СИСТЕМА ОШИНОВКИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 1998 года по МПК C25C3/16 

Изобретение относится к системе ошиновки для подводки электрического постоянного тока от концов катодного токопроводящего железного штыря продольной ячейки электролизера, прежде всего при получении алюминия, через токопроводящие шины к концам поперечин последующей ячейки, причем токопроводящая шина проходит под ячейкой в ее продольном направлении.

При получении алюминия путем электролиза окиси алюминия последний растворяют в расплаве фторида, состоящего, по большей части, из криолита. Катодно осажденный алюминий собирается под расплавом фторида на угольном днище ячейки, причем поверхность жидкого алюминия образует катод. В расплав сверху погружают закрепленные на анодных балках или поперечинах аноды, которые в обычных способах состоят из аморфного углерода. На угольных анодах при электролитическом разложении окиси алюминия образуется кислород, который связывается с углеродом анодов, образуя CO₂ или CO. Электролиз обычно происходит в интервале температур от приблизительно 940 до 970^oC. В ходе электролиза электролит обедняется окисью алюминия. При наименьшей концентрации окиси алюминия, составляющей от 1 до 2 мас.%, в электролите возникает анодный эффект, заключающийся в повышении напряжения, например, от 4-5 до 30 В и выше. В этом случае затем необходимо пробивать корку затвердевшего электролита и увеличивать концентрацию окиси алюминия путем добавления новой порции окиси алюминия.

При нормальном функционировании в ячейке электролизера обычно проводят регламентные работы по обслуживанию, даже если не возникает анодного эффекта, при этом пробивают корку и добавляют глинозем.

В угольное днище ячейки электролизера заделывают катодные токопроводящие железные штыри, концы которых проходят через электролитическую ванну с обеих продольных сторон. Эти железные штыри собирают электролизный ток, который протекает через расположенные вне ячейки токопроводящие шины, стояки (вертикальные участки проводки), анодные сборные шины или поперечины и анодные штанги к угольным анодам последующей ячейки. Омическое сопротивление на участке от катодных токопроводящих железных штырей вплоть до анодов последующей ячейки приводит к потере энергии, которая имеет порядок до 1 кВт•ч/кг полученного алюминия. Поэтому предпринимались попытки оптимизировать расположение токопроводящих шин в отношении омического сопротивления. Однако при этом необходимо также учитывать образующиеся вертикальные компоненты магнитной индукции, которые вместе с горизонтальными компонентами плотности тока создают силовое поле в жидком металле, получаемом в процессе восстановления.

На металлургических заводах по выплавке алюминия с продольными ячейками электролизера подача тока от одной ячейки к другой осуществляется следующим образом. Электрический постоянный ток отводится от катодных токопроводящих железных штырей, расположенных на угольном днище ячейки. Концы катодных токопроводящих железных штырей гибкими ленточными проводами соединены со сборными, соответственно токопроводящими шинами, проходящими параллельно рядам ячеек электролизера. От этих токопроводящих шин, проходящих вдоль продольных сторон ячеек, ток подается через другие гибкие ленточные провода и стояки к обоим концам поперечин последующей ячейки. В зависимости от типа печи изменение распределения тока между ближайшим и наиболее удаленным концом поперечины из расчета на общее направление тока в ряде ячеек составляет от 100/0 до 50/50%. С помощью зажимов на поперечине закрепляются вертикальные анодные штанги, которые несут угольные аноды и запитываются электрическим током.

Питание электрическим постоянным током, применяющееся в настоящее время, в магнитном отношении особо благоприятно. За счет наложения трех составляющих потока в жидком металле возникают следующие перемещения.

- Первая составляющая потока, которая, в принципе, является циркуляционным перемещением вдоль внутренних стенок ячейки, оказывает наиболее вредное воздействие в отношении стабильности ячейки электролизера. Эта первая составляющая возникает под влиянием соседнего ряда ячеек электролизера, который возвращает электрический ток к выпрямителю. Направление вращения зависит от того, находится ли соседний ряд ячеек слева или справа от ячейки относительно общего направления постоянного тока.

- Вторая составляющая потока состоит в том, что в каждой половине ячеек (относительно продольного направления) возникает по одному циркуляционному потоку, причем направления потоков являются противоположными. Этот вид вращения зависит от распределения тока между стояками.

- И, наконец, третья составляющая потока состоит из четырех вращений, образующихся в квадрантах ячеек, причем диагонально противолежащие направления вращения являются одинаковыми, Эти вращения возникают из-за неравномерного распределения тока в шинопроводе и поперечине от одного конца ячейки к другому.

Наложение этих трех составляющих потока приводит к тому, что скорость потоков металла внутри ячейки сильно различается. Там, где все три составляющие потока проходят в одном направлении, возникает высокая скорость металла.

Из заявки на патент Германии DE-A-2828180 известен шинопровод описанного выше типа. В этой известной системе уже создается определенная компенсация электромагнитного силового поля.

Исходя из этого уровня техники, в основу изобретения положена задача разработать систему ошиновки описанного выше типа, с помощью которой может достигаться максимально возможная компенсация электромагнитного силового поля, возникающего под действием самых различных магнитных потоков, создаваемых током.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что часть концов катодных токопроводящих железных штырей на каждой продольной стороне ячейки объединена соответственно в одну ответвляющуюся токопроводящую шину, причем ответвляющиеся токопроводящие шины проходят от продольных сторон последующей ячейки поперечно ее продольной оси под ячейку и под ячейкой сходятся вместе в сборную токопроводящую шину, а эта сборная токопроводящая шина проходит под ячейкой в ее продольном направлении к концу поперечины, расположенному ниже по направлению протекания тока.

Предлагаемая согласно изобретению система ошиновки продольных ячеек электролизера пригодна для систем с силой тока до 170 кА.

В предпочтительном варианте выполнения системы ошиновки ответвляющиеся токопроводящие шины расположены под каждой ячейкой по ее продольной средней линии, а также перпендикулярно ее продольной оси, а сборная токопроводящая шина проходит по продольной оси ячейки.

Ответвляющиеся токопроводящие шины целесообразно располагать под каждой ячейкой между опорными балками футерованного кожуха электролизера, причем сборная токопроводящая шина проходит поперечно опорным балкам. Систему ответвляющихся токопроводящих шин и сборных токопроводящих шин предпочтительно размещать на высоте, равной приблизительно половине высоты опорных балок.

Конфигурация токопроводящих шин согласно изобретению улучшает как стационарное состояние ячейки путем уменьшения разницы уровней поверхности жидкого металла, так и устойчивость ячейки в нестационарном состоянии путем снижения воздействий помех во время работы ячейки.

Другие преимущества, признаки и детали изобретения представлены в нижеприведенном описании предпочтительного примера выполнения, а также поясняются с помощью чертежей, на которых схематически показано: на фиг. 1 - поперечное сечение ячейки электролизера; на фиг. 2 - принцип магнитной компенсации.

Ячейка 10 электролизера согласно фиг. 1 состоит из стальной ванны 12 с термоизоляционной футеровкой 14 и угольного днища 16. В угольное днище 16 заделаны катодные токопроводящие железные штыри 18, концы которых проходят через стальную ванну 12 с обеих продольных сторон. Катодные токопроводящие железные штыри 18 подключены гибкими токопроводящими ленточными проводами 20 к токопроводящим шинам 22. Стальная ванна 12 расположена на расстоянии h от пола 26 и установлена на стальных балках 24.

Принцип магнитной компенсации посредством специального размещения шинопровода показан на фиг. 2, на которой представлена предлагаемая в изобретении система для ряда ячеек 10 электролизера с номинальной силой тока, равной 140 кА. Общее направление электрического постоянного тока обозначено буквой I. Цифры в скобках на фиг. 2 относятся к количеству катодных токопроводящих железных штырей, объединенных в каждом случае в отдельные сборные токопроводящие шины. Распределение тока внутри ячейки при одинаковом типе ячейки осуществляется по силе тока. Так как между силой тока и распределением тока не имеется линейной зависимости, распределение тока, т.е. точное количество секций катодных токопроводящих железных штырей, объединенных в каждом случае в отдельные сборные токопроводящие шины, рассчитывается для определенной плотности тока на основе магнитогидродинамических моделей.

В рассматриваемом примере ячейка 10_n электролизера, с каждой продольной стороны которой содержится по 20 концов катодных токопроводящих железных штырей, из которых 26 секций катодных токопроводящих железных штырей запитывают расположенный выше против направления протекания тока конец слитка, служащего анодом, соответственно поперечины 28 последующей ячейки 10_n+1, а 14 секций запитывают конец, расположенный ниже по направлению протекания тока. По 3 секции катодных токопроводящих железных штырей с каждой продольной стороны ячейки 10_n объединены в каждом случае в одну ответвляющуюся токопроводящую шину A, B и проходят вдоль продольной средней линии m последующей ячейки 10_n+1 ниже ячейки в сторону ее продольной оси x. В середине продольной оси x ячеек обе ответвляющиеся токопроводящие шины A, B объединяются в одну сборную токопроводящую шину C, которая проходит вдоль продольной оси x к расположенному ниже по направлению протекания тока концу поперечины 28.

Обе ответвляющиеся токопроводящие шины A, B проходят между стальными балками 24. Сборные токопроводящие шины C пересекают стальные балки 24 по предусмотренным для этой цели выемкам 25. Система, состоящая из ответвляющихся токопроводящих шин A, B, а также сборной токопроводящей шины C и имеющая T-образную форму, размещена на высоте а над полом 26, которая соответствует приблизительно половине высоты h стальных балок 24.

Магнитное воздействие ответвляющихся токопроводящих шин A, B, а также сборной токопроводящей шины C усиливается близостью электролизного металла и ферромагнитного окружения, которое образуют стальная ванна 12 и стальные балки 24. Незначительное расстояние от ответвляющихся токопроводящих шин A, B, а также сборной токопроводящей шины C до электролизного металла позволяет снизить ток за счет T-образного разделения токопроводящих шин. Магнитогидродинамические расчеты для данного случая приведены в таблице в виде обобщенных результатов, где
V_max обозначает максимальную скорость газа в жидком металле;
V_{металла} - среднеквадратичную скорость в жидком металле и
Δh - разницу между уровнями поверхности жидкого металла.

Рассчитанные значения отчетливо показывают преимущество T-образного размещения шинопровода по изобретению по сравнению с обычным шинопроводом. Наиболее важная информация очевидна из анализа на устойчивость. Максимум связанного с состоянием возбуждения показателя увеличения T-образного шинопровода в 3 раза меньше по сравнению с шинопроводом без T-образного расположения. Из этого следует, что достигается значительное улучшение устойчивости ячейки электролизера.

Изобретение относится к ошиновке электролизера для получения алюминия. Сущность: в системе ошиновки электролизера, в которой для подводки электрического постоянного тока от концов катодного токопроводящего железного штыря продольной ячейки электролизера, прежде всего при получении алюминия, через токопроводящие шины 22 к концам поперечин последующей ячейки часть концов катодных токопроводящих железных штырей на каждой продольной стороне ячейки 10_n объединена соответственно в одну ответвляющуюся токопроводящую шину А, В, причем ответвляющиеся токопроводящие шины А, В проходят от продольных сторон последующей ячейки 10_n+1 поперечно ее продольной оси х под ячейку и под ячейкой сходятся вместе в сборную токопроводящую шину С, а эта сборная токопроводящая шина проходит под ячейкой в ее продольном направлении к концу поперечины 28, расположенному ниже по направлению протекания тока. За счет выбора такого Т - образного размещения обеих ответвляющихся токопроводящих шин А, В и сборной токопроводящей шины С обеспечивается оптимальная компенсация электромагнитного силового поля и благодаря этому достигается высокая устойчивость ячейки электролизера. 3 з. п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

\\\1 1. Система ошиновки для подводки электрического постоянного тока от концов катодного токопроводящего железного штыря продольной ячейки электролизера, прежде всего при получении алюминия, через токопроводящие шины к концам поперечин последующей ячейки, причем токопроводящая шина проходит под ячейкой в ее продольном направлении, отличающаяся тем, что часть концов катодных токопроводящих железных штырей на каждой продольной стороне ячейки 10<Mv>n<D> объединена соответственно в одну ответвляющуюся токопроводящую шину A, B, причем ответвляющиеся токопроводящие шины проходят от продольных сторон последующей ячейки 10<Mv>n+1<D> поперечно ее продольной оси x под ячейку и под ячейкой сходятся вместе в сборную токопроводящую шину C, а эта сборная токопроводящая шина проходит под ячейкой в ее продольном направлении к концу поперечины 28, расположенному ниже по направлению протекания тока. \ \ \2 2. Система ошиновки по п.1, отличающаяся тем, что ответвляющиеся токопроводящие шины A, B расположены под каждой ячейкой 10 по ее продольной средней линии m, а также перпендикулярно ее продольной оси x, а сборная токопроводящая шина C проходит по продольной оси ячейки. \\\2 3. Система ошиновки по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ответвляющиеся токопроводящие шины A, B расположены под каждой ячейкой 10 между опорными балками 24 футерованного кожуха 12 электролизера, а сборная токопроводящая шина C проходит поперечно опорным балкам 24. \\\2 4. Система ошиновки по п.3, отличающаяся тем, что ответвляющиеся токопроводящие шины A, B и сборная токопроводящая шина C расположены под каждой ячейкой (10) на высоте a, равной приблизительно половине высоты h опорных балок 24.