Результат интеллектуальной деятельности: ОШИНОВКА ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ

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; 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, М. кл. С25С 3/08, 1985).

Недостатком известной ошиновки является то, что ее конструкция не предполагает возможность подборки оптимального магнитного поля при применении катодных кожухов, обладающих различными ферромагнитными свойствами (шпангоутные, контрфорсные). При использовании, например, отечественных катодных кожухов контрфорсной конструкции, стенки которых обладают значительными экранирующими свойствами, в сочетании с рассматриваемой выше ошиновкой, в расплаве не удается достигнуть оптимальных значений магнитного поля, а именно величина вертикального магнитного поля превышает допустимое значение 15-20 Гаусс.

Другим недостатком ошиновки является неэффективное использование катодных шин, проходящих под днищем электролизера. В указанных шинах протекает 10-15% всего тока входной стороны, что при силе тока электролизера 300 кА составляет 15-22,5 кА. Если принять оптимальную плотность тока в ошиновке 0,35 А/мм², то сечение указанных шин должно быть большим, т.е. в пределах 210×210-254×254 мм. Эффективность шин, проходящих под днищем электролизера, проявляется в большей степени, если они максимально приближены к обечайке катодного кожуха электролизера, в этом случае сталь днища находится в состоянии насыщения от магнитного поля указанных шин. Учитывая, что расстояние между контрфорсами и шпангоутами катодных кожухов небольшое, шины указанных выше габаритных размеров, проходящие под днищем, невозможно приблизить вплотную к катодному кожуху днища, из-за чего эффективность их в оптимизации магнитного поля электролизера невысокая.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера при поперечном расположении в корпусе, содержащая сборные шины с катодными спусками, установленными вдоль входной и выходной продольных сторон электролизера, в которой анодная ошиновка соединена с предыдущим электролизером посредством анодных стояков, расположенных на его входной стороне, при этом каждый из пакетов шин, огибающих торцы электролизера, передает 33-50% тока входной стороны (патент России № 2132888, М. кл. С25С 3/16, 1995).

Недостатком ошиновки является то, что она симметрична и в ее конструкции отсутствуют элементы для компенсации наводки магнитного поля от соседних рядов, корпусов электролизера, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы серий.

Известна также ошиновка для алюминиевых электролизеров большой мощности при поперечном расположении в корпусе электролиза, содержащая катодную ошиновку в виде установленных вдоль входной и выходной сторон электролизера сборных шин с катодными спусками, огибающих торцы электролизера обводных пакетов катодных шин, каждый из которых передает 33-50% тока входной стороны, и расположенных под днищем шин, соединенную с анодной ошиновкой последующего электролизера посредством стояков. При этом часть сборных шин входной и выходной стороны и часть обводных пакетов катодных шин, огибающих торцы электролизера расположены на верхнем уровне примерно на уровне металла в электролизере, а часть сборных шин входной и выходной стороны и часть пакетов шин, огибающих торцы электролизера расположены на нижнем уровне и под днищем. Шины катодной ошиновки максимально приближены к обечайке ферромагнитного катодного кожуха электролизера. Каждая из расположенных под днищем шин может быть разделена на 2-4 параллельных проводника, расположенных в области крайних блюмсов электролизера. Количество параллельных участков шин, проходящих под днищем, больше на стороне, противоположной от соседнего ряда электролизеров. Стояки выполнены в виде одной шины или нескольких, предпочтительно двух, параллельно расположенных шин, подключенных к различным сборным шинам и электрически связанных между собой анодными шинами (патент России № 2244045, М. кл. С25С 3/16, 2002).

Известная ошиновка принята за прототип.

Недостатком известной ошиновки является то, что она малоэффективна в части компенсации магнитного поля от соседнего ряда (корпуса) электролизеров.

Задача изобретения - повышение выхода металла по току.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание оптимального магнитного поля в расплаве электролизера при использовании асимметричной катодной ошиновки, обеспечивающей качественную компенсацию магнитного поля от соседних рядов (корпусов) электролизеров.

Поставленная задача решается тем, что в ошиновке для алюминиевых электролизеров большой мощности при поперечном расположении в корпусе электролиза, содержащей катодную ошиновку в виде установленных вдоль входной и выходной сторон электролизера сборных шин с катодными спусками обводных пакетов катодных шин, каждый из которых передает 33-50% тока входной стороны, и расположенных под днищем шин, соединенной с анодной ошиновкой последующего электролизера посредством стояков; при этом часть сборных шин входной стороны, сборные шины выходной стороны и обводные пакеты катодных шин расположены на верхнем уровне, примерно на уровне металла в электролизере, а часть сборных шин входной стороны и расположенные под днищем шины - на нижнем уровне, при этом шины катодной ошиновки максимально приближены к обечайке ферромагнитного катодного кожуха электролизера, а каждая из расположенных под днищем шин разделена на 2-4 параллельных проводника, расположенных в области крайних блюмсов электролизера; при этом стояки выполнены в виде одной шины или нескольких, предпочтительно двух, параллельно расположенных шин, подключенных к различным сборным шинам, и электрически связаны между собой анодными шинами, согласно заявляемому изобретению обводные пакеты катодных шин, или один из них, огибающий торец или проходящий под днищем электролизера в области крайних блюмсов со стороны, противоположной соседнему ряду электролизеров, выполнены с возможностью прохождения тока силой меньше, чем в аналогичном обводном пакете катодных шин на противоположном торце электролизера, за счет параллельного подключения к ним не более трех, предпочтительно двух, шин компенсации, расположенных под днищем параллельно малой оси электролизера.

Заявляемую конструкцию ошиновки дополняет частный отличительный признак, направленный также на достижение поставленной задачи.

Одна шина компенсации расположена примерно в районе малой оси электролизера, а остальные шины компенсации - между этой шиной и крайними блюмсами торца, ближнего к соседнему ряду электролизеров.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».

На фиг.1 представлен пример схемы ошиновки электролизера по заявке на изобретение с осями координат в декартовой системе. В отличие от прототипа, в примере представлена ошиновка для электролизера большей мощности (400 кА), поэтому она имеет 6 стояков, а не 5, как в прототипе.

На фиг.2 показаны графики компенсации магнитного поля для электролизера на 400 кА с ошиновкой по заявке при межосевом расстоянии в 95 м, так же с осями координат.

Ошиновка на фиг.1 включает в себя крайние стояки 1, вторые от торца стояки 2, средние стояки 3, расположенные вдоль продольной выходной стороны электролизера, сборные шины с катодными спусками входной стороны 4, расположенные ниже уровня металла в электролизере, сборные шины с катодными спусками входной стороны 5 и 6, сборные шины с катодными спусками 7 и 8 выходной стороны, расположенные на уровне металла, расположенные под днищем шины 9 и обводные пакеты катодных шин 10. Крайние стояки 1 соединены со сборными шинами 5, 6 входной стороны обводными пакетами катодных шин 10. Вторые от торца стояки 2, состоящие из двух параллельных шин, подключены к сборным шинам 8 выходной стороны и к сборным шинам 4 входной стороны через расположенные под днищем шины 9 и к обводным пакетам катодных шин 10. Средние стояки 3 соединены со сборными шинами 7 выходной стороны и с обводными пакетами катодных шин 10. В состав ошиновки для компенсации влияния магнитного поля соседних рядов электролизеров введены шины компенсации 11, установленные под днищем параллельно малой оси электролизера. Шины компенсации 11 соединены с расположенными под днищем шинами 9, которые установлены под одним торцом катодного кожуха со стороны, противоположной от соседнего ряда электролизеров, и образуют параллельную электрическую цепь. Стояки 1, 2 и 3 подключены к анодным шинам 12 последующего в серии электролизера. Катодная ошиновка размещена вблизи катодного кожуха 13 и расплава металла 14.

Ошиновка работает следующим образом. Посредством катодных спусков ток передается в сборные шины 4-8 и по расположенным под днищем шинам 9, обводным пакетам катодных шин 10 и шинам компенсации 11 поступает в стояки 1, 2 и 3 последующего в серии поперечно расположенного электролизера. При этом в зависимости от ферромагнитных свойств катодного кожуха 13 по каждому из двух обводных пакетов катодных шин 10 передается от 33% до 50% всего тока входной стороны.

Как видно на фиг.1, наклонные и горизонтальные участки стояков 1, 2 и 3 в соответствии с правилом "буравчика" формируют в расплавленном металле 14 электролизера вертикальное (Bz) магнитное поле в левой половине ванны по ходу тока в серии положительное (направленное вверх), а в правой половине ванны - отрицательное (направленное вниз). Сборные шины 4-6, обводные пакеты катодных шин 10 и расположенные под днищем шины 9, наоборот, создают в металле 14 вертикальное, противоположное по направлению поле от стояков 1, 2 и 3, тем самым обеспечивая его компенсацию. От эффективности воздействия на расплав металла 14 магнитного поля от сборных шин 4-6, расположенных под днищем шин 9, и обводных пакетов катодных шин 10 зависит величина и характер вертикальной составляющей магнитного поля в жидком металле, которая определяется расстоянием от перечисленных шин до расплава металла 14 и экранирующими свойствами катодного кожуха 13.

Экранирующие свойства катодного кожуха имеют прямо пропорциональную зависимость от магнитной проницаемости стали (μ), из которой он изготовлен. Магнитная проницаемость является функцией многих переменных (физические, химические свойства, температура стали, явление гистерезиса и т.п.), однако при прочих равных условиях в первую очередь проницаемость зависит от напряженности внешнего магнитного поля, создаваемого элементами ошиновки и проводниками электролизера. При максимальном приближении к поверхности обечайки ферромагнитного катодного кожуха сборных шин 4-6, расположенных под днищем шин 9 и обводных пакетов катодных шин 10 значительно повышается эффективность компенсации ими вертикального магнитного поля в расплаве металла электролизера. В данном случае эффективность компенсации поля будет достигаться не только за счет непосредственного приближения шин к расплаву, но и в результате существенного снижения экранирующих свойств катодного кожуха электролизера за счет уменьшения величины его магнитной проницаемости за счет стремления к магнитному насыщению.

С целью максимального приближения шин, проходящих под днищем, к обечайке катодного кожуха они разбиваются на 2-4 параллельных проводника небольшого сечения, которые свободно могут поместиться между котрфорсами или шпангоутами.

Расположив катодную ошиновку на уровне и ниже металла в электролизере, представляется возможным уменьшить габаритные размеры электролизера с ошиновкой, в связи с чем сократить межосевое расстояние между соседними электролизерами и общую длину электролизера. Это позволит уменьшить удельные эксплуатационные затраты на здания и сооружения электролизного производства.

Компенсации влияния поля от соседнего ряда электролизеров обеспечивается за счет меньшего количества тока в обводных пакетах катодных шин, или одном из них, огибающих торец или проходящих под днищем в области крайних блюмсов со стороны, противоположной соседнему ряду электролизеров, чем в аналогичном пакете катодных шин в противоположном торце электролизера.

На фиг.1 - с меньшим количеством тока это две расположенные под днищем шины 9. Соседний ряд электролизеров находится с левой стороны по ходу тока в серии от указанной ошиновки. Меньшая величина тока в этих шинах обеспечивается за счет параллельного подключения к ним двух шин компенсации 11, установленных под днищем. При этом одна шина компенсации проходит примерно в районе малой оси электролизера, а вторая - между этой шиной и крайними блюмсами торца, ближнего к соседнему ряду электролизеров. Ток в шинах компенсации выбирается с помощью компьютерных расчетов и в основном определяется силой тока в серии и расстоянием до соседних рядов электролизеров.

На фиг.2 показаны графики компенсации магнитного поля по заявке для электролизера на 400 кА с ошиновкой по заявке при межосевом расстоянии в 95 м.

Наводка вертикального Bz магнитного поля от соседнего ряда электролизеров на графике представлено почти прямой линией А и составляет 4,3-5,3 Гаусс. Меньшее значение Bz вблизи торцов электролизера, чем в его середине, обусловлено влиянием ферромагнитных масс катодного кожуха.

Кривая В представляет собой вертикальное магнитное поле в середине уровня металла на большой оси электролизера от асимметричной ошиновки и электролизера по заявке.

Кривая С - сумма линий А и В, т.е. С=А+В.

Как видно результирующее магнитное поле по Bz в расплаве электролизера с ошиновкой по заявке является симметричным малой оси и не превышает величины 7,5 Гаусс, что является залогом устойчивой работы электролизера.

Таким образом, в отличие от аналогов и прототипа, предлагаемая ошиновка позволяет создавать оптимальное магнитное поле в рабочей зоне электролизеров не только с катодными ферромагнитными кожухами, обладающими различными экранирующими свойствами, но и минимизировать вредное влияние наводки магнитного поля от соседних рядов мощных электролизеров.