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(11) | EP 0 072 778 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Schienenanordnung für Elektrolysezellen Bus bar arrangement for electrolysis cells Disposition de barres d'amenée de courant pour électrolyseurs |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schienenanordnung zum Leiten des elektrischen Gleichstromes von den Kathodenbarrenenden einer quergestellten Elektrolysezelle zum Herstellen von Aluminium über Kathodenschienen, Verbindungsschienen und Steigleitungen zur der Zelle zugewandten Längsseite der Traverse der Folgezelle, wobei zur praktisch vollständigen Kompensation des magnetischen Eigenfeldes der Zelle die an den stromauf liegenden Kathodenbarrenenden über Kathodenschienen angeschlossenen Verbindungsschienen unter der Zelle angeordnet sind und zu einer Verbindungsschiene der stromab liegenden Kathodenbarrenenden bzw. zu einer Steigleitung führen.
[0002] Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse 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 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 in einem Temperaturbereich von etwa 940-970° C statt.
[0003] 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 Kruste aus festem Elektrolytmaterial eingeschlagen und die Aluminimkonzentration durch Zugabe von neuer Tonerde angehoben werden.
[0004] Eine Elektrolysehalle hat mindestens zwei Reihen von längs- oder quergestellten Zellen, welche in Serie von elektrischem Gleichstrom durchflossen werden. Bei einer betrachteten Reihe von Zellen erzeugt immer mindestens eine Rückleitung eine vertikale magnetische Einstreuung, welche die erwünschte magnetische Symmetrie in einer Elektrolysezelle erheblich stört. Diese Vertikalkomponenten der magnetischen Induktion sind hauptsächlich verantwortlich für die magnetischen Effekte Metallströmung und Metallaufwölbung, weil sie vorwiegend mit den Horizontalkomponenten der Stromdichte im Metall zu magnetischen
[0005] Volumenkräften reagieren. Der Elektrolysestrom, welcher durch die Traverse, die Anodenstangen, die Anoden, den Elektrolyten, das flüssige Metall, den Kohleboden und die Kathodenbarren fliesst, erzeugt ein magnetisches Eigenfeld der Zelle mit starken Vertikalkomponenten in deren vier Ecken. Bei symmetrisch angeordneten Verbindungsschienen von den Kathodenbarrenenden einer quergestellten Elektrolysezelle zur Traverse der Folgezelle wird dieses Eigenfeld im allgemeinen von den Verbindungsschienen unterstützt.
[0006] In jüngster Zeit sind deshalb zahlreiche Anstrengungen unternommen worden, die Verbindungsschienen von quergestellten Elektrolysezellen so zu führen, dass die Vertikalkomponenten des Eigenfeldes durch diejenigen der Verbindungsschienen möglichst weitgehend kompensiert werden. Daneben ist jedoch noch der Einfluss der magnetischen Vertikalkomponenten der Rückleitung, d.h. der Nachbarzellenreihe, zu beachten. Dieser Einfluss ist zu kompensieren versucht worden, indem die Anordnung der Verbindungsschienen in bezug auf die Zellenquerachse asymmetrisch erfolgt.
[0007] In der DE-OS 26 53 643 wird das Kompensieren magnetischer Vertikalkomponenten angestrebt, indem die Enden der Kathodenbarren auf mindestens einer Längsseite der quergestellten Elektrolysezellen in verschiedener Anzahl mit zu der Traverse der folgenden Zelle führenden Schienen verbunden sind. Dies hat in bezug auf ein magnetisches Zusatzfeld denselben Einfluss wie das Durchtrennen der Kathodenschienen an einer entsprechenden Stelle.
[0008] In der US-A-3 415 724 werden quergestellte Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse beschrieben, wobei ein Teil des aus den stromauf liegenden Kathodenbarrenenden austretenden elektrischen Gleichstroms unter der Zelle durch geführt wird. Diese Kathodenbarrenenden sind im Bereich der Querachse der Elektrolysezelle angeordnet. Die übrigen stromauf liegenden Kathodenbarrenenden sind mit Schienen verbunden, die um die Zelle herum geführt werden. Der Gleichstrom aller stromauf und stromab liegenden Kathodenbarrenenden wird über vier Steigleitungen zum Anodenbalken der Folgezelle geführt. Mit dieser Anordnung soll die Stromstärke und damit die Produktionskapazität der Elektrolysezelle erhöht werden, ohne dass schädliche elektromagnetische Effekte auftreten, welche eine gute Zellenführung stören.
[0009] Im Gegensatz zu diesen beiden Vorveröffentlichungen, die in erster Linie auf die Kompensation der magnetischen Vertikalkomponenten der Rückleitung zielen, wird in der US-PS 3 969 213 versucht, das Eigenfeld der Zelle durch eine spezielle Anordnung der Verbindungsschienen zu kompensieren. Die Verbindungsschienen der US-PS 3 969 213 werden in zwei Typen unterteilt:
- Die erste Art von Verbindungsschienen nimmt den Strom von einem oder mehreren stromauf liegenden Kathodenbarrenenden über flexible Bänder ab, führt unter der Zelle durch in Richtung Querachse zu deren Mitte und von dort in Zellenlängsrichtung bis zu einer ausserhalb der Stirnseiten der Zelle liegenden gemeinsamen Verbindungsschiene, welche zur Steigleitung der Folgezelle führt.
- Die stromab liegenden Kathodenbarrenenden sind gruppenweise an eine zweite Art von Verbindungsschienen angeschlossen, welche entlang der Zellenlängsseite zur erwähnten gemeinsamen Verbindungsschiene führen.
[0010] Durch Verschiebung der Symmetrie in bezug auf die Zellenquerachse können in der US-pS 3 969 213 die magnetischen Vertikalkomponenten der Rückleitung kompensiert werden.
[0011] Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, mittels einer weiter verbesserten Schienenkonfiguration die magnetischen Vertikalkomponenten des Eigenfeldes der Zelle in den vier Ecken zu unterdrücken, indem eine Anordnung geschaffen wird, welche neben geringen Kosten für das Schienenmaterial auch einen optimal niedrigen ohmschen Gesamtwiderstand in den Verbindungsschienen zulässt und so die Betriebskosten der Zelle erniedrigt.
[0012] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in bezug auf die Zellenquerachse in jeder Zellenhälfte wenigstens je zwei einzeln oder gruppenweise über Kathodenschienen an die stromauf liegenden Kathodenbarrenenden angeschlossene Verbindungsschienen angeoränet sind, wobei
- erstens Verbindungsschienen im Bereich der Zellenguerachse vollständig unter der Zelle durch, und zu einer Steigleitung führen, und
- zweitens Verbindungsschienen zwischen der Zellenquerachse und den Stirnseiten bis in den Bereich der Zellenlängsachse unter der Zelle durch, dann auf ungefähr gleichem Niveau in Zellenlängsrichtung bis wenig über die Stirnseiten hinaus, in geringem Abstand entlang dieser Stirnseiten in Richtung der Folgezelle dann entlang der Zellenlängsseite und schliesslich über eine Verbindungsschiene zu einer Steigleitung führen.
[0013] Vorzugsweise ist eine im Bereich der Zellenlängsachse angeordnete Verbindungsschiene exakt symmetrisch in bezug auf die Ebene der Zellenlängsachse angeordnet. Bei der Anordnung von mehreren Verbindungsschienen gilt zusätzlich, dass diese bevorzugt nicht nur symmetrisch, sondern auch möglichst nahe der Zellenlängsachse angeordnet sind.
[0014] Die bis zum Bereich der Lüngsachse unter der Zelle durch und über die Stirnseiten der Zelle hinausführenden Verbindungsschienen sind wesentlich länger als die in der Mitte vollständig unter der Zelle durch führenden Verbindungsschienen. Durch entsprechende Auslegung der Schienenquerschnitte kann das Verhältnis der elektrischen Gesamtwiderstände von den Kathodenbarrenenden bis zu der Traverse der Folgezelle bestimmt und so gewählt werden, dass die gewünschte Strbmaufteilung auf die beiden Typen von Verbindungsschienen stattfindet. Das gleiche Ergebnis könnte erzeugt werden, wenn die beiden Schienentypen gleichen Querschnitt haben, aber aus Metallen mit verschiedenem elektrischen Widerstand hergestellt sind.
[0015] Sollen gleichzeitig zum Eigenfeld der Zelle auch die vertikalen magnetischen Komponenten der Rückleitung kompensiert werden, so können die Kathoden- und/oder Verbindungsschienen in bekannter Weise in bezug auf die Querachse der Zelle asymmetrisch angeordnet werden, beispielsweise wie in der DE-OS 28 41 205.
[0016] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Reihe quergestellter Elektrolysezellen zur Herstellung von Aluminium.
[0017] Der elektrische Gleichstrom fliesst von einer Elektrolysezelle 10 in der allgemeinen Stromrichtung zur Folgezelle "12. Aus einer Längsseite 14 der Elektrolysezelle 10 treten zwölf stromauf liegende Kathodenbarrenenden 16 aus. Diese sind - in bezug auf die Querachse Q der Elektrolysezellen symmetrisch - mit zwei getrennten, entlang der Zellenlängsseite 14 angeordneten Kathodenschienen 18 verbunden.
[0018] Die der Zellenquerachse Q benachbarten Enden der Kathodenschienen 18 sind über flexible Bänder mit horizontal vollständig unter der Zelle durchführenden Verbindungsschienen 20 verbunden. Ungefähr in der Mitte der Kathodenschienen 18 führen weitere flexible Bänder zu Verbindungsschienen 22 die vorerst in einem Teilstück 22A horizontal unter der Zelle durch bis in den Bereich der Zellenlängsachse L verlaufen, dann in einem zweiten Teilstück 22B in Richtung der Zellenlängsachse L auf ungefähr gleichem Niveau wenige cm bis 1 m ausserhalb der Stirnseiten 24 der Elektrolysezelle 10 führen, in einem dritten Teilstück 22C entlang der Stirnseiten verlaufen und schliesslich über ein letztes Teilstück 22D entlang der Längsseite 26 der Elektrolysezelle 10 in eine gemeinsame Verbindungsschiene 28 münden.
[0019] Die zwölf stromab liegenden Kathodenbarrenenden 30 sind ebenfalls mit zwei in bezug auf die Zellenquerachse Q symmetrischen Kathodenschienen 32 verbunden. Ein ungefähr in der Mitte der Kathodenschienen angeschlossenes Verbindungsstück 34 führt zu einer gemeinsamen Verbindungsschiene 28, die über eine Steigleitung 36 zur Traverse 38 der Folgezelle führt. Die der Zellenquerachse Q zugewandten Enden der Kathodenschienen 32 sind über eine Verbindungsschiene 42 mit einer ebenfalls zur Traverse 38 führenden Steigleitung 40 verbunden.
[0020] Sowohl die Steigleitungen 36,40 selbst als auch die zur Traverse 38 führenden Schienen 44 können als einzeln isolierte oder Verbindungsschienen paar- bzw. gruppenweise vereinigende Stromleitbarren ausgebildet sein.
[0021] Die Asymmetrie zur Kompensation des vertikalen Magnetfeldes der Nachbarzellenreihe kann erzeugt werden, indem, z.T. in bekannter Weise, mindestens zwei der paarweise angeordneten Schienen oder die Lünge der Kathodenbarrenenden unterschiedlich ausgebildet sind, beispielsweise durch
- eine unterschiedliche Anzahl von an den Kathodenschienen 18,32 angeschlossene Kathodenbarrenenden 16,30,
- einen paarweise unterschiedlichen Guerschnitt von entsprechenden Echienen,
- einen unterschiedlichen Abstand der Verbindungsschienenstücke 22C von den Stirnseiten 24 der Elektrolysezelle, und/oder
- eine unterschiedliche, jedoch punktsymmetrische Länge von in bezug auf die Zellenlängsseite gegenüberliegenden Kathodenbarrenenden 16,30 und eine dadurch sich zwangsläufig ergebende Asymmetrie der Verbindungsschienen 20, 22, 34.
dadurch gekennzeichnet, dass
in bezug auf die Zellenquerachse (Q) in jeder Zellenhälfte wenigstens je zwei einzeln oder gruppenweise über Kathodenschienen (18) an die stromauf liegenden Kathodenbarrenenden (16) angeschlossene Verbindungsschienen (20,22) angeordnet sind, wobei
- erstens Verbindungsschienen (20) im Bereich der Zellenquerachse (Q) vollständig unter der Zelle (10) durch und zu einer Steigleitung (40) führen, und
- zweitens Verbindungsschienen (22) zwischen der Zellenquerachse (Q) und den Stirnseiten (24) bis in den Bereich der Zellenlängsachse (L) unter der Zelle (10) durch, dann auf ungefähr gleichem Niveau in Zellenlängsrichtung bis wenig über die Stirnseiten (24) hinaus, in geringem Abstand entlang dieser Stirnseiten (24) in Richtung der Folgezelle (12), dann entlang der Zellenlängsseite (26) und schliesslich über eine Verbindungsschiene (28) zu einer Steigleitung (36) führen.
in relation to the cell transverse axis (Q) in each cell half there are arranged at least two connection bars (20, 22) connected individually or by groups through cathode bars (18) to the cathode bar ends (16) lying upstream, while
- firstly connection bars (20) lead in the region of the cell transverse axis (Q) completely through beneath the cell (10) and to a rising conductor (40) and
- secondly connection bars (22) lead through under the cell (10) between the cell transverse axis (Q) and the ends (24) into the region of the cell longitudinal axis (L), then at approximately the same level in the cell longitudinal direction out to a little above the ends (24), at a slight interval along these ends (24) in the direction of the following cell (12), then along the cell longitudinal side (26) and finally by way of a connection bar (28) to a rising conductor (36).
caractérisée
en ce que par rapport à l'axe transversal (Q) de la cellule, dans chaque moitié de cellule, sont disposés au moins chaque fois deux rails de liaison (20,22) reliés, individuellement ou en groupe, par l'intermédiaire des rails de cathodes (18), aux extrémités des barres de cathodes (16) situées en amont, étant précisé que
- premièrement, des rails de liaison (20) passent, au voisinage de l'axe transversal (Q) de la cellule, entièrement sous la cellule (6) et conduisent à un conducteur montant (40), et que
- deuxièmement, des rails de liaison (22) passent sous la cellule (10) entre l'axe transversal (Q) de la cellule et les côtés frontaux (24), jusqu'au voisinage de l'axe longitudinal (L) de la cellule; puis passent, à peu près au même niveau, selon la direction longitudinale de la cellule, jusqu'à un peu au-delà des côtés frontaux (24); puis passent à faible distance le long de ces côtés frontaux (24), en direction de la cellule suivante (12); puis passent le long du côté longitudinal (26) de la cellule et conduisent enfin, par l'intermédiaire d'un rail de liaison (28), jusqu'à un conducteur montant (36).