Schienenanordnung für Elektrolysezellen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schienenanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Für die Gewinnung von Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil aus Kryolith 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 Schmelze tauchen von oben an Anodenbalken bzw. Traversen befestigte Anoden ein, die bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohleanoden entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO₂ und CO verbindet. Die Elektrolyse findet im allgemeinen in einem Temperaturbereich von etwa 940 bis 970°C statt. Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid. Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise 4 bis 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die aus erstarrtem Elektrolytmaterial gebildete Kruste eingeschlagen und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe von neuem Aluminiumoxid angehoben werden.

[0003] Im normalen Betrieb wird die Elektrolysezelle üblicherweise periodisch bedient, auch wenn kein Anodeneffekt auftritt, indem die Kruste eingeschlagen und Tonerde zugegeben wird.

[0004] Im Kohleboden der Elektrolysezelle sind die Kathodenbarren eingebettet, wobei deren Enden die Elektrolysewanne auf beiden Längsseiten durchgreifen. Diese Eisenbarren sammeln den Elektrolysestrom, welcher über die ausserhalb der Zelle angeordneten Stromschienen, die Steigleitungen, die Anodenbalken bzw. Traversen und die Anodenstangen zu den Kohleanoden der Folgezelle fliesst. Durch den ohmschen Widerstand von den Kathodenbarren bis zu den Anoden der Folgezelle werden Energieverluste verursacht, die in der Grössenordnung von bis 1 kWh/kg produziertes Aluminium liegen. Es ist deshalb wiederholt versucht worden, die Anordnung der Stromschienen in bezug auf den ohmschen Widerstand zu optimieren. Dabei müssen jedoch auch die gebildeten Vertikalkomponenten der magnetischen Induktion berücksichtigt werden, welche --zusammen mit den horizontalen Stromdichtekomponenten -- im durch den Reduktionsprozess gewonnenen flüssigen Metall ein Kraftfeld erzeugen.

[0005] In einer Aluminiumhütte mit längsgestellten Elektrolysezellen erfolgt die Stromführung von Zelle zu Zelle wie folgt: Der elektrische Gleichstrom tritt aus im Kohleboden der Zelle angeordneten Kathodenbarren aus. Die Enden der Kathodenbarren sind über flexible Bänder mit den Sammel- bzw. Stromschienen verbunden, welche parallel zu der Elektrolysezellenreihe verlaufen. Aus diesen entlang der Längsseiten der Zellen verlaufenden Stromschienen wird der Strom über andere flexible Bänder und über Steigleitungen zu den beiden Enden der Traverse der Folgezelle geführt. Je nach Ofentyp variiert die Stromverteilung zwischen dem näheren und dem entfernteren Ende der Traverse, bezogen auf die allgemeine Stromrichtung der Zellenreihe, von 100/0% bis 50/50%. Mittels Schlössern sind an der Traverse die vertikalen Anodenstangen befestigt, welche die Kohleanoden tragen und mit elektrischem Strom speisen.

[0006] In magnetischer Hinsicht ist die gegenwärtig übliche Speisung mit elektrischem Gleichstrom nicht besonders günstig. Durch Ueberlagerung von drei Strömungskomponenten entstehen Bewegungen im flüssigen Metall:

• Die erste Strömungskomponente, welche im Prinzip eine Zirkulationsbewegung entlang der inneren Zellenwände ist, hat besonders schädliche Auswirkungen in bezug auf die Stabilität der Elektrolysezelle. Diese erste Komponente entsteht durch den Einfluss der benachbarten Elektrolysezellenreihe, welche den elektrischen Strom zum Gleichrichter zurückführt. Der Drehsinn der Rotation hängt davon ab, ob die benachbarten Zellenreihe links oder rechts, bezogen auf die allgemeine Richtung des Gleichstromes, von der Zelle liegt.
• Die zweite Strömungskomponente besteht darin, dass in jeder Zellenhälfte (in bezug auf die Längsrichtung) je eine Zirkularströmung entsteht, wobei die Strömungsrichtungen gegenläufig sind. Diese Rotationsart hängt von der Stromverteilung zwischen den Steigleitungen ab.
• Die dritte Strömungskomponente schliesslich besteht aus vier in den Zellenquadranten ausgebildeten Rotationen, wobei die diagonal gegenüberliegenden Rotationsrichtungen gleich sind. Diese Rotationen entstehen durch die ungleiche Stromverteilung in den Stromschienen und der Traverse von einem Zellenende zum anderen.

[0007] Die Ueberlagerung dieser drei Strömungskomponenten bewirkt, dass die Geschwindigkeit der Metallströmungen innerhalb der Zelle stark unterschiedlich ist. Wo alle drei Strömungskomponenten in gleicher Richtung verlaufen, entsteht eine hohe Metallgeschwindigkeit.

[0008] In der GB-A- 2 001 344 ist eine Schienenführung der eingangs wähnten Art offenbart.

[0009] Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Schienenanordnung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, mit der eine möglichst weitgehende Kompensation der durch die verschiedenen Stromflüsse erzeugten elektromagnetischen Kraftfelder erzielt werden kann.

[0010] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt eine Schienenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1.

[0011] Die erfindungsgemässe Schienenanordnung für längsgestellte Elektrolysezellen eignet sich für Anordnungen mit Stromstärken bis zu 170 KA.

[0012] Bei einer bevorzugten Schienenanordnung sind die Teilstromschienen unter jeder Zelle in deren Längsmitte sowie senkrecht zu deren Längsachse angeordnet und die Sammelschiene verläuft in der Längsachse der Zelle.

[0013] Zweckmässigerweise verlaufen die Teilstromschienen unter jeder Zelle zwischen Stützträgern der Kathodenwanne, wobei die Sammelstromschiene die Stützträger quert. Die Anordnung aus Teilstromschienen und Sammelstromschienen ist bevorzugt etwa in halber Höhe zur Höhe der Stützträger angeordnet.

[0014] Mit der erfindungsgemässen Stromschienenkonfiguration wird sowohl der stationäre Zustand der Zelle durch Verminderung der Niveauunterschiede der flüssigen Metalloberfläche als auch die Stabilität der Zelle im nicht-stationären Zustand durch Abnahme der Störungseinflüsse während des Zellenbetriebs verbessert.

[0015] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in

• Fig. 1   einen Querschnitt durch eine Elektrolysezelle;
• Fig. 2    das Prinzip der magnetischen Kompensation.

[0016] Eine Elektrolysezelle 10 weist gemäss Fig. 1 eine Stahlwanne 12 auf, die mit einer thermischen Isolation 14 ausgekleidet ist und einen Kohleboden 16 aufnimmt. Im Kohleboden 16 sind Kathodenbarren 18 eingebettet, deren Enden die Stahlwanne 12 auf beiden Längsseiten durchgreifen. Die Kathodenbarren 18 sind über flexible Strombänder 20 an Stromschienen 22 angeschlossen. Die Stahlwanne 12 ist in einem Abstand h zum Boden 26 angeordnet und ruht auf Stahlträgern 24.

[0017] Das Prinzip der magnetischen Kompensation durch die spezielle Stromschienenführung ergibt sich aus der Betrachtung der Fig. 2, welche die erfindungsgemässe Anordnung für eine Reihe von Elektrolysezellen 10 mit einer nominalen Stromstärke von 140 KA aufweist. Die allgemeine Richtung des elektrischen Gleichstromes ist mit I bezeichnet. Die in Fig. 2 in Klammern gesetzten Ziffern beziehen sich auf die Anzahl der Kathodenbarren, die jeweils zu einzelnen Sammelschienen zusammengeführt sind. Die Stromverteilung innerhalb einer Zelle richtet sich bei gleichem Zellentyp nach der Stromstärke. Da kein linearer Zusammenhang zwischen Stromstärke und Stromverteilung besteht, wird die Stromverteilung, d.h. die genaue Anzahl der jeweils zu einzelnen Sammelschienen zusammengeführten Kathodenbarreneinheiten, für eine bestimmte Stromdichte anhand von magnetohydrodynamischen Modellen berechnet.

[0018] Im vorliegenden Beispiel ist die Elektrolysezelle 10_n mit je 20 Kathodenbarrenenden an jeder Zellenlängsseite ausgestattet, wovon 26 Kathodenbarreneinheiten das stromauf liegende Ende des Anodenbarrens bzw. der Traverse 28 der Folgezelle 10_n+1 speisen und 14 Einheiten das stromab liegende Ende. Je 3 Kathodenbarreneinheiten von jeder Längsseite der Zelle 10_n sind zu je einer Teilstromschiene A, B zusammengefasst und entlang der Längsmitte m der Folgezelle 10_n+1 unter der Zelle zu deren Längsachse x geführt. In der Mitte der Zellenlängsachse x vereinigen sich die beiden Teilstromschienen A, B zu einer Sammelstromschiene C, die entlang der Längsachse x zum stromab liegenden Ende der Traverse 28 führt.

[0019] Die beiden Teilstromschienen A, B verlaufen zwischen den Stahlträgern 24. Die Sammelstromschiene C durchquert die Stahlträger 24 in hierfür vorgesehenen Durchbrüchen 25. Die aus den Teilstromschienen A, B sowie der Sammelstromschiene C bestehende Anordnung, die die Form eines "T" aufweist, befindet sich auf einer Höhe a über dem Boden 26, die etwa der halben Höhe h der Stahlträger 24 entspricht.

[0020] Der magnetische Einfluss der Teilstromschienen A, B sowie der Sammelstromschiene C wird durch die Nähe des Elektrolysemetalls und durch die als Folge der Stahlwanne 12 und der Stahlträger 24 vorhandenen ferromagnetischen Umgebung verstärkt. Der geringe Abstand der Teilstromschienen A, B sowie der Sammelstromschiene C zum Elektrolysemetall lässt eine Herabsetzung des Stromes durch Aufteilung der Stromschienen zu einem "T" zu. Magnetohydrodynamische Berechnungen führen im vorliegenden Fall zu den in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellten Ergebnissen.

		Stationäre Analyse			Stabilitätsanalyse
Schienenführung	Stromstärke	Vmax	Vmetal	Δh	Zuwachsfaktor
	(KA)	(cm/s)	(cm/s)	(mm)	(1/S) .10-2
ohne "T"	140	28	7.8	37	1.5
mit "T"	140	20	6.6	28	.44
Vmax = maximale Geschwindigkeit im flüssigen Metall
Vmetal = mittlere quadratische Geschwindigkeit im flüssigen Metall
Δh = Niveauunterschied der flüssigen Metalloberfläche

[0021] Die errechneten Werte zeigen deutlich die Ueberlegenheit der erfindungsgemässen Stromschienenführung in Form eines "T" im Vergleich zu einer konventionellen Schienenführung. Die wichtigste Information ergibt sich aus der Stabilitätsanalyse. Das Maximum des mit den Anregungszuständen verknüpften Zuwachsfaktors ist für die in magnetischer Hinsicht optimierte Schienenführung in Form eines "T" gegenüber der Schienenführung ohne "T" um den Faktor 3 geringer. Daraus ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Stabilität der Elektrolysezelle.

Ansprüche

1. Schienenanordnung zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer längsgestellten Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, über Stromschienen zu den Traversenenden der Folgezelle, wobei eine Stromschiene unter der Zelle in deren Längsrichtung geführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Teil der Kathodenbarrenenden an jeder Längsseite der Zelle (10_n) zu je einer Teilstromschiene (A, B) zusammengefasst ist, wobei die Teilstromschienen von den Längsseiten der Folgezelle (10_n+1) quer zu deren Längsachse (x) unter die Zelle geführt und unter der Zelle zu einer Sammelstromschiene (C) zusammengeführt sind und die Sammelstromschiene unter der Zelle in deren Längsrichtung zum stromab liegenden Ende der Traverse (28) geführt ist.

2. Schienenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstromschienen (A,B) unter jeder Zelle (10) in deren Längsmitte (m) und senkrecht zu deren Längsachse (x) angeordnet sind und die Sammelstromschiene (C) in der Längsachse (x) der Zelle verläuft.

3. Schienenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstromschienen (A,B) unter jeder Zelle (10) zwischen Stützträgern (24) der Kathodenwanne (12) verlaufen und die Sammelstromschiene (C) die Stützträger (24) quert.

4. Schienenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstromschienen (A,B) und die Sammelstromschiene (C) unter jeder Zelle (10) etwa in halber Höhe (a) zur Höhe (h) der Stützträger (24) angeordnet sind.

Claims

1. Bar arrangement for conducting direct electric current from the cathode bar ends of a longitudinally disposed electrolytic cell, in particular for the production of aluminium, via bus bars to the cross-beam ends of the following cell, a bus bar being led under the cell in the longitudinal direction thereof, characterised in that parts of the cathode bar ends on each longitudinal side of the cell (10_n) are combined to form a respective partial bus bar (A, B), the partial bus bars being led under the cell from the longitudinal sides of the following cell (10_{n + 1}) transversely to the longitudinal axis (x) thereof and being brought together under the cell to form a collecting bar (C) and the collecting bar being led under the cell in the longitudinal direction thereof to the downstream end of the cross-beam (28).

2. Bar arrangement according to claim 1, characterised in that the partial bus bars (A, B) are arranged under each cell (10) in the longitudinal centre (m) thereof and perpendicularly to the longitudinal axis (x) thereof and the collecting bar (C) extends along the longitudinal axis (x) of the cell.

3. Bar arrangement according to claim 1 or claim 2, characterised in that the partial bus bars (A, B) extend under each cell (10) between supports (24) of the cathode tank (12) and the collecting bar (C) cross-beams the supports (24).

4. Bar arrangement according to claim 3, characterised in that the partial bus bars (A, B) and the collecting bar (C) are arranged under each cell (10) at approximately half (a) the height (h) of the supports (24).

Revendications

1. Dispositif à rails servant à véhiculer le courant électrique continu depuis les extrémités d'une barre cathodique d'une cellule d'électrolyse allongée, notamment pour la fabrication d'aluminium, au moyen de rails conducteurs aboutissant aux extrémités de la traverse de la cellule suivante, un rail conducteur s'étendant au-dessus de la cellule, dans la direction longitudinale de cette dernière, caractérisé en ce
qu'une partie des extrémités de la barre porte-cathode est réunie, au niveau de chaque côté longitudinal de la cellule (10_n), à un élément de rail conducteur (A, B), les éléments de rails conducteurs s'étendant à partir des côtés longitudinaux de la cellule suivante (10_n+1) transversalement par rapport à l'axe longitudinal (x) de cette cellule, au-dessous de la cellule, et étant réunis au-dessous de la cellule pour former un rail conducteur omnibus (C), et le rail conducteur omnibus étant guidé au-dessous de la cellule, dans la direction longitudinale de cette dernière, jusqu'à l'extrémité aval de la traverse (28).

2. Dispositif à rails selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de rails conducteurs (A, B) sont disposés au-dessous de chaque cellule (10), au (m) de cette cellule dans la direction longitudinale et perpendiculairement à l'axe longitudinal (x) de cette cellule et que le rail conducteur omnibus (C) s'étend suivant l'axe longitudinal (x) de la cellule.

3. Dispositif à rails selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments de rails conducteurs (A, B) s'étendent au-dessous de chaque cellule (10) entre des supports (24) de la cuvette cathodique (12) et le rail conducteur omnibus (C) traverse le support (24).

4. Dispositif à rails selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments de rails conducteurs (A, B) et le rail conducteur omnibus (C) sont disposés au-dessous de chaque cellule (10) en étant situés à un niveau correspondant approximativement à la moitié (a) de la hauteur (h) des supports (24).

Zeichnung