图1是一电解槽系列的横剖图(先有技术)；
图2示明电解质一金属液面的Bz磁场(先有技术)；
图3示明单式与双式电解槽室的设计(先有技术)；
图4示明在电解槽头下方与旁侧的补偿(先有技术)；
图5示明电压降/重量/稳定性难题；
图6示明附加母线重量；
图7示明内部补偿份额；
图8示明行间距离影响；
图9示明拟补偿的电解槽类别；
图10示明不同组合补偿的设计；
图11示明350KA下电解槽与补偿设计(ICS，ECS与CCS)；
图12示明大型电解槽与不同的行间距离。
发明描述
本发明涉及用于工业生产铝的串联设置的相续电解槽之间进行电 连接的方法与系统，更准确地说涉及这样的导线布设，它可让横向设 置的电解槽在高于300KA直到600KA下工作而电流效率为93-97％， 同时改进了导线系统，包括槽之间的母线以及外部补偿系统中的母线 的技术性能与经济实效。
本发明是以对母线设计的已知方法的优缺点进行了新的透彻分析 为基础的。本发明采用了显然不同于先有技术的观念，利用了两种既 有补偿方法的较好特点，实现了低重量和低能耗的技术方案。
为此描述了一种可使相应结构的费用最优化以减少投资与运行成 本的系统，最后提出一种装置能补偿相邻行产生的磁场而不增加花费。 这样，对于安倍数比当前工艺水平高的电解槽，包括双电解槽室工艺， 都能适用低行间距离的设计原理。
有关将内部补偿与外部补偿相组合的通常组合形式或传统的考虑 是不能获得本发明提供的增益的，这是因为：
业已证明，在取得上述效果前线电流必须达到300KA。在上述电 流限度下的电解槽系列通常只对内部补偿有效；
母线系统的设计者必须认识到在何处将获得此增益。
通过引入外部回路而改进为组合式电解槽系列的内部补偿电解槽 系列，若仅仅是为了补偿相邻的行便不在本发明的主要范围之内，这 是因为这种设计的内部补偿方法的整个潜能彼此低估了。
此外，本发明的基础在于求出了内部补偿电流(CCS，IC)应该 在线电流的5-25％的区间内。
外部补偿电流(CCS，ES)的大小最好为线电流大的5-80％。
外部与内部补偿系统两者给环绕电解槽的母线系统附加了重量 (从而附加了成本)，但是附加重量对于这两种方法是以极其不同的方 式引入的。
外部补偿母线的重量MESC与补偿电流成正比：
$m_{\mathrm{ECS}}=I_{\mathrm{ECS}}·\frac{\delta ·l_3}{i}---\left(2\right)$
式中
IECS为外部补偿母线的电流，[KA]
(对于组合的补偿系统为ICCS，EC)
mECS为补偿母线的附加质量，[Kg]
(对于组合的补偿系统为MCCS，EC)
i为母线中的电流密度，[KA/dm2]
□为母线材料的质量密度，[Kg/dm3]
I3为从电解槽n至电解槽n+1的C-C距离，[dm]
由内部补偿法所增加的重量乃是沿上游电解槽侧壁的必须发生电 流采集的距离的函数。此附加母线的重量(MICS)由下式近似(附加 母线重量的计算，示于图6右侧)：
$m_{\mathrm{ICS}}=I_{\mathrm{ICS}}·\frac{\delta }{i}·(l_1+l_2+\frac{I_{\mathrm{ICS}}}{a}·b)---\left(3\right)$
式中
IICS为内部补偿母线中的电流
(对于组合的补偿系统为ICCS，IC)
mICS为补偿母线的附加质量
(对于组合的补偿系统为ICCS，IC)
a为从进入到集流器母线内的阴极软线所拾取的每段侧壁长度的 电流
b为常数，取决于集流器母线横剖面沿此长度的变化而在0.5与1 之间。
l1为附加上游母线的长度，垂直于整个线电流方向，除电流集流 器母线、内部补偿外[dm]
l2为附加下游母线的长度，垂直于整个线电流方向，除电流集流 器母线外、内部补偿外[dm]
上述外部补偿法的重量与电流间的线性关系以及内部补偿法的重 量与电流间的二阶关系，使得这两种方法能最好地适用于不同的补偿 电流电平。
从图6中或2与3的斜率看到，对于每电流单位增加的重量，在 低补偿电流的情形，ICC的低于ECC的，而在较高的补偿电流下情 形正相反。
用于引入CCS的自然点是在以上两式有相同的斜率处。在到达此 点之前，电镀槽应由ICS补偿，而在此点之上所需的附加补偿则应由 外部补偿完成。
方程(2)与(3)的斜率补偿能写成下述形式：
$\frac{{\partial m}_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}}{{\partial I}_{\mathrm{CCS}}}{|}_{I_{\mathrm{CCS},\mathrm{ES}}=0}>\frac{{\partial m}_{\mathrm{CCS},\mathrm{EC}}}{{\partial I}_{\mathrm{CCS}}}{|}_{I_{\mathrm{CCS},\mathrm{ES}}=0}---\left(4\right)$
对此(4)求导：
$\frac{\delta }{i}·(l_1+l_2+2·I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}·\frac{b}{a})>\frac{\delta }{i}·l_3---\left(5\right)$
化简：
$l_1+l_2+2·I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}·\frac{b}{a}>l_3---\left(6\right)$
CCS的有效范围于是在总的补偿电流ICCS满足下述条件时：
$I_{\mathrm{CCS}}>\frac{a}{2·b}(l_3-(l_1+l_2))---\left(7\right)$
此CCS的ICS部分(恒定的)于是由下式定义：
$I_{\mathrm{CCS},\mathrm{IC}}=\frac{a}{2·b}(l_3-(l_1+l_2))---\left(8\right)$
此CCS的ECS部分则由下式定义：
ICCS，EC＝ICCS-ICCS，IC          (9)
实际上，ICCS，EC的引入是在比式(5)、(6)与(7)指出的稍 高的补偿需要下进行的，这是由于以下事实：
1.ECS的引入导致附加费用，这意味着ECC在能产生经济效益 之前必须符合一定尺寸。
2.要求ESC应比ICS定位于至电解槽头更高的距离。这就会降 低ECS的效果和提高了引入极限。
研究内部补偿系统的性质时，应该认识到这种补偿方法包括固有 的成份。这些成份甚至在与外部补偿一起使用时也是优越的和有效的。
与外部补偿系统相比，内部补偿系统具有五方面的优点：
用于补偿的电流是从通过槽下的电流(线电流的一部分)减去的， 亦即减少了所需的行补偿；
通过调节线电流和在未引入附加的磁场源时，避免了对相邻行产 生不利影响的额外因素。外部补偿方法既造成了需要补偿的显著较高 的电流，又减小了扰动电流与电解槽之间的距离而结果又需额外补偿；
上游线电流必须绕过电解槽以任何方式到达下一电解槽的升降 器。在此特定方向中不需附加额外的母线重量来实施内部补偿；
在已补偿的电解槽和补偿母线之间的电位差很低，易于解决安全 问题；
在外部回路击穿时会给还原电解槽的工作稳定性带来极大危害， 而内部补偿系统就没有这种弱点，因此可以期望组合的补偿系统能较 少受到外部补偿回路击穿的影响。
在只用内部补偿方法难以解决磁稳定性时，正是上述优点使得组 合补偿优于外部补偿法。通过内部补偿处理对补偿的影响作为所需补 偿的函数示明于图7。
补偿电流的大小必须与拟补偿的磁场相关。磁场强度B是电源大 小以及至电源距离的函数。图8示明了行间距离。电流大小 (200-600KA)与需要用来中和电源(相邻的行)而形成的补偿电流 之间的关系。
对于通行的物理尺寸、电流密度与材料，ICCS，IC将终止于30KA 至70KA之间的某一数值。将这一补偿电平置于图8中，可以看到对 于专门将内部补偿法用于双电解槽室(行距约30米)时，约300KA 的线电流乃是上限。
通过采用组合补偿，对于低行间距的电解槽系列(包括双电解槽 系列)可以提高线电流的前述极限。这关系到可利用的空间价格昂贵 或无空间可利用的情形，参看图9中标记a与b。
应知Bx-分量特别是By-分量也会影响到电解槽不稳定，因而 在设计母线系统时需注意到此。
组合补偿法对于不太需要和毋需过多重视行间距的另一些应用范 围也是极好的技术方案。具有由电解槽下的母线载运着有效的部分上 游线电流的长电解槽(载运高的线电流)产生需要高的补偿电流。虽 然当行间距离变得较大时需要作适当的邻行补偿，但除需作邻行补偿 之外，还需增加行补偿电流最后需要作的总补偿则高于能有效进行只 是内部补偿的部分。于是在这种情形下，最好的技术方案是采用组合 补偿。
除稳定性、重量、母线复杂性与电压降外，此种设计必须依据“当 前工艺水平”，包括例如下述指标：
母线与阳极升降器的最大温度；
不得使电解槽作业复杂化；
阴极钢壳的通风应尽可能地自由；
必须满足SHE(安全、健康、环境)的要求；
必须为电解槽系列未来的安倍数增加留有余地。
需要指出，通过以非对称形式分布阴极电流可以进一步改进本发 明。特别是可将来自上游侧的阴极电流分布为线电流的40-50％，最 好为45～50％。这样的分布方式表明只有较少的电流必须由此母线线 系统载运到电解槽之下或之外，也即可以减少系统本身的复杂性。
附图详述
图1.先有技术电解槽系列的横剖面
此图阐释了本说明书中所用术语，其中示明一ECS。右侧的电解 槽配置成，使上游电流处在槽1之下，而使外部补偿母线处于电解槽 定着点2之内(朝向相邻行)和之外。
左侧的电解槽经简化以便较容易地计算磁场对右侧电解槽的影 响，同时计算磁场对线电流3与外部补偿4的影响。
距离R是行间距离。
图2.先有技术电解槽中电解质一液态金属液面的Bz场
示明了不受相邻行影响的，ECS中的未补偿的与已补偿的Bz场。
所有的线电流被输送到电解槽之下，而所有的行电流补偿是由电 解槽定着点内、外的外部补偿实现，类似于美国专利4713161中的图 5。
图3.单式与双式电解槽室的先有技术方案
上部的两个横剖图概示了单式电解槽室系统，而下部的一个横剖 图则为双式电解槽室系统。
单式电解槽式系统1可以布置成：
电解槽行2对向内壁；
一个电解槽行对向内壁和一个电解槽行对向外壁；
电解槽行朝向外壁。
图4先有技术中电解槽头之下和之内的补偿
示明了电解槽之内和之下的内部补偿(Bz)。
电解槽头位于7.0与-7.0米处。
图5电压降/重量/稳定性的难题
示明了有关在一行的两个相续电解槽之间设计用于其电连接的电 路时的电压降/重量/稳定性难题。
I.减小线电流或按比例增加母线重量；
II.加大线电流或按比例减小母线重量；
III.由于需要增加稳定性或是由于母线设计不良而加大补偿母线 的重量；
IV.由于牺牲了稳定性或母线设计较优而减少母线重量。
图6附加母线重量
于内部补偿系统中采集电流的区域中涉及到两种母线形状：
棱形，可使重量最小化；
正方形，可用于优化电流分布。
图7内部补偿份额
将内部补偿份额作为补偿需要的函数示明。此补偿需要的其余份 额由外部补偿完成。
图8行间距离的影响
邻行电流、行间距离与补偿电流回路间的简化关系类似于这里所 示。等电流线应视作为线电流与ECC之和。
图中只示明了对相邻行电流的补偿而未示明行电流。
在给定的线电流下，可以通过加大补偿电流或通过增大行间距离 来实现稳定工作的电解槽。
图9拟补偿的电解槽类别
重要的是应注意到以C标明的区域主要补偿行电流本身而不是补 偿相邻行。此种方法仅仅是考虑到电解槽长度(线电流)才引入。
在a区与b区更有吸引力的是从双式电解槽室切换到单式电解槽 室，而不是增添附加补偿电流。
图10不同组合补偿的设计
图10a，术语
图10b，对适当高的行电流以及短距离的相邻行(双式电解槽室) 进行补偿。
图10c，对高的行电流以及短距离的相邻行(双式电解槽室)进 行补偿。
图11.ICS、ECS与CCS在350KA下的影响。
双式电解槽室中对于350KA电解槽的ICS(上左)、ECS(上右) 与CCS(下部)的未补偿、拟补偿与已补偿的Bz场。
图12大型电解槽与不等的行间距离
此图关系到对不等行间距离布设的大型电解槽的补偿。本发明特 别是适用于这种布置形式。
实施例
双式电解槽室中350KA电解槽例。
双式电解槽室的选择可能与可利用的空间或是与准备场地费用有 关。要是存在合理费用的自由空间，选用两个单式电解槽室而不是双 式的技术方案可能较为经济。
在双式电解槽室中补偿高安倍数槽时，补偿电流本身会产生大量 的附加补偿需要，尤其是在ECS情形。这种相关性的影响使得本说明 书中的某些图(图8与9)不易看懂，因为这些图涉及到线电流与补 偿电流之和。
对于内部电解槽头恰当地表示ICS与ECS的电流与重量可减小 例子的规模。此例子依据图10b与图9中类型a的数据。图10a示明 术语，图10c示明一种450KA(类型b，图9)的形式。   类型(图10)  补偿需要*(KA)   附加母线重量(吨)   内部补偿   ICS   72   5.3   外部补偿   ECS   190   9.2   组合补偿   CCS   35+65   4.6
*用考虑到了所分析的电解槽之下和之内(包括相邻的行)母线 对Bz影响的一个简单方案进行计算。根据Biot-Savart定律，未考虑 到铁部件。
使用的边界条件：   单位   数值   线电流   I   kA   350   ％上游电流   ％   48   电解质/液态金属与电解   槽下母线间的高度   h   m   1.3   行间距离   R   m   30   电解槽长度   m   14   c-c距离，槽至槽的中心   I3   dm   60   每阴极软线电流   kA   6.3   阴极软线间距离   dm   5.8   电流密度，母线   i   kA/dm2   3.33   密度，铝   r   kA/dm3   2.7   至补偿母线*的距离   dm   1&2
*与IC母线相比，EC母线置于离开电解槽头1米以外。这是出 于安全考虑。
内部补偿系统的附加重量根据式(3)计算。
外部补偿系统的附加重量根据式(2)计算。
组合补偿系统的附加重量根据式(2)与(3)计算，电流分布如 式(9)所示。
mCCS，IC与mCCS，EC间的典型百分分布示明于图7。
此图也表明了CCS技术方案的优越性，这是因为它说明了mCCS，IC 提供了多于它份额的补偿电流，在ICS与ECS中提供了相同的电解 槽稳定水平和相同的比能损失。
在图7中，对于组合补偿技术方案的整个范围，IC保持为40KA。 例如：
50KA补偿需要给出80％的内部补偿，即40KA；
100KA补偿需要给出40％的内部补偿，即40KA。
单式电解槽室的600KA的例子
在以前的例子中，对于内电解槽头只提供了IC与EC的电流和重 量。本例依据图12中给出的数据。   类型  补偿需要*(KA)   附加母线重量(吨)   内部补偿   ICS   70   4.8   外部补偿   ECS   175   8.5   组合补偿   CCS   35+58   4.3
CCS在此优于ICS与ECS。