugosc obwodu powloki. Przy wzroscie pra¬ du przeplywajacego przez wanne elektrolityczna, co zastosowano w ostatnich latach, wynikajacy wzrost natezenia pola magnetycznego wytworzone¬ go przez ten prad zmierza do nasycenia powloki strumieniem magnetycznym, a tym samym zmniej¬ sza wydajnosc powloki jako oslony przed pradami plynacymi na zewnatrz wanny.Zadaniem wynalazku jest opracowanie wanny elektrolitycznej, w której w sposób zasadniczy zmniejszone jest oddzialywanie pól magnetycznych na stopiony metal. Zadanie to zostalo osiagniete przez zaprojektowanie wanny elektrolitycznej do wytopu metali zawierajacej powloke z materialu przewodzacego magnetycznie oraz szyny otaczajace do doprowadzania pradu przebiegajace wzdluz co najmniej czesci wanny, przy czym wanna w trak¬ cie przeplywu przez nia pradu jest zródlem stru¬ mienia magnetycznego, który dazy do nasycenia powloki i wytwarza silna skladowa pola magne- 55 tycznego w powloce, w zasadniczo jednym kierun¬ ku. Istota wynalazku polega na tym, ze wanna ma umieszczony w powloce co najmniej jeden podluz¬ ny niemagnetyczny element tlumiacy strumien magnetyczny, przebiegajacy w kierunku prostopad- M lym do kierunku skladowej pola magnetycznego.Element tlumiacy strumien efektywnie koncen¬ truje skladowa sily pola magnetycznego, przy czym wewnatrz wanny w obszarze niemagnetycznego elementu tlumiacego strumien wzrost natezenia 65 40 45 50 pola magnetycznego wywoluje zmniejszanie skla¬ dowej pola wewnatrz wanny w obszarze znajdu¬ jacym sie w obrebie pozostalej czesci powloki, co jednoczesnie powoduje zmniejszanie nasycenia po¬ zostalej czesci powloki i tym samym powoduje, ze powloka wanny jest wydajna oslona przed polem magnetycznym wytwarzanym na zewnatrz wanny.Element tlumiacy strumien magnetyczny moze miec postac rozciecia lub szczeliny w powloce. Roz¬ ciecie lub szczelina najkorzystniej wypelniona i zamknieta jest materialem niemagnetycznym w celu zamkniecia powloki i zachowania jej inte¬ gralnosci. Szczelina w powloce przebiega w kie¬ runku zasadniczo prostopadlym do kierunku linii sil pola magnetycznego wytwarzanego przez prad plynacy w wannie. Natezenie skladowej pola mag¬ netycznego w powloce koncentruje sie w szczelinie i w otoczeniu szczeliny wewnatrz wanny, gdzie natezenie skladowej jest zazwyczaj slabe i nie przeciwstawia sie ruchowi stopionego metalu wewnatrz wanny. Poniewaz calkowite natezenie skladowej jest ustalone, bowiem zalezy od pradu plynacego przez wanne, natezenie skladowej w po¬ zostalej czesci powloki oraz w pozostalych odpo¬ wiadajacych obszarach wewnatrz wanny zostaje zmniejszone o wielkosc taka sama, o jaka zostalo powiekszone w obszarze szczelin, przy czym to zmniejszenie skladowej równiez bierze udzial w zwolnieniu i/lub zatrzymaniu ruchu metalu.Rozciecie lub szczelina w powloce poza tym zmniejsza dazenie do nasycania powloki, przez co zwieksza jej wydajnosc jako oslony przed polami magnetycznymi wytwarzanymi na zewnatrz wanny.W innym przykladzie wanny wedlug wynalazku oddzialywanie pomocniczej skladowej pola wew¬ natrz wanny jest zasadniczo zwiekszone przez za¬ stosowanie zwory sprzegajacej pole magnetyczne.Zwora sprzegajaca wydajnie nasyca powloke wan¬ ny w niektórych polozeniach w celu zwiekszenia natezenia lub zmiany pola, powstajacego na zew¬ natrz wanny, co powoduje polepszenie rozkladu sil dzialajacych na stopiony metal.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wanne elektrolityczna wyposazona w niemagnetyczny element w zewnetrznej powlo¬ ce, w czesciowym widoku bocznym, fig. 2 — wan^ ne pokazana na fig. 1, w widoku z góry zas fig. 3 — powiekszony fragment wanny uwidocznionej na fig. 1, w przekroju wzdluz linii III—III, oznaczo¬ nej na fig. 1.Na fig. 1 uwidoczniono wanne 10 stosowana w przemysle do wytwarzania metalu, na przyklad aluminium. Wanna sklada sie z zewnetrznej po¬ wloki 12 wykonanej z materialu przewodzacego magnetycznie, takiego jak stal oraz ma wewnetrz¬ na wykladzine katodowa 14 wykonana z grafitu, co zaznaczono w przekroju na fig. 3 oraz linia przerywana w zarysie na fig. 1. Powloka zawiera równiez górna pokrywe 16, która moze miec ksztalt pokazany na fig. 3, chociaz nie jest to istotne w ni¬ niejszym wynalazku.Do wnetrza wykladziny 14 wanny 16, po obu jej stronach siegaja przez otwory 17 w powloce IZ szyny 18 doprowadzajace prad do katody. Na zew¬ natrz wanny szyny doprowadzajace sa wspólnie79 564 polaczone z otaczajacymi szynami zbiorczymi (nie pokazane), które z kolei sa polaczone z dalszymi szynami otaczajacymi 20, umieszczonymi na kon¬ cach wanny, przy czym te szyny lacza szeregowo wanne z anodami nastepnej sasiedniej wanny two¬ rzac ciag wanien.W elektrolicie wypelniajacym wanne 10 sa za¬ wieszone anody 22, przy czym anody zwieszone sa na przewodzacych elektrycznosc pretach 24 przy¬ mocowanych do górnych szyn anodowych (nie po¬ kazane). W ciagu wanien szyny katodowe poprzed¬ niej wanny, polaczone sa z szynami anodowymi nastepnej, w celu polaczenia elektrycznego sasied¬ nich wanien szeregowo.W trakcie pracy wanny 10, doprowadzany jest do niej prad staly przez anody 22, przy czym kie¬ runek przeplywu pradu jest zasadniczo skierowany pionowo do dolu przez elektrolit i warstwe stopio¬ nego metalu, (nie pokazana) utworzona na dnie wykladziny wanny. Prad wplywa do wykladziny i jest zbierany przez szyny 18 w celu przeprowa¬ dzenia do nastepnej wanny przez szyny otaczaja¬ ce 20.Jak wyjasniono powyzej, przeplyw pradu przez wanne wytwarza strumien magnetyczny, którego linie sil sa skierowane do przewodzacej magnetycz¬ nie powloki 12, przy czym strumien dazy do nasy¬ cenia powloki i indukuje w niej silna, pozioma skladowa pola magnetycznego. Nasycenie znacznie zmniejsza, jesli nie wyklucza calkowicie role po¬ wloki 12 jako oslony do pól magnetycznych, wy¬ twarzanych na zewnatrz wanny, na przyklad przez szyny katodowe i anodowe oraz przez sasiednie wanny.Pozioma skladowa pola magnetycznego induko¬ wana w powloce 12 przebiega przsz warstwe sto¬ pionego metalu wzmacniajac ruch metalu w wan¬ nie. W wannie przedstawionej na fig. 1 i 2 istnieja poza skladowa pozioma, skladowe pionowe i po¬ przeczne pola, które lacznie ze skladowa pozioma wymuszaja ruch wirowy metalu ze stosunkowo duza predkoscia po zlozonej drodze, przy czym na fig. 2 pokazano rysunek jednej z prostszych dróg przebywanych przez metal. Mówiac dokladniej me¬ tal odplywa wzdluz konców wanny w kierunku od srodka, co zaznaczono strzalkami a na fig. 2 oraz plynie wzdluz boków wanny w kierunku jej srodka, co oznaczono strzalkami b. Metal porusza¬ jacy sie w kierunku podluznej osi wanny prze¬ mieszcza sie nastepnie w kierunku poprzecznej osi wanny, co zaznaczono strzalkami c. W ten sposób powstaja podstawowe obszary przeplywu metalu, chociaz jak zaznaczono powyzej, drogi przeplywu metalu w wannach elektrolitycznych stosowanych do wytwarzania metalu sa zlozone i róznia sie dla róznych rodzajów konstrukcji wanny, w zaleznosci od takich czynników, jak rozmieszczenie szyn zbiorczych i szyn doprowadzajacych oraz odleglos¬ ci sasiadujacych wanien.Ze wzgledu na charakter pola magnetycznego indukowanego przez przewody doprowadzajace glówny prad elektrolityczny, natezenie pola w na¬ rozach przewodów jest bliskie zeru, podczas gdy w rejonie (srodkowych odcinków osiaga wartosc maksymalna. Tak wiec w przypadku powloki przedstawionej na fig. 1 i 2 pozioma skladowa po- 10 15 25 30 40 45 50 55 69 65 la wzdluz boków wanny 10 w poblizu narozy wan¬ ny jest dosc slaba, podczas gdy natezenie sklado¬ wej poziomej pola zwieksza sie zasadniczo w kie¬ runku srodka sciany bocznej wanny. Taki rozklad natezenia skladowej poziomej istnieje wewnatrz wanny 10 i wzmacnia ruch metalu zachodzacy w niej ze wzgledu na sile elektromotoryczna, jaka wytwarza ona w metalu w kierunku prostopadlym do poziomego kierunku pola. Wspomniana sila elektromotoryczna jest wywolywana w metalu w obszarach wewnatrz wanny, które maja opisany powyzej uklad kwadratowy, to znaczy natezenie skladowej poziomej w poblizu srodka sciany bocz¬ nej wanny wywiera sile, której kierunek jest za¬ znaczony strzalkami c, podczas gdy w obszarach narozy wanny sila wywierana przez pozioma skla¬ dowa pola jest slaba.W rozwiazaniu wedlug wynalazku, natezenie poziomej skladowej pola, indukowanej w powloce 12 wzdluz odcinków srodkowych scian bocznych wanny 10, pod wplywem strumienia magnetycznego generowanego przez prad plynacy w wannie, jest zasadniczo zmniejszone, podczas gdy natezenie skladowej poziomej w poblizu narozy wanny jest odpowiednio i zasadniczo zwiekszone, zgodnie z podanym wyjasnieniem, opartym na prawie Am- pera. Uzyskuje sie to przez zastosowanie wydluzo¬ nych i stosunkowo waskich elementów niemagne¬ tycznych 26 w powloce, w poblizu narozy wanny co przedstawiono na rysunku, przy czym elementy 26 wydajnie przerywaja i tlumia strumien magne¬ tyczny w powloce, a tym samym zapobiegaja na¬ syceniu powloki tak, ze powloka staje sie wydajna oslona przed polami magnetycznymi generowany¬ mi na zewnatrz wanny. Gdy sila podluznej skla¬ dowej pola, jest skoncentrowana w elementach niemagnetycznych 26, a tym samym w obszarach wanny, gdzie przeplyw stopionego metalu jest skie¬ rowany do narozy, sila wywierana na stopiony me¬ tal przez skladowa pionowa siega w kierunku srodka wanny, czyli dokladnie przeciwnie niz po¬ przeczny przeplyw metalu. Sily pochodzace od skladowej poziomej wzdluz boków wanny pomie¬ dzy elementami niemagnetycznymi $6 sa. odpo¬ wiednio oslabione tak, ze nie wzmacniaja przeply¬ wu metalu w kierunku srodka, co mialo miejspe w przypadku powloki magnetycznie ciaglej.Jak przedstawiaja fig. 2 i 3 niemagnetyczne ele¬ menty 26 najkorzystniej siegaja do górnei ookrywy 16 wanny, w celu zapewnienia calkowitego przer¬ wania obwodu magnetycznego powloki wanny.Jak widac na fig. 1 i 3, najkorzystniej gdy elemen- ty niemagnetyczne przebiegaja od pokrywy 16 na dól do otworów 17 w powloce, przez które prze¬ chodza szyny 18 doprowadzajace prad do katody w poblizu konców wanny. Na fig. 3 przedstawiono niemagnetyczny element 26 w przekroju.Niemagnetyczne elementy 26, mozna wykonac w powlokach wykonujac waska szczeline w odpo¬ wiednim miejscu powloki, pozostawiajac w niej przerwe powietrzna, przy czym przerwa ta j;2st wystarczajaca do skupienia strumienia i skladowej pola. Jednakze w celu zapobiegniecia uciekaniu par z wanny poprzez szczeliny, jak równiez w celu za¬ pewnienia integralnosci strukturalnej wanny, przerwa lub przerwy powinny zostac wypelnione79 564 i uszczelnione odpowiednim materialem niemagne¬ tycznym. Jednym z takich materialów jest niemag¬ netyczna wkladka 27 ze stali nierdzewnej, która w postaci paska lub preta najkorzystniej przyspa- wana jest we wlasciwym polozeniu w powloce, przy uzyciu spoiwa niemagnetycznego.W przypadku takiej budowy powloki oraz w przypadku takiego skupienia i zmniejszenia sily pola magnetycznego w niektórych obszarach wan¬ ny wywieranego przez wspomniana budowe powlo¬ ki, ruch stopionego metalu jest zwolniony i regu¬ lowany w taki sposób, ze poziom metalu w wannie jest zasadniczo równy i jednorodny, co umozliwia umieszczenie anod wanny nizej. W ten sposób dro¬ ga przebywana przez prad jest skrócona, co daje w wyniku zmniejszenie opornosci wanny i znacz¬ ne oszczednosci zuzywanej energii elektrycznej.Poza tym, w przypadku oslabienia ruchu metalu, uzyskanego w rozwiazaniu wedlug wynalazku, czas pracy wykladziny wanny jest znacznie przedluzo¬ ny, co prowadzi do znacznych oszczednosci dzieki zmniejszeniu czestotliwosci napraw i wymiany wykladziny.W wannie typu przedstawionego na rysunku, szyny 18 siegajace do wnetrza wykladziny katodo¬ wej 14 generuja strumien magnetyczny wewnatrz wanny, którego skladowa przebiega pod katem prostym do przeplywu pradu w szynach, a tym samym pionowo przez warstwe stopionego metalu wewnatrz wanny. Strumien magnetyczny genero¬ wany przez kazda z szyn jest modyfikowany przez strumien szyn sasiadujacych na calej dlugosci wanny, przy czym sila wypadkowej skladowej pio¬ nowej pola w obszarze srodka sciany bocznej ulega zmniejszeniu. Jednakze szyny zbiorcze, znajdujace sie na kazdym z narozy wanny nie maja po jednej stronie sasiednich szyn, od strony zewnetrznej, które moglyby zapewnic owo dzialanie zmniejsza¬ jace strumien, wskutek czego skladowa pionowa jest w narozach wanny dosc silna.Na fig. 1 i 2 przedstawiono równiez inne urza¬ dzenie do dalszego oslabienia ruchu stopionego metalu wewnatrz wanny 10. Jak uwidoczniono na fig. 1 i 2, wanne wyposazono w dwie zwory 30 o ksztalcie litery C, które obejmuja w pewnej od¬ leglosci szyny otaczajace 20. Zwory sa przymoco¬ wane w odpowiedni sposób do powloki 12 na kon¬ cach wanny w okolicy, jak przedstawia fig. 2, po¬ laczenia z nastepna w szeregu wanna, która jest zasilana pradem z wanny 10,.z która jest polaczo¬ na szeregowo.Zwory 30 wykonane sa z materialu przewodzace¬ go magnetycznie, takiego jak zelazo lub stal i umieszczone w poblizu i dookola szyn otaczaja¬ cych 20 w taki sposób aby kierowaly i koncentro¬ waly strumien magnetyczny wytwarzany przez szyny, gdy szyny przewodza prad elektryczny, do powloki 12 wanny 10 w celu uzyskania nasycenia w obszarze sasiadujacym z nimi. Gdy powloka jest nasycona w obszarze sasiadujacym z szynami, nie jest ona wydajna oslona przed polem magnetycz¬ nym wytwarzanym przez szyny 20.W trakcie pracy wanny 10, prad wanny zbierany przez szyny 18 w wykladzinie 14 wanny, co wy¬ jasniono powyzej, wytwarza skladowa pola mag¬ io 15 20 25 30 35 40 45 50 netycznego, która przebiega pionowo przez wanne i przez stopiony metal w wannie, przy czym skla¬ dowe te wymuszaja ruch wirowy metalu glównie w czterech podstawowych obszarach, wspomnia¬ nych powyzej. Pod wplywem przeplywu pradu elektrycznego w szynach 20, zostaje wytworzona pionowa skladowa pola magnetycznego, która jest skierowana przeciwnie do skladowej pola magne¬ tycznego, wytwarzanej przez szyny 18 w wannie w poblizu jej konca.Gdy zawory 30 nasycaja powloke 12 w obszarze przylegajacym do wspomnianych elementów, wów¬ czas powloka nie dziala wydajnie jako oslona wnetrza wanny przed skladowa pionowa, wytwa¬ rzana przez szyny 20. Wówczas skladowa ta wnika do naroznych obszarów wanny, gdzie odejmuje sie od skladowej pionowej wytworzonej przez szyny 18 we wnetrzu wanny, a tym samym znacznie zmniejsza predkosc ruchu stopionego metalu w po¬ równaniu z predkoscia wywolywana przez sklado¬ wa pochodzaca od szyny 18. W przypadku takiego oslabienia ruchu stopionego metalu mozna umiescic anody wanny blizej wykladziny, zmniejszajac w ten sposób opór i spadek napiecia pomiedzy anoda i katoda. Poza tym, ze zmniejszeniem ru¬ chów metalu ulega zmniejszeniu równiez zuzycie wykladziny tak, ze odpowiednio zmniejszone sa koszty zwiazane z naprawa i wymiana wykladziny.W opisanym powyzej przykladzie wanny wedlug wynalazku zastosowano zwory do zmniejszenia szkodliwej skladowej pola mangetycznego wew¬ natrz wanny. Jednakze, ze wzgledu na zlozonosc drogi przebywanej przez metal w wannie istnieja sytuacje gdy przy uzyciu zwór mozna zwiekszyc skladowa pola magnetycznego istniejaca wewnatrz wanny, a tym samym zmniejszyc predkosc lub za¬ hamowac przeplyw metalu.Oczywiste jest, ze przy obecnie stosowanych wy¬ sokich pradach przeplywajacych przez wanny oraz w przypadku duzej liczby wanien ustawionych sze¬ regowo, co ma miejsce przy przemyslowym wyto¬ pie metalu, zmniejszenie napiecia zasilania oraz zredukowanie zjawiska niszczenia wykladziny, uzyskane przy zastosowaniu niemagnetycznych ele¬ mentów 26 powloki i zwór 30 wedlug wynalazku, uzyskuje sie znaczne oszczednosci przy wytwarza¬ niu metalu. PL PL