NO118302B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordning for regulering av den elektriske effekt til seriekoplete elektrolyseovner, særlig for fremstilling av aluminium.

Foreliggende oppfinnelse angår seriekoplete elektrolyseovner, særlig for fremstilling av aluminium.

Ved driften av slike ovner foretas den

individuelle regulering av hver ovn ved å

variere avstanden mellom elektrodene.

Det som en slik regulering av elektrodeavstanden tar sikte på, er under driften å

holde den for ovnstypen en gang fastsatte

midlere avstand mellom metalloverflate og

underside av anode så konstant som mulig.

Under produksjonsprosessen vil nemlig me-tallinvået i ovnen stige mellom 2 uttapnin-ger fra en nedre verdi som motsvarer me-tallreserven til en øvre verdi som ikke ønskes overskredet på grunn av ovnens konstruksjon.

Samtidig vil den del av anoden som

befinner seg i elektrolysebadet og som ven-der mot metalloverflaten, bli forbrukt og

bevirke en forkortelse av anoden i badets

høyderetning.

Metallnivaets stigning og anodens forkortelse vil altså motvirke hverandre og

resultatet er ved de vanlig anvendte ovns-typer at anoden ved visse mellomrom må

senkes for å opprettholde en konstant avstand mellom metalloverflate og underside

av anode. Denne etterregulering av hver

ovn i tiden mellom 2 metalltappinger blir

vanligvis kalt den «daglige justering».

Etter hver tapping må der likeledes

foretas en etterregulering, idet anoden da

må senkes like meget som metallnivået har

sunket under tappingen.

Kontrollen av justeringen består i at

ovnsspenningen som avleses på et voltme-

ter, skal vise den samme og en gang fastsatte verdi etter hver justering så lenge strømmen gjennom ovnen under ellers like forhold er den samme som før justeringen.

Reguleringen skjer i dag vanligvis ma-nuelt ved hjelp av et håndratt over en snekkeskrue eller ved hjelp av ett trykk-knapptablå og en kontaktorstyrt tannhjuls-motor med reverserbar dreieretning.

Når avstanden mellom elektrodene på en av disse måter økes eller minskes, fås en tilsvarende økning eller minskning av den del av ovnens totale elektriske motstand som faller på det elektrolytiske bad mellom metalloverflate og anode. Dette vil med andre ord si at man ved reguleringen bare kan øve innflytelse på en del av ovnsspenningen. Ved aluminiumelektrolyse kan f. eks. denne del utgjøre ca. 2/5 av den totale ovnsspenning. Den resterende del sammensetter seg av en konstant del som er ca. 1/3 av den totale ovnsspenning og som representerer badets kjemiske spaltningsspenning og av en del som er ca. 4/15 av den totale ovensspenning og som representerer det ohmske spenningsfall i anode-og katodemateriell og i strømskinner og deres forbindelse til ovnen.

Da produksjonen av metall i en elektrolyseovn er proporsjonal med størrelsen

av den elektriske strøm som går gjennom ovnen, ønsker man normalt å drive ovnen med en strømstyrke som ligger så nært som mulig opp til den som ovnen er konstruert for.

Denne en gang fastsatte normalstrøm ønskes samtidig holdt så konstant som mulig, og for å oppnå dette blir det elektriske anlegg som omformer energien fra veksel-til likestrøm, forsynt med regulatorer av forskjellig art og konstruksjon.

Felles for slike regulatorer ved likeret-teranlegg av moderne utførelse er at de alle er automatiske og at deres virkemåte er basert på at et strømømfintlig organ regu-lerer spenningen over ovnsserien alt etter som ovnenes samlede elektriske motstand øker eller minsker under driften.

Ved konstant spenning på omformer-anleggets vekselstrømside blir likespennin-gen vanligvis grovregulert for hånd i regulertransformatorer og finregulert automatisk ved hjelp av de foran omtalte regulatorer innenfor de enkelte spenningstrinn på regulertransformatorene.

Erfaringer ved utførte anlegg i alumi-niumfabrikker har imidlertid vist at der vanligvis under drift opptrer så store variasjoner i ovnens elektriske motstand at det hitttil ikke har vært mulig ved hjelp av den foran beskrevne manuelle regulering av hver ovn og den automatiske regulering av hele ovnsserien å holde strøm-styrken i ovnene så konstant som det av driftsøkonomiske grunner har vært ønske-lig.

Variasjoner i strømstyrken på opp til 5 og 10 % er således ikke uvanlig selv i moderne anlegg. Den største årsak til variasjoner i ovnenes elektriske motstand er ved aluminiumelektrolyse den for denne elektrolyse så karakteristiske anodeeffekt som ytrer seg ved at spenningen over en ovn ved visse mellomrom plutselig kan stige til den mangedobbelte verdi av den normale (opp til 10 ganger) og ha en varighet fra 5 til 10 minutter for hver ovn.

Når denne anodeeffekt, også kalt «blussing» inntrer ved flere ovner samtidig i en ovnsserie, vil seriens samlede motstand kunne øke i en slik grad at den automatiske finregulator ikke er istand til å øke spenningen tilstrekkelig til å opprettholde normal strøm gjennom ovnene. Resultatet blir altså at strømmen synker og produksjonen blir nedsatt så lenge anodeeffekten varer.

En annen årsak til variasjoner i ovnenes elektriske motstand er badtemperatu-ren.

Når temperaturen i badet av en eller annen årsak, f.eks. lavere strømstyrke, synker, vil nemlig motstanden over badet øke og badspenningen vil stige så lenge strøm-men holder seg konstant. Det omvendte vil skje hvis temperaturen av en eller annen årsak stiger.

Av andre årsaker til variasjoner i motstanden kan foruten den produksjonsbe-

tingede variasjon av avstanden mellom metalloverflate og underside av anode nev-nes den kjemiske sammensetning av elektrolysebadet samt kontaktstedene mellom strømskinnene og disse skinners forbindel-sessteder til anode og katode.

De foran omtalte problemer under drift av elektrolyseovner for aluminium viser altså at den hittil anvendte regulerings-måte med manuell regulering av spenningen over de enkelte ovner og en automatisk regulering av ovnsseriens strøm ved å på-trykke serien en variabel spenning, ikke kan sies å tilfredsstille de driftsmessige krav som i dag stilles til et automatisk vir-kende servoteknisk system, ettersom den ikke er istand til så godt som det er ønske-lig under varierende driftsforhold å utnyt-te fullt ut den installerte produksjonska-pasitet.

Foreliggende oppfinnelse har til øye-med å eliminere de foran nevnte mangler ved de nå anvendte reguleringsmåter ved å innføre en automatisk regulator for hver ovn med egenskaper som setter den i stand til foruten å regulere motstanden i den ovn den er tilkoblet, også i samarbeide med de øvrige ovners regulatorer å øvre innflytelse på ovnsseriens samlede motstand slik at denne holdes konstant under varierende driftsforhold.

Anordningen ifølge oppfinnelsen har det tilfelles med kjente anordninger, at hver elektrolyseovn er forsynt med en regulator, utført som et differensialrelé, hvis spoler tilføres dels en spenning lik eller proporsjonal med ovnsspenningen og dels en med strømstyrken proporsjonal referansespenning. Ifølge norsk patent nr. 74.914 oppnåes en indikering respektive regulering av ovnene på en ønsket og konstant motstand i hver ovn ved å innføre en hjelpe-spenning som er like stor og motsatt rettet den kjemiske spaltningsspenning i ovnen og som virker i samme retning som referansespenningen for ovnsstrømmen.

Foreliggende oppfinnelse går i motset-ning til denne kjente anordning ut på å regulere de seriekoblete ovners motstander på en slik måte at ovnsstrømmen ved gitt konstant totalspenning får en mest mulig konstant og ønsket verdi. Dette oppnåes ved å innføre et konstant dreiemoment fra en innstillbar vekt på en slik måte at dette dreiemoment virker i samme retning som momentet fra referansespenningen for ovnens klemmespenning og i motsatt retning av momentet fra referansespenningen for ovnsstrømmen.

Anorningen ifølge oppfinnelsen omfatter følgende innretninger m. v.: en for alle ovner felles innrettning for frembringelse av en med strømstyrken proporsjonal referansespenning, samt for hver ovn en mekanisme for regulering av elektrodeavstanden, en elektrisk drivanordning for reverserbar drift av den nevnte mekanisme, en vendekontaktor for drivanordningen, to manøvreringsstrømkretser for vendekontaktoren, og en til slutning og åpning av de nevnte strømkretser tjenende som et differensialrelé utført regulator som tilføres dels en spenning lik eller proporsjonal med ovnsspenningen og dels en med strømstyr-ken proporsjonal referansespenning, hvilken regulator inneholder en bryteranordning som når differansen mellom de nevnte spenninger som tilføres regulatoren, overstiger en forutbestemt grense, slutter den ene eller annen av de nevnte manøvrerings-strømkretser, og hvilken regulator omfatter en svingbart lagret vektarm som bærer differensialreléets bevegelige spoler, en ved hver av vektarmens ender, samt to ved svingning av den nevnte vektarm påvirkete brytere, innkoplet i hver sin av de nevnte manøvreringsstrømkretser.

Det karakteristiske for anordningen ifølge oppfinnelsen består i at der på vektarmen er anordnet minst en ved forskyvning innstillbar vekt. Som det vil fremgå av den følgende beskrivelse, oppnåes det herved en overordentlig enkel løsning av det foreliggende problem.

Oppfinnelsen omfatter videre en regulator egnet til anvendelse i en anordning ifølge oppfinnelsen. Det karakteristiske for denne regulator er, at hver bryter er for-bundet med en seriekoplet utført slik at den av bryteren ved svingning av den nevnte vektarm sluttete strømkrets påny åpnes av holdekontakten, hvis dreiemomentet på vektarmen overskrider en forutbestemt verdi.

Oppfinnelsen omfatter sluttelig en fremgangsmåte ved drift av seriekoplete elektrolyseovner under anvendelse av en reguleringsanordning og en regulator, som foran angitt. Det karakteristiske for denne framgangsmåte er, at den innstillbare vekt ved ønsket normal ovnsstrøm og ovnsspenning innstilles slik, at dens dreiemoment er like stort som og motsatt rettet differansen mellom momentet frembragt av referansespenningen for ovnsstrømmen og momentet frembragt av ovnsspenningen.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere i forbindelse med tegnin-gen, hvor figur 1 skjematisk illustrerer en anordning ifølge oppfinnelsen, idet bare en av de seriekoplete elektrolyseovner med til-hørende vendekontaktor og regulator er vist.

Figur 2 er en perspektivskisse av regulatoren som på fig. 1 er vist rent skjematisk.

På fig. 1 betegner:

E = ovnsseriens totale likespenning som forutsettes kontant og innstilt ved hjelp av f. eks. regulertransformatorer på en verdi som ansees nødvendig for det inn-satte antall ovner.

I = strømmen gjennom ovnene.

T = strømtransformator som etter transduktorprinsippet på ellers kjent måte gir en referensespenning e^ som er proporsjonal med strømmen I og som kan varie-res ved hjelp av motstanden r til den til enhver tid ønskede verdi.

R = den foran beskrevne regulator

innkoplet for ovn nr. 1.

ri og ri> = justermotstander som tilla-ter individuell innstilling av ønsket ovnsspenning hvis dette viser seg nødvendig av hensyn til badtemperatur eller andre årsaker.

Pi og pj = strømkrefter forårsaket av strømmene ii og i- i regulatorens spolesystemer.

Virkemåten av anordningen vil lettere forståes etter at regulatoren er nærmere beskrevet.

Regulatoren hvis prinsipielle oppbyg-ning og vitale deler er vist på figur 1, består i hovedsaken av to like spolesystemer og et kontaktsystem. De to spolesystemer er oppbygget på ellers kjent måte som en «Lord Kelvins strømvekt» med fire faste og to bevegelige spoler montert symmetrisk om en horistontal midtakse som enten kan være oplagret ved hjelp av tapper i sten-lager, eller som vist på figuren ved hjelp av innspente og fjærende bånd. Ved den viste opplagringsmåte oppnås, foruten stor følsomhet, at den på midten av og loddrett på vektarmen anordnede kontaktarm holder seg i den døde sone uten ekstra fjærer når de to systemer ellers er i likevekt.

De to faste og den ene bevegelige spole på hver side av midtaksen er seriekoplet på en slik måte at den resulterende kraft mellom de strømførende vindinger blir rettet oppover.

Hver av de to bevegelige spoler er dess-uten forsynt med en justerbar motvekt som virker i motsatt retning av en opptredende strømkraft i det tilhørende spolesystem. For å forenkle fremstillingen forutsettes at de to motvekter er like store og at justeringen av deres momenter foretas ved å variere lengden av den arm de virker på.

Hvis de to spolesystemer påtrykkes to like store spenninger ei og e-, vil de derved forårsakede strømmer ii og h også være like store når vindingstall og trådtverrsnitt er de samme i begge systemer. Ved samme innstilling av motvektene gi og g2 vil samtidig også de to systemers momenter om midtaksen være like store og motsatt rettet slik at kontaktarmen vil holde seg i ro i den døde sone slik som vist på figuren.

Ved en forskjellig verdi på spenningene ei og e2 og/eller ved forskjellig innstilling av motvektene gi og g2 vil det, når forskjel-len er større enn motsvarende strømvekte-nes følsomhet, oppstå et resulterende moment om midtaksen som bevirker at kontaktarmen dreier seg til den ene eller den annen side ut fra midtstillingen inntil den danner ledende forbindelse med nærmeste kontaktfjær som igjen over en seriekoplet holdekontakt på for øvrig kjent måte slutter strømkretsen enten i et mellomleie eller direkte i den ene av en vendekontaktors betjeningsspoler.

Hvis det resulterende moment til den ene eller den annen side overskrider en grenseverdi som er bestemt ut fra kontaktenes fjærtrykk som kan være stillbart, vil den nevnte seriekoplete holdekontakt åpne seg og strømmen i reguleringskretsen blir av-brutt inntil momentet atter blir mindre enn den nevnte grenseverdi.

Virkemåten av anordningen på figur 1 skal nå beskrives.

Ovnsspenningen føres direkte eller over en justermotstand til klemmene for det ene spolesystem merket ei og spenningen fra en fremmed strømkilde, også kalt «referansespenning», føres på samme måte direkte eller over en justermotstand til klemmene for det annet spolesystem merket e^.

Kontaktsystemets tre klemmer merket Ku, Ki og K- 2 føres på for øvrig kjent måte til betjeningsspolene i vendekontaktoren for den motor som forutsettes montert på ovnen for hevning og senkning av anoden.

Forutsettes først at motvektene er innstilt på en slik måte at momentet fra gi er større enn momentet fra ga og at differansen er like stor som det motsatt rettede moment forårsaket av den kjemiske spaltningsspenning, så vil reguleringskurvene for de to spolesystemer være nøyaktig like. Dette vil ved konstant strøm gjennom ovnen si at en variasjon opp eller ned av referansespenningen e^ vil bevirke en like stor opp- eller nedregulering av ovnsspenningen ei, og ved konstant referansespenning e- 2 si at en variasjon opp eller ned av strømmen gjennom ovnen vil bevirke en ned- eller opp-regulering av badmotstanden inntil ovnsspenningen ei har antatt samme verdi som før strømvariasjonen inntrådte.

Ved en annen innstilling av motvektene vil regulatoren etter ønske kunne gis over- eller underregulerende egenskaper, idet en variasjon opp eller ned av referansespenningen ved konstant strøm gjennom ovnen vil bevirke en større eller mindre variasjon av ovnsspenningen. Dette vil igjen si at med konstant referansespenning vil en variasjon opp eller ned av strømmen gjennom ovnen bevirke en ned- eller opp-regulering av badmotstanden inntil ovnsspenningen har antatt en verdi som er mindre eller større enn før strømvariasjo-nen inntrådte.

Hensikten med de seriekoplete holde-kontakter, er at reguleringsorganet, f. eks. motoren ,skal koples ut hver gang ovns-speningen over- eller underskrider en viss grenseverdi, f. eks. når ovnen kommer på «bluss» eller hvis det skulle oppstå brudd i en ledning til regulatoren.,

Ved anvendelse av regulatoren for drift av seriekoplete aluminiumovner innstilles motvektene i følge oppfinnelsen, slik at momentet fra g^ er større enn momentet fra gi og slik at differansen sammen med momentet fra strømkraften forårsaket av den kjemiske spaltningsspenning bevirker en nedregulering av badmotstanden når strømmen gjennom ovnene og dermed den med denne proporsjonale referansespenning synker under den fastsatte normale verdi på grunn av motstandsøkning i en eller flere ovner forårsaket av f. eks. anodeeffekt. Omvendt fås på samme måte en oppregulering av badmotstanden når strøm-når strømmen gjennom ovnene av en eller annen årsak stiger over den fastsatte verdi.

Ved en riktig innstilling av motvektene vil regulatoren på denne måte kunne kom-pensere alle variasjoner i ovnsseriens samlede motsttand som er tilstrekkelig store til å redusere strømmen gjennom ovnene.

Man kan også uttrykke det slik at regulatoren innkoplet for hver ovn i en ovn-serie løser en dobbelt oppgave, idet den foruten å foreta den nødvendige regulering av anodeavstanden i den ovn den er innkoplet for, også skal samarbeide med de øvrige ovners regulatorer i den hensikt å holde ovnseriens samlede badmotstand konstant.

Det skal bemerkes at det for anvendelse av regulatoren som er beskrevet ovenfor i og for seg er nok med en motvekt, nemlig g2 som da utøve et dreiemoment i samme retning som momentet framkalt av den kjemiske spaltningsspenning.

Det er nemlig summen av disse to momenter som gir anordningen den egenskap at anodene på de ovner som ikke blusser,

senkes så meget at speningsstigningen på

de ovner som blusser blir kompensert mest

mulig. Med gi> = O blir kompenseringen

meget liten og full kompensasjon fåes

egentlig bare ved g^ = uendelig stor.

Hvis regulatoren også ønskes anvendt

for en enkelt ovn for automatisk regulering

på konstant anodeavstand, behøves også

bare en motvekt, men da gi, som gis en slik

verdi at dens moment er like stort og motsatt rettet momentet fremkalt av den kjemiske spatningsspenning.

Der kan også anvendes andre midler

enn de foreslåtte motvekter til å oppnå den

ønskede virkning, f. eks. kraften fra ekstra

strømspoler med egen uavhengig spen-ningskilde eller fra permanente magneter,

men disse midler har den ulempe at deres

magnetfelter vil kunne forstyrre kraftfeltet

i regulatorens spolesystemer.

Claims (3)

1. Anordning for regulering av den

elektriske effekt til seriekoplete elektrolyseovner, særlig for framstilling av aluminium, omfattende en for alle ovner felles innretning for frambringelse av en med strømstyrken proporsjonal referansespenning, samt for hver ovn en mekanisme for regulering av elektrodeavstanden, en elektrisk drivanordning for reverserbar drift av den nevnte mekanisme, en vendekontaktor for drivanordningen, to manøvrerings-strømkretser for vendekontaktoren, og en til slutning og åpning av de nevnte strøm-kretser tjenende som et differensialrelé ut- ført regulator som tilføres dels en spenning lik eller porporsjonal med ovsspenningen og dels en med strømstyrken proporsjonal referansespenning, hvilken regulator inneholder en bryteranordning som når differansen mellom de nevnte spenninger som tilføres regulatoren, overstiger en forutbestemt grense, slutter den ene eller annen av de nevnte manøvreringsstrømkretser, og hvilken regulator omfatter en svingbart lagret vektarm som bærer differensialreléets bevegelige spoler, en ved hver av vektarmens ender, samt to ved svingning av den nevnte vektarm påvirkete brytere, innkoplet i hver sin av de nevnte manøvrer-ingsstrømkretser, karakterisert ved at dér på vektarmen er anordnet minst en ved forskyvning innstillbar vekt.

2. Regulator som angitt i påstand 1, karakterisert ved at hver bryter er forbun-det med en seriekoplet holdekontakt utført slik at den av bryteren ved svingning åv den nevnte vektarm sluttete strømkrets på ny åpnes av holdekontakten hvis dreiemomentet på vektarmen overskrider en forutbestemt verdi.

3. Framgangsmåte ved drift av seriekoblete elektrolyseovner under anvendelse av en reguleringsanordning som angitt i påstand 1 med en regulator som angitt i påstand 2, karakterisert ved at vekten ved ønsket normal ovnsstrøm og ovnsspenning innstilles slik at dens dreiemoment er li&e stort som og motsatt rettet differansen mellom momentet frambragt av referange-spenningen for ovnsstrømmen og momåh-tet frambragt av ovnsspenningen.