195261. lajstromszámú szabadalom • Szénanód alumíniumot gyártó elektrolizáló cellához
sékleti értékek adódnak. A vizsgálatok során azt tapasztaltuk, hogy az áramsűrűségnek helyileg úgy kellene növekednie, hogy közben nem lép fel a szakemberek által jól ismert biztosíték-effektus. És valóban, a viszonylag alacsony hőmérsékletű, jelentős tömegű acél közelsége gyorsan elnyeli a Joule-hatás következtében felszabaduló kalóriákat, ha az intenzitás túlságosan megnő a hengeres 3 alsó részben. Az 1. ábrán látható tehát, hogy növekszik az acél vezető hőmérséklete, a termikus veszteségek forrása vezetéssel és sugárzással közvetlenül az 1 anód felett van lokalizálva. Ennélfogva elegendő lesz ezt a zónát szigetelni, hagyományos hőszigetelő anyagok, pl. timföld vagy zúzott elektrolízis fürdő, vagy széntartalmú paszta granulátumok alkalmazásával kiküszöbölni az abban termelődött termikus veszteségek nagyobb részét, míg a hengeres acél vezető 5 felső részét és a hozzá kapcsolódó 6, 7 csatlakozásokat, melyek az acél vezetőt összekötik a 9 vezetékkel, nyugodtan szabadon lehet hagyni a levegőben, mivel hőmérsékletük nem túlságosan magas, 300°C vagy annál alacsonyabb. A csökkentett keresztmetszetű 3 alsó rész ellenállásnövekedését kompenzálni, sőt túlkompenzálni lehet úgy, hogy az acél tüske forró részének, ahol nagy a villamos ellenállás, keresztmetszetét megnöveljük. A vas villamos ellenállásának hőmérsékleti együtthatója 500°C-on ténylegesen 0,0147, ami fémek esetében kivételesen nagy érték, és a hőmérsékleti együttható maximuma körülbelül 500°C-os hőmérsékletnél van. A fentiekben kívül az acél és a szén közötti érintkezés javul, ha megnöveljük a szénbe benyúló 3 alsó rész keresztmetszetét. Javítja az érintkezést továbbá az is, hogy ebben a zónában megnő a hőmérséklet, valamint az a tény, hogy a fémrész további hőtágulása segíti ennek az érintkezésnek a javulását. Az érintkezés ilyen formán elért javulása majdnem 30%-os, összehasonlítva az ismert megoldáshoz képest, (lásd 2. ábrát). Az acél tüske elvékonyított 5 felső részének és nem elvékonyított 3 alsó részének méretei nem véletlenszerűek. Ezen részek hosszúságának és keresztmetszetének olyannak kell lenniük, hogy az eredő teljes termikus ellenállásuk azonos, vagy előnyösen kissé nagyobb legyen, mint az ismert megoldás szerinti szénanód termikus ellenállása. A méretezést szakember könnyen el tudja végezni. Az így elvégzett számítások szerint előnyös, ha az elvékonyított 5 felső rész hosszúsága nő, ha keresztmetszete közelíti az eredeti hengeres acél vezető keresztmetszetét. Ez maga után vonja az 5 felső rész hosszúságának és az 5 felső rész és a 3 alsó rész keresztmetszetének arányait is. 5 Ügy találtuk, hogy a találmány szerinti szénanód kialakítása igen előnyös, ha az 5 felső rész keresztmetszete és a 3 alsó rész keresztmetszete hányadosa egyenlő vagy kisebb mint 0,6. A csökkentett keresztmetszetű 5 felső rész hosszának legalább a hengeres acél tüske 5 felső részének teljes hosszának 35%-ával kell egyenlőnek lennie. Ilyen kialakítás mellett a teljes termikus ellenállást ki lehet egyenlíteni anélkül, hogy fellépne a biztosíték-effektus, ugyanakkor az érintkezési ellenállásban elért nyereség nagyobb, mint bármely ismert esetben a kiindulási érték 30%-a. A találmány szerinti szénanód többféle formában valósítható meg, erre mutatunk be további példákat a következőkben. A 3. ábrán az 1 anódban négy darab 2 bemélyedés van kialakítva, amelyekbe egy-egy hengeres acél vezető nyúlik bele. Az acél vezetők 200 mm magasságú és 150 mm átmérőjű 10 alsó részből és legalább 170 mm magasságú,. 11 felső részből állnak, ahol a 11 felső rész keresztmetszete a 10 alsó rész keresztmetszetének 36%-ára van lecsökkentve (átmérője 90 mm), és a 10 alsó részek öntéssel vannak a 4 szigetelésekkel ellátva. A négy darab hengeres 11 felső részt egy nagy méretű (150X80 mm-es) négyszögletes keresztmetszetű 12 keresztrúd köti össze egymással, amely 13 alumínium-vas összekötőtagon keresztül kapcsolódik egy 1.4 alumínium rúdhoz, mely utóbbi biztosítja a villamos csatlakozást az anódoldali áramsínhez (melyet nem tüntettünk fel az ábrán). A forró zónát egy timföld fürdővel szigeteljük, aminek felszínét AA’ szaggatott vonallal jeleztük (kb. 2—3 cm-rel a 10 alsó rész és a 11 felső rész csatlakozási helye felett). Egy ilyen kialakítású szénanód-szerelvényt vizsgáltunk meg működés közben egy 280,000 Amperes cellában, mely vizsgálat azt mutatta, hogy elegendő az acél vezető vastagabb 10 alsó részét néhány centriméteres vastagságban befedni timfölddel, az megfelelően erős szigetelést biztosít az anódok számára. Az ebben az esetben használt áramerősségeket az alábbi táblázatban foglaljuk össze: 12 keresztrúd (hideg zóna): 15 A/cm2 acél vezető (11 felső rész): 28 A/cm2 (10 alsó rész, forró zóna): 10 A/cm2. Ha ezt a 280,000 A-es cellát egy ismert anódszerelvénnyel működtetjük, melyben az anódok állandó nagyságú átmérője 120 mm, az anódokon mérhető feszültségesésben 30 mV-os nyereség érhető el a találmány szerinti anódok alkalmazásával. Ezt lefordítva, a cella teljesítmény-felvételében 100 kWh/t csökkenést értünk el, és az elektrolizáló berendezés üzemi feszültségét 6 195261 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
