184717. lajstromszámú szabadalom • Vezetékelrendezés sorbakapcsolt elektrolizáló kádak vezetékei által gerjesztett mágneses tér szimmetrizálására
1 184.717 2 A találmány tárgya vezetékelrendezés sorbakapcsolt elektrolizáló kádak vezetékei által gerjesztett mágneses tér szimmetrizálására, azaz a kádak sorára merőleges irányú erőtér-komponensek kiegyenlítésére, ahol a mágnesterek abszolút értéke az elektrolizáló kádak sarkain azonos, továbbá, amely vezetékelrendezés a sor elején lévő elektrolizáló kád anód-elektródjára csatlakozó vezetékhez, valamint a sorban hátrább lévő szomszédos elektrolizáló kád katódjára csatlakozó vezetékhez az elektrolizáló kádak két-két végén az adott elektrolizáló kád rövidebb határoló felülete melletti sarkokon azonos intenzitású mágneses teret indukáló egy-egy vezetékhurok van elhelyezve. Ismeretes, hogy az alumínium ipari előállítása fűtött elektrolizáló kádakban zajlik le, amelyeket villamosán egymással sorba kötnek. Az alumínium előállítását a kriolitban oldott timföldnek 950-1000 °C hőfokra történő felmelegítésével hajtják végre, és ezt a melegmennyiséget az elektrolizáló kádon végig haladó villamos áram Joule hőjével juttatják a kádba. Mindegyik kádban olyan katódelektróda van, amely hasábalakú és a kád olvasztó részét képezi. Az elektróda alsó részét széntömb képezi, amelybe acélrudak vannak ágyazva, amelyeket katódsineknek neveznek. A katódsínek arra a célra szolgálnak, hogy az áramot a következő sorosan kapcsolt kád anódelektródájára vezessék. Az anódelektródákat (anódrudakat) alumíniumvezetékkel és szerelvényekkel az egymás után következő kádak katódrúdjához kötik. Az anódok széntömbökből vannak kialakítva, amelyekbe acélrudakat dolgoztak be. Az acélrudak alumíniumrudakból kialakított anódrudakhoz vannak szorosan kapcsolva, amelyeket a kád olvasztó-része felett elrendezett szerkezetre rögzítenek. Az anódrudat alumíniumvezetékkel kötik a kád-sorban megelőző kád katódsínjéhez. Az anód és katód között van az elektrolizáló fürdő, azaz a kriolitban oldott timföld. Az oldatból kiváló fémalumínium a katódelektródán rakódik le, és ugyanakkor a katódon állandó alumínium réteget hagynak. Mivel a kád olvasztó része hasábalakú, az anódrudakon lévő anódelektródák általában a hossztengelyük mentén egymással párhuzamosan, a katódrudak pedig fedőlapjuk mentén, egymással szintén párhuzamosan - az elektrolizáló kád "fejét" képezve — helyezkednek el. Az elektrolizáló kádak egymás után sorban — hosszirányban vagy keresztirányban — vannak elrendezve, de mindig úgy, hogy vagy hisszirányú oldaluk, vagy a rövidebb oldaluk - a kádsor tengelyével párhuzamos. A kádak villamosán egymással sorba vannak kötve, mégpedig olymódon, hogy a soros kapcsolás kimenete egyenirányító és feszültségszabályozó alálloinás pozitív és negatív sarkaira csatlakozik. Mindenegyes kád-sorban bizonyos' számú soros leágazás van, ahol a vezetékek előnyösen páros számúak, azért, hogy a vezetékek hosszúsági mérete optimális legyen. A különböző vezető anyagú elemeken keresztülfolyó villamos áram (ezek az elemek: elektrolit, folyékony fém, anódrúd, katódrúd, kapcsolószerelvények) mágneses teret hoz létre. A kád különböző részein kialakult mágneses terek az elektrolit-fürdőben és a megolvadt fémben a Laplace (biot-Savart) törvény szerinti erőket idéznek elő, amelyek a kád üzemvitelét károsan befolyásolják. A kádat és kapcsolószerelvényeit olymódon alakították ki, hogy a kád különböző vezetőtulajdonságú részei és kapcsolószerelvényei által létrehozott mágnesterek kompenzálják egymást, ahol a kád szimmetriasíkja függőleges sík, amely a kádsor vonalával párhuzamos és áthalad a kád olvasztó részének középpontján. Ez a megoldás azonban nem küszöbölte ki azt a hátrányt, amelyet a szomszédos vezetékek által indukált zavaró mágneses terek hatása gyakorol az elektrolizáló kád működésére. A 2 333 050 számú francia szabadalom és a hozzá csatlakozó 2 343 826 számú pótszabadalom kitanítása szerint az egymással szomszédos elektrolizáló kádak vezetékei által gerjesztett mágneses tér kompenzálására olyan megoldást dolgoztak ki, hogy az elektrolizáló kád rövidebb határolólapja alatt, vagyis a kádhoz legközelebbi vezetéktők a kád legtávolabbi részén hurokáramkör van kialakítva. Ennek az áramkörnek a rendeltetése az, hogy a kád külső végén átfolyó áram egy részét a kád alatt elhelyezett vezetéken elvezesse. A találmánnyal célunk a fenti hiányosságok kiküszöbölése, azaz a sorbakapcsolt elektrolizáló kádak vezetékelrendezésének tökéletesítése, amely lényegesen jobb hatásfokkal működtethető, mint az-ismert megoldások. A találmány alapja az a felismerés, hogy a kitűzött feladat megoldódik, ha olyan vezetékelrendezést alakítunk ki, amely által gerjesztett mágneses tér függőleges irányú komponenseinek abszolút értéke az elektrolizáló kád négy sarkán azonos, azaz a másirányú komponensek kompenzálva vannak. A kitűzött feladatot a bevezetőben leírt típusú vezetékelrendezésnél úgy oldottuk meg a találmány szerint, hogy egy-egy vezetékszakaszból kialakított vezetékhurok az elektrolizáló kád rövidebb határolólapjai alatt helyezkedik el. Célszerű az olyan kiviteli alak, amelynél a kiegyenlítő vezetékhurok a sorban előbb álló elektrolizáló kád hosszabb határolólapja alatt van elhelyezve és a hátrább álló kád gyűjtővezetékére van csatlakoztatva. Annak érdekében, hogy a másirányú komponensek kompenzálva legyenek, előnyös, ha a kiegyenlítő vezetékhurkot képező vezetékszakasz a kád alatti legmagasabb vízszintes helyzetben, a kád rövidebb határolólapjával párhuzamosan van elhelyezve, ahol a kád belső és külső vezetékén átmenő sík, valamint a kád rövidebb határolólapjánál és a kádon belül lévő anód-eltróda belső élén átmenő sík a függőlegessel 45 fokos szöget zárnak be. A továbbiakban használt "elöl" és "hátul" megjelöléseket a kádak során áthaladó áram folyásának irányára vonatkoztatjuk. A “szomszédos vezeték" kifejezés alatt a vizsgált vezetékhez legközelebb álló vezeték értendő. A 'szomszédos vezeték mágneses tere" elnevezéssel a vizsgált vezeték kivételével a többi vezeték által létrehozott mágneses terek eredő mágneses terét illetjük. A szóbanforgó feladatot olyan elektrolizáló kád-sor kialakításával oldottuk meg, ahol az anódrúdra csatlakozó tápáram-vezetéket a kád rövidebb oldalán vezettük be, mégpedig olymódon, hogy az egyes kádak között szerteágazó vezetékelrendezésben folyó áram vertikális síkban osztott mágneses teret hoz létre, az alábbi ismérvek szerint (ahol a továbbiakban a H mágneses teret az önmagában ismert B = /rH összefüggés alapján a B mágneses indukcióval helyettesítve jellemezzük): 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
