[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung des Stromes von der Kathode eines
gegebenenfalls gekapselten und insbesondere quergestellten Elektrolyseofens zur Anode
eines benachbarten Elektrolyseofens über in einer Elektrolysewanne befindliche, kathodisch
geschaltete Kohleblöcke, Kathodenbarren und Stromschienen (Einzelleiter).
[0002] Bekannte Stromschienenführungen zwischen zwei quergestellten Elektrolyseöfen leiten
den Ofenstrom von den Kathodenbarren mittels Sammelschienen zu den Kathodenbarren
parallelen Seiten des Ofens und von dort über Verbindungsschienen zum benachbarten
Elektrolyseofen. In der Regel sind die Verbindungsschienen mit feststehenden oder
vertikal beweglichen Steigleitungen an dem benachbarten Ofen verbunden, über welche
der Ofenstrom der beweglich oder feststehend ausgebildeten Traverse zugeführt wird.
Von der Traverse fliesst der Ofenstrom über Anodenstangen zu den einzelnen Anoden.
[0003] Dabei sehen bekannte Vorrichtungen unterschiedlichste Möglichkeiten der Stromführung
vor. So wird z.B. der Strom sämtlicher Kathodenbarren in einer Verbindungsschiene
zusammengefasst der Steigleitung am nächsten Ofen zugeleitet. Bekannt ist auch, dass
der Strom über ein oder zwei Kathodenbarren unter dem diese Kathodenbarren beinhaltenden
Ofen hindurchgeführt und direkt der Traverse des benachbarten Ofens eingegeben wird.
[0004] Die Steigleitungen sind je nach Stromführung an den Ofenlängs-oder Ofenquerseiten
angeordnet.
[0005] Die so angelegten Stromschienenführungen weisen erhebliche Nachteile auf. Die um
die Elektrolysewanne herumgeführten Stromschienen und die Steigleitungen ergeben einen
grossen Spannungsabfall, insbesondere bei breiten Ofenkonstruktionen. Durch die an
den Ofenlängs- oder Querseiten platzierten Steigleitungen wird das Arbeiten am Ofen,
insbesondere das Auswechseln der Anoden mit den Anodenstangen, beträchtlich behindert.
Zudem tritt beim Wechsel der Anoden ein Stromverlust ein, da der Stromfluss nicht
ausgeglichen wird. Beim Kurzschliessen ergeben sich ebenfalls immer wieder Schwierigkeiten.
[0006] Weiterhin haben die kathodischen Sammelschienen den Nachteil, dass sie aus rein praktischen
Gründen nicht entsprechend der elektrotheoretisch erforderlichen Form gebaut werden.
Dies führt zu Ausgleichströmen in den Sammelschienen und auch in der Kathode bzw.
im flüssigen Bad. Diese Ausgleichströme sind unerwünscht und beeinflussen den Ofengang
negativ.
[0007] Die gleichen Ueberlegungen bezüglich der Störungen gelten auch für die Traverse,
welche als stromverteilendes Element wirkt.
[0008] Auch die weitere Stromführung von der Traverse zur Anode beinhaltet erhebliche Nachteile.
Der Aufwand zum Verbinden von Anodenstange und Anode in der Anodenanschlägerei, wie
das Stangenrichten, -reinigen und -schweissen sowie für den Transport, ist sehr hoch,
und das Hantieren sehr unfallträchtig. Ausserdem kann das Auswechseln der Anode nur
zusammen mit der Anodenstange erfolgen, was wiederum eine dichte Kapselung des Ofen
erschwert. Nicht zü übersehen ist auch der Stromverlust in der Anodenstange selbst.
[0009] Der Erfinder hat sich zum Ziel gesetzt, eine Vorrichtung zur Stromführung zwischen
zwei Elektrolyseöfen zu entwickeln, welche diese Nachteile nicht aufweist und vor
allem wirtschaftliche Vorteile erbringt.
[0010] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass unter einem Elektrolyseofen und einem benachbarten
Ofen Einzelleiter angeordnet sind, wobei die Einzelleiter unter dem Elektrolyseofen
jeden vcm benachbarten Ofen fernen Kathodenbarren mit einem dem benachbarten Ofen
zugeordneten Ausgleichsleiter und die Einzelleiter unter dem benachbarten Ofen jeden
diesem Ofen nahen Kathodenbarren des Elektrolyseofens mit dem Ausgleichsleiter verbinden.
[0011] Dabei ist auch vorgesehen, dass jeweils zwei Kathodenbarren an einem Einzelleiter
angeschlossen und so mit dem Ausgleichleiter verbunden sein können.
[0012] So wird der Ofenstrom auf dem kürzesten, praktisch realisierbaren Weg von einem Ofen
zum benachbarten Ofen geleitet.
[0013] Die querschnitts- und längengleichen Einzelleiter ergeben eine spannungsabfallgleiche
Stromschienenführung zwischen beiden Oefen, unanbhängig, ob jeder Barrenanschluss
mit einem Einzelleiter oder ob jeweils zwei auf einer Ofenlängsseite zusammengefasste
Barrenanschlüsse mit einem Einzelleiter verbunden sind.
[0014] Der Strom fliesst, mit Ausnahme während der Zeit eines Kurzschlusses an einem Ofen,
im ganzen Stromschienensystem in Hallenlängsrichtung. In der Praxis hat sich dabei
gezeigt, dass bei einem Ofen der mit ca. 160 kA Stromstärke gefahren wird und der
eine Stromschienendichte von j = 0,-3-A/mm2 aufweist, eine Energieeinsparung von ca.
0,7 kWh/kg Al gegenüber den bekannten Stromschienenführungen erreicht wird. Dies ist
wohl einer der wichtigsten Vorteile der vorliegenden Erfindung.
[0015] Bei gleicher Ofenbreite, aber unterschiedlicher Ofenlänge (verschiedene Ofengrössen
bzw. Ofenstromstärken) bleibt der Spannungsabfall immer gleich gross.
[0016] Die Nachteile der Ausgleichströme und ihre Nebenwirkungen auf den Ofengang treten
bei der neuen Stromschienenführung nicht mehr auf.
[0017] Vorteile in bezug auf die magnetische Badbeeinflussung ergeben sich insbesondere
aus dem Wegfall der kathodischen Sammelschienen auf der Ofenlängsseite, der Verbindungsschienen
an den Ofenquerseiten, der Steigleitungen, insbesondere bei der Konzentration von
kathodischen Stromschienen in den Ofenecken und der badüberspannenden Traverse. Im
Gegenteil wird das Metallbad einer gleichmässigen Beeinflussung ausgesetzt, was zu
einer Minimierung der Metallaufwölbung führt.
[0018] Die erfindungsgemässe Vorrichtung hat folgende konstruktive Vorteile:
Die Einzelleiter weisen gleiche Länge und gleiche Querschnitte auf, was zu konstruktiven
und produktionsmässigen Vereinfachungen führt.
[0019] Das Führen des Ofenstromes mit Einzelleitern unter den Oefen hindurch ergibt kleine
Schienenquerschnitte. Die erfindungsgemässe Stromschienenführung hat keinen Einfluss
auf die Einbaumöglichkeiten für Mittel-, Quer- oder Point-Feederbedienung. Beim Anodenwechsel
treten keine Behinderungen durch feststehende auf den Ofenlängsseiten oder in den
Ofenecken platzierten Steigleitungen auf.
[0020] Ein bei einem Barrenfenster auslaufender Ofen verursacht im Maximum den Ausfall von
zwei Einzelleitern.
[0021] Eine Behinderung des Schöpfvorganges durch ofenstirnseitige Steigleitungen entfällt.
[0022] Für das Auswechseln einer Kathode ist nur noch das Trennen der Kathodenbarrenanschlüsse
notwendig, da durch das Entfernen der Anoden vor dem Abheben des anodischen Teiles
die Stromzuführung zum anodischen Teil gleichzeitig unterbrochen wird.
[0023] Bei einer Stromstärke von ca. 160 kA und einer Stromdichte von j=
O,3 A/mm2 in den Stromschienen sind für die erfindungsgemässe Stromschienenführung
nur noch zur Herstellung ca. 24 Tonnen Aluminium nötig. Dies bedeutet gegenüber der
herkömmlichen Vorrichtung eine Einsparung von bis zu 35%, da die kathodischen Sammelschienen
auf der Ofenlängsseite, die kathodischen Verbindungsschienen auf der Ofenquerseite,
die Steigleitungen auf den Ofenlängs- und/oder den Ofenquerseiten und/oder den Ofenecken
entfallen.
[0024] Der oben angesprochene Ofenausgleichsleiter ist vorzugsweise ringförmig in Wannenhöhe
um den Elektrolyseofen angeordnet. Grundsätzlich bewirkt der Ausgleichsleiter, wie
der Name besagt, einen Ausgleich von Stromflussunregelmässigkeiten. Unter anderem
übt er eine direkte Wirkung auf den Stromausgleich beim Anodenwechsel beim benachbarten
Ofen aus und dient gleichzeitig als Ausgleichsleiter für die Kathode des Elektrolyseofens.
Deshalb entsteht kein Stromverlust beim Anodenwechsel.
[0025] Weiterhin dient der Ausgleichsleiter als Stromführungsschiene während des Kurzschliessens
des benachbarten Ofens. Zudem kann er zum Auflegen der Arbeitsfläche um den Ofen benützt
werden.
[0026] Als einer der wesentlichsten Vorteile ermöglicht der Ausgleichsleiter die Verbindung
mit der Anode über ein flexibles Stromband, wobei dieses vorzugsweise so nahe wie
möglich an der Anode befestigt wird. Zu diesem Zweck ist die Anode erfindungsgemäss
vorteilhafterweise mit einem stromleitenden Joch versehen, das leicht lösbar mit der
Anodenhalterung und dem Stromband verbunden wird.
[0027] Beim Anodenwechsel wird nur noch das Reststück der abgebrannten Anode mit dem Joch
von der Anodenhaltevorrichtung getrennt. Diese Anodenausbildung erleichtert den Transport
der Anode von und zur Anodenanschlägerei erheblich. Die bisher häufige Unfallursache
durch umfallende Anodenstangen fällt weg. Insgesamt wird die Handhabung der Anode
erheblich erleichtert.
[0028] Die Anodenbreite selbst wird vorzugsweise so gewählt, dass sie jeweils der doppelten
Breite eines Kohleblockelementes entspricht. Damit fliesst der Ofenstrom von zwei
Einzelleitern zu einer Anode der Folgezelle.
[0029] Diese Anodenausbildung ermöglicht es, dass die Anodenhaltevorrichtung am Ofen verbleibt
und beispielsweise an der Traverse festgelegt werden kann. So ergibt sich die Möglichkeit
einer kontinuierlichen vertikalen Auf- und Abbewegung der Anodenhalterung mittels
eines Motors, eines hydraulischen, eines pneumatischen oder dgl. Antriebes. Die vertikale
Bewegung folgt gleichmässig dem Abbrand an der Anode, so dass zwischen Anode und Kathode
immer die günstigste Interpolardistanz eingehalten wird. Damit entfällt das Anodeneinmessen.
[0030] Als Steuereinheit dieser Vertikalbewegung ist erfindungsgemäss an einen Rechner gedacht,
welcher die Stromdaten von Anode und Kathode erhält und diese mit Sollwerten vergleicht.
Steigt die Spannung über einen bestimmten Grenzwert, so wird automatisch durch Absenken
der Anode die Interpolardistanz verringert.
[0031] Ist die Anode gänzlich bzw. bis auf ein Reststück abgebrannt, wird die Anodenhalterung
motorisch vertikal nach oben in Bewegung gesetzt, wobei dieser Vorgang vorzugsweise
nach dem Herausziehen des Anodenreststückes aus der Kruste unterbrochen wird. Bei
gekapselten Oefen erhält so die Kruste Zeit sich zu schliessen, ohne dass Emissionen
in die Halle austreten. Erst wenn sich die Kruste gänzlich geschlossen hat, wird das
Anodenreststück weiter abgehoben. Da die Kapselung bei Oefen mit dieser Stromführung
und dieser Ausbildung der Anodenhaltevorrichtung günstigerweise sehr dicht sein kann,
wird die Umweltbelastung durch die Abluft auf ein Minimum reduziert. Die Kapselung
besteht dabei vorzugsweise aus mittels Scharnieren an der Traverse oder dgl. angelenkten
Platten, wobei jeder Anode eine eigene Deckplatte zugeordnet ist. Durch das Anheben
des Anodenreststückes wird diese Platte geöffnet, während der übrige Ofen weiterhin
abgedeckt bleibt.
[0032] Zum Anodenwechsel wird nun zuerst das Stromband entfernt und dann das Joch aus seiner
Verankerung mit der Anodenhaltevorrichtung gehoben.
[0033] Für die Verbindung zwischen Anodenhaltevorrichtung und Joch bzw. Stromband gibt es
vielfältige Möglichkeiten. So kann z.B. die Anodenhaltevorrichtung aus zwei axial
zueinander bzw. ineinander bewegbaren Elementen bestehen, wobei eines der Elemente
eine Einkerbung aufweist, in oder über welche das andere Element bewegt wird, womit
eine klemmende Wirkung zu erzielen ist.
[0034] Weist z.B. eine Haltestange eine Einkerbung auf, in welche das Joch der Anode und
das Stromband eingeführt wird, so hat es sich als günstig erwiesen, um die Haltestange
eine Klemmhülse mit Innengewinde zu legen. Nach dem Einlegen des Jochs und des Strombandes
wird diese Klemmhülse durch Drehbewegung über die Einkerbung bewegt und verklemmt
so Joch und Stromband.
[0035] Eine andere Haltemöglichkeit ist gegeben, wenn an der Traverse eine Hülse befestigt
wird, welche in ihrem der Traverse fernen Endbereich eine Einkerbung aufweist, in
welche Joch und Stromband gelegt werden. Durch das Einführen eines Pressholzens in
die Hülse werden Joch und Stromband fixiert.
[0036] Klemmhülse bzw. Pressbolzen können vorzugsweise mittels einer pneumatischen, hydraulischen
oder motorischen Vorrichtung bewegt werden.
[0037] Diese aufgezeigten Möglichkeiten der Verbindung zwischen Anodenhalterung und Anode
sind aber lediglich als Beispiele zu werten.
[0038] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Aus- - führungsbeispiele, sowie anhand der Zeichnung; diese
zeigt in
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Reihe von quergestellten Elektrolyseöfen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Stromführung zwischen Elektrolyseöfen
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform nach Fig. 2;
Fig. 4 ein Detail aus Figur 1;
Fig. 5 einen Querschnitt nach Linie V - V in Fig. 4
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform nach Fig. 5.
[0039] Eine Wanne 11 eines Elektrolyseofens 10, ist bodenwärtig mit Isoliermaterial 12 und
randseitig mit Kohlerandblöcken 13 ausgekleidet. Auf dem Isoliermaterial 12 lagern
kathodisch geschaltete Kohleblöcke 30, von denen der Strom über Kathodenbarren 31,
32 in Richtung x abgeleitet wird.
[0040] Auf den Kohleblöcken 30 sammelt sich aus einem Elektrolyt 14 abgeschiedenes Aluminium
15 an.
[0041] In den Elektrolyt 14 tauchen Anoden 16 ein, welche über Anodenhaltevorrichtungen
17 an einer Traverse 18 befestigt sind.
[0042] Zwischen benachbarten Anoden 16 befindet sich eine Einschlagvorrichtung 19 zum Einschlagen
von auf dem Elektrolyt gebildeter Kruste 20.
[0043] Die Wanne 11 ist mit an der Traverse 18 mittels eines klavierbandartigen Scharniers
21 angelenkten Abdeckplatte 22 gekapselt.
[0044] An die Kathodenbarren 31, 32 schliessen Einzelleiter (Stromschienen) 33, 34 an, wobei
der Einzelleiter 33 den Strom des von einem Elektorlyseofen 10a fernen Kathodenbarrens
31 unter dem Elektrolyseofen 10 hindurch, der Einzelleiter 34 den Strom von dem Elektrolyseofen
10a nahen Kathodenbarren 32 unter dem Elektrolyseofen 10a hindurch führt. Durch jeden
Einzelleiter 33, 34 fliessen somit 50% des Stromes eines kathodisch geschalteten Kohleblocks
30.
[0045] Die Einzelleiter 33, 34 sind beim Elektrolyseofen 10a mit einem diesen umschliessenden
Ausgleichsleiter 35 verbunden. Die Stromschienenführung von der Kathode des Elektrolyseofens
10 bis zum Ausgleichsleiter 35 des Ofens 10a wird für jeden Kohleblock 30 bzw. für
jeden Kathodenbarren 31, 32 des Ofens 10 vorgenommen. Wird der Ofen lOa kurzgeschlossen,
dient der Ausgleichsleiter 35 als Stromführungsschiene an den Verbundstellen 40. Weitere
Kurzschlusspunkte sind mit 42, 43 bezeichnet.
[0046] Dabei wird eine erste Abstufung der elektrischen Ofenkalzination dadurch erreicht,
dass die Einzelleiter 33, 34 an den Stellen 42, 43 kurzgeschlossen werden.
[0047] Eine zweite elektrische Abstufung für die Ofenkalzination wird durch das Kurzschliessen
des Ofens an den Verbundstellen 40 erzielt.
[0048] Vom Ausgleichsleiter 35 des Ofens lOa erfolgt die Stromzuführung zu den Anoden 16
über vorzugsweise flexibel ausgebildete Strombänder 36 und von den Anoden 16 des Ofens
lOa über dessen Kathode zu einem nächsten Ofen 10 b in beschriebener Weise.
[0049] Die Anoden 16 sind mittels eines Joches 38 an der Anodenhaltevorrichtung 17 festgelegt.
[0050] Dabei besteht die Anodenhaltevorrichtung 17 gemäss Fig. 4, 5 aus einer Haltestange
23, um welche eine Klemmhülse 24 mit Innengewinde bewegbar angeordnet ist. Das der
Anode 16 zugekehrte Ende der Haltestange 23 weist eine Einkerbung 25 auf, in welche
das Joch 38 eingehängt und das Stromband 36 eingelegt wird. Zum Festklemmen von Joch
38 und Band 36 wird die Klemmhülse 24 nach unten gedreht.
[0051] Eine weitere Möglichkeit der Festlegung von Joch 38 und Stromband 36 an der Anodenhaltevorrichtung
17 sieht gemäss Fig. 6 eine Hülse 26 mit Innengewinde vor, in der ein vorzugsweise
über einen Motor oder dgl. 27 und ein Zahnradgetriebe 28 bewegbarer Pressbolzen 29
mit Aussengewinde geführt wird. Die Hülse 26 weist eine Einkerbung 25a auf, in welche
das Joch 38 und das Stromband 36 eingelegt wird. Durch Drehen des Pressbolzens 29
werden beide festgeklemmt.
[0052] Die Anodenbreite wird vorzugsweise so gewählt, dass sie jeweils der doppelten Breite
eines Kohleblockes 30 entspricht. Damit fliesst der Ofenstrom von 2 Einzelleitern
33 bzw. 34 zu einer Anode 16.
[0053] Allerdings können auch zwei Kathodenbarren 31 bzw. 32 auf einer Ofenlängsseite des
Ofens 10 wie in Figur 3 gezeigt zusammengeschlossen und zum Ausgleichsleiter des Ofens
lOa geführt werden.
[0054] Demnach bilden jeweils zwei Kohleblöcke 30 mit je zwei Einzelleitern 33 bzw. 34 und
zwei Anoden 16 eine Einheit, welche beliebig aneinander gereiht unterschiedliche Ofen
grössen ergeben können.
[0055] Zwichen zwei Elektrolyseöfen 10 befindet sich die Arbeitsfläche 41.
1. Vorrichtung zur Führung des Stromes von der Kathode eines gegebenenfalls gekapselten
und insbesondere quergestellten Elektrolyseofens zur Anode eines benachbarten Elektrolyseofens
über in einer Elektrolysewanne befindliche kathodisch geschaltete Kohleblöcke, Kathodenbarren
und Stromschienen (Einzelleiter), dadurch gekennzeichnet, dass unter einem Elektrolyseofen
(10) und einem benachbarten Ofen (lOa) Einzelleiter (33, 34) angeordnet sind, wobei
die Einzelleiter (33) unter dem Elektrolyseofen (10) jeden vom benachbarten Ofen (lOa)
fernen Kathodenbarren (31) mit einem dem benachbarten Ofen (lOa) zugeordneten Ausgleichsleiter
(35) und die Einzelleiter (34) unter dem benachbarten Ofen (10a) jeden diesem Ofen
(lOa) nahen Kathodenbarren (32) des Elektrolyseofens (10) mit dem Ausgleichsleiter
(35) verbinden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsleiter
(35) ringförmig in Wannenhöhe um den Elektrolyseofen angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Ausgleichsleiter
(35) zu den Anoden (16) bzw. zu den über ein Joch (38) mit den Anoden (16) verbundenen
Anodenvorrichtungen (17) flexible Strombänder (36) führen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhaltevorrichtung
(17) an einer Traverse (18) festgelegt ist und beim Anodenwechsel am Ofen verbleibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenhaltevorrichtung
(17) eine Anordnung (25) zur Aufnahme des Jochs (38) und des Strombandes (36) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeanordnung
(25) aus einer Einkerbung besteht, welche ein Verklemmen von Joch (38) und Stromband
(36) zulässt.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Anodenhaltevorrichtung (17) zwei axial zueinander bzw. ineinander bewegbare
Elemente (23, 24 bzw. 26, 29) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbaren Elemente
eine Haltestange (23) und eine diese umgebende Klemmhülse (24) mit Innengewinde, oder
dass die bewegbaren Elemente eine Hülse (26) mit Innengewinde und ein in dieser geführter
Pressbolzen (29) sind.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass Haltestange (23) bzw. Hülse (26) die Anordnung (25) zur Aufnahme des Jochs (38)
und des Strombandes (36) aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmhülse (24)
bzw. der Pressbolzen (29) zum Klemmen zumindest teilweise in die Anordnung (25) eingreifen.