182914. lajstromszámú szabadalom • Eljárás nagy áramerősségű elektrolizáló kemencék sorozatában a szomszédos vonalak által indukált mágneses tér kompenzálására
1 182 914 2 A találmány tárgya eljárás nagy áramerősségű elektrolizáló kemencék sorozatában a szomszédos vonalak által indukált mágneses tér kompenzálására, a kemencesorozat tengelyére merőleges irányban. Az eljárás különösen a nagy teljesítményű alumíniumgyártásban használható, ahol alumíniumot olvasztott kriolitban oldott timföld elektrolízisével állítanak elő. Az alumíniumot ipari méretekben elektrolízis útján állítanak elő, és ehhez egymással sorbakapcsolt elektrolizáló kemencék sorozatát alkalmazzák. Ezek a kemencék 950...1000°C hőmérsékletű olvasztott kriolitban oldott timföldet tartalmaznak. A kriolit megolvasztásához szükséges energiát a kemencén átengedett áram hatására keletkezett Joule-hő biztosítja. Minden kemencében tégelyként kialakított többszögletű katód helyezkedik el, amelynek alján acélrúdból készült úgynevezett katódsínekhez illeszkedő katód széntömbök helyezkednek el. A katódsínek feladata az, hogy az áramot a katódból a következő kemence anódjába irányítsák. Az anódrendszer szintén szénből készül, és ezt anódsín továbbá felépítményi struktúra alatt helyezik el. Az anódrendszer az előző cella katódsínjére csatlakozik. Az elektrolitikus fürdő, vagyis a timföld kriolitos oldata az anódrendszer és a katód között helyezkedik el. A keletkező alumínium a katódtégely alján halmozódik fel. A folyékony alumínium mintegy 20 cm vastag rétegét a katódtégely alján mindig mozgásban tartják a kedvezőtlen hőhatások elkerülése végett. Mivel a katódtégely többszögletű, az anódokat tartó anódsínek általában a hosszabb éllel párhuzamosak, míg a rövidebb éllel párhuzamos katódsínek a kemencefejek. Az elektrolizáló kemencéket hosszirányban, vagy keresztirányban szokásos elrendezni, attól függően, hogy a vonal tengelyére a hosszabb vagy a rövidebb oldalélük párhuzamos. A kemencéket elektromosan sorbakapcsolják, és a sorozatok végei megfelelően villamos egyenirányító vagy szabályozó állomás pozitív, illetve negatív sarkaira kapcsolódnak. Minden kemencesorozat sorbakötött vonalakból áll és a vonalak száma előnyösen olyan, hogy a vezetékek hossza lehetőleg minimális legyen. A különböző vezetőkön, tehát az elektroliton, a folyékony fémen, az anódon, a katódon és a csatlakozó vezetéken folyó áram erős mágneses teret hoz létre. Ez a tér az elektrolitikus fürdőben és a tégelyben tartott megolvadt fémben úgynevezett Laplace-erőket indukál, amelyek fém mozgását kényszerítik ki és emiatt károsan befolyásolják a kemence működését. A kemencét és csatlakozó vezetékeit általában úgy alakítják ki és rendezik el, hogy a különböző kemencerészek és a csatlakozó vezetékek által keltett mágneses terek egymást kiegyenlítsék. Ebből a szempontból előnyös a kemencéket úgy kialakítani, Hogy sorozatuk az egyes katódtégelyek középvonalát tartalmazó függőleges síkkal, mint szimmetriasíkkal jellemezhető legyen. Ekkor viszont a kemencék a szomszédos vonal vagy vonalak által indukált mágneses tér hatása alá kerülnek. A „szomszédos vonal” kifejezés a tekintett vonalhoz legközelebbi vonalat jelenti, míg a „szomszédos vonal tere” kifejezés a tekintett vonallal nem egyező összes vonal által keltett eredő teret. A következőkben a szokásoknak megfelelően — az áramirány mindig a sorozatban folyó elektromos áram irányát jelenti, 2 — a Bx, By, és Bz mennyiségek a mágneses tér indukciójának összetevői egy derékszögű koordinátarendszer X-, y- és z-tengelye mentén; a koordinátarendszer 0 középpontja a kemence katódsíkjának középpontja, az x-tengely a kemence vízszintes síkjában a hossztengelyt, az y-tengely az x-tengelyre merőleges vízszintes tengelyt jelenti, míg a z-tengely a kemencére merőlegesen felfelé irányul, — a kemence belső oldala az, amelyik a szomszédos vonalhoz közelebb, azzal párhuzamosan helyezkedik el, míg a külső oldal a kemencesorozat vonala mentén a belső oldallal szemben van. A szomszédos vonalak által keltett mágneses tér kompenzálására több eljárás ismeretes. A Pechiney cég nevére lajstromozott 3 063 919 számú USA szabadalmi leírás szerint lemágnesező hurokkal kialakított eszközt helyeznek el a kemencék vonala alatt vagy két kemencevonal közötti középvonalban, és ebben visszáramot keltve csökkentik a mágneses teret. Ez a módszer ugyan hatásos, de igen hosszú vezetékekre van szükség, ami sok szempontból előnytelen. A 3 616 317 számú USA szabadalmi leírás csak hossztengelyükkel egy vonalban elrendezett kemencesorozatok esetében hatásos berendezést ismertet. A berendezés a sorozatok külső felületén elhelyezett két párhuzamos vonalú kompenzáló vezetéket tartalmaz, amelyeket a sorozatban folyó elektrolizáló áram irányához viszonyítva ellentétes irányú árammal táplálunk, és erre a célra a sorozat elektrolizáló áramerősségének mintegy 25%-át használjuk. Az Aluminium Pechiney cég nevére lajstromozott 4 072 597 és 4 090 930 számú USA szabadalmi leírások módszereket ismertetnek a szomszédos vonalak által indukált mágneses tér kompenzálására, de ezek a módszerek csak egy-egy kemencére külön-külön használhatók, az egész vonalra nem nyújtanak hatásos kiegyenlítést. Ezeknek a módszereknek különbözőségük ellenére van egy közös jellemzőjük, mégpedig az, hogy a jelenleg kialakított, 200 000 amper körüli áramerősséggel működő elektrolizáló kemencék vonalában vagy vonalaiban a szomszédos vonal vagy vonalak által keltett mágneses tér kompenzálására nem alkalmazhatók. A mágneses tér hatásának csökkentésére megoldás lehet a vonalak távolságának jelentős megnövelése, mivel ekkor a mágneses térnek a szükséges kis értékét biztosítjuk. Ez a távolságnövelés azonban számos oknál fogva nem elfogadható (területi korlátok, infrastrukturális okok, a kemencevonalak közötti vezetéktávolságokkal is növekvő beruházási költségek), ha a beruházási költségek csökkentése a cél, és egyúttal a nagy áramerősségű cellák előnyeit akaijuk kiaknázni. A jelen találmány feladata nagy áramerősségű elektrolizáló kemencék sorozatában a szomszédos vonalak által indukált mágneses tér kompenzálására szolgáló olyan eljárás kidolgozása, amellyel a kemencesorozat tengelyére merőleges irányban, mégpedig a létező teljesítmények nagy módosítása nélkül. Felismertük, hogy a feladat már egy kiegészítő vezeték alkalmazásával is megoldható, ha azt a sorozat tengelyével (az x-tengellyel) párhuzamosan a fém és fürdő határfelületének magasságában a kemencék fémedényének, vagyis a kemencét körbevevő fémtartály közvetlen szomszédságában helyezzük el és a kiegészítő vezetéken megfelelő irányban a megkívánt mértékű kompenzálás 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
