Przedmiotem wynalazku jest sposób zmniejszania zaklócen magnetycznych w szeregu elektrolizerów umieszczonych wzdluznie o wysokim natezeniu, przeznaczonych do wytwarzania aluminium przez elektrolize tlenku glinu rozpuszczonego w roztopio¬ nym kriolicie. Stosuje sie go do zmniejszania za¬ klócen przynaleznego pola wytworzonego w kazdym elektrolizerze i sasiednich z tego samego rzedu i rzedu przylegajacego, gdy znajduje sie on w pe¬ wnej odpowiednio bliskiej odleglosci od rzedu roz¬ wazanego.Wiadomo, ze dla zmniejszenia inwestycji i zwiek¬ szenia wydajnosci, dazy sie do zwiekszenia mocy elektrolizerów, które na przestrzeni 20 lat z 100 000 amper osiagnely obecnie 200 000 amper. Wiadomo równiez, ze w elektrolizerach rozmieszczonych po¬ przecznie do osi rzedu, które maja jednakowe wy¬ miary, efekty magnetyczne sa mniejsze od spotyka¬ nych w elektrolizerach umieszczonych wzdluznie, po¬ mimo komplikacji warunków eksploatacji i pogor¬ szenia sie wynikajacych z nich warunków pracy. Z tego punktu widzenia, elelctrolizery umieszczone wzdluznie nie prezentuja takich niedogodnosci.Patent francuski nr 1143 879 udzielony na rzecz firmy „PECHINEY" podaje warunki potrzebne do zmniejszenia efektów magnetycznych w elektroli¬ zerach usytuowanych podluznie, a wiekszosc elek¬ trolizerów zbudowanych na swiecie od tamtej pory wykorzystywalo zalecane rozmieszczenie przewo¬ dów, spelniajace podwójny warunek: 10 20 25 30 dBy = imaly dz w srodku elektrolizera w którym By0 jest skladowa pozioma pola magne¬ tycznego wzdluz osi Oy, która jest os pozioma, pro- dByo stopadla do osi rzedu, a- dz jest gradientem te¬ go potencjalu wzdluz osi pionowej w srodku elek¬ trolizera.Jednakze warunki zalecane w opisie patentowym fracuskim 1.143.879 dotyczyly tylko pola poziomego i nie mialy wplywu na pole pionowe, którego war¬ tosc jest praktycznie proporcjonalna do natezenia pradu przeplywajacego przez elektrolizer.Celem wynalazku jest sposób pozwalajacy na sprawdzenie efektów magnetycznych w elektrolize¬ rach umieszczonych wzdluznie, do poziomu mniej¬ szego od spotykanego w elektrolizerach umieszczo¬ nych poprzecznie skad wynikaja znaczne oszczedno¬ sci w energii z zachowaniem korzysci eksploatacyj¬ nych odpowiadajacych rozmieszczeniu wzdluznemu.Ten cel osiagnieto przez opracowanie sposobu zmniejszania zaklócen magnetycznych w szeregu elektrolizerów o wysokim natezeniu, do wytwarza¬ nia aluminium, umieszczonych wzdluznie, z których kazdy jest zasilany pradem z poprzedzajacego go elektrolizera jednoczesnie przez czolo przednie o na¬ tezeniu a, i przez co najmniej jeden inny punkt usytuowany miedzy czolem. przednim i tylnym, a 117 122117 122 3 4 natezeniu (1 — a), w którym zgodnie z wynalaz¬ kiem, rozmieszcza sie przewody ujemne równolegle do osi Ox i przeprowadza sie je przez punkty o wspólrzednych Y i Z spelniajacych dwa równania: Y*+Z2+n Z = 0 (H2v+4a2v-2^Z2-fi/l-2aVZ+a2/va2-l) = 0 w których fi i v sa niezaleznymi wspólczynnikami natezenia zaleznymi jedynie od pólszerokosci a ukladu anodowego, wysokosci h skrzyzowania przewodów nad powierzchnia katodowa oznaczona przez xOy, i od natezenia a pradu zasilajacego czo¬ lo przednie kazdego elektrolizera.W dalszej czesci opisu przez Bx, By i Bz beda oznaczone skladowe pola magnetycznego wedlug osi Ox, Oy, Oz trójscianu prostokatnego, którego srodek O jest srodkiem plaszczyzny katodowej elektrolize¬ ra, Ox jest osia podluzna rzedu elektrolizerów, Oy — pozioma osia prostopadla do poprzedniej i Oz — osia prostopadla pionowa skierowana ku górze.Polozenie przed i za danym punktem oznacza po¬ lozenia wzgledem kierunku przeplywu pradu.Brak maszynopisu str. 4 Przedmiot wynalazku jest wyjasniony na zalaczo¬ nym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia elek- trolizer w przekroju poprzecznym przechodzacym przez punkt O, fig. 2 — schematycznie przekrój po¬ ziomy przez punkt O wzdluz elektrolizera, fig. 3 — wykres pola Bz na dlugosci dluzszego boku elektro¬ lizera, fig. 4 — ksztalt powierzchni granicznej me- tal-elektrolit wedlug rozdzialu pola Bz z fig. 3, fig. 5 — polozenie zasilania elektrolizerów umieszczo¬ nych wzdluznie, przez czolo i srodek elektrolizera, fig. 6 — polozenie zasilania elektrolizerów przez dwa czola, fig. 7, 8, 9 i 10 — wykresy pokazujace polozenie przewodu ujemnego w funkcji wspól¬ czynnika X, pradu zasilajacego przednie czolo elek¬ trolizera, fig. 11 — wykres oddzialywania pola rze¬ du sasiedniego na pole calkowite elektrolizera, po¬ dane na jego malej osi Oy, fig. 12 — polozenie prze¬ wodów kompensacyjnych pola rzedu sasiedniego w elektrolizerni zawierajacej dwa rzedy usytuowa¬ ne blisko siebie, fig. 13, 14 i 15 — wykresy poka¬ zujace polozenie przewodu ujemnego w funkcji wspólczynnika a biorac pod uwage oddzialywanie rzedu sasiedniego.Wszystkie badania dotychczasowe wykazuja waz¬ nosc pola pionowego w elektrolizerze. Niezbedne jest zwlaszcza pewne odksztalcenie powierzchni plyn¬ nego aluminium, w asymetryczna kopule, której wierzcholek jest przesuniety w kierunku czola tyl¬ nego elektrolizera, i która ma przewyzszenie moga¬ ce przekroczyc 4 centymetry w stosunku do pla¬ szczyzny odniesienia.Sily zwane silami Laplace'a, które powstaja w metalu, sa zródlem odksztalcenia granicy faz ka- piel-metaL Sily wzdluz osi Ox : f Sily wzdluz osi Oy : f (y) = jxBz — j*Bz Bx, By i B, sa trzema skladowymi pola magnetycz¬ nego B wedlug osi OxyOy, Oz; jr, jy i jE sa trzema skladowymi gestosci pradu w metalu.Objasnienie rozwiazania, elektrolizera pokazanego schematycznie na fig. 1, w kwestii efektów magne¬ tycznych bedzie ulatwione po analizie róznych skla¬ dowych tych sil. 5 Rozwazmy przekrój poziomy elektrolizera usytu¬ owanego wzdluznie (fig. 2) na poziomie punktu srodkowego O, przez który przechodza osie Ox i Oy, które dziela go na cztery czesci, i okreslimy najpierw sily podluzne równolegle do osi Ox. io Uklad sil fi (x) na równoleglej do Ox (odcieta y) w pierwszej cwiartce 1 jest: o o o Fi (x) = f fi (x) dx = Uf Bz-dx-jz/By-dx 15 -b -b "b poniewaz jy jest stale z racji zwyklego rozmieszcze¬ nia pretów katodowych o wyjsciach poprzecznych, jest wiec takie same jak jz.Tak samo bedzie w drugiej cwiartce 2: 20 +b +b +b F2 (x) = JU (x) dx = jy/ Bz-dx-jz jj By-dx o o o Jezeli Fi (x) = — F2 (x) sily na kazdej równole- 25 glej do Ox beda równe i przeciwnie skierowane.Wystarczy, aby: o +b $Bz-dx- $Bz-dx -b ° 30 i zeby o f b jJBy-dx = — $By-dx —*b o 35 Te dwa warunki sa spelnione gdy krzywe Bz i By sa antysymetryczne w stosunku do osi Oy.Przypadek pola pionowego Bz: W elektrolizerze usytuowanym podluznie krzywa Bz na kazdej rów- 40 noleglej do Ox jest antysymetryczna w stosunku do swojej wartosci w punkcie srodkowym, jak to widac na fig. 3. Wystarczy wiec doprowadzic Bz do zera na osi Oy, azeby uklad Bz byl antysyme- tryczny w stosunku do Oy. W srodku O elektroli- 45 zera, Bz (o) jest wtedy zerowe przez symetrie. Bz osiaga maximum na równoleglej do osi Ox, prze¬ chodzac przez zewnetrzny brzeg ukladu anodowego a jezeli eliminuje sie B^ w punkcie M, krzywa wartosci maksymalnych Bz bedzie takze antysyme- 50 tryczna.Jezeli Bz (M) i Bz (o) sa zerowe, to wartosc Bz na osi Oy nie przekracza 2 do 3.10-4 Tesli, dla jed¬ nego elektrolizera 100.000 amperowego, a to jest wartoscia pomijalna. 56 Zatem wartosci Bz we wszystkich punktach umie¬ szczonych symetrycznie w stosunku do Oy, sa rów¬ ne i maja przeciwny znak, a krzywa Bz na .kazdej równoleglej do Ox beda antysymetryczne. : Przypadek pola poziomego By: zachowuje sie wa- W runek By = 0 w punkcie srodkowym O przedsta¬ wiony juz w opisie patentowym francuskim - nr 1.143.879. Stwierdza sie, ze gdy By (o^ O, .wartosci By na osiach równoleglych do Oy sa minimalne i bardzo niewielkie. Krzywa By na tozdej osi jest •* wtedy równiez antysymetryczna.117 122 5 ft- W sumie, gdy dwa warunki Bz (M) i By (o) = 0 sa spelnione widac, ze na kazdej równoleglej od Ox: F1(x)= — F*(x) i 2 Fi (x) w cwiartce 1 = — 2 F2 (x) w cwiartce 2. 5 Równosc sil prowadzi do rozgraniczenia faz ka- piel-metal w ksztalcie kopuly, której wypuklosc jest minimalna.Na figurze 4 przedstawiono, w przypadku klasy- io czliego elektrolizera o natezeniu 115 000 amper i w powiazaniu z fig. 3, linia ciagla kopule o ksztalcie niesymetrycznym i znaczna wypukloscia wynoszaca do 4 cm w przypadku krzywej Bz niesymetrycznej oznaczonej linia ciagla, i kopule symetryczna o ma- 15 lej wypuklosci wynoszacej okolo 1 cm w przypad¬ ku gdy Bz jest antysymetryczne w stosunku do osi Oy, to znaczy po zastosowaniu wynalazku.Sila niesymetryczna powstaje, w pierwszym przy¬ padku, na skutek tego ,ze uklad sil dodatnich od 2o R do P, Fi (x) jest okolo trzy razy wiekszy od ukla¬ du sil ujemnych — F2 (x), od P do S.Okreslmy teraz sily poprzeczne wedlug równo¬ leglych do Óy z takimi samymi zaleznosciami jak dla F (x), otrzymujesie: 25 o o Fi (y) - jj jzBxdy — jj jxBzdy +a +a F4 (y) - ) jzBxdy —) jxBzdy o o Te sily poprzeczne sa duzo mniejsze od sil po¬ dluznych F (x) poniewaz dzialaja one na mniejsze* dlugosci okreslonej szerokoscia elektrolizera. 35 A wiec: jx w elektrolizerze prawidlowo zbudowa¬ nym jest zerowe, a jz jest stala.W elektrolizerze usytuowanym wzdluznie, którego przewody sa zazwyczaj rozmieszczone symetrycznie w stosunku do plaszczyzny xOz, Bx jest antysyme- 40 tryczne w stosunku do Ox. Wynika z tego, ze: Fi (y) = — F4 (y) i ze 2 Fi (y) w cwiartce 1 = — 2 Fy (y) w cwiart¬ ce4. 45 Mozna stwierdzic, ze jezeli zbuduje sie elektroli- zer, w którym By(o) i Bz(M) = 0 to: Zmniejsza sie wartosc pól maksymalnych, które dla J*z i By sa umieszczone na obwodzie elektrolizera. Sily X»apla- ce'a beda minimalne, równe i przeciwnie skiero- M wane w stosunku do osi Ox i Oy. Wyniknie z tego "powierzchnia graniczna faz elektrolit-warstwa alu¬ minium plynnego, stabilna i praktycznie pozioma.Moze byc równiez korzystne spelnienie warunku dodatkowego odnosnie skladowej By w srodku, któ- 55 ry jest: dByp (srodek) _ dz " Chociaz ten gradient jest na ogól dosyc maly, eo w miare, gdy rózne warunki sa zgodne miedzy so¬ ba, mozna starac sie doprowadzic -igo takze do war¬ tosci mozliwie najblizszej zera, co doprowadzi w e- fekcie do wyeliminowania By na calej grubosci war¬ stwy plynnego metalu, która.jest mala i która zmie- »5 nia sie tylko o kilka centymetrów w stosunku, do poziomu sredniego, Zadaniem do rozwiazania tak postawionym sta¬ nowiacym przedmiot wynalazku, jest sposób spel- 5 nienia dwóch warunków By(o) i BZ(M) = 0 i ewen- dByo tualnie trzeciego warunku ¦— = 0, polegajacy na dz szczególnym rozmieszczeniu laczacych przewodów rózne elektrolizery jednego szeregu, w którym sa 10 one rozmieszczone podluznie, biorac pod uwage po¬ nadto wplyw pola magnetycznego sasiedniego rze¬ du, gdy dwa rzedy sa umieszczone w dostatecznie malej odleglosci, azeby ten wplyw nie mógl byc juz pominiety.Wynalazek jest stosowany do elektrolizerów roz¬ mieszczonych wzdluznie, zasilanych badz przez dwa czola, badz przez czolo przednie i co najmniej jed¬ no wejscie boczne z kazdej strony.Na ogól, przewody ujemne laczace elektrolizery, sa rozmieszczone symetrycznie w stosunku do pla¬ szczyzny srodkowej xOz. Powolujac sie na fig. 1 przez Y i Z beda oznaczone wspólrzedne tych prze¬ wodów w plaszczyznie xOz.Sposób polega wówczas na tym, ze przewody ujemne sa rozmieszczone równolegle do osi Ox i przechodza w przyblizeniu przez punkty, których wspólrzedne Y i Z spelniaja pierwszy uklad rów¬ nan umozliwiajacy spelnienie dwóch warunków By(o) = 0 i BZ(M) = 0, albo, co prowadzi do tego samego, BZ(M) jest antysymetryczne w stosunku do osi Oy. Sposób ten równiez polega na tym, ze da¬ zy sie do tego azeby wspólrzedne Y i Z spelnialy co najmniej w przyblizeniu, trzecie równanie umo¬ zliwiajace spelnienie dodatkowego warunku dBy0 = 0 albo co najmniej zblizaly sie do niego dz mozliwie najbardziej, w miare, gdy rozwiazania sa zgodne ze soba.Ponadto, zgodnie z inna cecha wynalazku, oprócz poprzednich warunków, pole rzedu sasiedniego Jest kompensowane za pomoca dodatkowego przewodu umieszczonego -wzdluz ikazdego rzedu, w którym plynie prad staly w kierunku przeciwnym do kie¬ runku przeplywu pradu w tym rzedzie, i którego natezenie jest obliczone przez rozwiazanie ukladu równan biorac pod uwage wplywy magnetyczne na kazdy elektrolizer.Zbada sie kolejno przypadek szeregu zawieraja¬ cego dwa rzedy elektrolizerów dostatecznie odda¬ lone aby nie wprowadzac wplywu rzedu sasiednie¬ go, a nastepnie przypadek, w którym jest wplyw rzedu sasiedniego, przy czym w obydwu przypad¬ kach beda stosowana elektrolizery klasyczne zasi¬ lane przez dwa czola i .elektrolizery zasilane przez czolo przednie i wejscia centralne, takie, jajcie zo¬ staly omówione w opisie patentowym RFN DOS nr 2801650, i których konstrukcja jest -przywolana na fig. 5 dla przypadku wejscia centralnego z kazdej strony.Przez a oznaczono prad zasilajacy czolo przednie A, a przez (1—a) prad zasilajacy czolo tylne B al¬ bo wejscia boczne, zaleznie od przypadku (fig. 5 i 6).Bedzie teraz okreslone polozenie przewodów uje¬ mnych w funkcji parametru a. 20 25 38 35 40 45 90 55 60117 122 7 8 Aby uproscic obliczenia, bada sie jakie powinno byc stale natezenie pradu w przewodzie, który u- mieszczony w miejscu skrzyzowania przewodów z jednej strony, i obok kazdej ujemniej elektrody zbiorczej z drugiej strony, wytworzylby z nimi ta- 5 kie samo pole magnetyczne. Znajdzie sie wówczas natezenia zwane równowaznymi przedstawione po¬ nizej tablicy I, które sa wazne tylko dla punktów usytuowanych w plaszczyznie srodkowej yOz. 10 Tablica I Natezenie równowazne w: Elektrolizer z wejsciami centralnymi (fig. 5) a I w czole A (1—a) na wejsciach centralnych Elektrolizery klasyczne (fig. 6) a I w czole A 1 (1-a) I w czole B Praktycznie a zmienia sie dosyc malo i moze np. wynosic 1,20 m na 1 elektrolizer o natezeniu pra¬ du 100.000 amperów i 1,50 m na elektrolizer o na¬ tezeniu pradu 200.000 amperów. Powyzej tej war¬ tosci a nie wzrasta ze wzgledów technologicznych.Przyklad I. Powyzsze rezultaty zostaly zasto¬ sowane do szeregu elektrolizerów o natezeniu 100.000 amper z wejsciami centralnymi, dla którego h (wy¬ sokosc pradu wirowego powyzej plaszczyzny xOy) = 1,77 m i a (pólszerokosc ukladu anodowego) = = 1,75, zawierajacego na kazdym dluzszym boku, 11 wyjsciowych pretów katodowych. W tych wa¬ runkach, a moze zmieniac sie tylko o wielkosc 1/11.Mozna równiez rozwazyc zmiany ciagle wartosci a oddzialywujac na rezystancje elektryczna przewo¬ dów laczacych.Rozwazono szesc watosci a: 2/fll = (0,182); 3/11 = = (0,273); 4/11 = (0,364); 5/J11 = (0,455); 6/11 = (0,545); i 7/11 = (0,636).Zastosowanie wzorów (1) do (59) daje nastepuja¬ ce wyniki: skrzyzowanie przewodów ujemna elektroda zbiorcza 0,5a I (0,5—0,25 a) I (a-0,5) I (0,75—0,5a) I Rozpatrzony zostanie teraz przypadek szeregu za¬ wierajacego jeden tylko rzad albo dwa rzedy do¬ statecznie oddalone od siebie azeby nie bylo miedzy nimi wzajemnego oddzialywania magnetycznego.W przypadku pierwszym, elektrolizery sa zasilane przez czolo i wejscia centralne (fig. 5).Spelnienie warunku Byo = 0 Byo dla skrzyzowania przewodów: 2X0,5 al-ki al-ki h h jest to wzór, w którym ki jest doswiadczalnym wspólczynnikiem, który biorac pod uwage fakt, ze prad wirowy powstaje praktycznie w dwóch ramio¬ nach i w nieciaglosci powstalej w przerwie miedzy pradami wirowymi kazdego elektrolizera jednego rzedu, ki jest prawie zawsze bliskie 0,9 i zacho¬ wamy te wartosc w dalszym ciagu opisu, h jest wysokoscia skrzyzowania przewodów nad plaszczy¬ zna odniesienia xOy, byo dla ujemnej elektrody zbiorczej 1 = byo, dla ujemnej elektrody zbiorczej 2 = 2 (0,5-0,25 a) I |/y*+z* (1-0,5 a) I-Z | Y2+Z2 VY*+Z2 Byo jest równe: by0 (skrzyzowanie przewodów) + yo (elektroda zbiorcza 1) +byo (elektroda zbior¬ cza 2) i powinno byc równe 0, badz: (1-0,5 q)I-Z 0,9 a = 0 Y*+Z2 2h i (6) sa niezalezne od natezenia pradu w miare jak a i h, które maja wplyw na \i i v sa stale. W efek¬ cie h, które jest wysokoscia skrzyzowania przewo¬ dów nie zalezy od wielkosci elektrolizerów, aa które jest polowa szerokosci ukladu anodowego mo¬ ze sie nie zmieniac jezeli zwiekszy sie wymiary elektrolizerów przez proste wydluzenie ukladu ano¬ dowego wzdluz osi Ox. 40 50 55 60 65 Tablica 2 25 30 (X 0,182 0,273 0,364 0,455 0,546 0,636 cecha ±Y w m 6,00 4,38 3,38 2,68 2,14 1,66 cecha Z w m -2,04 -1,80 -1,57 -1,35 -1,11 -0,81 Znak + oznacza, ze ta cecha jest wazna dla przewodów ujemnych umieszczonych z kazdej stro¬ ny elektrolizera. Te wartosci zostaly naniesione na wykres na fig. 7, który jest wynikiem pólprzekro- ju poprzecznego elektrolizera usytuowanego wzdlu¬ znie, przechodzacy przez punkt srodkowy 0. Linie zakreskowane oznaczaja wymiary zewnetrzne wan¬ ny.Stwierdzono, ze dla wartosci a wiekszych od 0,55, przewody powinny znajdowac sie wewnatrz elek¬ trolizera. Ze wzgledów ekonomicznych i wymiarów zewnetrznych mozna wiec wybierac wartosc a mie¬ dzy 0,35 i 0,55.Bedzie teraz zbadana mozliwosc spelnienia jed¬ noczesnego dwóch warunków: dByo dz = 0 i Byo = 0 BZ(M) = 0 i Byo = 0 i stwierdzic czy rozwiazania dadza sie pogodzic ze soba co najmniej w przyblizeniu, i czy trzy wa¬ runki moga byc spelnione jednoczesnie: Warunek Byo = 0 narzuca Z*+Y2+nZ = 0 albo Y2 = -yZ-Z2 ... (6A) Podstawiajac wartosc Y2 do (6) otrzyma sie: -liZ-Z*-Z* 1 (-LiZ)* = uh117 122 9 10 —tjih badz rozwiazujac: Z = — "... (7) u +2h Wprowadzajac te wartosc Z do równania (6A) znajduje sie Y. Mozna wiec wyznaczyc na wykre¬ sie, krzywe (Y, Z) = f(a), które spelniaja z jednej dByp strony- dz = 0 i Byo, a z drugiej strony BZ(M) = = 0, oraz mozna zobaczyc czy ich granica faz da¬ je, dla danego polozenia przewodu, wartosc mo¬ zliwa do zaakceptowania. io Przyklad II. Szuka sie spelnienia jednoczes¬ nego trzech warunków: dByo —¦ - = 0, Byo = 0, BZ(M) = 0 dz 15 Dodaje sie do tablicy I dla ulatwienia wyznacze¬ nia krzywej, Y, Z = f (a) spelniajacej BZ(M) = 0 i By0 ^ 0, wartosc a = 0,6, która daje Y = 1,86 i Z = -0,98.Nastepnie wyznacza sie krzywa Y, Z = f (a) spel- 20 dByo niajaca dwa równania = 0 i Byo = 0 Otrzy- dz muje sie: Na wykresie (fig. 9), stwierdza sie, ze krzywe YZ = f(a) sa bardzo bliskie dla 100.000 amper i 200.000 amper ale wartosc a — 0,546 prowadzi do niemozliwosci geometrycznej. Obydwie krzywe be¬ da zreszta zgodne, jezeli zwiekszenie natezenia pra¬ du zostaloby osiagniete przez samo wydluzenie ka¬ tody. W rzeczywistosci anody takze poszerzono zmieniajac wspólczynnik a. W przeciwnym razie a i h sa stale, i bedzie podobnie dla n i v, a rów¬ nanie (5) bedzie niezalezne od natezenia, zas krzy¬ we Y,Z = f (a) bylyby identyczne.W przypadku elektrolizerów klasycznych (fig. 6) zasilanych przez dwa czola od strony skrzyzowania przewodów, nie ma rzedu sasiedniego. Przednie czo¬ lo A otrzymalo natezenie pradu a I. Tylne czolo B otrzymalo natezenie (1 —a) I. Obliczenie jest iden¬ tyczne ale natezenie równowazne (tablica I) skrzy¬ zowania przewodów i elektrod ujemnych sa rózne, a nowe wartosci \l' i v' sa nastepujace: (1,5-a) 2h k!(2a-l) albo z ki = 0,9; ... (8) ^ = (l,5a) 2h 0,9(2a-l) Tablica 3 1 a 0,182 0,273 0,364 0,456 0,546 0,6 0,636 ±Y 5,22 3,91 3,10 2,53 2,10 1,86 1,77 Z -1,49 -1,38 -1,26 -1,16 -1,06 -0,98 -0,96 1 Widac, ze dwie krzywe przecinaja sie w punk¬ cie przeciecia wspólrzednych Y = 1,96, Z = —1,01.Punkt ten odpowiada polozeniu przewodu we¬ wnatrz wanny, ale praktycznie mozna wziac punkt sasiedni, na zewnatrz wanny. Obydwie krzywe od¬ chylaja sie nieco, ale rozwiazanie pozostaje jeszcze do przyjecia.Przyklad III. Zostaly zastosowane te same wyniki do elektrolizera o natezeniu pradu 200.000 amper, dla którego h = 1,77 m, a = 1,50, posiada¬ jacego takze 11 pretów katodowych na kazdym wiekszym boku. Otrzymuje sie nastepujace warto¬ sci: Tablica 4 25 30 35 40 45 50 55 -(2«-l)K1 a 0,182 0,273 0,364 0,455 0,546 ±Y 6,36 4,58 3,48 2,69 1,99 Z -2,34 -2,01 -1,70 1 -1,36 -0,91 1 2(a2+h2)(l,5-a) ,_ -0,9(2a-l) 2 (a2+h2) (1,5-a) albo z ki = 0,9; ... (9) Równania (10) i (11) sa wiec identyczne z (2) i (5): Y2 +Z2+^'Z = 0 ... (10) (M-V+4a2v'-2) Z2-^' (l-2a2 v') Z+a2 (v'a2-l) = = 0 ... (U) Przyklad IV. W funkcji powyzszych wyników zostalo okreslone polozenie przewodów ujemnych dla elektrolizerów klasycznych o natezeniu 100.000 amper, ze skrzyzowaniem przewodów zasilanych przez dwa czola, przy czym h = 1,77 m i a = 1,175 m, i zawierajacych równiez 11 wyjsciowych pre¬ tów katodowych na kazdym wiekszym boku.Tablica 5 1 tt 6/11 = 0,546 7/11 = 0,636 0,7 8^11 = 0,725 0,8 9/11 = 0,818 cecha ±Y w m 9,44 4,38 3,07 2,68 1,86 1,66 cecha Z w m -2,29 -1,80 -1,48 -1,34 -0,95 -0,81 65 Te wartosci sa naniesione na wykres (fig. 10).Mozna stwierdzic, ze a = 0,8 prowadzi do niemo¬ zliwosci, i ze z racji ekonomicznych a wybrane zo¬ stalo miedzy 0,65 i 0,75.Rozwazy sie teraz przypadek szeregu zawieraja¬ cego dwa rzedy sasiednie w tym samym budynku.W praktyce, rozwiazaniem ekonomicznym jest zainstalowanie dwóch rzedów elektrolizerów w tym samym budynku. Wprowadza sie wtedy pole pio-11 117 122 12 nowe wymuszone w rzedzie sasiednim, dosyc jed¬ nolite có do wartosci i o tym samym znaku. Jezeli oznaczy sie przez bz dla elektrolizera, pole piono¬ we elektrolizera z jego rzedu, a przez bz dla rze¬ du sasiedniego, pole pionowe wprowadzone przez 5 rzad sasiedni, widac na wykresie fig. 11, ze jest niemozliwe jednoczesne osiagniecie: BZ(M) = bz(M) (elektrolizer) + bz(M) (rzad sasied¬ ni) = 0 i BZ(N) = bz(N) (elektrolizer) + bz(N) (rzad sasiedni) = 0 poniewaz bz(M) elektrolizer = — bz(N) 10 eletkrolizer, a ponadto bz jest amtysymetryczne w stosunku do Oy, podczas gdy bz(M) rzad sasiedni) jest w przyblizeniu równe bz(N) (rzad sasiedni) i ma ten sam znak.Na tej figurze 11 krzywa 5 przedstawia zmiane 15 bz (elektrolizera) bez rzedu sasiedniego, wzdluz MON, krzywa 6 — zmiennosc bz (rzad sasiedni) wzdluz M O N, i krzywa 7 — zmiennosc Bz (elek¬ trolizer + rzad sasiedni) wzdluz MON. Trzeba wiec skompensowac wplyw rzedu sasiedniego. 20 W tym celu stosowano juz wczesniej pewna ilosc rozwiazan znanych z opisów patentowych francus¬ kich: nr 1 079131, w którym proponuje sie utwo¬ rzenie petli elektrycznej wokól elektrolizera, nr 1 185 548 w którym zasila sie niesymetrycznie czo- 25 la A i B, podobnie jak w opisie patentowym fran¬ cuskim nr 1 586 867 albo w opisie patentowym fran¬ cuskim nr 2 333 060, gdzie proponuje sie róznico¬ we ustawienie elektrod ujemnych z kazdej strony elektrolizera. 30 Te dwa ostatnie rozwiazania zmniejszaja znacz¬ nie wplyw rzedu sasiedniego, ale nie jednolicie na calej dlugosci elektrolizera. Z drugiej strony by wytworzone przez przewód kompensacyjny w pun¬ kcie N (strona zewnetrzna), e — pole rzedu sasie- 35 dniego w punkcie M, f — pole rzedu sasiedniego w punkcie N, m — pole bz wanny bez dzialania rzedu sasiedniego.Biorac pod uwage dwa przewody kompensacyjne otrzymujesie: 40 E = -2 i- 2d + 4a + l d2 +d (4a+l)+ 4a2 +2al 2d+ 4a+l ... (12a) -2 i- d2+d(4a+l) ... (12b) Wyprowadzajac stad stosunek K E d2 + d (4a+l) K F d2+d(4a +l) +4a2+ 2al .. (120 45 50 1 i d sa wartosciami zwiazanymi z konstrukcja i praktycznie niezaleznymi od wymiarów elektroli¬ zerów. K zmienia sie wraz z a ale dosyc malo, jak to pokazuje równanie(12c). 55 Dla szeregu elektrolizerów, których odleglosc mie¬ dzy anodami 1 = 7,40 m, i w których odleglosc mie¬ dzy przewodami kompensacyjnymi i zewnetrznym brzegiem anody d = 1,80 m, znajduje sie: Dla elektrolizera o natezeniu lOO.OOG amper, gdzie **" a = 1,175, identycznego do tego z przykladów I i III* K = 0,52. Dla elektrolizera o natezeniu 200.000 amper, gdzie a = 1,5, identycznego do tego z przy¬ kladu II, K = 0,47. Mozna wiec bazowac na war¬ tosci K=^0,5. ^ w Wybiera sie nastepnie schemat elektrolizera, dla którego wartosc pola pionowego bz (bez rzedu sa¬ siedniego) jest m w punkcie M, a wiec — m w pun¬ kcie N.Okresla sie M przez równania: m +e+KF = 0 -m+f+F = 0 Stad wartosci: Kf-e m = - - ... (13a) l +k ~(a+f) 1+K (a+f)K (13b) 1+K ... (13c) e i f sa wprost proporcjonalne do i, a wartosci m E i F beda wiec równiez proporcjonalne do i. Mozna wiec okreslic 3 cechy: E' = - I , M , F m = — ; F = - I I wazne dla wszystkich elektrolizerów rozmieszczo¬ nych podluznie, biorac I wyrazone dla wygody w kiloamperach. K jest bliskie 0,5, zas równania mo¬ ga byc praktycznie zapisane nastepujaco: 0,5f- F = - (e+f) E = - (e+f) 1,5 1,5 3 Przyklad V. Dla szeregu elektrolizerów o na¬ tezeniu 100.0)00 amper, identycznych z tymi z przy¬ kladów I i II, wartosci pola pionowego stosowa¬ nego dla rzedu sasiedniego w punktach M i N, dla 1 = 7,40 i d = 1,80 m, sa odpowiednimi wartoscia¬ mi mierzonymi: e = 24,4-10"4 Tesli, f = 18,9-LO^Tesli Stad otrzymuje sie: K = 0,522 wedlug równania (12c) m' = 0,0955-10-4 T/^IOOOA wedlug równania (13a) F' = 0,284-10"4 T/^IOOOA wedlug równania (13b) E' = 0,149-10-4 T/^OOOA wedlug równania (13c) Stad oblicza sie natezenie w przewodzie kompensa¬ cyjnym wedlug równania (12a) albo (12b) i' = 226 A(1000A badz 22,6% I Sprawdza sie, ze w punktach M i N otrzymuje sie: BZ(M) = Bz(N) = 0 w punkcie M = —9,6-lp-4 T—15-10"4 T+24,4— -10"4 T = Q w punkcie N= +9,6—10"4 T—28,4-10"4 T = 0 Przyklad VI. W takich samych elektrolize- rach jak w przykladach I i III zostala zmniejszona odleglosc d do 1,20 m, przy czym to zmniejszenie jest mozliwe tylko wtedy gdy pozwala na to roz¬ mieszczenie elektrolizerów. Wynika z tego powaz¬ ne zmniejszenie natezenia „i" w przewodzie kom¬ pensacyjnym.Otrzymuje sie: K = 0,41 m' = -0,11$4-10-4 T^IOOOA F' = 0,307 • 10-4 T/1000A117 122 13 14 E' = -0,126-10"4 T/1000A i' = 169A/10O0A badz 16,9%.Sprawdza sie, ze w punktach M i N otrzymuje sie: BZ(M) = BZ(N) = O w punkcie M = -11,8-12,6 + 24,4 = O w punkcie N = +11,8-30,7 + 18,9 = 0 Jezeli wiec wykonuje sie elektrolizer, którego po¬ le m' na 1000 amperów w punkcie M jest równe 0 5f—e — w 10~4 osiaga sie pole calkowite Bz zero- 1,5-I(ka) we stosujac przewód kompensacyjny, przez który przeplywa prad i, który bedzie funkcja jego od¬ leglosci od brzegu zewnetrznego anody.Jezeli poprawia sie dawny szereg ze wzgledu na bezpieczenstwo i wymiary zewnetrzne, d bedzie bliskie 1,80 m, a natezenie i przewodu kompensa¬ cyjnego bedzie w tym przypadku równe 22,6% pra¬ du I danego szeregu.Wprzypadku nowego szeregu, d mogloby byc mniejsze poniewaz przewód móglby byc umieszczo¬ ny w rowku niezaleznie izolowanym od szeregu. Dla d = 1,20 prad kompensacyjny bedzie wynosil juz tylko 16,9 pradu I.W przypadku nowego szeregu, d mogloby byc mniejsze poniewaz przewód móglby byc umieszczo¬ ny w rowku niezaleznie izolowanym od szeregu.Dla d = 1,20 prad kompensacyjny bedzie wynosil juz tylko 16,9 pradu I.Sposób ten pozwala wiec na zminimalizowanie kosztu inwestycji i zuzycia przewodu kompensacyj¬ nego. Ten sposób kompensacyjny moze byc pola¬ czony ze sposobem poprzednio opisanym, w celu uzyskania Bz(m) i By(o) zerowymi.W przypadku elektrolizera z wejsciem central¬ nym (fig. 5), zasilanie skrzyzowania przewodów przez czolo A pod natezeniem a i przez wejscia central¬ ne pod natezeniem (1 —a) I, bierze sie pod uwage rzad sasiedni.W tym przypadku warunek Byo = 0 nie zmienia sie poniewaz rzad sasiedni i przewód kompensacyj¬ ny sa w przyblizeniu w plaszczyznie metalu, i nie maja one wplywu na By. Otrzymuje sie wiec takie same równania jak (2) i (5) z przypadku pierwszego.Z2+Y2+jaZ = 0 ... (14) (l-0,5a)2h (l-0,5a)2h przy \i: =y. albo= —; ... (15) Kja 0,9a Natomiast warunek BZ(M) jest zmieniony: otrzymuje sie: bz(M) skrzyzowania przewodów + bz(M) elektrody 1 + bz(M) elektrody 2 = m Wracajac do tego samego rachunku jak w przy¬ padku pierwszym znajduje sie: kia_ Z2-Y2+a2 m ~ a+h2 v _^_ (Z2+Y2+a2)2+4a2Z2 l-0,5a 2a podstawiajac , kia ..¦. f .¦ 0,9a»a m (a*+h*y m— (a*+h*)- vi= badz dla ki = 0,9= —- (l-0,5a)2a (l~0,5a) 2a otrzymuje sie: Z2~Y2+a2 _ (Z2+Y2-a2)2+4a2Z2 ~ V * 5 Obliczajac wartosc Y2 z równania (14) otrzymuje sie równanie drugiego stopnia: ([Al2vl+4a2vl-2^Z2-^l/l-2a2vi (Z+a2) via2-l) = = 0 ... (16) 10 to równanie jest identyczne z równaniem (5) z przy¬ padku pierwszego bez rzedu sasiedniego, dla no¬ wego wspólczynnika vi. To równanie umozliwia wy¬ liczenie Z, które przenosi sie do równania (14) w ce¬ lu otrzymania Y. 15 Przyklad VII. Rozwaza sie teraz elektrolize- ry o natezeniu 100.000 amperów identyczne z przy¬ toczonymi w przykladzie I i III, umieszczone w bu¬ dynku w dwóch rzedach, z odlegloscia miedzy ano¬ dami 1 = 7,40 i przewodem kompensacyjnym umie- 20 szczonym w odleglosci d = 1,80 m jak w przykla¬ dzie IV. Obliczenia dokonuje sie w ten sam spo¬ sób i tymi samymi zalozeniami dla a: Tablica 6 a 0,182 0,273 1 0,364 0,455 0,546 +Y w (m) 3,83 3,26 2,76 2,31 1,90 Z w (m) -0,78 -0,92 -0,96 -0,92 -0,81 Na figurze 13 krzywa 13 narysowana linia prze¬ rywana odpowiada rozwiazaniu z przypadku pier¬ wszego, zas krzywa 14 narysowana linia ciagla od¬ powiada rozwiazaniu uwzgledniajacemu rzad sasie¬ dni.Stwierdza sie, ze z racji praktycznych i ekono¬ micznych wybiera sie a zawarte miedzy 0,35 i 0,50.Przyklad VIII. Rozwaza sie elektrolizery o natezeniu 200.000 amper, identyczne z wymienio¬ nymi w przykladach I i III ale umieszczone w dwóch rzedach w budynku, przy odleglosci mie¬ dzy anodami 1 = 7,40 i przewodniku kompensacyj¬ nym umieszczonym w odleglosci 1,80 m jak w przy¬ kladzie V.Otrzymuje sie w ten sam sposób wartosci y i z, które sa naniesione na wykresie fig. 14. 55 Tablica 7 a 0,091 0,182 0,273 0,364 1 0,455 ±Y 5,01 4,24 3,54 2,92 2,35 Z -0,62 -0,92 -1,10 -1,10 -0,96117 122 15 16 W przypadku elektrolizerów klasycznych (fig. 6) zawierajacych skrzyzowanie przewodów zasilane przez czolo przednie A pradem o natezeniu a I, i przez czolo tylne B pradem (I—a) I, uwzglednia sie wplyw rzedu sasiedniego.Obliczenie jest identyczne jak w przypadku pier¬ wszym, ale natezenia równowazne skrzyzowania przewodów i elektrod ujemnych, sa rózne. Otrzyma sie nowe wartosci dla wspólczynników \jl i v.Spelnienie warunku By(o) = 0 M-i = (1,5-a) 2h M2a-1) lub (1,5-a) 2h 0,9(2a-l) ... (17) Rzad sasiedni ani przewód kompensacyjny usy¬ tuowany w plaszczyznie xOy metalu nie wplywa¬ ja naByo.Otrzymuje sie: Y*+Z*+nZ = 0 ... (9) Spelnienie warunku BZ(M) = 0: Nowa wartosc v'i wynosi: (2a-l)kia aH-h* Vi = (1,5-a) 2a badz dla ki = 0,9 0,9(2cc-l)a a2+h* (1,5-a) 2a Równanie (19) dajace z jest takie samo jak (16) z nowymi wartosciami \i\ i v'i: (*i'i v'i2+4aV!-2 (Z2-^) l-2a2 \a' (Z+a2) v'i a2-l) = = 0 ... (19) Przyklad IX. Rozwaza sie teraz elektrolizery klasyczne (fig. 6) o natezeniu 100.000 amperów, iden¬ tyczne do tych z przykladu IV, umieszczone w dwóch rzedach, w tym samym budymku, zachowu¬ jac odleglosc miedzy anodami równej 7,40 m, i u- maeisizozajaic przewód kompensacyjny w odleglosci d — 1,80 m (jak w przykladzie V).'Otrzymuje sie podobnie jak w przypadkach po¬ przednich wartosci Y i Z, które sa naniesione na wykres, fig. 15.Tablica 8 a fil ±Y 4,50 3,33 2,36 Z -0,50 -0,97 -0,97 Z tych róznych przykladów wynika, uwzglednia¬ jac rozwaznia praktyczne i ekonomiczne, które pro¬ wadza do tego, ze nie mozna przeprowadzic prze¬ wodów w przesadnej odleglosci od elektrolizera ani w bezposrednim z nim kontakcie inaczej, jak tyl¬ ko przez zastosowanie wynalazku, wybierajac wspólczynnik a rozdzialu pradu, równy ajbo mniej¬ szy od 0,55 w przypadku elektrolizerów zasilanych przez czolo i co najmniej jedno wejscie centralne z kazdej strony, a korzystnie zawarty miedzy 0,45 10 15 20 25 30 40 45 50 55 60 65 i 0,55, oraz równy albo mniejszy od 0,75 w przypad¬ ku elektrolizerów klasycznych zasilanych przez dwa czola, korzystnie zawarty miedzy 0,75 i 0,65.Zastrzezenia patentowe 1. Sposób zmniejszania zaklócen magnetycznych w szeregu elektrolizerów o wysokim natezeniu, do wytwarzania aluminium, umieszczonych wzdluznie, z których kazdy jest zasilany pradem z poprzedza¬ jacego go elektrolizera jednoczesnie przez czolo przednie o natezeniu a, i przez co najmniej jeden inny punkt usytuowany miedzy czolem przednim i tylnym o natezeniu (1—a), znamienny tym, ze roz¬ mieszcza sie przewody ujemne równolegle do osi Ox i przeprowadza sie je przez punkty o wspólrze¬ dnych Y i Z spelniajacych dwa równania: Y2+Z2+^Z = 0 (li2v+4a2v-2/JZ2-ix/l-2a2/Z+a2/va2-l) = 0, w których fi i v sa niezaleznymi wspólczynnikami natezenia zaleznymi jedynie od pólszerokosci a ukladu anodowego, wysokosci h skrzyzowania przewodów nad powierzchnia katodowa oznaczona przez xOy i od natezenia a pradu zasilajacego czo¬ lo przednie kazdego elektrolizera. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze przeprowadza sie przewody ujemne przez wspólrze¬ dne Y i Z spelniajace korzystnie trzecie równanie: Y*-Z« _ 1 3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze czolo przednie elektrolizera zasilanego pradem przez dwa czola, zasila sie pradem o natezeniu a stano¬ wiacym czesc calkowitego natezenia, przy czym wspólczynniki \i i v umozliwiajace ustalenie polo¬ zenia przewodów ujemnych, sa okreslone przez za¬ leznosci: (1,5-a) 2h ^~ 0,9(2a-l) -0,9(2a-l) 2(a2+h2)l,5a 4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze czolo przednie elektrolizera zasilanego pradem przez to czolo i co najmniej jedno wejscie centralne z ka¬ zdej strcny, zasila sie pradem o natezeniu a sta¬ nowiacym czesc calkowitego natezenia, przy czym wspólczynniki \k i v umozliwiajace ustalenie poloze¬ nia przewodów ujemnych sa okreslone przez zalez¬ nosci: (l-0,5a)2h \i= 0,9 -0,9a 2(a2+h2) (l-0,5a) 5. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wybiera sie wspólczynnik a rozdzialu pradu rów¬ ny albo mniejszy od 0,55, a korzystnie zawarty mie¬ dzy 0,45 i 0,55 dla elektrolizerów zasilanych przez czolo przednie i co najmniej jedno wejscie central¬ ne z kazdej strony, oraz równy albo mniejszy od 0,75, a korzystnie zawarty miedzy 0,75 i 0,65 dla elektrolizerów klasycznych zasilanych przez dwa czolar117 122 Fig. 1 1 b y b n ? 1 M R , 0 , 0 „ lx . o N ^^-4 ^~^—~i u 1 iBz [w 10* Tesli] Fig. 4117 122 Fig. 5 Fig. 6 w[m] Y^w[m] 45 4 3;5 3 2;5 ? 15 1 Qg oC« 0,273 0,5 1,5 Fig. 7 w[m] 05 '0 J0,5 w[m] <*• 0,182 .oC»0.636 oC-0,273 ot-0,364 T*»0,6 cL* C\l&*///////s///, W i.s Fig. 8117122 Z* w[m] \ 5 4.5 4 3.5 3 2,5 2 1,5 1 05 w[m] I ^.0j46^.a636 100 KA 200KA ct» 0,273 ^ 0.546 «6'0273 Fig.9 o |o,5 1 1.5 2 w[m] *L-0636 Fig 10 y i i M * .bz IM1 i 6 / 7 / Bz[M] bz[M] / 5 iz /^ ~7 " i 0 ' Ra.11 Bz[N] ibz[N] bz[N] N117 122 11 X 9 10 i l Y/////sy/sA M 12 Jt 2a ^0 _2o_ Fig. 12 X-0,182^.0^73 n I -*+*' *.• 0,364 w[m] j*-0,182 <*'0,273 ol-'0,364 0,455 Fig. 14 15 J2 z* w[m] L 4,5 4 315 3 2,5 2 1,5 1 0,5 -^ 1 1 i 1 1 F1 ' r- ¦— w [m] Fig.15 25 ZGK 1255/1100/82 95 egz.Cena 100,— zl PL PL PL PL