包含由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的鋁廠的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種鋁廠（1），其包括：(i)形成一排或多排（F）的串聯(lián)的設(shè)計(jì)用于制備鋁的電解池（2），(ii)設(shè)計(jì)用于向串聯(lián)的電解池（2）提供電解電流（I1）的供電站（12），所述供電站（12）包括兩個(gè)電極，(iii)設(shè)計(jì)被電解電流（I1）流過(guò)的主電路（15），其具有兩個(gè)各自連接至供電站的（12）一個(gè)電極的末端；(iv)至少一個(gè)包含由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)被電流（I2，I3）流過(guò)的次級(jí)電路（16-17），其順著電解池（2）的一排或多排（F）布置；其特征在于，次級(jí)電路（16，17）中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體順著電解池（2）的一排或多排（F）至少布置兩次以形成串聯(lián)的若干匝。
【專(zhuān)利說(shuō)明】包含由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的鋁廠
[0001]本發(fā)明涉及鋁廠，且更具體而言涉及用于鋁廠的電導(dǎo)體系統(tǒng)。
[0002]已知工業(yè)上招可通過(guò)使用霍爾-赫勞爾特(Hall_H6roult)法由氧化招電解而制備。為此，提供具體包括鋼槽殼、耐火內(nèi)襯以及碳材料陰極的電解池，所述碳材料陰極連接至用于傳導(dǎo)電解電流的導(dǎo)體。該電解池還包括主要包含冰晶石一一其中溶解有氧化鋁——的電解浴。該霍爾-赫勞爾特法由以下步驟組成:將包含陽(yáng)極的碳?jí)K部分地浸入該電解浴中，該陽(yáng)極隨著反 應(yīng)進(jìn)行而消耗。在電解池底部形成一層液態(tài)鋁層。
[0003]一般而言，生產(chǎn)鋁的工廠具有幾百個(gè)電解池。約數(shù)百千安(培)的高電解電流通過(guò)這些電解池。
[0004]鋁廠中存在大量需要解決的問(wèn)題；這具體包括降低能耗成本、用于生產(chǎn)電導(dǎo)體的材料的成本以及減少尺寸以提高相同表面積的生產(chǎn)效率。
[0005]另一個(gè)問(wèn)題源自因電解電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)的存在。該磁場(chǎng)擾亂電解池的運(yùn)行、使其效率降低。特別是該磁場(chǎng)的垂直分量導(dǎo)致所述液態(tài)鋁層的不穩(wěn)定。
[0006]已知磁場(chǎng)的垂直分量可通過(guò)在電解池規(guī)模上補(bǔ)償磁場(chǎng)而減弱。該解決方案通過(guò)從一個(gè)池N向池N+1傳輸電解電流的導(dǎo)體的特定排列而實(shí)施。這些導(dǎo)體一通常為鋁條一圍繞池N的末端。圖1中的俯視圖示意性示出電磁場(chǎng)借助于導(dǎo)體101的排布自補(bǔ)償，所述導(dǎo)體101連接該池100至下一個(gè)下游池102。關(guān)于這一點(diǎn)，應(yīng)注意，導(dǎo)體101相對(duì)于其圍繞的池100是偏心的。磁場(chǎng)自補(bǔ)償池的實(shí)例具體已知于專(zhuān)利文獻(xiàn)FR2469475中。
[0007]該解決方案因?yàn)閷?dǎo)體的特定排布需要大量空間而帶來(lái)了許多設(shè)計(jì)局限。此外，用于實(shí)施該解決方案的過(guò)長(zhǎng)的導(dǎo)體(通常由鋁制成)長(zhǎng)度意味著高昂的材料成本并因?qū)w的電阻效應(yīng)而產(chǎn)生大量的能源損耗。
[0008]減弱磁場(chǎng)垂直分量的另一解決方案涉及使用由一個(gè)或多個(gè)金屬電導(dǎo)體形成的次級(jí)電路。該次級(jí)電路通常順著鋁廠中電解池的一個(gè)或多個(gè)對(duì)準(zhǔn)軸布置。強(qiáng)度為電解電流強(qiáng)度一定百分比的電流通過(guò)該次級(jí)電路并因此產(chǎn)生補(bǔ)償由電解電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)效應(yīng)的磁場(chǎng)。
[0009]具體而言，次級(jí)電路通過(guò)帶有電流的內(nèi)部和/或外部回路用于減弱由一排相鄰池產(chǎn)生的磁場(chǎng)效應(yīng)的用途已知于FR2425482中，所述內(nèi)部和/或外部回路的電流具有的強(qiáng)度為電解電流強(qiáng)度的約 5%_20%。從文獻(xiàn)“Application of High-Tc Superconductors inAluminum Electrolysis Plants，，by Magne Runde in IEEE Transactions on applied superconductivity, vol5, N°2, June 1995中也已知,超導(dǎo)材料用于制備所述次級(jí)電路在經(jīng)濟(jì)上不可行。
[0010]次級(jí)電路通過(guò)帶有電流的回路用于減弱由池間導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)效應(yīng)的用途已知于專(zhuān)利文獻(xiàn)EP0204647中，所述回路的電流強(qiáng)度為電解電流強(qiáng)度的約20%_70%且與電解電流同向。
[0011]然而，該解決方案在其需要大量材料(通常為鋁)以制備該次級(jí)電路方面成本昂貴。其在能量方面也是高成本的，這是因?yàn)榇渭?jí)電路需要供給電流。最后，其需要安裝大功率和大規(guī)模的供電站(或發(fā)電機(jī))。
[0012]因此，本發(fā)明具有以下目的:克服上述全部或部分缺陷以及提供鋁生產(chǎn)廠中面臨的問(wèn)題的解決方案，所述目的通過(guò)提供一種制造和運(yùn)行成本大幅降低且所需空間更小的鋁廠而實(shí)現(xiàn)。
[0013]因此，本發(fā)明涉及一種鋁廠，其包括:
[0014](i)形成一排或多排的串聯(lián)的設(shè)計(jì)用于制備鋁的電解池，
[0015](ii)設(shè)計(jì)用于向串聯(lián)的電解池提供電解電流Il的供電站，
[0016]所述供電站具有兩個(gè)電極，
[0017](iii)設(shè)計(jì)被電解電流Il流過(guò)的主電路，其具有兩個(gè)各自連接至供電站的一個(gè)電極的末端，
[0018](iv)至少一個(gè)包含由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)被電流(12，13)流過(guò)的次級(jí)電路，所述次級(jí)電路順著電解池的一排或多排布置，
[0019]其特征在于，次級(jí)電路中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體順著電解池的一排或多排至少布置兩次以形成串聯(lián)的若干匝(tour)。
[0020]至少一個(gè)由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的使用尤其使減少鋁廠的整體能量消耗成為可能，并因而降低鋁廠的運(yùn)行成本。此外，由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體因較小的尺寸而使得鋁廠內(nèi)部的可用空間能夠得到更好的管理。由于由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的質(zhì)量小于由鋁、銅或鋼制成的同等導(dǎo)體的質(zhì)量，故由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體需要更小且因而成本更低的支撐結(jié)構(gòu)。
[0021]由于由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體與常規(guī)電導(dǎo)體的連接處存在能量損失，由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體在其具有較大長(zhǎng)度時(shí)是有利的。
[0022]由超導(dǎo)體材料制成的次級(jí)電路的使用能夠減少由電解電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)槽中所含的液體的負(fù)面效應(yīng)，通過(guò)超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體保持在低于其臨界溫度時(shí)幾乎為零的電阻率實(shí)現(xiàn)能量節(jié)約。
[0023]此外，由次級(jí)電路形成的環(huán)路順著池的一排或多排布置幾次，且包含串聯(lián)的若干匝。這使得流過(guò)由超導(dǎo)體材料制成的電導(dǎo)體的電流強(qiáng)度值除以匝數(shù)成為可能，并因此降低設(shè)計(jì)用于輸送所述電流至次級(jí)電路的供電站的成本以及降低供電站的電極與由超導(dǎo)體材料制成的電導(dǎo)體的連接處的成本。
[0024] 次級(jí)電路中由超導(dǎo)體材料制成的電導(dǎo)體有利地包括單獨(dú)一個(gè)低溫套管，所述套管內(nèi)部并排通過(guò)由所述由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體所形成的匝。這樣的實(shí)施方案縮短了低溫套管的長(zhǎng)度和降低了冷卻系統(tǒng)的功率。
[0025]根據(jù)本發(fā)明鋁廠的另一個(gè)特征，次級(jí)電路中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體是柔性的且具有至少一個(gè)彎曲部。
[0026]因此，次級(jí)電路可包括一個(gè)或多個(gè)非直線的部分。由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的柔性使得能夠避免阻礙(并因此適應(yīng)鋁廠的空間限制)，還可以局部提高磁場(chǎng)的補(bǔ)償。
[0027]有利地，次級(jí)電路中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體部分地置于形成磁屏蔽的閉合區(qū)域(enceinte)內(nèi)。
[0028]該特征具有阻止由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體產(chǎn)生環(huán)繞磁場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。具體而言，這使得能夠產(chǎn)生供設(shè)備或車(chē)輛通過(guò)的區(qū)域，所述設(shè)備或車(chē)輛的運(yùn)行在不存在磁屏蔽下會(huì)被這些區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度所擾亂。這也使得能夠避免使用具有保護(hù)其免受強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽的成本聞昂的設(shè)備。[0029]優(yōu)選地，形成磁屏蔽的閉合區(qū)域位于一排或多排電解池的至少一個(gè)末端。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的鋁廠的另一個(gè)特征，所述次級(jí)電路包括兩個(gè)末端，所述次級(jí)電路的每一末端均連接至供電站的電極，該供電站不同于主電路的供電站。
[0031]有利地，次級(jí)電路中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體以預(yù)定的次數(shù)順著一排或多排電解池布置從而可以使用輸送強(qiáng)度介于5kA-40kA之間的電流的次級(jí)電路供電站。
[0032]因此，由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體產(chǎn)生與為能使用可容易地購(gòu)得且經(jīng)濟(jì)上有利的供電站所需的一樣多的串聯(lián)匝數(shù)。
[0033]根據(jù)本發(fā)明鋁廠的另一個(gè)特征，次級(jí)電路中至少一部分由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體位于一排或多排的至少一個(gè)電解池的下方。
[0034]根據(jù)本發(fā)明鋁廠的另一個(gè)特征，次級(jí)電路中至少一部分由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體順著一排或多排電解池的右側(cè)和/或左側(cè)布置。
[0035]根據(jù)本發(fā)明鋁廠的另一個(gè)特征，每個(gè)由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體均由電纜、至少一種超導(dǎo)材料纖維和低溫套管形成，所述電纜包括中間的銅或鋁制的芯。
[0036]根據(jù)本發(fā)明鋁廠的另一個(gè)特征，冷卻液流過(guò)低溫套管。[0037]冷卻液有利地為液氮和/或液氦。
[0038]通過(guò)如下結(jié)合附圖提供的詳細(xì)說(shuō)明將會(huì)更好地理解本發(fā)明，所述附圖包括:
[0039]-圖1為現(xiàn)有技術(shù)電解池的俯視示意圖，
[0040]-圖2為現(xiàn)有技術(shù)電解池的側(cè)視圖，
[0041]-圖3、4、5、6和7為鋁廠的俯視示意圖，其中至少一個(gè)由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體用在次級(jí)電路中，
[0042]-圖8和圖9為鋁廠的俯視示意圖，其中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體用在主電路中，
[0043]-圖10為鋁廠的部分俯視示意圖，其中鋁廠包括具有彎曲部的次級(jí)電路，
[0044]-圖11為鋁廠中電解池的截面圖，其示出兩個(gè)次級(jí)電路中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的具體布置，且還示出原本由鋁或銅制成的常規(guī)電導(dǎo)體所采用的布置。
[0045]圖2示出電解池2的常規(guī)實(shí)例。電解池2具體包括金屬槽殼3，其例如由鋼制成。金屬槽殼3內(nèi)襯有耐火材料和/或絕熱材料，例如磚。電解池2還具有由碳材料制成的陰極6和多個(gè)設(shè)計(jì)用于隨著在電解浴8中進(jìn)行的電解反應(yīng)而消耗的陽(yáng)極7，所述電解浴8具體包括冰晶石和氧化鋁。氧化鋁和粉碎的浴(bain broy6)的覆蓋層通常覆蓋電解浴8且至少部分覆蓋陽(yáng)極7。在電解反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，形成一層液態(tài)鋁層10。陰極6電連接至穿過(guò)槽殼3的金屬條形式的陰極輸出9，陰極輸出9
[0046]自身連接至池間電導(dǎo)體11。池間電導(dǎo)體11從一個(gè)電解池2向另一個(gè)電解池傳輸電解電流II。電解電流Il通過(guò)每個(gè)電解池2的導(dǎo)電部件:首先通過(guò)陽(yáng)極7，然后通過(guò)電解浴8、液態(tài)鋁層10、陰極6，且最后通過(guò)連接至陰極輸出9的池間電導(dǎo)體11，從而使電解電流Il隨后傳輸至下一個(gè)電解池2的陽(yáng)極7。
[0047]鋁廠I的電解池2為常規(guī)布置且串聯(lián)電連接。串聯(lián)可包括一排或多排F的電解池
2。當(dāng)串聯(lián)包括若干排F時(shí)，其通常呈直線且相互平行，并且有利地在數(shù)量上是偶數(shù)。
[0048]鋁廠I—一個(gè)實(shí)例可見(jiàn)于圖3中一包括電解電流Il通過(guò)的主電路15。電解電流Il的強(qiáng)度可達(dá)到約數(shù)百千安的值，例如約300kA-600kA。
[0049]供電站12將電解電流Il供給串聯(lián)的電解池2。串聯(lián)電解池2的末端各自連接至供電站12的電極。連接電導(dǎo)體13使供電站12的電極連接至所述串聯(lián)的末端。
[0050]串聯(lián)中的排F串聯(lián)電連接。一個(gè)或多個(gè)連接電導(dǎo)體14從排F中的最后一個(gè)電解池2向下一排F中的第一個(gè)電解池2傳輸電解電流II。
[0051]主電路15由以下構(gòu)成:連接串聯(lián)電解池2的末端至供電站12的連接電導(dǎo)體13、使得電解池2的排F相互連接的連接電導(dǎo)體14、連接同一排F中的兩個(gè)電解池2的池間電導(dǎo)體11、以及各個(gè)電解池2的導(dǎo)電部件。
[0052]通常，50-500個(gè)電解池2串聯(lián)連接并沿著兩排F延伸，每一排均超過(guò)Ikm長(zhǎng)。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，鋁廠I還包括一個(gè)或多個(gè)次級(jí)電路16、17，可見(jiàn)于例如圖3中。這些次級(jí)電路16、17通常順著電解池2的排F布置。其能夠補(bǔ)償由高強(qiáng)度電解電流Il產(chǎn)生的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)導(dǎo)致電解浴8中的不穩(wěn)定性并因而影響電解池2的效率。
[0054]由供電站18傳輸?shù)碾娏?2、13分別流過(guò)各個(gè)次級(jí)電路16、17。用于各個(gè)次級(jí)電路16、17的供電站18區(qū)別于用于主電路15的供電站12。
[0055]鋁廠I包括至少一個(gè)具有由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的次級(jí)電路16、17。
[0056]這些超導(dǎo)材料可例如包括BiSrCaCuO、YaBaCuO> MgB2>已知于專(zhuān)利申請(qǐng)W02008011184, US20090247412中的材料或因其超導(dǎo)性能所已知的其他材料。
[0057]超導(dǎo)材料用于輸送電流時(shí)因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱的損失少或毫無(wú)損失地，這是因?yàn)槠潆娮柙谄浔３衷诘陀谄渑R界溫度時(shí)為零。由于不存在能量損失，鋁廠接收的最大量的能量(例如600kA和2kV)可輸送至制備鋁的主電路15，且特別是可以增加池2的個(gè)數(shù)。
[0058]例如，用于實(shí)施本`發(fā)明的超導(dǎo)電纜包括中間的銅或鋁制的芯，超導(dǎo)材料帶(ruban)或纖維，以及低溫套管。所述低溫套管可由含有冷卻液(例如液氮)的護(hù)套形成。所述冷卻液使得超導(dǎo)材料能夠保持在低于其臨界溫度的溫度，例如低于100K (開(kāi)爾文)，或介于4K-80K之間。
[0059]由于能量損失出現(xiàn)在由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體與其他電導(dǎo)體的連接處，則由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體當(dāng)其具有一定長(zhǎng)度時(shí)是有利的，且特別是10米或更長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
[0060]圖3、4和5以非窮舉性舉例的方式示出本發(fā)明鋁廠I的不同的可能的實(shí)施方案。在不同的圖中，由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體以虛線示出。
[0061]圖3中的實(shí)施方案示出包括兩個(gè)次級(jí)電路16和17的鋁廠1，各自由供電站18提供的強(qiáng)度為12和13的電流通過(guò)所述兩個(gè)次級(jí)電路。電流12和13分別以與電解電流Il相同的方向流過(guò)次級(jí)電路16和17。此圖情況下，次級(jí)電路16和17為由池間電導(dǎo)體11產(chǎn)生的磁場(chǎng)提供補(bǔ)償。各電流12和13的強(qiáng)度大，例如為電解電流Il強(qiáng)度的20%-100%且優(yōu)選 40%-70%。
[0062]對(duì)相鄰的排F的磁場(chǎng)的補(bǔ)償可通過(guò)圖4的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)。圖4中所示的鋁廠I包括形成內(nèi)部回路的次級(jí)電路17，電流13流過(guò)所述內(nèi)部回路。
[0063]如圖5所示，還可以通過(guò)單個(gè)形成外部回路的次級(jí)電路16補(bǔ)償相鄰的排F的磁場(chǎng)，電流12以與電解電流Il相反的方向流過(guò)所述外部回路。
[0064]使用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體形成次級(jí)電路16、17是有用的，這是因?yàn)榇渭?jí)電路
16、17的長(zhǎng)度約2千米。使用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體與由鋁或銅制成的電導(dǎo)體相比需要更低的電壓。因此，當(dāng)次級(jí)電路16、17包括由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體時(shí)，可使電壓從30V降低至IV。這表示能耗損失與常規(guī)類(lèi)型的鋁電導(dǎo)體相比下降了約75%-99%。此外，結(jié)果是用于次級(jí)電路的供電站18的成本降低。具體如圖6和圖7可見(jiàn)的，鋁廠I包括次級(jí)電路16、17，所述次級(jí)電路16、17具有由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體且有利地順著同一排F的電解池2在基本相同的位置布置至少兩次。
[0065]因?yàn)橛纱渭?jí)電路16、17形成的回路包括串聯(lián)的若干匝，對(duì)于相同的磁場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)次級(jí)電路16、17的電流12、13的強(qiáng)度可除以與所形成的匝數(shù)相同的倍數(shù)。電流強(qiáng)度的減弱還使得能夠降低由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體與用于次級(jí)電路16、17的輸入或輸出電導(dǎo)體的連接處因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的能量損失并降低連接處的成本。采用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體使流過(guò)各個(gè)次級(jí)電路16、17的電流的整體強(qiáng)度降低，使得能夠減小與其相關(guān)的供電站18的規(guī)模。例如，對(duì)于需要傳輸200kA的回路，20匝由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體使得可以使用輸送IOkA的供電站18。同樣地，40匝由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體使得可以使用輸送強(qiáng)度為5kA的電流的供電站。因此，這可以使用目前市售并因而成本更低的設(shè)備。[0066]此外，使用串聯(lián)的一匝或多匝以形成由超導(dǎo)材料組成的次級(jí)電路16、17具有以下優(yōu)勢(shì):減弱在供電站18與第一個(gè)和最后一個(gè)電解池2之間的路徑的磁場(chǎng)，這是因?yàn)檠刂雎窂降碾娏鲝?qiáng)度較低(電導(dǎo)體單程)。
[0067]與由鋁或銅制成的電導(dǎo)體相比，由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的小尺寸(在相同強(qiáng)度下斷面比銅導(dǎo)體的斷面小最高達(dá)150倍，且對(duì)于鋁導(dǎo)體小甚至更多倍)使其易于在由次級(jí)電路16、17形成的回路中產(chǎn)生串聯(lián)的若干匝。
[0068]圖6中示出的實(shí)施方案的鋁廠I包括次級(jí)電路16，其電導(dǎo)體順著串聯(lián)的排F串聯(lián)布置兩次。在圖7的實(shí)施例中，鋁廠I包括同時(shí)順著串聯(lián)的電解池2的左側(cè)和右側(cè)布置的次級(jí)電路16(左側(cè)和右側(cè)相對(duì)于處于主電路15并從電解電流Il整體流動(dòng)的方向觀察的觀察者定義)。此外，圖7中所示的鋁廠I中次級(jí)電路16的電導(dǎo)體(由超導(dǎo)材料制成)形成串聯(lián)的若干匝，包括順著串聯(lián)的池2的左側(cè)布置的兩匝和順著右側(cè)布置的3匝。匝數(shù)可分別為20和30。每側(cè)形成的匝數(shù)之間的差異隨排之間距離來(lái)確定，從而獲得最佳的磁平衡。
[0069]由于兩匝由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體之間的較小電勢(shì)差，因而易于隔離電導(dǎo)體的不同匝。位于每匝由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體之間的薄電絕緣體是足夠的。
[0070]因此，且由于由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的小尺寸，可使電路的由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體包括在單獨(dú)一個(gè)低溫套管內(nèi)，而不考慮由該導(dǎo)體形成的匝數(shù)。所述低溫套管可包括冷卻流體通過(guò)的絕熱護(hù)套。在給定的位置，所述絕熱套管可包括相同的由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的幾個(gè)并排通道。
[0071]這對(duì)于由鋁或銅制成的電導(dǎo)體圍繞串聯(lián)電解池形成若干匝而言會(huì)有更多限制。事實(shí)上，由鋁或銅制成的電導(dǎo)體比由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體更龐大。此外，由于存在于每匝之間的電勢(shì)的大幅下降，因而有必要增加昂貴的絕緣體，而絕緣體是需要安裝和維護(hù)的。由于常規(guī)的由鋁或銅制成的電絕緣體在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)變熱，在電導(dǎo)體的各個(gè)匝之間安裝絕緣體便會(huì)產(chǎn)生散熱的問(wèn)題。
[0072]由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體相對(duì)于由鋁或銅制成的電導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)還在于其可以是柔性的。因此，鋁廠I可包括一個(gè)或多個(gè)次級(jí)電路16、17，所述次級(jí)電路16、17包括具有至少一個(gè)彎曲部的由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體。如圖10中可見(jiàn)，這使得能夠繞過(guò)存在于鋁廠I中的障礙物19，例如支柱。
[0073]這還使得能夠通過(guò)局部調(diào)節(jié)次級(jí)電路16、17中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的位置來(lái)局部調(diào)節(jié)對(duì)鋁廠I中的磁場(chǎng)的補(bǔ)償，如圖10中可見(jiàn)的鋁廠I中次級(jí)電路16的彎曲部16a所能實(shí)現(xiàn)的。該柔性使得由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體能夠相對(duì)于其初始位置移動(dòng)，從而通過(guò)適應(yīng)在鋁廠I中的變化來(lái)校正磁場(chǎng)(例如電解電流Il的強(qiáng)度的增加，或以使用可通過(guò)計(jì)算機(jī)的新功能和該領(lǐng)域的常識(shí)而獲得的最新磁校正算法的結(jié)果)。
[0074]應(yīng)注意，次級(jí)電路16、17中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體可位于電解池2的下方。具體而言，其可以被掩埋。該布置之所以能實(shí)現(xiàn)一方面是因?yàn)橛沙瑢?dǎo)材料制成電導(dǎo)體的小尺寸，以及另一方面因其不會(huì)變熱的事實(shí)。使用由鋁或銅制成的電導(dǎo)體則難以實(shí)現(xiàn)該布置，這是因?yàn)槠渚拖嗤碾娏鲝?qiáng)度而言具有更大尺寸，還因?yàn)槠渥儫岵⒁蚨枰鋮s(目前與空氣接觸和/或使用特定的冷卻手段)。圖11示出了，對(duì)于相同的鋁廠I的布置，具有由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的次級(jí)電路16、17和使用鋁電導(dǎo)體的次級(jí)電路16’、17’的可能位置。次級(jí)電路16’、17’位于電解池2的兩側(cè)。如圖11中所示，例如對(duì)維護(hù)工作而言，次級(jí)電路16’、17’阻礙靠近電解池2。但是，其無(wú)法像具有由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的次級(jí)電路16、17那樣位于電解池2下方，這是因?yàn)槠渚哂懈蟮某叽缜倚枰鋮s。反之，使用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的次級(jí)電路16、17可位于電解池2的下方，因此，靠近電解池2不受限制。
[0075]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案——一個(gè)實(shí)例如圖6中所示，由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體可部分地包括在形成磁屏蔽的閉合區(qū)域20中。該閉合區(qū)域20可以是金屬管，例如由鋼制成的金屬管。這能夠使該磁屏蔽外的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)性地減弱。因此，這使得能夠在該閉合區(qū)域20所處的位置設(shè)立通道區(qū)域，特別是用于其運(yùn)行會(huì)受到從由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體所發(fā)射出的磁場(chǎng)干擾的車(chē)輛。因此，這能夠降低這些車(chē)輛(其原本需要保護(hù)裝備)的成本。該閉合區(qū)域20可有利地圍繞位于排F端部的由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體而設(shè)置，如圖6中所
示ο
[0076]形成磁屏蔽的閉合區(qū)域20還可以由保持在低于臨界溫度的超導(dǎo)材料形成。有利地，該由超導(dǎo)材料形成的形成磁屏蔽的閉合區(qū)域可布置為更鄰近由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體，置于低溫套管內(nèi)。所述閉合區(qū)域的超導(dǎo)材料的質(zhì)量被最小化以及使該閉合區(qū)域的超導(dǎo)材料保持在低于其臨界溫度而不需要具有其他專(zhuān)門(mén)的冷卻系統(tǒng)。
[0077]使用保護(hù)閉合區(qū)域20，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的由鋁或甚至由銅制成的常規(guī)電導(dǎo)體是不可能的。相對(duì)于由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的25cm的直徑而言，這些鋁的電導(dǎo)體有效地具有大尺寸截面，約lmXlm。重要的是，由鋁制成的電導(dǎo)體在運(yùn)行時(shí)變熱。使用這種形成磁屏蔽的閉合區(qū)域20將不可能適當(dāng)?shù)厥枭a(chǎn)生的熱量。
[0078]還應(yīng)注意，對(duì)于相同的強(qiáng)度，由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的每米質(zhì)量可比鋁電導(dǎo)體的每米質(zhì)量小20倍。因此，用于由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的支撐體的成本更低且其易于安裝。
[0079]鋁廠I中的主電路15還包括一個(gè)或多個(gè)由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體。因此，如圖8所示，使排F彼此串聯(lián)地電連接的連接電導(dǎo)體14可由超導(dǎo)材料制成。如圖9所示，連接串聯(lián)的電解池2的末端至用于主電路15的供電站12的電極的連接電導(dǎo)體13也可由超導(dǎo)材料制成。
[0080]在常規(guī)鋁廠中，連接兩排F的連接電導(dǎo)體14的長(zhǎng)度為30m_50m，取決于其所連接的所述兩排F位于相同的建筑物中或是因這兩排F的磁相互作用而位于兩個(gè)分離的建筑物中。連接串聯(lián)的末端至供電站12的電極的連接電導(dǎo)體13的長(zhǎng)度通常介于20m-lm之間，取決于供電站12的位置。由于這些長(zhǎng)度，將容易理解，在這些位置使用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體將能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能。通過(guò)使用由前述超導(dǎo)材料制成的導(dǎo)體所帶來(lái)的其他優(yōu)點(diǎn)——例如其小尺寸或柔性，或其置于形成磁屏蔽的封閉區(qū)內(nèi)的能力——還證明由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體在鋁廠I中的主電路15中的潛在用途。
[0081]反之，由于池間電導(dǎo)體11較短，且由于連接處的能量損失，使用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體從一個(gè)池2向另一個(gè)池2傳輸電解電流并非是經(jīng)濟(jì)上有利的。
[0082]因此，在鋁廠I中使用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體在導(dǎo)體足夠長(zhǎng)時(shí)可證實(shí)是有利的。在以下情況下使用由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體是特別有利的:設(shè)計(jì)用于通過(guò)專(zhuān)利文獻(xiàn)EP0204647中所描述類(lèi)型的回路來(lái)減弱池-池磁場(chǎng)效應(yīng)的次級(jí)電路16、17——當(dāng)主電路15中流動(dòng)的電流的強(qiáng)度特別高(超過(guò)350kA)時(shí)，且當(dāng)在次級(jí)電路中流動(dòng)的電流強(qiáng)度總和——與主電路中流動(dòng)的電流方向相同——為主電路中電流強(qiáng)度的20%-100%、優(yōu)選40%-70%時(shí)。
[0083]當(dāng)然，所描述的實(shí)施方案不相互排斥且可結(jié)合以通過(guò)協(xié)同作用來(lái)加強(qiáng)所獲得的技術(shù)效果。因此，可以設(shè)想一種主電路15，其既包括由超導(dǎo)材料制成的連接各排的連接電導(dǎo)體14，也包括同樣由超導(dǎo)材料制成的連接一個(gè)串聯(lián)的末端至供電站12的電極的連接導(dǎo)體13， 以及一個(gè)或多個(gè)還可以包括由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體形成串聯(lián)的若干匝的次級(jí)電路16、
17。還可提供單獨(dú)一個(gè)包括由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的次級(jí)電路16，其中導(dǎo)體形成若干串聯(lián)的匝——在池2的排F之間或在其外部。
[0084]最后，本發(fā)明不以任何方式限制于上述實(shí)施方案，這些實(shí)施方案僅以實(shí)施例的方式提供。在不超出本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，特別是從各種部件的構(gòu)成或通過(guò)技術(shù)等價(jià)物的替代的角度而言，仍可能存在變化。
[0085]特別地，本發(fā)明可擴(kuò)展至使用惰性陽(yáng)極電解的鋁廠。
[0086]通常還可適用于所有其他類(lèi)型的回路，例如適用于專(zhuān)利文件CA2585218、FR2868436和EP1812626中所描述的類(lèi)型的回路。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁廠(1)，其包括: (i)形成一排或多排(F)的串聯(lián)的設(shè)計(jì)用于制備鋁的電解池(2)， (?)設(shè)計(jì)用于向串聯(lián)的電解池(2)提供電解電流(Il)的供電站(12)， 所述供電站(12)包括兩個(gè)電極， (iii)設(shè)計(jì)被電解電流(11)流過(guò)的主電路(15)，其具有兩個(gè)各自連接至供電站(12)的一個(gè)電極的末端， (iv)至少一個(gè)包含由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體的設(shè)計(jì)被電流(12，13)流過(guò)的次級(jí)電路(16-17)，所述次級(jí)電路(16-17)順著電解池(2)的一排或多排(F)布置， 其特征在于，次級(jí)電路(16，17)中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體順著電解池(2)的一排或多排(F)至少布置兩次，以形成串聯(lián)的若干匝。
2.權(quán)利要求1的鋁廠(1)，其特征在于，所述次級(jí)電路(16，17)中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體包含單個(gè)低溫套管，所述套管內(nèi)部并排通過(guò)所述由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體所形成的匝。
3.權(quán)利要求1至2任一項(xiàng)的鋁廠(I)，其特征在于，所述次級(jí)電路(16，17)中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體是柔性的且具有至少一個(gè)彎曲部。
4.權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的鋁廠(1)，其特征在于，所述次級(jí)電路(16，17)包括兩個(gè)末端，所述次級(jí)電路(16，17)的每一末端均連接至供電站(18)的一個(gè)電極，所述供電站(18)不同于主電路(15)的供電站(12)。
5.權(quán)利要求4的鋁廠(1)，其特征在于，所述次級(jí)電路(16，17)中由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體以預(yù)定的次數(shù)順著電解池(2)的一排或多排布置，從而可以使用輸送電流強(qiáng)度介于5kA-40kA之間的用于次級(jí)電路(16，17 )的供電站(18 )。
6.權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)的鋁廠(1)，其特征在于，所述次級(jí)電路(16、17)中至少一部分由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體位于一排或多排(F)中至少一個(gè)電解池(2)的下方。
7.權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)的鋁廠(1)，其特征在于，所述次級(jí)電路(16，17)中至少一部分由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體順著一排或多排(F)的電解池(2)的右側(cè)和/或左側(cè)布置。
8.權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)的鋁廠(I)，其特征在于，每個(gè)由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體由包括中間的銅或鋁制的芯的電纜、至少一種超導(dǎo)材料纖維和低溫套管形成。
9.權(quán)利要求8的鋁廠(1)，其特征在于，冷卻液流過(guò)所述低溫套管。
10.權(quán)利要求9的鋁廠(1)，其特征在于，所述冷卻液為液氮和/或液氦。
11.權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)的鋁廠(1)，其特征在于，所述由超導(dǎo)材料制成的電導(dǎo)體部分地置于形成磁屏蔽的閉合區(qū)域(20)內(nèi)。
12.權(quán)利要求11的鋁廠(1)，其特征在于，所述形成磁屏蔽的閉合區(qū)域(20)位于一排或多排(F)電解池(2)的至少一個(gè)末端。
【文檔編號(hào)】C25C3/16GK103687982SQ201280034686
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月12日
【發(fā)明者】C·杜瓦, S·瑞納烏迪爾, B·巴德特, O·馬丁, S·萬(wàn)唐寬 申請(qǐng)人:力拓艾爾坎國(guó)際有限公司