DE2809146A1 - Magnetische feldlinienabsorption bei elektrolysezellen - Google Patents
Magnetische feldlinienabsorption bei elektrolysezellenInfo
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Description
PATFN TANVVALT
DiPL INQ. QERHARD F. HiEBSCM
D-7700 SINQEN/HOHENTWie.
ERZBcRQER STR. 6a
SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, Chippis
7.2.1978
-1265- 909832/0456
-*- 2609148
Λ-
Magnetische Feldlinienabsorption bei Elektrolysezellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Absorption von vertikalen magnetischen Feldlinien bei Elektrolysezellen,
insbesondere bei Zellen zur Herstellung von Aluminium.
Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid
wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die im wesentlichen aus Kryolith (Na^AlF,) besteht. Das kathodisch
abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter der Fluoridschmelze auf dem Kohlenstoffboden der Zelle, wobei die Oberfläche
des flüssigen Aluminiums die Kathode bildet. Der Oberflächenspiegel des in der Zelle befindlichen Aluminiums
steigt um ca. 1,5-2 cm pro Tag und wird im allgemeinen einmal täglich mit einer Saugvorrichtung aus der Zelle herausgenommen.
In die Schmelze tauchen bei konventionellen Verfahren von oben Anoden aus amorphem Kohlenstoff ein, die der Fluoridschmelze
den Gleichstrom zuführen. An den Anoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids
Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO und CO verbindet. Nach dem Verbrauch einer Kohleanode wird
diese gegen eine neue Anode ausgewechselt.
Die Schmelzflusselektrolyse von Aluminium findet in einem
Temperaturbereich von etwa 940 bis 975°C statt.
Die verwendeten Stromstärken für die in Serie geschalteten Elektrolysezellen, welche auch kurz Oefen genannt werden,
liegen dabei meist in einer Grössenordnung von 100-200 kA (Kiloampere). Bei solchen Stromstärken bildet die Oberfläche
des sich am Boden der Oefen befindenden flüssigen Aluminiums keine waagerechte Oberfläche. Auf das geschmolzene Metall
einwirkende, durch die gegenseitige Beeinflussung von
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Magnetfeldern entstandene elektromotorische Kräfte bewirken,
zusammen mit horizontalen Stromkomponenten, starke Niveauschwankungen und Bewegungen, welche eine Grössenordnung von
mehreren Zentimetern annehmen können.
Sowohl Niveauschwankungen als auch Bewegungen wirken sich in bezug auf die Wirtschaftlichkeit der Aluminiumherstellung,
wegen verschiedener Faktoren, nachteilig aus:
Der Abstand zwischen den Anoden und der die Kathode bildenden Aluminiumoberfläche muss übermässig gross gehalten
werden, was einen erhöhten Spannungsabfall und daher einen
grösseren Energieverbrauch bedeutet.
Die Wannenauskleidung weist einen stärkeren Verbrauch bzv/. Verschleiss auf. Es können auch Risse oder Löcher entstehen,
die einen vorzeitigen Ersatz bzw. eine Reparatur erforderlich machen. Der Schaden ist dabei gross, weil
zu den Arbeits- und Materialkosten ein Produktionsausfall hinzukommt.
Es ist deshalb schon seit langer Zeit versucht worden, Bewegungen und NiveauSchwankungen des flüssigen Elektrolysemetalls
auf ein Minimum herabzusetzen oder sie nach Möglichkeit sogar vollständig zu eliminieren.
Erste Anstrengungen haben sich darauf konzentriert, zwischen den Anoden und der Kathode eine möglichst gleichmässige
Stromverteilung zu erreichen. Auf dem Weg von den Kohleanoden zum Kohleboden des Ofens durchfliesst der Gleichstrom
vorerst die den Elektrolyten bildende Fluoridschmelze und anschliessend das flüssige Metall. Der elektrische Widerstand
des Elektrolyten ist ungleich viel höher als derjenige der Kohle und insbesondere des Metalls. Es ist deshalb verhältnismässig
leicht, die Stromrichtung durch den Elektrolyten senkrecht zu halten. Im flüssigen Metall hingegen bilden
sich neben der erwünschten und für die Elektrolyse
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notwendigen vertikalen Stromkomponente auch unerwünschte horizontale Komponenten des Stromes aus.
Zusätzlich werden von den Stromleitern, die, wie eingangs erwähnt,
sehr grosse Ströme führen, Magnetfelder gebildet. Die vertikalen Feldlinien dieser Magnetfelder bewirken im
geschmolzenen Aluminium die Bildung von in horizontaler Richtung verlaufenden elektromotorischen Kräften.
Die Elektrolysezellen werden üblicherweise in einer Stahlwanne aufgebaut. Der magnetisch leitende Werkstoff vermag
das Ofeninnere teilweise von den ausserhalb des Ofens erzeugten Magnetfeldern abzuschirmen.
In der DE-PS 1 083 554 wird versucht, die senkrechten Komponenten der vertikalen Felder des gleichmässig und in senkrechter
Richtung über die Gesamtoberfläche der Elektrolysezellen
verteilt fliessenden Stromes zu unterdrücken und/oder konstant zu halten, indem die als Kathode dienende Metalloberfläche
den Anoden angepasst und ein möglichst grosser Anteil der horizontalen Sammelschienen derart angeordnet
wird, dass sie eine möglichst grosse Fläche einnehmen.
Aus der DE-PS 1 143 03 2 ist bekannt, die Wirkung der von den Aussenleitern herrührenden magnetischen Felder dadurch weitgehend
aufzuheben, dass zwischen die Aussenleiter und das Bad zusätzliches Eisen eingebaut wird. Obwohl die im Ofen
erzeugte Wärme beeinflusst werden kann, sind keine Indizien vorhanden, dass eine Metallbewegung verhindert werden kann.
Schliesslich werden nach der DE-AS 2 213 226 die magnetischen Felder an den Seiten und Enden der Zelle durch die
Anordnung zusätzlicher magnetischer Leiter im Bereich der Elektrolysezelle beeinflusst. Diese sich vertikal erstreckenden
magnetischen Leiter sind untereinander und vom elektrischen System der Elektrolysezelle getrennt und in oder an
der Zellenwand zwischen der flüssigen Leichtmetallschicht
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und den äusseren Stromleitern angeordnet. Das heisst, sie
enden im magnetisch nicht leitenden Kohlenstoff.
Alle vorstehend genannten Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie einen verhältnismässig umfangreichen
und kostspieligen Aufwand erfordern, ausserdem können sie nicht ohne Neu- oder Umbau des Ofens angebracht v/erden.
Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
zur Absorption von vertikalen magnetischen Feldlinien bei Elektrolysezellen zu schaffen, die konstruktiv
einfach ausgestaltet ist und bei bestehenden Oefen ohne Betriebsunterbruch angebracht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die
Vorrichtung aus der Ofenwanne aus Stahl und einer magnetisch angekoppelten Abdeckung des Oberteils des Ofens, bestehend
aus einem Metall von hoher magnetischer Leitfähigkeit, mit gleichmässiger Wirkung über den ganzen Grundriss, besteht.
Die magnetische Ankoppelung der Abdeckung an die Ofenwanne ist von grundlegender Bedeutung, weil damit einerseits die
für den Ofen in jedem Fall notwendige Stahlwanne für einen Teil der magnetischen Abschirmung verwendet werden kann und
andererseits die ganze Abschirmung das gleiche Potential hat.
Für die Abschirmung wird ein ferromagnetisches Metall, insbesondere
Eisen oder Stahl, eingesetzt. Obwohl auch Kobalt und Nickel sowie deren Legierungen verwendet werden könnten,
fallen diese in der Praxis aus Kostengründen ausser Betracht.
Aus Gründen des Umweltschutzes und der Arbeitsplatzhygiene ist heute eine Ofenkapselung je langer desto mehr erforderlich.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine zwischen dem Anodenträger und dem Kopf der Anoden angeordnete, aus
einer Mittenabdeckung und einer Seitenabdeckung bestehende Gashaube bekannter Art verwendet werden, wenn sie magnetisch
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an die Ofenwanne angekoppelt und gegen die Anodenstangen elektrisch isoliert wird. Die Mittenabdeckung kann direkt an
die Ofenwanne und/oder an die Seitenabdeckung angekoppelt sein.
Bei mittelbedienten oder mit dem sog. "Point-feeding"-System
versehenen Oefen kann die zwischen den Anodenreihen liegende Mittenabdeckung vollständig oder teilweise durch einen Tonerdebehälter
bzw. -silo oder dgl. ersetzt werden. Dabei versteht sich von selbst, dass auch dieser Silo magnetisch an
die Ofenwanne und/oder die Seitenabdeckung angekoppelt sein muss.
Bei nicht gekapselten Oefen kann zwischen dem Anodenträger und den Anodenköpfen ein grobmaschiges Gitter aus einem magnetisch
gut leitenden Material angeordnet werden, welches magnetisch an die Ofenwanne gekoppelt ist und jede Berührung
mit Anodenpotential aufweisenden Teilen des Ofens vermeidet. Aus praktischen Gründen, d.h. insbesondere wegen dem Auswechseln
der Anoden, weist das Gitter einen Raster auf, der mindestens den Dimensionen der eingesetzten Anoden entspricht.
Auch muss dieses Gitter massiv aufgebaut sein, damit es bei Schlagen durch einzusetzende bzw. herauszunehmende Anoden
nicht beschädigt wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, mindestens ein sich über die gesamte Länge der Ofenwanne, oberhalb des
Bereichs zwischen den Anodenreihen liegendes Joch anzubringen, das in bezug auf die Höhe horizontal zwischen dem Anodenträger
und den Anodenköpfen verläuft. Wird nur ein Joch vorgesehen, so liegt dieses vorteilhaft in der Mittelebene
zwischen den Anodenreihen. Zwei Joche können, durch diese Mittelebene getrennt, unmittelbar nebeneinander liegen.
Die geometrische Form des JochquerSchnitts, wie übrigens
auch der Gitterstäbe, kann beliebig ausgebildet sein, beispielsweise
in Form von runden, rechteckigen oder anderen
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Voll- und Hohlprofilen, Platten oder Blechen. Vorzugsweise
werden jedoch Rohre eingesetzt, die einen Aussendurchmesser von 5-15 cm, insbesondere von 7-10 cm, haben können. Die
Wandstärke liegt in der Grössenordnung von einem bis mehreren Zentimetern, sie wird von den Anforderungen an die mechanische
Festigkeit begrenzt.
Die Joche können Querfortsätze aufweisen, die den gleichen
oder einen verschiedenen Querschnitt haben können. Die vorzugsweise
rechtwinklig vom Joch weglaufenden Querfortsätze sind so ausgebildet, dass sie einerseits die magnetische Abschirmung
verbessern helfen, aber andererseits die Zellenbedienung nicht behindern. Obwohl diese Querfortsätze üblicherweise
in der Horizontalebene des Joches liegen, können sie bis zu etwa 45 nach oben und unten abweichen.
Die in Längsrichtung verlaufenden Joche können durch solche ersetzt werden, die sich über die gesamte Breite der Elektrolysezelle
erstrecken. Diese in der Regel einzeln angeordneten Joche liegen in der Mittelebene zwischen zwei benachbarten
Anoden. Sie können je nach Bedarf auf allen Mittelebenen zwischen den Anoden, auf jeder zweiten, auf jeder
dritten usw., liegen. Die Zahl der Joche kann soweit vermindert werden, als die Abschirmung noch über den ganzen Bereich
der Elektrolysezelle wirkt. Alle übrigen Angaben in bezug auf die Joche in Längsrichtung, wie z.B. Höhe, Querfortsätze
und Form des Querschnitts, gelten auch für das über die Breite des Ofens verlaufende Joch.
Alle beschriebenen magnetischen Abdeckungen für den nicht gekapselten Ofen können bei voller Leistung der Elektrolysezellen
montiert werden. Die magnetische Ankoppelung an die Ofenwanne, welche gleichzeitig die mechanische Befestigung
sein kann, erfolgt lösbar mittels Schrauben, Klemmen usw. oder unlösbar mittels Nieten, Schweissen usw.
Die erfindungsgemässen Gitter oder Joche können gleichzeitig
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das Traggerüst für Tonerdesilos bzw. Einschlagvorrichtungen sein, falls es sich um mittel-, quer- CCH-Pat.anm. Nr.
7956/77) oder punktförmig bediente Oefen handelt. Es versteht sich von selbst, dass diese auf dem Traggerüst angeordneten
Einrichtungen gegenüber anodisch geschalteten Teilen des Ofens isoliert sein müssen.
Ueberraschend kann mit der erfindungsgemässen einfachen magnetischen
Abdeckung, wie z.B. mit einem einfachen oder doppelten, in Längsrichtung im Bereich oberhalb der Mitte der
Anodenreihen verlaufenden Joch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden, indem mindestens 50 mV Spannung pro Ofen eingespart
werden können, was zu einer entsprechenden Verbilligung des Rohaluminiumpreises führt.
Zusammengefasst hat die erfindungsgemässe Anordnung bei einfachem,
den Betrieb des Ofens nicht unterbrechendem Aufwand folgende Vorteile:
Geringerer Energieverbrauch durch ruhigeren Ofengang (Verminderung des Auftretens von Schwingungen);
- höhere Stromausbeute dank tieferen Temperaturen und ruhigerem Ofengang;
- geringerer Flussmittelverbrauch;
- geringerer Anodenverbrauch.
Die Erfindung wird anhand der folgenden, schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Elektrolysezelle mit als magnetische Abschirmung eingesetzter Gashaube, im vertikalen
Querschnitt;
Fig. 2 und 3 eine Elektrolysezelle mit als magnetische Abschirmung
eingesetzer, in Längsrichtung ver-909832/0456
-ψ-
laufender Platte, in vertikalem Längs- und Querschnitt;
Fig. 4 und 5 eine Elektrolysezelle wie in Fig. 2 und 3,
mit in Richtung der Breitseite verlaufenden Rohren als magnetische Abschirmung.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen einen Teil einer Elektrolysezelle. Die Stahlwanne 12, die mit einer thermischen Isolation 13
aus hitzebeständigem, wärmedämmendem Material und mit Kohlenstoff 11 ausgekleidet ist, enthält die Fluoridschmelze 10
des Elektrolyten. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium 14 liegt auf dem Kohleboden 15 der Zelle. Die Oberfläche 16 des
flüssigen Aluminiums stellt die Kathode dar. In die Kohlenstoffauskleidung
11 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 den Gleichstrom dem Elektrolyten zuführen. Sie sind über Stromleiterstangen
19 und durch Schlösser 20 mit dem Anodenbalken
21 fest verbunden. Der Strom fliesst von den Kathodenbarren 17 der einen Zelle zum Anodenbalken bzw, zum Anodenträger 21
der folgenden Zelle über konventionnelle, nicht gezeichnete Stromschienen, Vom Anodenbalken 21 fliesst er über die Stromleiterstangen
19, die Anoden 18, den Elektrolyten 10, das
flüssige Aluminium 14 und die Kohlenstoffauskleidung 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 . An den Seitenwänden der Kohlenstoffauskleidung 11
bildet sich ebenfalls eine Kruste aus erstarrtem Elektrolyt, nämlich das Bord · . Das Bord ist mitbestimmend für die
horizontale Ausdehnung des Bades aus dem flüssigen Aluminium 14 und dem Elektrolyten 10.
Der Abstand d^ der Anodenunterseite 24 zur Aluminiumoberfläche
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16, auch Interpolardistanz genannt, lässt sich durch Heben
oder Senken des Anodenbalkens 21 mit Hilfe der Hubwerke 25 verändern, die auf Säulen 26 montiert sind. Bei der Betätigung
des Hubwerkes 25 werden gleichzeitig sämtliche Anoden angehoben bzv/. gesenkt. Die Anoden können ausserdem in bekannter
Weise - jede für sich - in ihrer Höhenlage mit Hilfe der an dem Anodenbalken 21 angeordneten Schlösser 20 eingestellt
werden.
Die ausserhalb der Elektrolysezellen liegenden Stromschienen 30 führen den elektrischen Strom zum Anodenbalken der folgenden
Zelle.
Die in Fig. 1 dargestellte Gashaube besteht aus der Seitenabdeckung
31, welche bei 32 magnetisch an die Ofenwanne 12 angekoppelt und bei 33 gegen den Anodenträger 19 elektrisch
isoliert ist, und der Mittenabdeckung 34, die ebenfalls bei 33 gegen den Anodenträger 19 elektrisch isoliert ist. Die
Mittenabdeckung 34 ist mit der Ofenwanne 12 und/oder Seitenabdeckung 31 magnetisch gekoppelt.
Wie bereits erwähnt, kann die Mittenabdeckung 34 teilweise oder vollständig durch einen Tonerdesilo, aber auch durch
eine Aufhängevorrichtung oder einen Gasabsaugkanal ersetzt werden.
In den Figuren 2 und 3 ist die magnetische Abschirmung als beidseitig abgebogene Platte 35 ausgebildet, welche bei 32
mit der Ofenwanne verbunden ist. Diese Platte ist etwa auf halber Höhe zwischen dem Kopf der Anoden 18 und dem Anodenträger 21 angeordnet.
In den Figuren 4 und 5 bilden über die gesamte Breite der
Elektrolysezelle verlaufende, beidseitig abgebogene Rohre die magnetische Abschirmung. Die Rohre sind an beiden Enden
der Anodenreihen und nach jeder zweiten Anode bei 32 mit der Ofenwanne 12 verbunden. Die Rohre sind wiederum auf halber
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• /SO) '
Höhe zwischen dem Kopf der Anoden 18 und dem Anodenbalken 21 ausgebildet.
§09832/0458
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Absorption von vertikalen magnetischen Feldlinien bei Slektrolysezellen, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus der Ofenwanne aus Stahl und einer magnetisch angekoppelten Abdeckung des Oberteils des Ofens,
bestehend aus einem Metall von hoher magnetischer Leitfähigkeit, mit gleichmässiger Wirkung über den ganzen
Grundriss, besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine zwischen dem Anodenträger (21) und dem Kopf der Anoden (18) verlaufende, gegen die Anoden elektrisch isolierte
Gashaube (31,34) magnetisch mit der Ofenwanne (12) gekoppelt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenabdeckung (34) zwischen den Anodenreihen durch
einen magnetisch an die Ofenwanne gekoppelten, gegen die Anoden elektrisch isolierten Tonerdebehälter, eine Haltevorrichtung
oder einen Gasabsaugkanal ersetzt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus einem in einer Horizontalebene zwischen
dem Anodenträger (21) und dem Kopf der Anoden (18) liegenden grobmaschigen Gitter, dessen Raster beim Einsatz
von vorgebrannten Anoden mindestens den Anodendimensionen entspricht, besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung aus mindestens einem in einer Horizontalebene zwischen dem Anodenträger (21) und dem Kopf der
Anoden (18) liegenden sich oberhalb des Bereichs zwischen den Anodenreihen über die gesamte Länge der Ofenwanne
erstreckenden Joch besteht.
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INSPECTED
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abdeckung aus sich oberhalb des Bereichs zwischen den Anoden über die gesamte Breite der Ofenwanne
erstreckenden, in einer Horizontalebene zwischen dem Anodenträger (21) und dem Kopf der Anoden (18) liegenden
Jochen besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gitter bzw. Joche aus Vollprofilen, Hohlprofilen, Platten oder Blechen bestehen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlprofile Rohre mit einem Aussendurchmesser
von 5-15 cm, vorzugsweise 7-10 cm, sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Joche Querfortsätze, vorzugsweise
von gleicher geometrischer Form wie der Jochquerschnitt, aufweisen.
10. Vorrichtung'nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abdeckung aus Eisen oder Stahl besteht.
909832/0456
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