ОШИНОВКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C25C3/16 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах, размещенных в корпусе продольно в два ряда и соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь.

Соединение электролизеров осуществляется системой токопроводящих шин, одним из основных требований к которой является обеспечение в расплаве оптимального магнитного поля, оказывающего отрицательное минимальное влияние на технологический процесс.

Известна ошиновка алюминиевых электролизеров большой мощности при их продольном расположении в корпусе, которая обеспечивает двусторонний подвод тока к аноду, а катодные шины с каждой стороны электролизера разделены на два пакета, обеспечивающие следующее распределение тока по стоякам: на стороне электролизера, обращенной к соседнему ряду электролизеров, 33% общего тока подается на ближний по ходу тока анодный стояк и 17% - на дальний; на противоположной стороне электролизера 40% тока подается на ближний и 10% - на дальний анодные стояки. Пакеты шин по обеим сторонам электролизера расположены горизонтально, но на разной высоте (СССР, авторское свидетельство, 356312, кл. C 25 C 3/16, 1974) [1].

Расчеты и практика эксплуатации электролизеров с такой ошиновкой показали, что она обеспечивает приемлемые технико-экономические показатели работы электролизеров при силе тока не выше 150 кА. Характер распределения магнитного поля в расплаве электролизеров с указанной ошиновкой не позволяет использовать ее на электролизерах с большей силой тока.

Известна также ошиновка электролизера для получения алюминия, в которой для компенсации магнитного поля соседнего ряда электролизеров и уменьшения вредного влияния поля на технологический процесс пакеты катодных шин расположены под углом к горизонтальной плоскости, причем пакет катодных шин вдоль правого (по ходу тока в серии) борта установлен под углом 6-16^o, а левого - под углом 2-12^o (СССР, авторское свидетельство, 963321, кл. C 25 C 3/16, 1980) [2].

Недостатком указанного технического решения является наличие разных углов наклона пакетов катодных шин, расположенных вдоль продольных сторон электролизера. Наклонные пакеты катодных шин влияют на вертикальную (Bz) и поперечную (By) компоненту магнитного поля в расплаве электролизера. В результате указанного в изобретении технического решения улучшается качество компенсации влияния соседнего ряда электролизеров, однако одновременно с этим ухудшается симметрия поперечного (By) магнитного поля относительно продольной (X) оси электролизера из-за разного удаления катодных шин от расплава. Симметрия магнитного поля по поперечной (By) компоненте в расплаве электролизера относительно оси X является одним из условий обеспечения стабильной его работы (Light Metals, 1992, Principles of MHD design of aluminum electrolysis cells, Vinko Potocnik, c. 1191) [3].

Наиболее близкой по достигаемому эффекту к предлагаемому в настоящей заявке техническому решению является ошиновка электролизера для получения алюминия, в которой катодная соединительная шина расположена у входного торца электролизера, а анодные - в торцах анодной ошиновки следующего электролизера, при этом катодная соединительная шина соединена с катодной шиной стороны, обращенной к соседнему ряду, и с катодной шиной противоположной стороны с подключенной к ней группой катодных стержней, причем количество катодных стержней в этой группе составляет 20-30% от количества катодных стержней одной стороны электролизера (RU, патент, 2109853, кл. C 25 C 3/16, 1996) [4]. Эта ошиновка выбрана прототипом.

Недостатком данного технического решения является то, что оно не может обеспечить относительно симметричное магнитное поле в расплаве одновременно по поперечной (By) и вертикальной (Bz) компонентам при различном расстоянии между рядами электролизеров. В ее конструкции нет механизма, позволяющего подбирать симметричное магнитное поле одновременно по компонентам By и Bz в расплаве в зависимости от силы тока серии и расстояния между соседними рядами электролизеров. То есть, использование настоящего технического решения для модернизации действующих электролизеров ограничено силой тока серии и расстоянием между рядами. Например, при использовании указанного технического решения в ошиновке действующих электролизеров на 175 кА, установленных в типовом отечественном корпусе электролиза с расстоянием между рядами 12,8 м, при достижении относительно эффективной компенсации влияния соседнего ряда по компоненте Bz не удается одновременно обеспечить приемлемую антисимметрию поля по компоненте By относительно оси Y (абсолютные значения индукции магнитного поля на одинаковом расстоянии по разные стороны от оси одинаковые, а направление векторов индукции противоположное), что также является одним из условий стабильной работы электролизера, отмеченных в источнике [3]. Ухудшение качества данной антисимметрии может привести к увеличению перекоса поверхности металла и нарушению симметрии поверхности относительно поперечной оси (Y), из-за неуравновешенности продольных сил Лоренца в расплаве, ухудшению равномерности температурного поля, формы рабочего пространства и снижению магнитогидродинамической (МГД) стабильности в связи с увеличением планарных токов, обусловленных этими изменениями. Наоборот, при создании в расплаве приемлемой антисимметрии магнитного поля по By относительно оси Y не удается, с помощью рассматриваемого технического решения, одновременно обеспечить приемлемую антисимметрию вертикального магнитного поля из-за перекомпенсации влияния соседнего ряда, что также приведет к снижению МГД стабильности расплава.

Суть проблемы заключается в следующем, поперечное (By) магнитное поле в расплаве электролизера зависит в основном от расположения и распределения тока в катодных и анодных шинах. Предназначением катодных шин является собрать ток с блюмсов и передать его в стояки последующего электролизера, поэтому конструкции катодных ошиновок продольно расположенных электролизеров имеют незначительные различия. По этой причине картина магнитного поля по By от катодных шин таких электролизеров примерно одинакова. В ошиновках продольно расположенных электролизеров, имеющих анодные стояки в обоих торцах ванны, можно задавать различное распределение тока в анодных шинах. Из изложенного следует, что распределением тока по анодным шинам возможно в большей степени влиять на поперечное магнитное поле электролизера, чем от тока в катодных шинах. При проектировании ошиновок продольного расположения одной из основных задач является подобрать такое распределение тока по анодным шинам, чтобы обеспечить симметричное поле по By-компоненте. Расчеты и практика эксплуатации показывают, что для обеспечения приемлемой антисимметрии магнитного поля по компоненте By относительно оси Y требуется, чтобы в анодные шины со стороны входного торца подавалось суммарно 72-75% тока серии, а со стороны выходного торца - 25-28%. Отступление от указанного распределения приводит к нарушению антисимметрии поля по By, т.е. к преобладанию абсолютного значения поперечного магнитного поля в расплаве входного или выходного торца электролизера. По этой причине нарушается одно из условий стабильной работы электролизеров.

Для компенсации влияния соседнего ряда в практике эксплуатации электролизеров силой тока свыше 160 кА в основном используются ошиновки асимметричной конструкции. Роль компенсатора выполняет обводная шина, расположенная на стороне электролизера, ближней к соседнему ряду, и передающая ток от группы катодных стержней в анодный стояк последующего электролизера, который расположен в его выходном торце. Приемлемая компенсация для отечественных серий электролизеров обеспечивается при силе тока в указанной шине 25-28% от тока серии. Прохождение по обводной компенсационной шине тока 25-28% от тока серии и поступление его затем в торцы анодных шин с выходного торца последующего электролизера обеспечивает компромиссное решение по компенсации влияния соседнего ряда и созданию приемлемой антисимметрии поля по компоненте By.

В рассматриваемом техническом решении ошиновки прототипа 10-15% тока серии с катодной шины, расположенной на стороне, дальней от соседнего ряда электролизеров по соединительной шине, установленной у входного торца, передается в катодную шину, расположенную на противоположной стороне. Далее, проходя по катодной шине, ближней от соседнего ряда, эти 10-15% дополнительного тока обеспечивают частичную компенсацию влияния соседнего ряда электролизеров. Как уже было ранее изложено, для приемлемой компенсации соседнего ряда необходимо по шине, расположенной на стороне, ближней от соседнего ряда, подать 25-28% тока серии. Таким образом, для декомпенсации влияния соседнего ряда с помощью обводной шины представляется возможным пропустить по ней только недостающие 10-18% тока серии, который поступит в анодные шины со стороны выходного торца последующего электролизера. Как уже было отмечено выше, для создания приемлемой антисимметрии поперечного (By) поля в анодные шины со стороны выходного торца необходимо подать 25-28% тока серии, подача меньшего количества тока приведет к нарушению антисимметрии поля по (By) относительно оси Y.

Если подключением дополнительных катодных стержней к обводной шине подать в нее 25-28% тока серии, то это приведет к нарушению антисимметрии поля по вертикальной (Bz) компоненте из-за перекомпенсации влияния соседнего ряда.

Техническая задача изобретения заключается в создании в расплаве магнитного поля: по компоненте Bz - антисимметричного относительно осей X и Y (пропеллерного типа); по компоненте By - антисимметричного относительно оси Y и симметричного относительно оси X. Соблюдение указанных условий обеспечит создание четырех симметричных контуров циркуляции с малой скоростью движения расплавленного металла и симметричного небольшого по величине перекоса поверхности металла.

Решение поставленной задачи достигается путем использования компенсационного контура, подключенного к независимому источнику электропитания, две шины которого расположены возле электролизера, одна из которых осуществляет корректировку вертикального магнитного поля с целью компенсации влияния соседнего ряда, а другая - оптимизирует поперечное магнитное поле с целью создания его симметрии относительно осей ванны. При этом шина, обеспечивающая компенсацию влияния соседнего ряда, расположена на стороне, дальней от соседнего ряда, в проекции расплава параллельно продольной оси (X) электролизера, ток в шине направлен против тока в серии. Шина, оптимизирующая поперечное магнитное поле, расположена под днищем в области проекции анодной шины, дальней от соседнего ряда электролизеров, параллельно продольной оси электролизера, ток в шине направлен по ходу тока в серии.

Ниже дается пример выполнения ошиновки электролизера для получения алюминия на силу тока 175 кА.

На фиг. 1 показана схема предлагаемой ошиновки; на фиг. 2 - расчетное поперечное (By) магнитное поле в расплаве-электролизера прототипа на силу тока 175 кА с типовым расстоянием между рядов электролизеров в серии; на фиг. 3 - то же, для электролизера по заявке.

Ошиновка электролизера 1 состоит из катодных шин 2-4 с подключенными к ним группами катодных стержней 5-7 соответственно, обводной компенсационной шины 10 и стояков 8-9, 11 следующего электролизера 12. Анодные шины 13 и 14 соединены поперечными шинами 15 и 16. Вблизи электролизера расположены шины компенсационного контура 17 и 18. Соседний ряд электролизеров представлен в виде осевой линии, а направление тока в рядах показано стрелками.

Ошиновка работает следующим образом.

Ток от групп катодных стержней 5 и 6 снимается катодными шинами 2 и 3 и передается соответственно в стояки 8 и 9, расположенные во входном торце следующего электролизера 12, а от группы катодных стержней 7 по катодной шине 4 и обводной компенсационной шине 10 ток передается в стояк 11, расположенный в выходном торце следующего электролизера. Ток от компенсационной шины 10 создает в расплаве электролизера 12 вертикальное магнитное поле Bz, направленное вниз, т.е. противоположное по направлению, создаваемое соседним рядом электролизеров. Тем самым, обеспечивается компенсация влияния магнитного поля соседнего ряда. В связи с тем, что компенсационная шина расположена ближе к расплаву, чем соседний ряд электролизеров, и магнитное поле от них распространяется по экспоненциальному закону, а также из-за экранирования катодным кожухом эффективность компенсации обеспечивается только на стороне электролизера, ближней к соседнему ряду. В середине ванны и, особенно на стороне, противоположной от соседнего ряда, наблюдается недокомпенсация. Наличие шины 17 компенсационного контура устраняет этот недостаток. При этом с помощью подбора тока в шине 17 можно добиться эффективной компенсации соседнего ряда для электролизеров различной мощности и любом расстоянии между соседними рядами электролизеров. В связи с тем что в анодные шины в выходной торец подается 28% тока серии, тем самым обеспечивается хорошая антисимметрия поля по By относительно оси Y.

Из-за асимметричной конструкции ошиновки к анодной шине 13 со стороны входного торца подается 50% тока серии, а к анодной шине 14 в аналогичный торец подается 22% тока серии. Без дополнительных элементов в анодной ошиновке асимметричное распределение тока в анодных шинах вызывало бы нарушение симметрии магнитного поля по компоненте By относительно оси X. Наличие анодных шин 15 и 16, играющих роль уравнительных перемычек, уменьшает эту асимметрию. Однако в соответствии с законами Ома и Кирхгоффа полного выравнивания не происходит, из-за чего остается некоторая асимметрия поля по By относительно оси X. Наличие шины компенсационного контура 18 почти полностью устраняет указанную асимметрию. При этом, выбирая высоту расположения шины 18, можно подобрать оптимальное магнитное поле для любых типов электролизеров продольного расположения с асимметричной ошиновкой.

Как видно на фиг. 2 и 3, ошиновка по заявке обеспечивает более приемлемую антисимметрию магнитного поля по By относительно оси Y, чем ошиновка прототипа. У электролизера с ошиновкой по заявке максимальная компонента By по абсолютному значению в противоположных торцах ванны составляет 140 и 140 Гаусс, нулевая эквипотенциальная линия проходит вблизи оси Y. У электролизера с ошиновкой прототипом - 180 и 100 Гаусс, вблизи оси Y проходят эквипотенциальные кривые в 10 и 20 Гаусс, т.е. нарушение антисимметрии существенное. Из-за неуравновешенности продольных сил Лоренца в расплаве данная асимметрия приведет к смещению перекоса поверхности металла к выходному торцу электролизера и ухудшению равномерности температурного поля по этой причине. Разные уровни металла приведут к "теплой" работе электролизера во входной половине и "холодной" - в выходной, что вызовет нарушение симметрии бортовой настыли входной половины относительно выходной и возникновению постоянных продольных токов с "теплой" стороны на "холодную". Наличие горизонтальных токов вызовет снижение МГД стабильности электролизера и приведет к нарушению симметрии и увеличению скорости 4 циркуляционных потоков в металле.

Изобретение позволяет примерно на 30% улучшить антисимметрию поперечного (By) магнитного поля относительно оси Y относительно прототипа, тем самым обеспечить условия для создания более равномерного температурного поля и симметричной формы рабочего пространства, что обусловит минимальные горизонтальные токи в расплаве и за счет этого повысит МГД стабильность электролизера. Кроме того, использование независимого контура компенсации позволяет осуществлять оптимизацию магнитного поля по Bz и By компонентам любых электролизеров при двухрядном продольном расположении их в корпусе, что делает возможным использовать настоящее техническое решение для модернизации работающих серий электролиза.

Ошиновка электролизера для получения алюминия предназначена для использования в корпусах электролиза при продольном расположении электролизеров в корпусе. Ошиновка содержит установленные вдоль продольных сторон электролизера катодные шины с катодными стержнями, подключенными к анодным шинам следующего в ряду электролизера стояками, и поперечные соединительные шины в торцах анодной ошиновки следующего электролизера. Вблизи электролизера расположены две шины контура для компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда оптимизации поперечного магнитного поля. Одна шина расположена в непосредственной близости от катодных шин вдоль продольной стороны электролизера, противоположной от соседнего ряда электролизеров, причем ток в этой шине направлен в сторону, противоположную току серии. Другая шина расположена под днищем электролизера параллельно продольной оси, ток в этой шине направлен в сторону направления тока серии. При этом часть шины для компенсации, установленной вдоль продольной стороны, расположена на высоте расплава. Обе шины контура компенсации электрически изолированы от ошиновки электролизера. Контур компенсации подключен к отдельной системе электрического питания. Изобретение позволяет одновременно скомпенсировать влияние магнитного поля соседнего ряда электролизеров и обеспечить симметрию поперечного магнитного поля в расплаве. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Ошиновка электролизеров для получения алюминия при их продольном двухрядном расположении в корпусе, содержащая установленные вдоль продольных сторон электролизера катодные шины с катодными стержнями, подключенными к анодным шинам следующего в ряду электролизера стояками, и поперечные соединительные шины в торцах анодной ошиновки следующего электролизера, отличающаяся тем, что она снабжена двумя шинами контура для компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда и оптимизации поперечного магнитного поля, причем одна шина расположена в непосредственной близости от катодных шин вдоль продольной стороны электролизера, противоположной от соседнего ряда электролизеров, ток в этой шине направлен в сторону, противоположную току серии, другая шина расположена под днищем электролизера параллельно продольной оси, ток в этой шине направлен в сторону направления тока серии. 2. Ошиновка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере часть шины для компенсации, установленной вдоль продольной стороны, расположена на высоте расплава. 3. Ошиновка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что обе шины контура компенсации электрически изолированы от ошиновки электролизера. 4. Ошиновка по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что контур компенсации подключен к отдельной системе электрического питания.