Asymmetrische Schienenanordnung für Elektrolysezellen

Abstract

 Bei längsgestellten Elektrolysezellen, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, fallen hohe Investitions-und Betriebskosten für Schienenanordnung außerhalb der Zelle an. Die erzeugten Magnetfelder bewirken außerdem die Ausbildung von Metallströmungen.
Wenn mindestens die in Stromrichtung (I) letzten Kathodenbarrenenden beidseits der Elektrolysezelle (10) über Stromschienen (20) zum stromauf liegenden Ende (24) bzw. zum stromab liegenden Ende (26) geführt werden, entsteht eine Asymmetrie, welche die schädlichen Einflüsse der Magnetfelder verhindert und sowohl Investitions- als auch Betriebskosten senken hilft.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine asymmetrische Schienenanordnung zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer längsgestellten Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, über mehrere entlang der Zellenlängsseiten verlaufende, zu den Traversenenden der Folgezelle führende Stromschienen.

[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 C0₂ 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 - 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten kommt es plötzlich zum Anodeneffekt, der sich in einer Spannungserhöhung 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 (Tonerde) 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 Elektrolysezellen 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 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 zu 1 kWh/kg produziertes Aluminium liegen. Es ist deshalb wiederholt versucht worden, die Anordnung der Stromschienen in bezug auf den ohmschen Widerstand zu optimalisieren. 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 entlang der Elektro- lysezellen verlaufen. Aus diesen entlang der Längsseiten ; der Zellen verlaufenden Stromschienen wird der elektrische Strom über andere flexible Bänder und über Steigleitungen zu den beiden Enden der Traverse der Folgezelle geführt. Je nach Ofentyp variiert diese Stromverteilung zwischen dem stromauf und stromab liegenden 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 der Elektrolysehalle durchfliesst der Gleichstrom vorerst die in Serie geschalteten Zellen einer Reihe und kehrt dann in einer oder mehreren benachbarten Zellenreihen zu der speisenden Gleichrichtereinheit zurück.

[0007] Diese Rückleitung oder Rückleitungen erzeugen eine vertikale magnetische Einstreuung H , welche sich nach folgender Gesetzmässigkeit, welche generell für stromdurchflossene Leiter gilt, abschätzen lässt:

wobei I die Stromstärke in Ampere und r-der mittlere Abstand zu der Nachbarzellenreihe in m bedeutet.

[0008] Die durch Nachbarzellenreihen erzeugten Magnetfelder stören die erwünschte magnetische Symmetrie einer Elektrolysezelle erheblich, weil sie in bestimmten Bereichen der Zelle zu deren eigenen Magnetfeldern addiert, in anderen Bereichen dagegen subtrahiert werden. Der magnetische Einfluss der Nachbarzellenreihe erzeugt eine erste Strömungskomponente, eine Rotationsbewegung entlang der inneren Zellenwände, und hat besonders schädliche Auswirkungen in bezug auf die Stabilität der Elektrolysezelle. Der Drehsinn der Rotation hängt davon ab, ob die benachbarte Zellenreihe links oder rechts, bezogen auf die allgemeine Richtung des Gleichstromes, von der Zelle liegt.

[0009] Durch die Stromverteilung zwischen den Steigleitungen entsteht eine zweite Strömungskomponente, welche darin besteht, dass in jeder Zellenhälfte, in bezug auf die Längsrichtung, im Bereich des mittleren Zellendrittels, je eine Rotation entsteht, wobei die Strömungsrichtungen gegenläufig sind.

[0010] Durch die ungleiche Stromverteilung in den Stromschienen und der Traverse von einem Zellenende zum anderen entsteht in den Zellenquadranten eine dritte Strömungskomponente, die aus vier Wirbeln besteht, wobei deren diagonal gegenüberliegenden Rotationsrichtungen gleich sind.

[0011] Die Ueberlagerung dieser drei rotierenden Strömungskomponenten bewirkt, dass die Geschwindigkeit des Metalles innerhalb der Zelle stark unterschiedlich ist. Wo alle drei Rotationen in gleicher Richtung verlaufen, entsteht eine hohe Metallgeschwindigkeit, wodurch die Kohleauskleidung erodiert, und deshalb die Zelle schneller zerstört wird.

[0012] Die durch die Magnetfelder und deren Ueberlagerung im flüssigen Metall erzeugten Asymmetrien sind - zusammen mit horizontalen Stromdichtekom^ponenten - nicht nur für Metallströmungen, sondern auch für Metallaufwölbungen und Metallschwingungen verantwortlich. Da sich alle diese Phänomene nachteilig auswirken, ist es von grosser Wichtigkeit, die magnetische Feldverteilung nach Massgabe theoretischer und praktischer Erfahrungen beeinflussen zu können.

[0013] Nach dem bekannten Stand der Technik wird die asymmetrische Schienenanordnung dadurch erzeugt, dass auf den gegenüberliegenden Zellenlängsseiten eine unterschiedliche Anzahl von Kathodenbarrenenden mit den zur Folgezelle führenden Stromschienen verbunden wird, oder die Stromschienen unterschiedlich weit von den Zellenlängsseiten entfernt sind.

[0014] In der FR-PS 1 586 887 beispielsweise sind in Fig. 2 fünf Kathodenbarrenenden mit der Stromschiene 3, aber nur drei Kathodenbarrenenden mit der Stromschiene 4 verbunden. Beide Stromschienen 3 und 4 führen zum stromab liegenden Ende der Traverse der Folgezelle. Durch diese Anordnung wird eine Asymmetrie erzeugt, welche der magnetischen Einwirkung der Nachbarzellenreihe entgegenwirkt.

[0015] In Fig. 3 derselben französischen Patentschrift wird eine Anordnung gezeigt, bei welcher die Stromschienen 3 höher gelagert sind als die Stromschienen 4, was auch zu einer gewünschten Asymmetrie führt.

[0016] Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine asymmetrische Schienenanordnung für längsgestellte Elektrolysezellen, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, zu schaffen, bei welcher weniger metallisches Schienenmaterial eingesetzt werden muss und kleinere Verluste an elektrischer Energie auftreten. Diese Schienenführung soll sich insbesondere für einen wirtschaftlichen Umbau von bestehenden Elektrolysezellen eignen.

[0017] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens die in Richtung des Gleichstromes der Zellenreihe mit den beidseits der Zellenlängsachse angeordneten, letzten Kathodenbarrenenden verbundenen Stromschienen einer Zelle zu je einem stromauf bzw. stromab liegenden Ende der Traverse der Folgezellen führen.

[0018] Die Asymmetrie von Schienenanordnungen ist definiert als Unterschied zwischen der Anzahl von Kathodenbarrenenden, die auf jeder Längsseite der Elektrolysezelle an die Stromausgangsseite der Traverse der Folgezelle-angeschlossen ist, dividiert durch die Summe der Kathodenbarrenenden.

[0019] Bei der vorliegenden Erfindung wird die Asymmetrie dadurch erzeugt, dass mindestens die mit den letzten Kathodenbarrenenden verbundene, vorzugsweise von der Nachbarzellenreihe abgewandte Stromschiene zum stromauf liegenden Ende der Traverse der Folgezelle, während mindestens die mit den letzten Kathodenbarrenenden der anderen Zellenlängsseite verbundene Stromschiene zum stromab liegenden Ende der Folgezelle geführt wird. Mit anderen Worten führen die beidseits der Elektrolysezelle angeordneten, mit den letzten Kathodenbarrenenden verbundenen Stromschienen nie zum selben Ende der Traverse, sondern eine dieser Schienen immer zum stromauf liegenden Ende, die andere dieser Schienen immer zum stromab liegenden Ende.

[0020] Die Verteilung der Kathodenbarrenenden auf die den Zellen entlang geführten Stromschienen ist vorteilhaft auf beiden Längsseiten gleich, z.B. werden an auf beiden Längsseiten liegende erste Stromschienen je fünf Kathodenbarren angeschlossen, an zweite Stromschienen ebenfalls je fünf und an dritte ebenfalls auf beiden Längsseiten angeordnete Stromschienen je vier Kathodenbarrenenden.

[0021] Die Werte für die oben definierte Asymmetrie liegen zweckmässig zwischen 0,05 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2.

[0022] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

- Fig. 1 die Stromführung von den Kathodenbarrenenden einer Elektrolysezelle mit 14 Kathodenbarren zu der Traverse der Folgezelle.

- Fig. 2 die Stromführung eines Elektrolyseofens mit sechs Kathodenbarren.

- Fig. 3 die Stromführung einer Elektrolysezelle mit neun Kathodenbarren.

[0023] Die in Fig. 1 dargestellten Elektrolysezellen 10 und 12 sind aus einer Zellenreihe einer Aluminiumhütte herausgegriffen. Die allgemeine Richtung des elektrischen Gleichstromes ist mit 1 bezeichnet. Von den im Kohleboden angeordneten Kathodenbarren sind nur die Enden 14 sichtbar, welche aus den Zellen 10, 12 hinausragen.

[0024] Die nicht gezeichnete Nachbarzellenreihe verläuft nach Fig. 1 unterhalb der gezeichneten Elektrolysezelle, mit allg. Stromrichtung von rechts nach links.

[0025] Die in Stromrichtung I ersten fünf Kathodenbarrenenden 14 beidseits der Zellen 10 und 12 sind mit ersten Stromschienen 16 verbunden, die nächsten fünf Kathodenbarrenenden 14 mit zweiten Stromschienen 18 und die letzten vier Kathodenbarrenenden mit dritten Stromschienen 20.-Die ersten und zweiten Stromschienen 16, 18 führen beidseits zum stromauf liegenden Ende 24 der Traverse 22 der Folgezelle 12, von den dritten Stromschienen der Zelle 10 führt nur die in Stromrichtung I links, d.h. von der Nachbarzellenreihe abgewandt angeordnete zum stromauf liegenden Ende 24 der Traverse 22, während die in Stromrichtung rechts, d.h. der Nachbarzellenreihe zugewandt angeordnete dritte Stromschiene 20 zum stromab liegenden Ende 26 der Traverse 22 führt.

[0026] In der Ausführungsvariante nach Fig. 1 führen fünf Steigleitungen den Strom von vierundzwanzig Kathodenbarrenenden zum stromauf liegenden Ende 24 der Traverse 22, während eine Steigleitung den Strom von vier Kathodenbarrenenden zu deren stromab liegendem Ende 26 führt.

[0027] Die Asymmetrie entsteht dadurch, dass eine dritte Steigleitung 20 den Strom zum stromauf liegenden Ende 24, die andere dritte Steigleitung 20 jedoch zum stromab liegenden Ende 26 der Traverse führt. Die Asymmetrie beträgt 1/7 oder 0,14.

[0028] Mit der Schienenanordnung nach Fig. 1 werden die magnetischen Einflüsse der in Richtung des Stromes I rechts liegenden Nachbarzellenreihe, welche das flüssige Metall entlang der Borde in Rotation setzt, aufgehoben. Ebenso wird durch die Modifikation der Stromverteilung zwischen den beiden Enden der Traverse die Rotation innerhalb der Zellenhälfte, welche weiter oben als zweite Strömungskomponente bezeichnet worden ist, behoben. Es bleibt somit nur noch die dritte Strömungskomponente innerhalb der Quadranten der Elektrolysezelle.

[0029] Durch die Eliminierung von zwei die Rotationsbewegungen bewirkenden Magnetfeldern kann also die Geschwindigkeit des flüssigen Metalles vermindert werden, wodurch der Ofengang verbessert wird. Weiter kann dadurch, dass eine dritte Stromschiene 20 zum stromauf liegenden Ende 24 der Traverse 22 geführt wird, Schienenmaterial eingespart, und die Verluste an elektrischer Energie erniedrigt werden.

[0030] Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich lediglich durch eine kleinere Anzahl von Kathodenbarren (sechs statt 14) von Fig. l. In Fig. 2 ergibt sich eine Asymmetrie von 1/6 oder 0,17.

[0031] Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit neun Kathodenbarren. Zur Erzeugung einer Asymmetrie wird nicht nur die mit den in Stromrichtung letzten drei Kathodenbarrenenden verbundene, der Nachbarzellenreihe zugewandte Stromschiene 20, sondern auch die mit den mittleren drei Kathodenbarrenenden verbundene Stromschiene 18 zum stromab liegenden Traversenende 26 geführt. Die Asymmetrie beträgt 1/3 oder 0,33.

[0032] Nach einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform, führen die der Nachbarzellenreihe zugewandten Stromschienen 18 und 20 - wie in Fig. 3 dargestellt - zum stromab liegenden Traversenende 26; die von der Nachbarzellenreihe abgewandte, mit den in Stromrichtung letzten Kathodenbarrenenden verbundene Stromschiene hingegen ist nicht mit dem stromauf, sondern mit dem stromab liegenden Traversenende verbunden. Dies ergibt eine Asymmetrie von 1/6 oder 0,17.

Ansprüche

1. Asymmetrische Schienenanordnung zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer längsgestellten Elektrolysezelle, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, über mehrere entlang der Zellenlängsseiten verlaufende, zu den Traversenenden der Folgezelle führende Stromschienen,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens die in Richtung des Gleichstromes (I) der Zellenreihe mit den beidseits der Zellenlängsachse angeordneten, letzten Kathodenbarrenenden verbundenen Stromschienen (20) einer Zelle (10) zu je einem, stromauf bzw. stromab liegenden Ende (24, 26) der Traverse (22) der Folgezelle (12) führen. _

2. Schienenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den von der Nachbarzellenreihe abgewandt angeordneten, letzten Kathodenbarrenenden verbundene Stromschiene (20) zum stromauf liegenden Ende (24) der Traverse (22), die mit den der Nachbarzellenreihe zugewandt angeordneten, letzten Kathodenbarrenenden verbundene Stromschiene (20) zum stromab liegenden Traversenende (26) führt.

3. Schienenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenbarrenenden (14) auf beiden Zellenlängsseiten in gleicher Anzahl mit Stromschienen (16, 18, 20) verbunden sind.

4. Schienenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie 0,05 - 0,4 beträgt.

5. Schienenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie 0,1 - 0,2 beträgt.

6. Schienenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Elektrolysezelle mit vierzehn Kathodenbarrenenden auf jeder Längsseite die in Richtung des Gleichstromes (I) der Zellenreihe mit den letzten vier Kathodenbarrenenden der von der Nachbarzellenreihe abgewandten Längsseite verbundene Stromschiene (20) zum stromauf liegenden Ende (24) der Traverse (22) der Folgezelle (12), die in derselben Richtung mit den letzten vier Kathodenbarrenenden (14) der der Nachbarzellenreihe zugewandten Längsseite verbundene Stromschiene (20) zum stromab liegenden Ende (26) der Traverse der Folgezelle führt.

Zeichnung