Результат интеллектуальной деятельности: ОШИНОВКА МОДУЛЬНАЯ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к производству алюминия методом электролиза расплавленных криолитовых солей в электролизерах при поперечном расположении их в корпусе электролиза.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера при поперечном расположении в корпусе, содержащая сборные шины с катодными спусками, установленными вдоль входной и выходной продольных сторон электролизера, анодные стояки, установленные на входной стороне, через которые протекают одинаковые токи, анодная ошиновка соединена с предыдущим электролизером посредством стояков, при этом крайние стояки соединены с крайними сборными катодными шинами входной стороны электролизера пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон, и со сборными катодными шинами выходной стороны электролизера, а средние стояки соединены со средними сборными шинами входной стороны пакетами шин, размещенными симметрично под катодными блоками, наиболее близко расположенными к торцам электролизера, и со сборными катодными шинами выходной стороны электролизера, шина, проходящая под днищем и расположенная ближе к соседнему ряду электролизеров, переносит 15% тока входной стороны, тогда как другая переносит 10% тока входной стороны, под днищем электролизера установлена промежуточная шина, которая проходит на середине расстояния между осью серии и торцом электролизера, со стороны, противоположной соседнему ряду электролизеров, по шине проходит 5% тока входной стороны (Патент Франции №2552782, Мкл. С 25 С 3/08, 1985).

Недостатком ошиновки является ограничение возможности ее использования для электролизеров большой мощности, более чем 350 кА. Принцип работы ошиновки основан на компенсации вертикальной компоненты магнитного поля в торцах ванны с помощью пакетов шин, огибающих торцы. Вертикальное поле в торцах рабочей зоны электролизеров, в основном, создается горизонтальными участками анодных стояков, перемычками между анодными шинами и катодными шинами, проходящими под днищем ванны. Для компенсации вертикального поля в торцах до оптимальной величины не более 15-20 гаусс требуется почти весь ток с входной стороны электролизера пропустить по шинам, огибающим торцы ванны. В результате чего шины от блюмсов до анодной ошиновки последующего электролизера с входной стороны намного длиннее шин от блюмсов с выходной стороны. Для обеспечения равномерного распределения тока по блюмсам входной и выходной сторон, чтобы снизить величину горизонтальных токов в расплаве, должно соблюдаться равенство сопротивлений ветвей ошиновки от блюмсов с входной и выходной сторон до анодной ошиновки последующего электролизера.

или

Так как L_вход>L_вых, то и S_вход>S_вых.

Площадь сечения алюминиевых шин от блюмсов с выходной стороны лимитируется плотностью тока в них и не должна превышать 0,75 А/мм². Сечение шин от блюмсов с входной стороны находится из выражения (2).

Из чего следует, что, чем больше проектная сила тока электролизера, тем больше разница в длинах ветвей ошиновки с входной и выходной стороны, тем больше площадь сечения шин с входной стороны, тем тяжелее ошиновка, тем большее межосевое расстояние требуется между электролизерами для установки между ними массивных шин входной стороны. В силу перечисленных причин электролизер с ошиновкой по указанному принципу становится неконкурентоспособным при силе тока более 350 кА из-за увеличения веса ошиновки и межосевого расстояния.

Наиболее близкой по достигаемому эффекту к предлагаемому решению является ошиновка электролизеров для получения алюминия с двухрядным поперечным расположением их в ряду, содержащая анодную ошиновку, соединенную с анодами посредством анодных штанг, катодную ошиновку из катодных стержней с гибкими пакетами, выступающими по обе стороны катодного кожуха электролизера с днищем, сборные катодные шины на входной и выходной сторонах катодного кожуха электролизера, соединительные шины, шунтирующий элемент, соединение катодной и анодной ошиновки и шины цепи коррекции магнитного поля, расположенные параллельно поперечной оси электролизера у торцов катодного кожуха. Соединение катодной ошиновки с анодной ошиновкой следующего в ряду электролизера выполнено в виде шинных модулей, состоящих из двух полустояков, один из полустояков жестко соединен со сборной катодной шиной на выходной стороне, которая соединена с четырьмя гибкими пакетами, а другой полустояк соединен шинами, размещенными под днищем катодного кожуха, и связан со сборными катодными пакетами на входной стороне, соединенными с двумя гибкими пакетами каждый, причем соединительные шины расположены под днищем катодного кожуха параллельно поперечной оси электролизера и одна другой. Подача тока в цепь коррекции осуществляется в направлении, совпадающем с направлением тока в серии. Ток в цепи коррекции магнитного поля предпочтительно составляет 20-80% от тока серии (Патент SU 1595345, Мкл. С 25 С 3/16, 1986). Эта ошиновка выбрана за прототип.

Недостатком ошиновки является то, что в ней используется независимая линия коррекции магнитного поля, состоящая из двух проводников, проходящих вдоль обоих торцов электролизеров в цепи по направлению тока серии. Ток коррекции составляет 20-80% от тока серии. Например, при токе серии 500 кА ток коррекции может достигать 400 кА. Дополнительный вес ошиновки от шин коррекции составляет около 14 т на один электролизер. В любом случае, применение цепи коррекции ведет к увеличению веса ошиновки, росту расхода электроэнергии из-за падения напряжения в цепи коррекции, увеличению затрат на производственные площади, которые занимает цепь коррекции. Например, при силе тока коррекции в 400 кА шины коррекции могут состоять из 16-ти шин сечением 650х70 мм, тогда ширина пакета шин составит около 2-х метров.

Задача изобретения - увеличение единичной производительности электролизера за счет повышения силы тока, уменьшение веса ошиновки и снижение эксплуатационных затрат.

Технический результат заключается в снижении удельного расхода электроэнергии за счет исключения цепи коррекции и оптимизации магнитного поля электролизера путем уменьшения вредных магнитогидродинамических эффектов в расплаве.

Другим техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности расположения электролизеров наиболее близко друг к другу, что позволяет снизить удельные эксплуатационные затраты на помещения корпусов электролиза при сохранении свободного доступа для обслуживания и ремонта электролизеров.

Поставленная задача достигается тем, что в ошиновке электролизера для получения алюминия при двухрядном, поперечном расположении в серии, содержащей анодную ошиновку, соединенную с анодами посредством анодных штанг, катодную ошиновку из катодных стержней с гибкими пакетами, выступающими по обе стороны катодного кожуха электролизера, сборные катодные шины на входной и выходной сторонах катодного кожуха электролизера, соединительные шины, соединение катодной ошиновки с анодной ошиновкой соседнего в ряду электролизера, выполненное в виде шинных модулей, согласно заявляемому, сборные катодные шины, соединительные шины, анодные стояки объединены в отдельные шинные модули; по крайней мере, по одному анодному стояку в каждом модуле расположено на входной и выходной сторонах электролизера; при этом анодные стояки на входной стороне соединены с катодными стержнями, как с входной, так и с выходной стороны предыдущего электролизера, а анодные стояки на выходной стороне соединены с катодными стержнями с выходной стороны предыдущего электролизера.

Изобретение дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.

Каждый шинный модуль выполнен с возможностью пропускания 10-100% тока серии, предпочтительно - 18-30%.

Анодные стояки на входной стороне выполнены с возможностью распределения 1/2-3/4 тока модуля, а анодные стояки на выходной стороне - 1/2-1/4 тока модуля.

Анодные стояки расположены симметрично относительно короткой, планарной оси электролизера.

Соединительные шины проходят под днищем электролизера, при этом все или часть соединительных шин крайних модулей огибают торцы электролизера и расположены, по крайней мере, на уровне расплавленного металла.

К соединительным шинам на половине электролизера, ближней к соседнему ряду, подключено большее количество катодных стержней с входной стороны, чем к соединительным шинам на противоположной половине.

Модульный принцип конструирования позволяет создавать ошиновку для электролизеров на силу тока 500 кА и более с относительно небольшим весом. Оптимизация магнитного поля основана на следующем принципе. Когда вертикальная составляющая магнитного поля (Bz), действующая на слой расплавленного металла, имеет один и тот же знак направления (плюс или минус) на обширном участке электролизера, особенно вдоль продольной его оси, в расплаве могут возникать когерентные и возрастающие колебания поверхности расплавленного металла из-за накопления продольного момента вдоль электролизера. Поэтому оптимизация поля в настоящем изобретении достигается за счет создания частой перемены знака по составляющей Bz, по крайней мере, вдоль продольных сторон электролизера, при этом перемена знака является антисимметричной относительно планарных осей электролизера.

Предлагаемое решение иллюстрируется графическим материалом.

На фиг.1 представлена схема ошиновки электролизера в плане, на фиг.2 эта же ошиновка показана в разрезе. На фиг.3 показано вертикальное магнитное поле в электролизере с ошиновкой по заявке на изобретение.

Представленная в примере ошиновка состоит из 4-х шинных модулей. Ошиновка может состоять из любого количества шинных модулей в зависимости от проектной мощности электролизера. Ошиновка включает в себя анодную ошиновку 1 с анодами 2 и анодными штангами 3, катодную ошиновку из катодных стержней 4 с гибкими пакетами 5, шинные модули А, Б, В и Г. В состав каждого модуля входят сборные катодные шины на входной стороне 6 и на выходной стороне 7 катодного кожуха 8, соединительные шины 9, анодные стояки на входной стороне 10 и на выходной стороне 11, которые расположены симметрично короткой, планарной оси электролизера. Соединительные шины 9 расположены под днищем катодного кожуха 8. Часть соединительных шин крайних шинных модулей А и Г огибают торцы электролизера примерно на уровне расплавленного металла в электролизере. Анодные стояки входной стороны 10 подключены к катодным стержням 4 как входной, так и выходной стороны предыдущего электролизера. Анодные стояки выходной стороны 11 подключены к катодным стержням 4 выходной стороны предыдущего электролизера. На фиг.1 и 2 показан пример ошиновки, когда к стоякам на входной стороне подключено около 2/3 блюмсов шинного модуля, а к стоякам на выходной стороне - около 1/3 блюмсов шинного модуля.

Ошиновка работает следующим образом. Посредством гибких пакетов 5 ток с катодных стержней 4 передается в сборные катодные шины 6 и 7 и по соединительным шинам 9 через анодные стояки 10 и 11 передается в анодную ошиновку 1, затем в анодные штанги 3 и аноды 2 последующего в серии электролизера. Горизонтальные участки анодных стояков входной стороны 10, соединительные шины 9, проходящие под днищем катодного кожуха 8, катодные стержни 4 с гибкими пакетами выходной стороны создают в расплаве электролизера вертикальное (Bz) магнитное поле, направленное вверх в левой (по ходу тока в серии) половине ванны и направленное вниз в правой половине ванны. Горизонтальные участки анодных стояков выходной стороны 11, соединительные шины 9 крайних модулей А и Г, катодные стержни 4 с гибкими пакетами входной стороны создают в расплаве электролизера вертикальное (Bz) магнитное поле, противоположное по направлению от проводников, указанных выше, а именно направленное вниз в левой половине ванны и направленное вверх в правой половине ванны. Взаимная компенсация поля по Bz от 2-х групп проводников обеспечивает его оптимальное значение по величине не более 15-25 гаусс. Наличие анодных стояков на выходной стороне электролизера исключает необходимость установки независимых линий для коррекции магнитного поля, как это предусмотрено в ошиновке-прототипе.

Каждый горизонтальный участок анодных стояков входной стороны 10 и выходной стороны 11 создает в расплаве (по ходу тока в стояке) справа от себя поле по Bz, направленное вниз, слева от себя поле, направленное вверх, что обеспечивает частую перемену знака по направлению вертикального поля вдоль продольных сторон электролизера. Так как анодные стояки на противоположных сторонах расположены напротив или почти напротив друг друга, перемена знака по Bz вдоль продольных сторон электролизера является антисимметричной относительно планарных осей электролизера. Распределение тока в анодных стояках модуля подбирается таким образом, что максимальная величина вертикального магнитного поля в расплаве не превышает 15-25 гаусс. Распределение тока через анодные стояки на входной стороне 1/2-3/4 тока модуля, а через стояки на выходной стороне - 1/2-1/4 тока модуля обеспечивает относительное равенство объемных, поперечных, электромагнитных сил в металле, что способствует образованию симметричного перекоса поверхности металла, симметричной настыли и гарнисажа в рабочей зоне, что положительно скажется на МГД-устойчивости расплава. Относительно небольшое межосевое расстояние и вес ошиновки обеспечиваются за счет передачи тока с предыдущего на последующий электролизер по кратчайшему пути, а также за счет относительного равенства длин ветвей ошиновки с входной и выходной стороны, что позволяет задавать в них предельно допустимую плотность тока и минимальное сечение.

Как видно на фиг.3, модульная ошиновка по заявке создает в расплаве 9 перемен знака по Bz на входной стороне и 11 перемен знака на выходной стороне. Поле по этой компоненте антисимметрично относительно планарных осей электролизера и не превышает 25 гаусс.

Применение предложенной конструкции ошиновки позволяет увеличить единичную производительность электролизера за счет повышения силы тока до 500 кА и более, при выходе по току 93-95% и удельном расходе электроэнергии 12300-13500 кВт·ч/т.