DE2841205B2

DE2841205B2 - Elektrolysezelle mit kompensierten Magnetfeldkomponenten

Info

Publication number: DE2841205B2
Application number: DE2841205A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. Chippis Schmidt-Hatting (Schweiz)
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1978-08-04
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1980-09-25
Also published as: DE2841205C3; CA1123786A; GB2027056B; FR2432562B1; JPS5524994A; NO792528L; AU4931879A; NO151374C; NO151374B; NL7905732A; FR2432562A1; US4224127A; GB2027056A; DE2841205A1; SE7906554L; AU530076B2; CH649317A5; ES483012A1; ZA793863B; SE435836B

Description

vt

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle mit kompensierten Magnetfeldkomponenten zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflußelektrolyse, von deren Längsseiten der aus den Kathodenbarren v, austretende elektrische Strom mittels mindestens vier Sammelschienen asymmetrisch zu den Anodenbalken des nächsten Ofens geführt wird.

Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmel- w> ze gelöst, die zum größten Teil aus Kryolith (Na₃AIF₆) besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. In die h·-, Schmelze tauchen von oben Anoden ein. die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich bei der Verwendung von Kohlenanoden zu CO und CO2 verbindet. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von etwa 900 bis 1000° C statt

Das bekannte Prinzip einer konventionellen Aluminium-Elektrolysezelle mit vorgebrannten Kohleanoden geht aus der F i g. 1 hervor, die einen Vertikalschnitt in Längsrichtung durch einen Teil einer Elektrolysezelle zeigt Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13 aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die Fluoridschmelze 10, den Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des flüssigen Aluminium stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung U sind quer zur Längsrichtung der Zelle eiserne Kathodenbarren 17 eingelassen, die den elektrischen Gleichstrom aus der Kohlenstoffauskleidung 11 der Zelle seitlich nach außen führen. In die Fluoridschmelze 10 tauchen von oben Anoden 18 aus amorphem Kohlenstoff ein, die dem Elektrolyten einen Gleichstrom zuführen. Die Anoden sind über Stromleiterstangen 19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken 21 fest verbunden.

Der Strom fließt von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle über nicht gezeichnete Strumschienen zum Anodenbalken 21 der folgenden Zelle. Vom Anodenbalken 21 fließt er über die Stromleiterstangen 19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das flüssige Aluminium 14 und die Kohlenttoffauskleidung 11 zu den Kathodenbarren 17. Der Elektrolyt 10 ist mit einer Kruste 22 aus erstarrter Schmelze und einer darüber befindlichen Aluminiumoxidschicht 23 bedeckt Zwischen dem Elektrolyten 10 und der erstarrten Kruste 22 entstehen im Betrieb Hohlräume 25. An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung 11 bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord 24. Das Bord 24 ist mitbestimmend für die horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.

Der Abstand d der Anodenunterseite 26 zur Aluminiumoberfläche 16, auch Interpolardistanz genannt, läßt sich durch Heben oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 27 verändern, die auf Säulen 28 montiert sind Bei der Betätigung des Hubwerkes 27 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben, bzw. gesenkt. Die Anoden können r.ußerdem — jede für sich — in bekannter Weise in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt werden.

Die Elektrolyseöfen sind üblicherweise in Reihen angeordnet und längs- oder quergestellt. Der Elektrolysestrom durchfließt vorerst die in Serie geschalteten öfen einer Reihe und kehrt dann in einer oder mehreren benachbarten Ofenreihen zu der speisenden Gleichrichtereinheit zurück.

Diese Rückleitung oder RUckieitungen erzeugen eine vertikale magnetische Einstreuung Η_Λ welche sich nach folgender Gesetzmäßigkeit, welche generell für strom' durchflossene Leiter gilt, abschätzen läßt:

H₂ =

[Λ/cm] .

wobei /die Stromstärke in Ampere und rder mittlere

Abstand zu der Nachbarofenreihe in cm bedeuten.

Die durch Nachbarofenreihen erzeugten Magnetfelder stören die erwünschte magnetische Symmetrie einer Elektrolysezelle erheblich, weil sie in bestimmten Bereichen des Ofens zu dessen eigenen Magnetfeldern addiert, in anderen Bereichen dagegen subtrahiert werden. Das durch die Überlagerung entstehende Magnetfeld erzeugt in Ofenmetall Asymmetrien, die — zusammen mit horizontalen Stromdichtekomponenten — für Metallströmungen, — aufwölbugen und -schwingungen verantwortlich sind. Da sich alle diese Phänomene nachteilig auswirken, ist es von großer Wichtigkeit, die magnetische Feldverteilung nach Maßgabe theoretischer Betrachtungen und praktischer Erfahrungen beeinflussen zu können.

Es ist bekannt, die Feldverteilung im schmelzflüssigen Elektrolysemetall durch entsprechende Wahl der Stromverteilung in der näheren und weiteren Umgebung der öfen zu steuern. So ist es beispielsweise gelungen, 21OkA -Ofen sowohl magnetisch als auch stromdichtemäßig zu symmetrieren bzw. entsprechend zu dimensionieren. Da jedoch für die Feldverteilung nicht nur Nahfeldeinflüsse, sondern FernfelJeinflüsse von benachbarten Ofenreihen zu berücksichtigen sind, ist es problematisch, in einem Elektrolyseofen das Fernfeld in genügendem Maße zu kompensieren.

Aus Erzmetall, 27/10, (1974), 464 weiß der Fachmann, daß bei extrem gut symmetrierten Elektrolyseöfen nachträglich Asymmetrien eingebaut werden mußten, um Schwingungen im abgeschiedenen Aluminium zu verhindern. Dies wurde erreicht, indem die kathodischen Aluminiumschienen an einer bestimmten Stelle durchtrennt wurden, ohne die öfen stromlos zu machen. Das Durchtrennen erfolgte so, daß bezüglich der Querachse des Ofens nicht mehr gleichviele Kathodenbarren ihren Strom nach beiden Seiten der Ofenlängsseite abführten.

Dieses vorbekannte Verfahren wird in F i g. 2 dargestellt, in welcher der Gleichstrom eines Ofens 30 über Kathodenbarren 17 und kathodische Stromschienen 31 zu der nicht gezeichneten Traverse der folgenden Zelle geführt wird. Eine Stromschiene 31 ist bei 32 durchgetrennt, wodurch im kathodischen Anschluß absichtlich eine Asymmetrie in bezug auf die Querachse 33 eingeführt wird. Magnetisch wurde durch das Durchtrennen ein nach oben gerichtetes Zusatzfeld geschaffen, wodurch die magnetisch bedingten Strömungen im flüssigen Metali tatsächlich beseitigt werden konnten.

Die DE-OS 26 53 643 beschreibt das Kompensieren magnetischer Felder, indem die Enden der Kathodenbarren auf mindestens einer Längsseite der quergestellten Elektrolseöfen in verschiedener Anzahl mit zu den Anoden des folgenden Ofens führenden Schienen verbunden sind. Dies hat in bezug auf ein magnetisches Zusatzfeld denselben Einfluß wie das Durchtrennen der Schienen.

In beiden Fällen wirkt sich nachteilig aus, daß das Zusatzfeld, das erzeugt werden soll, beim in der elektrischen Reihenschaltung folgenden Ofen vermindert wird.

Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium zu schaffen, bei welcher die magnetische Einstreuung durch benachbarte Cfenreihen erniedrigt oder beseitigt werden kann, ohne beim in der Reihe folgenden Ofen ein angelegtes Zusatzfela zu beeinträchtigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst.

daß die den Strom nach entgegengesetzten Richtungen abführenden kathodischen Sammelschienen der einen Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen D, d von der Ofenlängsachse, und die Sammelschienen der anderen Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen D', d' von der Ofenlängsachse angeordnet sind, wobei die Schienen mit den längeren Abständen D. D' bzw. die Schienen mit den kürzeren Abständen d, d' diametral gegenüber liegen, und die Versetzungen D-dbzw. D'-d'

ι ο der Sammelschienen je nach der Lage der benachbarten Ofenreihe derart angebracht sind, daß in der Elektrolysezelle ein nach bekannten Rechenverfahren der Elektrotechnik ermitteltes magnetisches Zusatzfeld entsteht, das der magnetischen Einstreuung durch die

Nachbarofenreihe entgegengesetzt gerichtet ist

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Versetzungen der Sammelschienen auf derselben Ofenlängsseite so groß, daß das durch diese Versetzungen erzeugte magnetische Zusatzfeld gleich groß ist, wie das entgegengesetzt i-arichtete, von der benachbarten Ofenreihe eingestreute Magnetfeld.

Zweckmäßig sind sowohl die diametral gegenüberliegenden längeren Abstände der Sammelschienen von der Ofenlängsachse als auch die entsprechenden kürzeren Abstände je gleich groß. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, es sind alle Variationen möglich:

— Die längeren Abstände und die kürzeren Abstände sind verschieden.

jo — Die längeren Abstände sind gleich, und die kürzeren Abstände sind verschieden.

— Die längeren Abstände sind verschieden und die kürzeren Abstände sind gleich.

J₅ Die erfindungsgemäß erzeugte Asymmetrie kann dank der diametral gegenüberliegenden längeren und kürzeren Abstände erzeugt werden, indem jede Sammelschiene mit gleichviel, d. h. der Hälüe der Kathodenbarrenenden auf einer Ofenlängsseite, verbunden wird. Nach anderen Ausführungsformen können jeduch diametral gegenüberliegende kathodische Sammelschienen gleichviele, von der Hälfte der Gesamtzahl auf einer Ofenlängsseite abweichende Kathcdenbarrenenden umfassen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, welche Ausschnitte aus Ofenreihen in Form eines Horizontalschnittes durch drei Elektrolysezellen zeigt, näher erläutert Es zeigt
F i g. 3 drei quergestellte öfen, wobei jede Kathodenschiene mit fünf Kathodenbarrenenden verbunden ist, d. h. je mit einem Viertel,

Fig.4 drei quergestellte öfen wie in Fig.3, wobei aber iwei diametral gegenüberliegende Kathodenschienen mit sechs Kathodenbarrenenden, und die beiden andern diametral gegenüberliegenden Katftodenschienen mit vier Kathodenbarrenenden verbunden sind.

Die in Reihe angeordneten, quergestellten Ofen 34 sind alle gleich ausRebildet. An die Kathodenbarren 17 angeschlossen sind die Sammelschienen 35—38, wobei

ho die Schiene 35 einen Abstand D von der Längsachse 39, die Schiene 36 einen Abstand d, die Schiene 37 einen Abstand D', und die Schiene 38 einen Abstand (/'von der Längsachse 39 hat. Diese Kathodenschienen 35—38 sind mit dem Anodenbalken 41 des Folgeofens in

hi derselben Ofenreihe verbunden. Die Lage der benachbarten Ofenreihe ist mit 42 angedeutet. Diese erzeugt in den öfen 34 eine magnetische Einstreuung, die von unten nach oben gerichtet ist. Läge die benachbarte

Ofenreihe auf der entgegengesetzten Seite, würde sie eine vertikal von oben nach unten gerichtete magnetische Einstreuung erzeugen.

Die Kathodenschiene 35 hat einen Abstand von der Ofenlängsachse 39, der um D-d größer ist als der entsprechende Abstand der Kathodenschiene 36. Ebenso hat die Stromschiene 37 einen Abstand von der Ofenlängsachse, der um D'—d' größer ist als der entsprechende Abstand der Stromschiene 38. Im vorliegenden Fall ist D- D'und d— d'. in

Statt einer einzelnen Stromschiene kann 35 eine Serie von parallelen Stromschienen umfassen, ebenso 36, 37 und/oder 38.

Nach den bekannten Gesetzen der Elektrizitätslehre kann man erkennen, daß die bezüglich der Ofenlängs- π achse gegenüber liegenden Kathodenschienen 35 und 36 bzw. 37 und 38 ein vertikales Magnetfeld erzeugen, das von oben nach unten Berichtet ist, das durch die entsprechenden Kathodenschienen des in der Reihe vorhergehenden Ofens nicht aufgehoben wird, weil diese Schienen jeweils einen größeren Abstand zur Längsachse des Ofens als die Schienen des gleichen Ofens haben.

Wenn man jedes Ofenviertel für sich betrachtet, unterstützt die Versetzung der Kathodenschienen zum Ofen hin oder vom Ofen fort jeweils die gewünschte magnetische Wirkung im vorhergehenden und folgenden Ofen der Reihe.

300

1
4ÖÖ

Beispiel

In diesem Beispiel soll die vertikale magnetische Einstreuung von einer benachbarten Ofenreihe und der Einfluß der erfindungsgemäßen Versetzung der Kathodenschienen 35—38 berechnet werden.

Für eine Stromstärke /-16OkA und einen Ofenreihenabstand von 36 m kann nach der Formel

H -J-

^f~ 2.-ΤΓ

durch Einsetzen der Werte eine magnetische Einstreuung von

H₁ = 7,1 A/cm

ermittelt werden.

Zwei Ofenlängsachsen 39 haben einen Abstand von 700 cm. Die Kathodenschienen 35 und 37 haben in diesem Falle den gleichen Abstand zur Längsachse des zugehörigen Ofens von 400 cm. Auch die näher beim Ofen angeordneten Schienen 36 und 38 haben in diesem Fall den gleichen Abstand zur Längsachse des zugehörigen Ofens von 270 cm. Damit wird z. B. auf der Ofenlängsachse 39 an den Schmalseiten der öfen eine vertikale, nach unten gerichtete magnetische Feldstärke //,erzeugt, die folgendermaßen berechnet wird:

J 430.

= K 0.0022264 = 7,1 A/cm

K, welches die Dimension Ampere (A) hat, errechnet sich für einen Ofen von 16OkA Stromstärke nach bekannten Regeln der Elektrotechnik für einen in der Länge begrenzten Leiter zu 3185.

Mit der Schienenanordnung dieses Beispiels läßt sich folglich eine magnetische Einstreuung der Nachbar- si ofenreihe von 7,1 A/cm² vollkommen kompensieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolysezelle mit kompensierten Magnetfeldkomponenten zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzfiußelektrolyse, von deren Längsseiten der aus den Kathodenbarren austretende elektrische Strom mittels mindestens vier Sammelschienen asymmetrisch zu den Anodenbalken des nächsten Ofens geführt wird, dadurch gekenn-10 zeichnet, daß die den Strom nach entgegengesetzten Richtungen abführenden kathodischen Sammelschienen (35, 36), der einen Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen (D, d)von der Ofenlängsachse (39), und die Sammelschienen (37, 38) der anderen Ofenlängsseite in verschiedenen Abständen (D', d'Jvon der Ofenlängsachse (39) angeordnet sind, wobei die Schienen (35, 37) mit den längeren Abständen (D, D')bzw. die Schienen (36,38) mit den kürzeren Abständen (d, ti'; diametral gegenüberliegen, und die Versetzungen D-d bzw. D'-d' der Sammelschienen je nach der Lage der benachbarten Ofenreihe (42) derart angebracht sind, daß in der Elektrolysezelle ein nach bekannten Rechenverfahren der Elektrotechnik ermitteltes magnetisches Zusatzfeld entsteht, das der magnetischen Einstreuung durch die Nachbarofenreihe entgegengesetzt gerichtet ist

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzungen D-d bzw. D'-d'der Sammelschienen (35—38) so groß sind, daß das Zusatzfeld und die entgegengesetzt gerichtete Einstreuung durch die benachbarte Ofenreihe (42) gleich groß sind.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, y, dadurch gekennzeichnet, daß die diametral gegenüberliegenden Abstände D und D'und/oder rf und d' der kathodischen Sammelschienen (35 und 37) und/oder (36 und 38) von der Ofenlängsachse (39) gleich groß sind.

4. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die den elektrischen Strom nach entgegengesetzten Richtungen abführenden kathodischen Sammelschienen (35,38) auf mindestens einer Ofenlängsseite mit derselben v-, Anzahl, einem Viertel, von Enden von Kathodenbarren verbunden sind.