SI8610950A8 - Naprava za povezavo med jakotočnimi elektroliznimi celicami za pridobivanje aluminija, obsegajoča napajalni vod in neodvisen vod za korigiranje magnetnega polja - Google Patents

Description

ALUMINIUM ΡΕΟΗΙΝΕΥ

Naprava za povezavo med jakotočnimi elektroliznimi celicami za pridobivanje aluminija, obsegajoča napajalni vod in neodvisen vod za korigiranje magnetnega polja

PREDMET IZUMA

Izum obravnava napravo za električno povezavo med zaporednimi celicami v nizu za proizvodnjo aluminija s pomočjo elektrolize aluminija, ki je raztopljen v raztaljenem kriolitu, po Hall-Heroultovem postopku in obsegajoča neodvisen vod za korigiranje nezaželejnih učinkov magnetnih polj. Uporablja se pri nizih celic, ki so razporejene prečno na os niza, in deluje pri jakostih toka, večjih od 150.000 A, ki lahko dosežejo vrednosti od 500 do 600 kA, pri čemer pa ta vrednost ne predstavlja meje področja uporabe izuma.

TEHNIČNO PODROČJE IZUMA

Da bi dobro razumeli izum, je najprej omenjeno, da se aluminij pridobiva industrijsko s pomočjo elektrolize taline v kadeh, ki so električno zaporedno vezane, in sicer z elektrolizo aluminija v raztaljenem kriolitu , segretem do temperature reda velikosti od 950 do 1000°C s pomočjo Jouleovih tokov, ki tečejo skozi celico.

Vsako celico sestavlja paralelepipedna kovinska kad, ki je toplotno izolirana in podpira katodo, obstoječo iz blokov grafita, v katerih so vtaljene jeklene palice, imenovane katodne palice, ki služijo odvajanju toka s katod proti anodam sledeče celice. Anodni sistem, ki je prav tako iz grafita, je pritrjen na anodnem drogu, imenovanem nosilni križ ali anodni okvir, ki se ga da naravnavati po višini in je električno povezan s katodnimi drogovi predhodne celice.

Med anodnim in katodnim sistemom se nahaja elektrolizna kad, t.j. raztopina aluminija v raztaljenem kriolitu pri temperaturi od 930 do 96O°C. Pridobljeni aluminij se odlaga na katodi; plast tekočega aluminija se stalno zadržuje na dnu katodne talilne kadi.

Talilna kad je pravokotna in anodni okvir, ki podpira anode, je v splošnem vzporeden z daljšima stranicama kadi, medtem ko so katodni drogovi vzporedni s krajšimi stranicami kadi, imenovanimi čeli celice.

- 3 Celice so razporejene po nizih in postavljene vzdolžno ali dandanes najpogosteje prečno, odvisno ali je njihova velika stranica ali mala stranica vzporedna z osjo niza. Celice so električno vezane v skupine, pri čemer sta konca skupine vezana na izhoda, pozitiven in negativen, električne usmerniške in regulacijske podpostaje. Vsaka skupina celic obsega določeno število nizov, vezanih zaporedno, pri čemer je število nizov prednostno parno, da bi se zmanjšala dolžina prevodnikov.

Električen tok, ki teče po različnih prevodniških elementih: anodi, elektrolitu, tekoči kovini, katodah, veznih vodnikih, povzroča pomembna magnetna polja. Ta polja povzročajo v elektrolitski kadi in v tekoči kovini, ki se nahaja v talilni kadi, Laplaceove sile, ki so za dobro delovanje celice škodljive zaradi deformiranja gladine raztaljene kovine in tokov, ki jih povzročajo. Izvedba celic in povezovalnih vodnikov je obravnavana, da se vplivi magnetnih polj, ki so povzročena od različnih delov celice in povezovalnih vodnikov kompenzirajo.

Obstojajo številni patenti, , ki obravnavajo razmestitev povezovalnih vodov celice s sledečo celico. Posebej se lahko navede patentna prijava FR-A 2 505 368, ki opisuje povezovalne vodnike za celice, ki obratujejo s tokovi pod 280 kA. NAVEDBA PROBLEMA

Strokovnjaku je na razpolago nekaj izvedb bolj ali manj popolnega izničenja navpične komponente magnetnih polj v tekoči kovini in za simetriziranje ter zmanjšanje na minimum kroženja tekoče kovine in tekoče vsebine v talilni peči.

Bolj ali popolno izničenje navpične komponente magnetnega polja je potrebno iz naslednjih razlogov:

Prehajanje električnega toka po napajalnih vodnikih in po prevodnih delih celice povzroča magnetno pije, ki povzroča gibanja v tekoči vsebini kadi in kovini ter deformacijo mejne plosk ve med kovino ter elektrolizno kadjo. Ta gibanja kovine, ki delujejo na vsebino elektrolitske kadi pod anodami, lahko, kadar so prevelika, kratko sklenejo ta odsek kadi s stikom tekoče kovine z anodo. Izkoristek elektrolize se močno zmanjša in poraba energije naraste.

Strokovnjaku je znano, da sta oblika mejne ploskve med kovino in kadjo ter tokovi tekoče kovine tesno odvisni od vrednosti navpične komponente magnetnega polja in bolj ali manj popolne simetrizacije vodoravnih komponent; kar največje zmanjšanje vrednosti navpične komponente polja dovoljuje zmanjšanje višine med točkami, ki ležijo v plasti kovine najviše in najniže, ter dovoljuje zmanjšanje magnetnih sil, ki (

povzročajo motnjei _{v fceJ plasti>}

Morebitna asimetrija kovinskih tokov glede na veliko os celice predstavlja sledeče nevšečnosti.

1.Ker je mehanska erozija talusa strjenega kriolita s kovino direktno povezana s hitrostjo tokov kovine, bi povzročila asimetrija teh hitrosti tokov neenakomerno erozijo talusa z dveh velikih stranic celice.

2. Izmenjava toplote med kovino in talusom strjenega kriolita je direktno povezana s hitrostmi kroženja kovine: asimetrija teh hitrosti cirkulacije bi povzročila raznolike izmenjave toplote na dveh velikih stranicah v celice in bi imela za posledico razliko v obliki talusa med eno in drugo veliko stranico, kar bi bilo neugodno za uporabo celice.

Čim bolj se večajo tokovi v celicah in čim bolj se večajo njihove dimenzije, tem bolj postaja zapleteno oblikovanje povezovalnih vodnikov, saj narašča občutljivost kovinske plasti na magnetna polja z razsežnostmi plasti. V splošnem se večji ali manjši del toka, ki prihaja z zgornje strani celice, odvede k sledeči celici, potem ko je obkrožil čelo celice_/in podaljšuje pot električnega toka toliko bolj, kolikor so dimenzije celice velike.

Po drugi strani pa se vpliva magnetnih polj, ki so nastala v sosednjem nizu,ne da prezreti in je treba dodati tokokrogu morebitno asimetrijo v konstrukciji ali v kompenzacijskih zankah, da se doseže kompenzacijo teh efektov sosednjega niza.

Ugotovi se, da pri tokovih iznad 350 000 A ni lahko zasnovati kadi, ekonomično primerljivih s kadmi za tokove med 250 000 in 300 000 A, ker so prihranki pri investicijah, doseženih zaradi dimenzije kadi, popolnoma izničeni s povečanjem stroškov zaradi tokokroga vodnikov, ki se podaljšuje in njegova zapletenost narašča hitreje_;kot narašča velikost celic.

Razen tega, da bi mogli razporediti vodnike zapletene oblike ter velikih razsežnosti med celice, je treba le-te razmakniti, kar še podaljša električne vodnike in poveča površino stavbe, ki jo je treba zgraditi, da bi zaščitili celice. Lahko bi pomislili na to, da bi poenostavili tokokrog tako, da bi dopustili določeno nestabilnost kovinskega sloja: t.j. treba izključiti, ker izgube pri izkoristku elektroliznega toka (običajno med 93 in 97 %) bi povečale stroške obratovanja v tolikšni meri, da pridobljena kovina ne bi bila ekonomsko konkurenčna.

Problem je torej v tem, kako zasnovati tokokrog poveza ve med jakotočnimi celicami za npr. 500 in 600 kA, pri čemer bodo izpolnjeni naslednji trije pogoji:

- minimalni konstrukcijski in instalacijski stroški za tokokroge ,

- kar se da majhen zavzet prostor skupin celic, ki uporabljajo te tokokroge,

- kar se da velika magnetna stabilnost, torej kar se da velik Faradayev izkoristek ob upoštevanju vplivov sosednjega niza.

NAVEDBA STANJA TEHNIKE

Prej smo že opisali naprave za kompenziranje magnetnih vplivov, izvirajočih od prevodnikov, ki so razmeščeni vzdolž skupine ali skupin in po katerih teče tok, ki je le majhen del elektroliznega toka, to obravnavajo patenti US 3 616 317 (prijavitelj ALCAN) ter US 4 169 034, ki ustreza FR 2 425 482,

- 7 prijavitelja ALUMINIUM ΡΕΟΗΙΝΕΥ. Toda v enem in v drugem primeru gre izključno za kompenziranje vpliva sosednjega niza, to se pravi v bistvu navpičnega magnetnega polja in stalnega predznaka po vsej površini celice, kar je jasno razvidno v opisu in zahtevkih omenjenih patentov, in postopek se uporablja pri skupinah, katerih vodniki za povezavo ,od. celice do celice so zasnovani tako, da zagotavljajo normalno delovanje, če ni prisoten soseden niz_?oz. popravek zaradi sosednega niza nastopa le takorekoč obrobno. Največja jakost toka v kompenzacijskih prevodnikih ne presega 25 % celotnega toka J skupine po patentu US 3 616 317 in 17 % celotnega toka J po patentu US 4 196 034.

Kar se tiče predmeta, ki se nanaša na kompenzacijske tokokroge, vidimo, da so zasnovani tako, da povzročajo kompenzacijsko magnetno polje, ki ohranja stalen predznak po vsej celici, pri čemer je predznak nasproten onemu od navpičnega polja, ki ga povzroča soseden niz celic.

OPIS IZUMA

Predmet izuma je naprava za povezavo, to se pravi razmestitev vodnikov, ki omogočajo dobro delovanje elektroliznih celic, razporejenih povprek in za tokove večje od 150 000 A pa do 500 000 oz. 600 000 A s tokovnim izkoristkom med 93 in 97 %, kar vse močno zmanjšuje težo povezovalnih vodnikov med celica? mi ter razdaljo med njimi.

To je tudi naprava, ki dovoljuje standardizacijo tokokrogov in poenostavitev njihove izvedbe, da bi se znižali stroški njihove izdelave.

Končno je to naprava, ki dovoljuje izvesti kompenzacij magnetnih polj, ki jih povzročajo sosednji nizi, in to brez velikih dodatnih stroškov.

V sledečem opisu bomo torej razlikovali dve vrsti vodnikov:

- vodnike, ki povezujejo celico s celico in se jih lahko primerja z onimi po stanju tehnike in ki zagotavljajo dovajanje električnega toka, ki je potreben za elektrolizo,

- neodvisne vodnike za izravnavanje magnetnih polj.

Notranjo stranico bomo imenovali stranico elektrolizne celice, usmerjeno proti simetrijski osi niza celic. Zunanja stranica bo torej druga stranica celice.

Desno čelo celice bomo imenovali malo stranico celice, ki je nameščena desno glede na opazovalca, ki stoji v osi niza celic ter gleda v smeri toka, ki teče po tem nizu celic.

Levo čelo celice bomo imenovali drugo malo stranico celice.

Kadar se projektira novo elektrolizno celico za zelo vi šoke tokove, višje od 350 kA$ se lahko skuša uporabiti iste postopke kot pri celicah, ki so namenjene za tokove od 200 do 300 kA in se uporabljajo dandanes, to se pravi projektirati povezovalne vode od celice od celice tako, da se magnetna polj ki jih povzroči celoten tokokrog vsake celice kompenzirajo medsebojno tako, da naj ima rezultirajoče magnetno polje B v povprečju po vsej celici sledeče karakteristike:

- srednja kvadratna vrednost navpične komponente B 10 T,

- vodoravna kompnenta Β_χ antisimetrična glede na prečno os celice (mala os),

- vodoravna komponenta B naj bo v povprečju kar se da najbliže

J antisimetri ji glede na vzdolžno os celice (velika os).

(Antisimetrija obstoji, kadar sta dve obravnavani količini iste vrednosti toda nasprotnega predznaka).

Pričujoči izum temelji na dveh idejah, ki sta povsem različni od zasnove po stanju tehnike in po katerih se loči dve funkciji, transport elektroliznega toka, katerega se bo poskušalo držati kar se da enostavnega in direktnega, ter izravnavanje magnetnih polj, kar se bo zagotovilo z neodvisnimi vodniki.

Da bi se zagotovilo prvo funkcijo, se

a) najprej zasnuje povezovalne vodnike od celice do celice ki prenašajo elektrolizni tok, tako da se izbere potek, ki je kar se da blizu premi povezavi, da bi se zmanjšalo težo imobiliziranega aluminija, ter razdaljo med celicami (torej celotno površino, ki jo zaseda vrsta ali vrste celic), ne da bi se pri tem preveč povečali magnetni učinki.

b) Se jih zasnuje kot eno ali. več skupin modulov, ki so v bistvu enaki in bodo povezovali vsako skupino katodnih zbiral nikov celic reda n v nizu z vsakim anodnim dvižnim vodom celice reda n+1 v nizu, kar se doseže s standardiziranjem konstrukcije ter prvim instaliranjem vodnikov.

Ta nova zasnova vodnikov z najkrajšo povezavo pride v splošnem do izraza pri celicah za zelo visoke tokove pri zelo neugodni porazdelitvi magnetnih polj, ki je zelo nekompatibilna z normalnim delovanjem elektroliznih celic. Dejansko je navpično magnetno polje, povzročeno z vodniki, ki potekajo v bistvu direktno od celice do celice, zelo pozitivno v povprečju nad levo polovico celice in zelo negativno v povprečnu nad desno polovico celice (glej sl. 2). Kot se uporabi drugo idejo po izumu, ki obstoji v popravljanju te. neugodne porazdelitve magnetnih polj,se skupino neodvisnih izravnalnih vodnikov, ki so nameščeni vzdolž niza ali nizov in vsake stranice obravnavanega niza ter imajo naslednje značilnosti:

a) izravnalni tok kroži v istem smislu kot elektrolizni tok po nizu celic, tako da povzroča zelo negativno korekturno polje v levi polovici celice ter zelo pozitivno polje v desni polovici celice.

b) Njihova izvedba je zelo poenostavljena, ker obsegajo praktično le ravne odseke aluminijskih palic (izvzemši spremembe smeri na koncih nizov).

c) Zelo majhna je poraba energije v njih, saj je padec napetosti majhen,če je vsota tokov ki tečejo po neodvisnih vodnikih, največ enaka J₁ in lahko leži med 5 in 80 % ter prednostno med 20 ter 70 % jakosti toka ki teče po skupini, sorazmerno visoka, ter je padec napetosti pretežno kompenziran s prirastkom napetosti, ki pride od direktnega vodenja povezovalnih vodnikov.

d) Celotna teža vodnikov, ki prevajajo elektrolizni tok po eni strani ter korekturni tok za magnetno polje po drugi strani, je v splošnem precej nižja, med 5 do 15 % in celo do 25 % (za tokove v bližini 500 kA), glede na potrebno težo, kadar se uporablja enoten tokokrog z magnetnim samokompenziranjero. So pa takšni neodvisni vodniki še vedno zanimivi za manjše celice, pri katerih je npr. tok J reda velikosti pod 180 do 280 kA, kajti modularna in poenostavljena zasnova tokokrogov, če v tem primeru prinaša malo ali nič prihranka pri vodnikih od celice do celice, vseeno prinaša prihranek pri fabrikacijskih in inštalacijskih stroških ter pri površini zgradbe, ki je potrebna, da zaščiti celice.

e) Ti neodvisni korekturni vodniki hkrati omogočajo vzpostaviti ugodno konfiguracijo magnetnega polja v vsaki celici ter hkrati kompenzirati vplive sosednih nizov s pomočjo asimettrije tokov, ki tečejo po notranjih in zunanjih korekturnih vodnikih, ter to brez znatnih dodatnih stroškov tako pri investicijskih kot obratovalnih stroških.

Bolj natančno je predmet pričujočega izuma naprava za električno povezavo med dvemi zaporednimi celicami v skupini, namenjeni pridobivanju aluminija s pomočjo elektrolize aluminija raztopljenega v raztaljenem kriolitu po Hall-Heroultovera pri tokovih, ki so enaki vsaj 150 kA in lahko dosežejo 500 do 600 kA pri čemer obstoji vsaka celica iz kovinske, paralelepipedne toplotno zaščitene kadi, katere velika os je pravokotna na os niza in katere konca imenujemo čela ter taka kad nosi katodo, ki je izoblikovana iz grafitnih blokov, ki so nameščeni drug poleg drugega in v katere so vtaljene kovinske palice katerih konci segajo v kad, v splošnem na dveh dolgih stranicah, navzgornji ter navzdoljnji (glede na smer toka v nizu), pri čemer vsaka celica obsega med drugim anodni sistem, ki ga tvori vsaj en tog horizontalen nosilec, ki podpira vsaj eno ali najpogosteje dve vodoravni prevodni palici, imenovani anodni okvir, na katerega so pritrjene palice za obešanje anod, pri čemer ta povezovalni tokokrog obsega zlasti tokokrog za prevajanje elektroliznega toka med zaporednimi celicami, sestavljen iz katodnih zbiralnikov, ki so po eni strani povezani na katodne izhode celice reda n in po drugi strani na povezovalne vodnike, ki so vezani preko dvižnih vodov na anodni okvir celice reda n+1 v nizu; po izumu obsega ta povezovalna naprava med drugim neodvisen tokokrog za korekturo in izravnavanje magnetnih polj obsegajoč vodnike, ki so v bistvu vzporedni z osjo niza ter po njih teče stalen tok iste smeri kot elektrolizni tok, ter povzroča navpično korekturno magnetno polje v celicah, ki je usmerjeno navzdol pri levem čelu ter usmerjeno navzgor pri desnem čelu, pri čemer sta izraza levi in desni določena glede na opazovalca, ki stoji na osi niza celic ter gleda v smeri elektroliznega toka.

Skupen tok Jg, ki teče po tokokrogu za magnetno korekturo, je največ enak elektroliznemu toku J^.

Izraz neodvisni” tokokrogi želi povdariti, da potekajo ti tokokrogi po različnih poteh ter vršijo različne funkcije, kar pa ne izključuje, da bi bili morebiti napajani z istim tokovnim enosmernim izvorom ali pa po dveh vejah istega izvora.

V napajalnem tokokrogu elektroliznega toka so :

- navzgorni katodni izhodi celice reda n povezani z navzgornimi katodnimi zbiralniki, ki so s pomočjo vodnikov, katerih največji del poteka pod omenjeno celico n vezani po najkrajši in direktni poti na prvi odsek dvižnih vodov, ki napajajo anodni okvir celice reda n+1 v nizu;

- navzdolni katodni izhodi celice reda n so vezani z navzdolnimi katodnimi zbiralniki, ki so direktno povezani z drugim odsekom ustreznih dvižnih vodov;

- tokokrogi za korekturo ter izravnavanje magnetnih polj sestavljeni iz dveh skupin vodnikov za korekturo magnetnega polja in sicer iz neodvisnih povezovalnih vodnikov, razmeščenih na eni in drugi strani niza celic vzporedno z osjo niza in napajani s celotnim tokom ki teče v isti smeri kot tok Jp ki napaja niz in ima celotno jakost J? največ enako ter v splošnem znaša med 5 in 80 % ter prednostno med 20 in 70 % J₁.

OPIS SLIK

Slike 1 do 9 prikazujejo izvedbeni primer po izumu: sl. 1 prikazuje nomenklaturo, ki je uporabljena v opisu.

Os ΧΟΧ je os niza; nakazuje tudi smer toka in je mala os vrste, medtem ko je veliki ΥΟΥ velika os. Os Oz predstavlja navpično os sl. 2 predstavlja navpične komponente magnetnega polja nad celico pred in po korekturi po izumu sl. 3 predstavlja na zelo shematičen način splošen potek napajalnih vodnikov ter korekturnih vodnikov sl. 4 predstavlja na shematičen način navzgornje-navzdolnje povezovalni modul, sl. 5 predstavlja na shematičen način razporeditev korekturnih vodnikov v vrsti celic, ki obsega dva vzporedna niza A in B, sl. 6 predstavlja izometričen pogled na navzgornje-navzdoljnje povezovalni; modul med dvema zaporednima celicama niza. Vrisani so samo napajalni vodniki. Katodni izhodi so prikazani shematizirano, sl. 7 in 8 shematično prikazujeta realno razporeditev povezovalnih in korekturnih vodnikov v vrsti z veliko močjo (npr. 480 kA, sl. 7 je poenostavljena z redukcijo celice na 9 anod), saj ima preprosto za namen pokazati lego vodnikov (9) (pod celico) in lego korekturnih vodnikov polja (17) (22), sl. 8 prav tako prikazuje prikazovalni modul med dvema celicama, sl. 9 prikazuje izvedbeni primer po izumu na eni vrsti celic za 280 kA.

Na sl. 3 je predstavitev dveh celic, ki sta zaporedni v nizu, omejena na obod 1 kovinske kadi.

Katodni izhodi, kot so izhodi 2, označeni z debelimi črtami, so vezani na navzgornje katodne zbiralnike, kot so zbiralniki 3, enako pa so navzdolni katodni izhodi, kot so izhodi 4, vezani na navzdolne katodne zbiralnike, kot so katodni zbiralniki 5.

Na celici te vrste, ki je npr. predvidena za jakost 480 kA, je skupina 32 navzgornjih katodnih izhodov,32 navzdolnih katodnih izhodov ter dve vzporedni liniji 32 anod, ki so podprte s palicami, ki so predstavljene s križci 6 v navzdolni polovici celice. Te katodne palice so pritrjene na anodni okvir ki ga sestavljata dva elementa 7Ain 7B, ki sta povezana z ekvipotencialnimi palicami 7C.

Električna povezava med katodnimi zbiralniki celice reda n in anodnim okvirom celica reda n+1 je zagotovljeno z dvižnimi vodi 8; tukaj jih je osem.

Vsak dvižni vod 8 je podvojen. Obsega vejo 8A, ki je naravnost povezana z navzdolnim katodnim zbiralnikom 5 in vejo 8B, ki je povezana z navzgornim katodnim zbiralnikom 3 z vsaj eno povezovalno palico 9, ki poteka pod celico, pri čemer sledi najkrajšo pot. Podčrtati je treba, da v elektrolizni tehniki visokih tokov pojem najkrajša povezava ni nujno enak pojmu preme črte, in sicer zaradi dimenzij prevodnika (aluminjska palica, ki prevaja tok 100 kA ima v splošnem presek reda velikosti 3000 cm in lahko zavzame vrednost 6000 cm², ce gre v dolg tokokrog, po katerem teče tok od navzgornjih katodnih izhodov celice n do anodnega okvira, ki sledi (n+1) in vsebuje velike krivinske radije, tudi zaradi zavzemanja prostora pod celicami (metalne mase, ojačevalna rebra kadi, podpore kadi), kar privede do ločitve obsežne palice v dve ali več vzporednih palic in zaradi zahteve po električni izolaciji, saj lahko napestost med vodniki in kovinskimi masami doseže vrednost nekaj 100 voltov. Kot najkrajša pot smo razumeli najkrajšo pot, ki zadošča zgoraj navedenim zahtevam.

V tem primeru sta dve povezovalni palici 9 za napajanje vsakega bližnjega vodnika 8A, pri čemer je vsaka palica 9 vezana na dvanavzgornja katodna izhoda 2 preko kolektorja 3· Razen doseganja kar se da majhne teže vodnikov ob predpisanem padcu napetosti, nudi ta montaža prednost, da je primerna za modularno konstrukcijo.

Če si izberemo enega izmed teh modulov 14 (sl. 6), se ugotovi, da sestavlja sklop

- štirih navzdolnjih katodnih izhodov 4 celice n (so shematizirani, da ne bi zameglili slike),

- navzdoljnjega katodnega zbiralnika 5 in ustreznega dvižnega voda 8a, ki vodi proti anodnemu okviru 7 A celice n+1,

- povezovalni vodnik 13, ki je povezan po eni strani s palicama 9, ki potekata pod celico n, in po drugi strani z drugo polovično celico 8B,

- dveh elementov navzgornjega katodnega zbiralnika (3, 3’) celice n+1, ki so vezani vsak na dva navzgornja katodna izhoda 2 celice n+1, ki sta predstavljena shematizirano, in na palico 9, ki poteka pod celico n+1,

- morebitnih kontaktnih klad 12, ki služijo začasni odklopitvi celice.

Povezovalne palice 9, ki potekajo pod kadjo 1 ne tvorijo dela modula. Njihova lega lahko dejansko variira od modula do modula, tako da se porazdelitev magnetnega polja prilagodi najbolj ugodni konfiguraciji. Razen tega se bo ugotovilo, da so moduli 14, ki so nameščeni na eni polovici celice v splošnem simetrični, ne pa identični modulom, ki so nameščeni na drugi polovici celice (glede na os 0x).

Ta razporeditev vodnikov, kot jo bomo opisali, daje pri obravnavanih tokovih sliko magnetnega polja, ki je popolnoma nesprejemljiva_? linkompatibilna s stabilnim delovanjem celice. Kot primer lahko navedemo, da pri celici za 480 kA, ki je izvedena po tej shemi, dobimo največji B , ki lahko presega 120.10“⁴ T (120 gauss).

Korektura in izravnavanje magnetnega polja sta omejena na neodvisen izravnalni vod,ki je shematično predstavljen na sl. 3 in 5, kjer puščice predstavljajo smer toka v nizih de18 janskih celic ter v izravnalnem tokokrogu. Sl. 2 prikazuje razporeditev navpičnih komponent magnetnega polja po veliki osi celice pred in po korekturi s pomočjo izravnalnega tokokroga, ki je predmet izuma: vrednosti B_y brez korekture so takšne, da bi bilo vsakršno normalno delovanje celic nemogoče. Povdarimo, da so to vrednosti pri vmesni ploskvi med elektrolizno kadjo in kovino in v navpični ravnini, ki vsebuje veliko os celice.

Na sl. 5 je prikazan primer vrste, ki je sestavljena iz dveh vzporednih nizov A in B ter obsega število celic, ki je lahko poljubno (npr. 100 celic). Te celice so simbolizirane s preprostim pravokotnikom 11. Vzporedni osi X1,X1 ter X2,X2 sta nameščeni v razdalji, ki lahko znaša reda velikosti 100 metrov.

Povezave med celicami so izvede po shemah s sl. 3, 4 ter 6.

Po izumu se razpostavijo vzdolž celic na eni ali na drugi strani vrste skupin korekturnih neodvisnih vodnikov, ki se razlikujejo od povezovalnih vodnikov med celicami, pri čemer je ta skupina nameščena v bistvu na nivoju plasti tekočega aluminija in v majhni razdalji od zunanjih stranskih sten celic (reda velikosti 0,5 do 2 m, npr.) ter teče po vsakem vodniku ali snopu zbranih vodnikov tok v isti smeri kot tok v skupini.

Prvi korekturni vodnik 16 obsega prvi odsek 17 na zunanji strani vrste A in teče po njemu tok v isti smeri kot tok^ ki napaja to vrsto A, nato povezovalni odsek 18, ki je poteka okrog čela vrste ter prazen prostor med vrstama A in B, nato odsek 19 na notranji strani vrste B, pri čemer je tok po tem odseku 19 iste smeri kot tok, ki napaja vrsto.

Drugi korekturni vodnik 21 obsega prvo vejo 22, ki poteka vzdolž zunanje strani ter vrste A, nato povezovalni odsek 23, ki poteka okrog praznega prostora med vrstama A in B, ter odsek 24, ki poteka vzdolž notranje strani te vrste B, pri čemer je tok po odsekih 17 in 22 po eni strani ter po 19 in 24 na drugi strani iste smeri kot tok, ki napaja ustrezen niz.

Reguliranje celotnega toka J₂ po korekturnih vodnikih 16 in 21 se doseže na ta način, da se ponovno vzpostavi sliko magnetnega polja, ki zagotavlja normalno delovanje, stabilnost ter optimalni izkoristek vseh celic vrste. Ta tok je kvečjemu enak toku in je normalno med 5 % ter sega do 80 % celotnega toka J p ki napaja dejansko vrsto, prednostno pa je med 20 ter 70 % od J₁.

Npr. pri skupini, ki je napajana s tokom = 480 kA, bo lahko korekturni tok omejen med 100 in 150 kA v vsaki veji zunanjega ter notranjega korekturnega tokokroga; pri tem je vrednost toka J₂ enaka 2x 135 kA, kar je v splošnem blizu opti malne vrednosti za posamezno vrsto, kjer ni treba upoštevati vpliva sosednjega niza ter je korekturni prevodnik nameščen

1,5 m od zunanje stene kovinske kadi celice. Tu gre le za red velikosti, natančna optimalna vrednost pa zavisi od lege glede na kad ter na nivo vmesne ploskve kad-kovina neodvisnih korekturnih vodnikov.

V primeru več nizov (vsaj dveh) strokovnjak ve, da je treba upoštevati učinek sosednjega niza, to se pravi vnesenega magnetnega polja na niz s strani sosednjega niza ali sosednjih nizov in se magnetni učinki prišetejo le-tem povzročenim v vsaki celici od toka, ki teče skozi njo.

Sedanji izum omogoča prav tako kompenzirati učinek sosednjega niza. V ta namen se razporedi tok v vsaki skupini zunanjih in notranjih korekturnih vodnikov 21, 16, razporedi na način, ki je različen od načina, ki bi zagotavljal magnetno ravnovesje v odsotnosti sosednjega³ niza: na ta način se pri dveh skupinah A in B, katerih osi sta razmaknjeni za 130 m, tok J zmanjša od 135 na 120 kA v zunanjem korekturnem vodniku 16 ter naraste od 135 do 150 kA v korekturnem vodniku 21, pri čemer ostane skupen tok J? enak 270 kA, kar je 56 % od toka .

Če se razdalja med osema nizov zmanjša na 65 m, se tok zmanjša na 105 kA v 16 in poveča na 180 kA v 21, pri čemer se skupen tokJ₂ poveča le za 15 kA, da znaša 285 kA, kar je 60 % od toka ^J1’

Obstoje sredstva za zbližanje različnih nizov ali vrst, izvedenih na enem mestu, ne da bi bilo treba skrbeti za njihovo globalno stabilnost, in od njih izvirajoče zmanjšanje površine, ki se jo zasede, predstavlja številne prednosti: zmanjšanje investicij (nakup zemljišča, površina zgradb, ki jih je treba postaviti), dolžina vodnikov ter kanalizacij vseh vrst ter zmanjšanje poti premikanja operaterjev, surovin ter končnih izdelkov in podobno.

Končno je treba upoštevati, da se lahko kompenzacijo učinka sosednjega niza s pomočjo asimetrije v tokovih po korekturnih vodnikih, kot bo pravkar opisana,prav tako lahko dosegla ali izboljšala z drugimi znanimi prijemi, zlasti s premaknitvijo navzgornje-navzdoljnje povezovalnih palic, ki potekajo pod celico in s spreminjanjem toka po teh različnih palicah. Ta zadnji postopek se lahko uporabja kot izključen postopek za kompenzacijo učinka sosednjega niza ali komplementarno k postopku po izumu s pomočjo asimetrije .jakosti toka po korekturnih vodnikih.

IZVEDBENI PRIMER

PRIMER 1

Izum je bil uporabljen pri majhni eksperimentalni vrsti elektroliznih celic, razpoloženih prečno glede na os vrste, in pri 480 kA. Razporeditev povezovalnih vodnikov med celicami je v skladu z razporeditvijo na sl. 3 in 4, pri čemer vsak izmed dvižnih vodnikov 8 (8A, 8B) prevaja tok 60 kA.

Navzgornjih katodnih izhodov 2 in navzdolnjih katodnih izhodov 4 je po številu 32 + 32. Na navzgornji veliki stranici sta po dva katodna izhoda 2, ki ležita drug ob drugem, povezana z zbiralnikom 3, ki je vezan na palico 9, ki poteka pod celico.

V celoti je torej 16 palic 9, ki potekajo pod celico in vsaka prevaja tok 15 kA. Na navzgornji strani se vsaka skupina po dveh palic 9, ki ležita druga ob drugi, poveže na povezovalni vod 13, ki se veže na polovični dvižni vod 8A.

Na veliki spodnji stranici so štirje katodni izhodi 4 vezani na navzdolni katodni zbiralnik 5, ki tako zbira 30 kA in napaja polovični dvižni vod 8B, ki mu ustreza.

Razdalja med palicami 9, ki potekajo pod celico, je lahko spremenjena glede na to, ali ustrezajo katodnim izhodom, ki so nameščeni v sredini celice ali pa blizu čel, to se pravi v odvisnosti od njihove razdalje od male osi celice, tako da se izboljša slika magnetnega polja, obenem pa se upošteva najkrajša pot, kot je bila že drugod definirana. V splošnem je razdalja med palicami 9, ki ležijo blizu čel celice manjša od razdalje med palicami 9, ki ležijo blizu sredine celice. Te palice 9 so lahko tudi enakomerno razmaknjene.

V odsotnosti vseh korekturnih vodov (vsakršno normalno delovanje celic je potemtakem nemogoče) so z zelo zanesljivim računskim postopkom ocenjene vrednosti komponent magnetnega polja:

B (največja vrednost): 69.10 T Z

B (koren srednje kvadratne vrednosti): 35.10 T

B^ (koren srednje kvadratne navzgornje vrednosti minus koren srednje kvadratne navzdoljnje vrednosti): 2,6.10^-4 T.

(Naslednje meritve so bile izvedene med obratovanjem skupine in, ko so bili notranji in zunanji korekturni vodniki napajani vsak s tokom 135 kA in so bili ti vodi razporejeni približno 1,5 m

- 23 od zunanje stene kovinske kadi celice in je bil tok po obeh vodih enak elektroliznemu toku, ki je napajal skupino (torej celoten korekturni tok J₂ = 270 kA, kar ustreza 56 % toka jp:

B (največja vrednost): 14.1O^-4 T

Z _n

B (koren srednje kvadratne vrednosti): 5.10 T

Z

B_y (koren srednje kvadratne navzgornje vrednosti minus koren srednje kvadratne navzdoljnje vrednosti): 1.10“³ T

Končno je bil s snopom vodnikov, položenih vzporedno z osjo 0X_zsimuliran soseden niz , upoštevaje, da sta osi realne in simulirane skupine razmaknjeni za 65 m.

Da bi se skompenzirali efekti tega sosednjega simuliranega niza, se je korekturni vod 16, nameščen na stranici nasprotni glede na simulirani sosednji niz, s tokom 105 kA in korekturni vod 21, nameščen na stranici, obrnjeni proti simuliranemu sosednjemu vodu, s tokom 180 kA, torej je bil celoten korekturni tok J₂ 285 kA (60 % toka jp.

Meritve komponent magnetnega polja so dale.naslednje rezultate:

B (največja vrednost): 23.10*⁴ T Z

2|

B (koren srednje kvadratne vrednosti) 5,3.10* T

B_y (koren srednje kvadratne navzgornje vrednosti minus koren srednje kvadratne navzdoljnje vrednosti: 6,9.10^-4 T.

- 24 Poskusna skupina s kompenziranim simuliranim sosednjim nizom ali brez njega je pokazala popolno stabilnsot tekočega aluminijevega sloja, odsotnost vsakršne asimetrične erozije talusa ter Faradayev izkoristek med 93 ter 97 %.

Končno se lahko glede na klasično rešitev brez korekturnih vodov oceni prihranek na teži skupine vodov na 14000 kg aluminija na celico, pri čemer deluje skupina z elektroliznim tokom 480 kA. K temu se dodaja prihranek 350 mm pri medosni razdalji med celicami, kar predstavlja prihranek 84 m pri dolžini zgradbe za celotno skupino 240 celic.

Izvedbeni primer po izumu odpira torej pot novi generaciji elektroliznih celic, ki delujejo z jakostjo toka, ki lahko doseže in močno preseže 500 kA ob znatni stabilnosti ter Faradayevem, ki je vsaj enak onemu od prejšnjih generacij za 250 - 300 kA.

PRIMER 2

Da se je dokazalo, da ni izum omejen na elektrolizne celice velikih moči reda velikosti 500 kA, je bil izum uporabljen tudi pri celicah, ki delujejo pod 280 kA. Kot je bilo že razloženo pri obrazložitvi izuma, uporaba neodvisnega korekturnega voda in koncepta modularnih povezovalnih vodov od celice do celice vodi tudi do občutnega prihranka in stroških za obratovanje, za inštalacijo ter pri zasedeni površini zgradbe.

Sl. 9 predstavlja dve zaporedni polovični celici v vrsti, ki deluje pri 280 kA s 5 modularnimi dvižnimi vodi 8, katerih vsak prevaja tok 56 kA od celice n proti anodnemu okviru celice n+1 v vrsti.

Vsak neodvisen korekturni vodnik 17, 27 se napaja s tokom 90 kA, kadar ni sosednjega niza, pri čemer ta tok teče v isti smeri kot tok, ki napaja vrsto in povzroča elektrolizo, torej je celoten korekturni tok enak 180 kA, torej je 64 % toka J,.

Izmerjene so bile naslednje vrednosti med normalnim obratovanjem pri 280 kA, pri čemer sta bila dva kondenzacijska voda napajana vsak z 90 kA:

B_ (največja vrednost): 18.10 T z

B (koren srednje- kvadratne vrednosti): 4,6.10“^ T

Z

By (koren srednje kvadratne navzgornje vrednosti minus koren srednje kvadratne navzdoljnje vrednosti): -4

2.10 ⁴ T

Nato je bil na znan način simuliran soseden niz v razdalji 65 m od obravnavanega niza ter je bila kompenzirana magnetna motnja od tega niza s povečanjem kompenzacijskega toka v notranjem neodvisnem vodniku 27, ležečem ob stranici proti sosednjemu nizu, na vrednost 90 do 120 kA ter zmanjšan tok po zunanjem neodvisnem vodniku, ležečem ob stranici, ki gleda proč od sosednjega niza, na 90 do 75 kA (slika 5). Celoten korekturni tok je torej dosegel vrednost 195 kA, to je 70 % toka

Izmerjene so bile sledeče vrednosti:

B (največja vrednost): 22.10

B (koren srednje kvadratne vrednosti): 4,9.10 Z

By (koren srednje kvadratne navzgornje vrednosti, ) minus koren srednje kvadratne navzdoljnje vrednosti): 2.10 ^H

Tako napajane celice so pokazale zelo stabilno delovanje ter Faradayev izkoristek med 93 ter 95 % .

Pri celicah za 280 kA je prihranek na težah prevodnikov neznaten, predstavlja pa prihranek 270 mm pri medosni razdalji celic okoli 64 m na dolžini zgradbe pri eni polni vrsti 240 celic.

Claims (14)

1. Naprava za električno povezavo med dvema zaporednima celicama vrste, namenjena pridobivanju aluminija z elektrolizo aluminija, raztopljenega v raztaljenem kriolitu, po Hall Heroult ovem postopku pri jakosti toka enaki vsaj 150 kA ter lahko tudi 500 do 600 kA, pri čemer vsaka celica obstoji iz toplotno zaščitene paralelepipedne kovinske kadi, katere: velika os je pravokotna na os vrste in sta njena dva konca imenovana čeli ter podpira katodo, ki je izvedena s sestavljanjem grafitnih blokov drugega poleg drugega in so v njih vtaljene kovinske palice, katerih konci segajo v kad v splošnem na dveh velikih stranicah, navzgornji in navzdoljnji (glede na smer toka v vrsti), in vsaka celica med drugim obsega tudi anodni sistem, izveden z vsaj enim togim vodoravnim nosilcem, ki podpira vsaj eno in najpogosteje dve prevodni vodoravni palici, imenovani anodni okvir, na katerih so pritrjene palice za obešanje anod, ta povezovalni tokokrog pa posebej obsega tokokrog za prevajanje elektroliznega toka med dvema zaporednima celicama, obstoječ iz katodnih zbiralnikov, vezanih po eni strani na katodne izhode celice reda n in po drugi strani na povezovalne vodnike, ki so preko dvižnih vodov vezani na anodni okvir celice reda n+1 v vrsti, označena s tem, da obsega ta naprava za povezovanje dodatno k tokokrogu za prevajanje elektroliznega toka ločen tokokrog za korekturo ter izravnavanje magnetnih polj, izveden iz vodnikov, ki so v bistvu vzporedni z osjo vrste ter po njih teče enosmeren tok iste smeri kot elektrolizni tok in ki v celicah povzroča navpično korekturno magnetno polje, usmerjeno navzdol blizu levih čel ter usmerjeno navzgor blizu desnih čel.

2. Naprava za električno povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da je celoten tok J₂, ki teče po tokokrogu za magnetno korekturo, kvečjemu enak elektroliznemu toku Jp

3. Naprava za povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da leži tok med 5 ter 80 % toka J^.

4. Naprava za povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da leži tok Jg med 20 ter 70 % toka J^.

5. Naprava za povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da so v tokokrogu za napajanje z elektroliznim tokom

- navzgornji katodni izhodi celice reda n vezani na navzgornje katodne zbiralnike (3), ki so naravnost povezani s pomočjo vodnikov (9), katerih velik del poteka pod omenjeno celico n, na prvi del (polovičnega dvižnega voda) 8A) dvižnih vodov (8), ki napajajo anodni okvir celice reda n+1 vrste;

- navzgornji katodni izhodi (4) celice reda n vezani na navzdolj nje katodne zbiralnike (5), ki so neposredno vezani na drugi odsek (polovični dvižni vod 8B) dvižnih vodov (8).

6. Naprava za povezavo po zahtevku 1, označena s tem, da so v tokokrogu za napajanje

- na veliki navzgornji stranici dva priležna katodna izhoda (2) povezana s pomočjo zbiralnika (3), ki je vezan na palico (9),

- 29 ki poteka pod celico;

- vsaka skupina palic (9), ki ležijo druga ob drugi, se na navzgornji strani veže na povezovalni vodnik (13), ki je vezan na polovičen dvižni vod (8a);

- na veliki navzdolni stranici štirje priležni katodni izhodi (3) vezani na navzdolni katodni zbiralnik (5), ki pa je sam vezan na drug ustrezen polovičen dvižni vod (8B).

7. Naprava za povezavo po zahtevkih 5 ali 6, označena s tem, da so povezovalne palice (9) razmeščene pod kadjo v enakih medsebojnih razdaljah.

8. Naprava za povezovanje po zahtevkih 5 ali 6, označena s tem, da je razdalja med povezovalnimi palicami (9) spremenjena v odvisnosti od njihove lege glede na malo os celice.

9. Naprava za povezovanje po zahtevkih 5 ali 6, označena s tem, da je razdalja med povezovalnimi palicami, ki so nameščene na čelnih stranicah celice, manjša od razdalje med povezovalnimi palicami, ki so nameščene v sredini celice.

10. Naprava za povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da tokokrog za korekturo ter izravanje magnetnih polj obstoji iz dveh skupin korekturnih vodov (17, 22), ki so neodvisni od vodov za napajanje ter razmeščeni na eni in drugi strani niza celic ter so napajani s celotnim tokom Jg, ki teče v isti sme ri kot tok Jp ki napaja niz, pri čemer je tok J? kvečjemu enak toku .

11. Naprava za povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da v primeru, kadar vrsta obsega vsaj dva niza celic, ki s sta nameščena vzporedno, se kompenzacijski vodnik ali skupina kompenzacijskih vodnikov razporedi ob strani sosednjega niza ter teče po njem tok z jakostjo, ki je večja od jakosti toka, ki teče po kompenzacijskem vodniku, nameščenem vzdolž stranice, ki gleda proč od sosednjega niza.

12. Naprava za povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da sta kompenzacijska vodnika nameščena v majhni razdalji od kovinske kadi celic ter v bistvu na višini kovinskega sloja raztaljenega aluminija.

13. Naprava za povezovanje po zahtevku 1, označena s tem, da je del neodvisnega tokokroga za napajanje, ki zagotavlja povezavo med katodnimi izhodi (2, 4) celice reda n z anodnim okvirom (7) celice reda (n+1) v nizu, izveden v obliki modulov (14), ki so v bistvu enaki drug drugemu ter vsak pripada enemu dvižnemu.. vodu (8).

14. Naprava za povezovanje po zahtevku 13, označena s tem, da je vsak modul (14) sestavljen iz:

- štirih navzdolnih katodnih izhodov (4) celice n,

- navzdolnjega katodnega zbiralnika (5) in polovičnega dvižnega voda (8A), ki poteka proti anodnemu okviru (7A) celice n+1,

- povezovalnega voda (13), ki je po eni strani vezan na dve papalici (9), ki potekata pod celico n, in po drugi strani na polovičen dvižni vodnik (8B),

- 3Υ dveh navzgornjih elementov katodnega zbiralnika (3, 3’), katerih vsak je vezan na dva navzgornja katodna izhoda ce lice n+1.