SE422693B - Sett att forbettra strommatningen vid elektrolysceller for att minska storningar som beror pa det inducerade magnetfeltet - Google Patents

Description

7800610-3 Att kontrollera dessa fält och kompensera dessa effekter har sedan lång tid sysselsatt uppfinnare och talrika lösningar har föreslagits.

I den tyska patentskriften 1 010 744 beskrivs ett förfarande för att för- bättra strömmatningen vid elektrolysceller, som är inriktade i längdriktningen, vilket förfarande består i att mata nämnda celler antingen genom uppstriins- och genom nedströmsänddelen, eller genom uppströmsänddelen och en sidostigare, nen de två kretsarna (uppström -nedströmsdel eller uppströmsdel - sidostigare) är förbundna genom en ekvipotentialledare, som uppvisar olägenhet-erna att avsevärt öka vikten av ledarna och kräva noggrann bestämirng av tvärséctionen för att säkerställaen lämplig fördelning av strömmen.

I den franska patentskriften l 143 879 beskrivs ett förfarande för att mins- ka ojämnheterna hos den smälta metallen i elektrolyscellerna med hög ström tyrka och särskilt i cellserier ”på längden", som är utrustade med kontimerliga anoder (s k “Söderberganoder").

Detta förfarande är baserat på analys av de olika komposanterna i det nag- netfält, som induceras av passagen av elektrolyslikstrün i cellen och i förbind- elseledarna.

För detta ändamål betraktas mittpunkten, O, i botten av elektrilyscells- degeln och man definierar ett rektangulärt, tredimensionellt koordinatsystem horisontalaxeln Ox är riktad i strömmens riktning, parallellt med cellens stora sidor, axeln Oy, i samma horisontalplan är vinkelrät mot Ox och sålunda parall- ell med cellen små sidor ochaxeln Oz är vertikalt uppâtriktad oda sålunda vin- kelrät mot planet xOy, och triedern Oxyz är rät. betecknar det, magnetiska fältets värde vid en given punkt och Bx, By och Bz projektionerna B på Ox, Oy och Oz. Han betecknar med J šärdet av elektrolys- strömmens strömstyrka och Jx, Jy och Jz projektionerna av J på Ox, Oy och Oz.

Förfarandet enligt den franska patentsla-iften 1 143 879 avser att upphäva de magnetiska effekterna vid punkten O. Dessa effekter består i återstoden av cellen men de är relativt svaga och deras värde har en viss symmtri i förhållande till punkten O, vilket säkerställer tillräcklig stabilitet i cellens funktion. För att erhålla detta resultat har det visats att, vid punkten O, följande förhållanden måste åstadkomma: By = 0 EPI. dz 'O Fig. 4 och 5 visar i vertikalsektion i längdriktningen resp i planvy tvâ celler, som utgör en del av en serie i längdriktningen, som arbetar vid 70 000 A, i vilken ledarna är anordnade i enlighet med den franska patentskriften l 143 879 för att vid punkten 0 uppfylla de tvâ villkoren By = 0 och då! :o dz 7800610-3 De två katoduttagen, till antalet 22 (ll för varje sida av cellen, varvid denna siffra bestäms med hänsyn till strömtätheten i ledarna, vilket är känt av en fackman på området), är åtskilda i två grupper med 8 och 3 skenor. De två uppströmsgmpperna med åtta skenor 3 är förbundna med ledarna 4, vilka nntar uppströmsdelen i den efterföljande cellen genom stigaren 5, nedan de två ned- strömsgrupperna med tre skenor 3' är förbundna med ledaren 4', vilka ratar ned- strömsdelen i den efterföljande cellen genom stigaren 5'.

Med arrangemanget enligt fig. 1, 2 och 3 svårligen medger överskridande av 50 000 A, har anordningen enligt fig. 4 och 5 möjliggjort uppnående vid 70 000 A av stabil och regelbunden drift med ett strörmtbyte mellan 86 och 872.

Denna anordning har auellertid visat sig otillräcklig från 100 000 A och även vid lägre strömstyrkor ger den ett magnetfält och tillåter icke överskrid- ande av ett strömutbyte av storleksordningen 87%, vilket f n betraktas såsom otillräcklig av aluminiumproducenter.

Föreliggande uppfinning, som nu kommer att beskrivas, avser ett sätt att förbättra strömmatningen vid serier av elektrolysceller för produktion av aluminium, anordnade i längdriktningen och för vilka den medger avsevärd ökning av utbytet vid samma elektrolysströmstyrka. Den medger emellertid även, genom några modifikationer, omvandling av serierna med kontimerliga snoder till serier med förbskade anoder och att i motsvarande grad öka styrkan av elektro- lysströmmen och sålunda aluminiumproduktionen med nära 30% utan att ändra cell- ernas dimension, och medger ett strömutbyte åtminstone lika med 881 till följd av bättre kompensation av effekten av inducerade magnetfält och därav resulter- ande Laplace-krafter.

Uppfinningen innebär att katoduttagesskenorna vid varje sida av cellerna åt- skiljs i åtminstone två oberoende gmpper, innefattande väsentligen lika antal skenor, samt att en anodaamlingsskena hos cellen med ordningsnumret n matas med ström samtidigt genom den, uppströuas i förhållande till strömnens allmänna rikt- ning genom raden av celler belägna änden av cellen från den uppströms belägna gruppen av katodskenor i cellen med ordningsnumret n-1 och genom åtminstone en sidostigare vid varje sida, som är förbunden med åtminstone en mellanliggande punkt på anodsamlingsskenan. belägen mellan den uppströxna belägna änden och den nedströms belägna änden sv cellen, sett i strömmens allmänna riktning genom raden av celler, från den nedströms belägna gruppen av katodskenor hos cellen med ordningsnumret n-l.

Vid en särskild utföringsform av uppfinningen åtskiljs katoàxttagsskenorna vid varje sida av cellerna âtskiljes i tvâ oberoende grupper samt att anodsam- lingsskenan hos cellen med ordningsnumret n matas med ström samtidigt genom den, uppströms i förhållande till strömmens allmänna riktning genom raden av celler belägna inden av cellen från den uppströms belägna gruppen av katoekkenor 7800610-3 i cellen med ordningsnuxnret n-l och genom en sidostigare vid varje sida, som är förbunden med en, väsentligen vid mitten av anodsamlingsskenan belägen punkt på denna, från den nedströms belägna gruppen av katodskenor hos cellen med ord- ningsnumret n-l. i I en särskild utföringsform av uppfinningen, som är särskilt lämpad för serier med mycket hög strösstyrka, exempelvis 150 000 A och även högre, är ka- toduttagsskenornavid varje sida av cellerna åtskilda i tre oberoende grupper, innefattande väsentligen lika antal skenor, samt anodsamlingsskenan hos cellen med ordningsnumret n matad :ned ström samtidigt genom den, uppströms i fíšrhâll- ande till strömmens allmänna riktning genom raden av celler belägna änden av cellen från den uppströms belägna änden av cellen från den uppströms belägna gruppen av katodskenor i cellen med ordningsmnnær n-l, genom en första sido- stigare vid varje sida, som är förbunden med en punkt på anodsanlingsskenan, be- lägen väsentligen vid den första tredjedelen rïlmat från den uppströms belägna änden av cellen, från den centrala gruppen av katodskenor i cellen med ordnings- numret n-l, och genom en andra sidostigare vid varje sida, som är förbunden med en punkt på anodsamlingsskenan, belägen väsentligen efter två tredjedelar av denna, räknat från den uppströms belägna änden av cellen, från den nedströms be- lägna gruppen av katodskenor hos cellen med ordningsnumret n-l.

Föreliggande uppfinning hänför sig sålunda till ett sätt att förbättra strömmatningen vid i lïíngdriktningen inriktade elektrolysceller, vid vilket sätt minskning av de skadliga inflytandet av inducerade, magnetiska fält möjliggörs.

I en serie matas varje cell med ström från den närmast föregående cellen samtidigt genom överdelen och genom åtmzlnstone en sidostigre. Katoduttagssken- orna är uppdelade i .två oberoende grupper, varvid den uppströms belägna gruppen matar ïnddelen av den efterföljande cellen och den nedströms belägna gruppen matar sidostigarna i den efterföljande cellen. Härav följer en avsevärd förbätt- ring av verkningsgraden och en större regelbundenhet i driften.

Uppfinningen äger tillämpning vid serier av celler för produktion av alumi- nium genom amältelektrolys av aluminiumoxid, som är löst i kryolit.

Följande figurer och exempel ger bättre förklaring av uppfinningens utför- ande. På de olika figurerna har samma funktionselenent samma hänxdsningsbeteck- ningar.

Fig. l,2,3,4 och 5 avser tidigare känd teknik och har beskrivits ovan. Fig. 6 och 7 visar en vertikalsektion i längdriktningen resp en planvy på starkt schematiserat sätt av ett arrangemang av elektrolysceller i längdriktningen, vilkas ledare är anordnade enligt uppfinningen. Fig. 8 och 9 visar en vertikal- sektion i längdriktningen resp planvy schematiserat, av ett annat arrangemang av ledarna enligt uppfinningen, avsett för celler med mycket hög ström tyrka. Fig- ,ll och 12 visar fördelningen av strömstyrkan i anod- och katodledarna enligt tidigare känd teknik och enligt uppfinningen, motsvarande arrangemangen av led- 7800610-3 are, som visas i fig. 2,4 och 6. Fig. l3,l4,l5,l6,l7 och 18 visar magnetfältens styrka i olika punkter i gränsytan mellan elektrolyt och aluminium i en cell enligt tidigare känd teknik (fig. l3,14,l5) och enligt uppfinningen (fig. 16,17, 18). Fig. 19 och 20 visar i vertikalsektion i längdriktningen resp i plan anord- ningen av ledarna enligt uppfinningen, tillämpad vid celler med förbakade ano- der.

I de olika figurerna har förbindelseledarna visats schanatiskt för att göra ritningarna tydligare, men deras anordning är icke nödvändigtvis identiskt lika med deras verkliga placering. Speciellt är katoduttagen i allmänhet placerade i ett horisontalplan.

I fig. 6 och 7 är cellen med ordningsnumret n i serien matad av de ledare, som kommer från den föregående cellen, cellen med ordningsnumret n-l, är belä- gen uppströms, och denna matar genom ledare, som är placerade på identiskt lika sätt, den efterföljande cellen med ordningsnumret n+1, vilken är belägen ned- ströms. På de olika ledarna visar pilar den konventionella riktningen för ström- mens cirkulation.

De två grenarna av anodsamlingsskensn hos cellen n matas både genom uppst- römshuvudet och genom två mellanliggande punkter A och AJ.

Katoduttagen vid vardera sidan om cellen, till antalet ll, är uppdelade i två grupper, en grupp med sex vid uppströnssidan (betecknade med 3), och en grupp med fem vid nedströmssidan (betecknade med 3'). De sex katoàxttagen vid uppströmssidsn 3 matar genom samlingsskenan 4 och stigren 5 anodsamlingshenan 6 hos cellen n + 1 genom uppströmshuvudet. De fem katoduttagen vid nedströms- 'sidan 3' matar genom samlingsskenan 4' och stigaren 5' den mellanliggande punk- ten A.

Emedan cellen är symmetrisk, återfinns samm arrangemang vid den andra sidan på sådant sätt, att anodsamlingsskenornas två grenar mtas vid A och AH Även om uppfinningens utförande medger en viss frihet i fördelningen av ka- toduttagen mellan uppströmsgruppen och nedströmsgruppen, ävensom i valet av läget för punkterna A-A' på anodsamlingsskenan, visar sig det att de bästa re- sultaten uppnås, här katoduttagen är fördelade i väsentligen ekvivalenta grupp- er och när punkterna A-A' befinner sig väsentligen vid nivån för anodens trans- versella medianplan. På detta sätt är den totala längden av den grupp av ledare, som matar anodsamlingsskenans uppströmshuvud, väsentligen lika med den totala längden av den grupp av ledare, som mtar de mellanliggande punkterna A-A' på anodsamlingsskenan, vilket möjliggör att skenorna kan ha sanms tvärsektion i de två kretsarna.

Fig. 8 och 9 representerar, i längsgående vetikalsektion och i planvy två celler i en serie i längdriktning, vilkas förbindelseledare likaledes är pla- cerade enligt uppfinningen. Det rör sig om en serie med mycket stor strömstyrka 7aeos1o-3 6 (150 000 A), i vilka katodnttagen omfattar 15 skenor vid vardera sidan av cellen, eller totalt 30, vilka är indelade i tre grupper för varje sida.

Uppströmsgmppen 3 av fem skenor i cellen med ordningsnumret n är förbunden med anodsamlingsskensns 6 huvud i cellen med ordningsnnmret n+l genan ledaren 4 och stigaren 5.

Den centrala gruppen 3' av fem skenor i cellen med ordningsnumret n är för- bunden med en mellanliggande punkt A, som är belägen på den första tred jedelen uppströms av anodsamlingsskenan, genom ledaren 4' och sidostigaren 5'.

Nedströmsgruppen 3" 'av fem skenor i cellen med ordningsnunret n förbunden med en andra mellanliggande punkt B i cellen med ordningsnumret n-i-l, vilken 'år belägen på den andra tredjedelen av anodsamlingsskenan, genom ledaren 4" och sidostigaren 5”. Emedan cellen är symmetrisk, återfinns same arrangemang vid den andra sidan för att mata punkterna A' och B' på anodsamlingsskenan.

Det observeras att i fig. 6 och 7 likson i fig. 8 och 9 har ledarna 4 och 5, å ena sidan och 4' och S', å andra sidan, eller 4-5, 4'-5' och 4"-5" en väsenligen lika längd, vilket möjliggör användning av skenor med samma tvärsck- tion.

Fig. 10, ll och 12 visar hur strömmen fördelar sig i anod- och katodledarna längs en serie av celler i längdriktningen. Fig. 10 hänför sig till en serie enligt tidigare känd tdcnik, vid vilken anodsamlingsskenan i varje cell matas enbart genom nppströmshuvudet från katodskenorna hos den föregfende cellen. Fig. ll hänför sig till en serie enligt den franska patentskriften l 143 879, vid vilken anodsamlingsskenan i varje cell mtas genom två huvuden, uppströmhuvudet från 8 katodskenor uppströms hos den föregående cellen, och nedströmshuvudet från 3 kstodskenor nedströms hos den föregående cellen. Pig. 12 hänför sig till uppfinningsföremâlet, varvid anodsamlingsskenan i varje cell mtas uppströms från 6 katodskenor, uppströms i den föregående cellen, och i en mellanliggande punkt, som är belägen väsentligen vid dess mitt, från fem katodskenor, nedströms i den föregående cellen.

Pâ de tre figurerna har angetts på abskissorna, i godtycklig skala längden av cellerna och förbindelsekretsarnas horisontslprojektions mellan dessa samt, såsom ordinstor, i godtycklig skala, strömsstyrkan.

De med bokstaven A betecknade diagrammen hänför sig till snodledarna och de som betecknas K hänför sig till katodledarna. De vertikala pelarna anger det område, som är lokaliserat valfritt vid mitten av det utrymme som särskiljer nedströmsdelen i en cell från uppströmsdelen i den följande, där katodströmmen från cellen n - 1 blir anodströmmen i cellen n.

Emedan cellerna är symmetrisks i förhållande till ett längsriktst vertikalplan. har men endast betraktat ledarna (anod- och katodledare) vid en en- da sida och emedan det finns elva katodskenor vid varje sida, har strömstyrkorna uttryckte i bråk I/ll, varvid I är lika med hälften av den totala ströns tyrkan J som genomflyter serien.

Det framgår att fördelningen av strömstyrkorna längs anod- och katodledarna är klart förbättrad och särskilt att även den snabba återgång av anodströmmen (punkten -3), som förekommer i fallet med fig. 11 mellan nedströmshuvudet och punkten M, har försvunnit (ett tecken på att anodströmmen cirkulerar i omvänd riktning mot rikt- ningen för huvudströmmen i serien).

De fördelar som uppkommer genom uppfinningen framträder ännu tydli- gare om man upprättar ett diagram av värdena för det inducerade magnetfältet vid olika punkter av en elektrolyscell i planet för mellanytan mellan elektrolyt och aluminium.

Fig. 13, 14 och 15 avser en elektrolyscell enligt den franska patentskriften 1 143 879 (matning genom de två överdelarna), och fig. 16,17 och 18 representerar en cell enligt uppfinningen. I fig. 13 och 16 anger den övre siffran magnetfältets komposant Bx och den undre siffran magnetfältets komposant By vid 9 punkter på cellens anodyta: vid de fyra hörnen, vid mitten av de fyra sidorna och vid centrum.

I fig. 14 och 17 anger siffran värdet av resultanten Bxy (vektor- summan av Bx och By).

Det framgår att tillämpningen av uppfinningen medför en mycket avse- värd mindunng av Bzy vid de två ändarna och en avsevärd minskning av avvikelsen mellan fältet vid mitten och fältet vid cellens ändar.

I fig. 15 och 18 representerar siffrorna värdena för de vertikala fälten Bz enligt tidigare teknik (fig. 15) och enligt uppfinningen (fig. 18). Det framgår likaledes att tillämpningen av uppfinningen medför avsevärd minskning av Bz i hörnen och väsentlig minskning av avvikelsen mellan de olika värdena hos detta fält utmed lång- sidorna.

Slutligen ligger en annan väsentligt fördel hos uppfinningen i för- hållande till den franska patentskriften 1 143 879 i den väsentliga besparingen av aluminiumskena för att bilda matningskretsarna.

Om man jämför kretsarna i fig. 5 (tidigare teknik) och fig. 7 (före- liggande uppfinning) framgår det att enligt uppfinningen kretsarna 3 + 4 + 5 och 3' + 4' + 5' har lika och minimal längd, medan enligt i) *i i "in QUALITY 7800610-3 7800610-3 8 den tidigare tekniken kretsen 3' + 4' + 5' är tydligt längre än kretsen 3 + 4 + 5. För att icke åstadkomma obalans hos katoden i den föregående cellen, måste för kretsen 3' + 4' + 5' användas en strömtäthet (i A/cmz), som är klart lägre än i kretsen 3'+ 4 + 5, och sålunda avvikande från den strömtäthet som kan kallas misk“. Om denna låga strömtäthet tillämpas på den längsta kretsen, uppkommer härav en väsentlig viktökning av ledarna, vilken ökas ytterligare med cellens dimension, medan i anordningen enligt upp- finningen strömtätheten A är identiskt lika i varje krets och kan väljas lika med det optimala värdet, det mest ekonomiska Åyo. "ekono- För en cell för 90000 A är vinsten av vikt hos förbindelseledarna 8% fördelaktigare för cellen enligt uppfinningen, vilket är omkring 1000 kg aluminiumskena per cell. Vid en cell för 150 000 A är vinsten av storleksordningen l 800 kg.

Erfarenheten har visat att förekomsten av en eller även tvâ sido- stigare vid varje sida av elektrolyscellerna icke medför någon olägenhet för cellernas betjäning: tappning, matning med aluminium- oxid, dränering av flytande aluminium, när de är av typ med vinkel- portalkran eller rullbrygga, såsom beskrivs särskilt i de franska patentskrifterna 1 245 598 och l 526 766.

Exempel En serie av elektrolysceller "pâ längden", försedda med Söderberg- anoder, arbetande med 70 000 A och förbundna i enlighet med fig. 4 och 5 (tidigare teknik), producerade 485 kg aluminium per cell och per dygn, vilket motsvarade ett strömutbyte (Faradayverkningsgrad) av 80%, vilket kan betraktas såsom otillräcklig.

Utan att modifiera kärlen ersattes de kontinuerliga Söderberganoderna 7 av förhärdade anoder l0 enligt fig. l9 och 20, där 2 x 4 anoder visas för att förenkla ritningen, medan det exakta antalet i själva verket var 2 x 10.

Förbindelserna har utförts i enlighet med fig. 6 och 7 enligt upp- finningen, för att minska störningarna på grund av magnetfältet.

Vidare har det, på grund av ersättningen av den kontinuerliga anoden med förhärdade anoder, varit möjligt att öka strömstyrkan i ïlïüïïxlw auAuïv 7890610-3 den sålunda modifierade serien från 70 000 till 90 000 A vilket innebär en ökning med 28,6%.

Produktionen av aluminium har uppgått till 640 kg per cell och per dygn, vilket motsvarar en Faradayverkningsgrad av 88%.

Trots ökningen med 28,6% av strömstyrkan, vilket skulle medfört en motsvarande ökning av magnetfälten, om icke ledarnas disposition hade modifierats, är funktionen hos denna sålunda modifierade serie stabil och regelbunden.

Tillämpningen av uppfinningen medger sålunda både förbättring av de befintliga serierna med avsevärd ökning av deras Faradayverknings- grad genom minskning av de störningar som beror på magnetfältet, ävensom ökning av elektrolysströmstyrkan under besvarande av en god verkningsgrad.

Det är likaledes möjligt att på de ledare som är placerade enligt uppfinningen tillämpa särskilda anordningar för kompensation av ett magnetfält, som induceras av den angränsande filen.

Claims (3)

7800610-3 10 Patentkrav

1. l. Sätt att förbättra strömmatningen vid elektrolysceller för att minska störningar, som beror på det inducerade magnetfältet, vilka celler har rektangulär form och är anordnade i en rad med cellernas långsidor parallella med radens längdriktning, k ä n n e t e c k - n a t av att katoduttagsskenorna vid varje sida av cellerna åt- skiljs i åtminstone två oberoende grupper, innefattande väsentligen lika antal skenor, samt att en anodsamlingsskena hos cellen med ordningsnumret n matasmed ström samtidigt genom den, uppströms i förhållande till strömmens allmänna riktning genom raden av celler belägna änden av cellen från den uppströms belägna gruppen av katod- skenor i cellen med ordningsnumret n-l och genom åtminstone en sidostigare vid varje sida, som är förbunden med åtminstone en mellanliggande punkt på anodsamlingsskenan, belägen mellan den uppströms belägna änden och den nedströms belägna änden av cellen, sett i strömmens allmänna riktning genom raden av celler, från den nedströms belägna gruppen av katodskenor hos cellen med ord- ningsnumret n-l.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att katoduttags- skenorna vid varje sida av cellerna âtskiljes i två oberoende grupper, samt att anodsamlingsskenan hos cellen med ordningsnumret n matas med ström samtidigt genom den, uppströms i förhållande till strömmens allmänna riktning genom raden av celler belägna änden av cellen från den uppströms belägna gruppen av katodskenor i cellen med ordningsnumret n-l och genom en sidostigare vid varje sida, som är förbunden med en, väsentligen vid mitten av anodsam- lingsskenan belägen punkt på denna, från den nedströms belägna gruppen av katodskenor hos cellen med ordningsnumret n-l.

3. Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att katoduttags- skenorna vid varje sida av cellerna åtskiljs i tre oberoende grupper, innefattande väsentligen lika antal skenor, samt att anodsamlings- skenan hos cellen med ordningsnumret n matas med ström samtidigt genom den, uppströms i förhållande till strömmens allmänna riktning genom raden av celler belägna änden av cellen från den uppströms 7800610-3 11 belägna änden av cellen från den uppströms belägna grnppen av katodskenor i cellen med ordningsnummer n-l, genom en första sidostigare vid varje sida, som är förbunden med en punkt på anod- samlingsskenan, belägen väsentligen vid den första tredjedelen räknat från den uppströms belägna änden av cellen, från den centra- la gruppen av katodskenor i cellen med ordningsnumret n-l, och genom en andra sidostigare vid varje sida, som är förbunden med en punkt på anodsamlingsskenan, belägen väsentligen efter två tredjedelar av denna, räknat från den uppströms belägna änden av cellen, från den nedströms belägna gruppen av katodskenor hes cellen med ordningsnumret n-1. ANFURDA PUBLIKATIONER: Sverige 351 439 (C256 3/16) Frankrike 1 185 548