УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах, размещенных в корпусе поперечно и соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь, а именно к устройству компенсации нежелательного влияния магнитного поля на крайние ячейки в рядах серии от ошиновки выпрямительной станции и ошиновки, соединяющей ряды электролизеров.

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

Известно техническое решение для компенсации влияния магнитного поля выпрямительной станции и конечной области серии на крайние ячейки в рядах алюминиевых электролизеров, расположенных поперечно в каждом ряду, при котором электрический ток проводится между крайними электролизерами, тремя и более асимметрично расположенными шинами питания через распределительные шины, установленные на каждой крайней ячейке, так что в распределительных шинах возникает ток, который компенсирует влияние магнитного поля в крайних ячейках от конечной области серии и выпрямительной станции (RU, патент №2060304, С 25 С 3/16, 1988).

Недостатком указанного технического решения является отрицательное влияние на технико-экономические показатели работы крайних электролизеров в серии по сравнению с рядовыми из-за возникновения горизонтальных токов в их расплаве в результате асимметричного подключения к ним соединительных катодных шин. За счет асимметричного подключения соединительных катодных шин к распределительным шинам в них возникает разность потенциалов и электрический ток. Направление тока в распределительных шинах противоположно направлению тока в ошиновке выпрямительной станции и ошиновке, соединяющей крайние электролизеры в серии. Так как ток в распределительных шинах противоположен по направлению току в ошиновке выпрямительной станции и ошиновке, соединяющей крайние электролизеры в серии, то магнитное поле от распределительных шин компенсирует поле в металле крайних ячеек от ошиновки выпрямительной станции и ошиновки, соединяющей крайние электролизеры в серии.

Однако протекание тока по распределительным шинам указывает на наличие в них разности потенциалов по длине проводника. В связи с тем, что распределительные шины соединены с расплавленным алюминием крайних ячеек через сборные катодные шины и катодные стержни таким образом, что образуют с ними параллельную электрическую цепь, то наличие тока в распределительных шинах указывает на наличие горизонтальных токов в расплавленном алюминии крайних ячеек серии электролиза. Взаимодействие горизонтальных токов с вертикальным магнитным полем (Bz) будет ухудшать магнитогидродинамическую (МГД) стабильность крайних электролизеров и технико-экономические показатели их работы по сравнению с остальными электролизерами в серии.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для компенсации нежелательного влияния магнитного поля на крайние электролизеры в серии при, по меньшей мере, двухрядном поперечном расположении алюминиевых электролизеров, содержащее катодные шины, соединяющие крайние электролизеры в рядах серии, снабженное компенсационными шинами, расположенными между крайними электролизерами в рядах серии и соединяющими их катодными шинами, причем ток в компенсационных шинах направлен в сторону, противоположную направлению тока в катодных шинах, катодные шины, соединяющие крайние электролизеры в рядах серии, подключены к ним симметрично (RU, патент №2168564, С 25 С 3/16, 1999).

Недостатком настоящего изобретения является то, что оно может применяться только в частных случаях, например, при использовании отдельных, независимых от ошиновки электролизеров шин компенсации, которые, как правило, подключаются к отдельным источникам питания, не участвующим в процессе электролиза алюминия, например при использовании контуров компенсации магнитного поля. Такие решения связаны с дополнительными затратами на шинопроводы и питающие их отдельные выпрямительные станции, не участвующие в производстве алюминия, что не всегда экономически выгодно.

Как правило, корпуса электролиза для электролизеров поперечного расположения размещают относительно далеко друг от друга, чтобы снизить влияние магнитного поля одного корпуса на другой до оптимально допустимой величины. В этом случае в компенсации влияния магнитного поля одного корпуса на другой с помощью компенсационного контура нет необходимости. Однако магнитное поле от соединительного пакета шин между корпусами, неравномерность и нестабильность распределения тока в крайних электролизерах корпусов вызывают существенное снижение технико-экономических показателей (ТЭП) их работы. Отнесение соединительных пакетов шин от крайних электролизеров на значительное расстояние не является целесообразным из-за существенных затрат на соединительную ошиновку и увеличения потерь электроэнергии в соединительных шинах.

Для обеспечения максимальных технико-экономических показателей производства алюминия электролизным способом важным является эффективное использование электроэнергии. Большое значение имеет расположение и схема подключения подводящих к серии и отводящих от серии электролиза ток пакетов шин. Они должны располагаться таким образом, чтобы минимизировать магнитное поле или, по крайней мере, обеспечить его симметрию в расплаве крайних электролизеров в рядах серии. Важным так же является поддерживать в этих электролизерах максимально равномерное и устойчивое во времени распределение тока по анодам и катодным стержням с целью снижения горизонтальных токов в металле и повышения в результате эффективности работы электролизеров за счет увеличения МГД-устойчивости.

Настоящее изобретение целесообразно для серий электролиза силой тока свыше 200 кА при поперечном расположении электролизеров в ряду. В таких сериях электролиза ток от соединяющих ряды пакетов шин индуцирует сильное магнитное поле, отрицательно влияющее на крайние электролизеры в серии.

Крайние ячейки в каждом ряду серии электролизеров наиболее сильно подвержены воздействию магнитного поля, так как на них одновременно влияет магнитное поле соседнего ряда электролизеров, выпрямительной станции и пакетов шин, соединяющих ряды электролизеров.

Техническая задача изобретения заключается в создании в расплаве крайних электролизеров серии оптимального магнитного и электрического поля аналогичного магнитному полю, как на остальных рядовых электролизерах серии, или, по крайней мере, симметричного поля относительно осей ванны без дополнительных затрат на контур компенсации и выпрямительную станцию, что значительно повышает технико-экономические показатели работы электролизеров.

Решение поставленной задачи достигается путем использования в устройстве компенсации, содержащем катодные шины, соединяющие крайние электролизеры в рядах серии и подключенные к ним симметрично, и компенсационные шины, ток в которых направлен в сторону, противоположную направлению тока в катодных шинах, согласно предлагаемому решению в качестве компенсационных шин участков катодных шин, подключенных с одной стороны к крайним электролизерам в рядах серии через уравнительную шину, а с другой стороны соединены между собой в эквипотенциальный узел.

Предлагаемую конструкцию дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.

Катодные шины с компенсационными шинами выполнены одинаковой длиной и площадью поперечного сечения и расположены примерно на уровне металла в крайних электролизерах.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию “новизна”.

На чертеже представлен пример устройства для компенсации нежелательного влияния магнитного поля катодных шин от питающей станции и от шин, соединяющих крайние ячейки в рядах серии поперечно расположенных алюминиевых электролизеров, на крайние электролизеры в серии.

Выпрямительная станция 1 питает током серию поперечно расположенных электролизеров. Крайние электролизеры в рядах серии соединены между собой катодными шинами 2 и катодными шинами 3, которые подключены к крайним электролизерам симметрично. Ток в рядах электролизеров 4 направлен в противоположные стороны относительно друг друга. Между катодными шинами 2, соединяющими крайние электролизеры в рядах серии, и крайними электролизерами расположены компенсационные участки шин 5, ток в которых направлен в сторону, противоположную направлению тока в катодных шинах, соединяющих крайние электролизеры в рядах серии. Соединительные катодные шины 3 с компенсационными участками 5 с одной стороны подключены к уравнительной шине 6, а с другой стороны соединены между собой в эквипотенциальный узел 7.

Устройство компенсации работает следующим образом.

Ток с выпрямительной станции 1 проходит по серии электролизеров 4, состоящей, по крайней мере, из двух параллельных рядов поперечно расположенных электролизеров. Катодные шины 2, соединяющие ряды электролизеров, генерируют в расплаве крайних электролизеров вертикальное, вверх направленное магнитное поле, которое оказывает отрицательное влияние на их работу из-за снижения магнитогидродинамической стабильности расплава в результате ухудшения симметрии поля и увеличения абсолютной величины поля по вертикальной (Bz), компоненте. Компенсационные участки шин 5, наоборот, создают в расплаве крайних электролизеров магнитное поле по компоненте (Bz), направленное вниз, тем самым они компенсируют в расплаве крайних электролизеров поле от шин 2.

Местоположение компенсационных участков шин 5 рассчитывается исходя из расположения соединительных шин 2, силы тока в них таким образом, чтобы создать в расплаве крайних электролизеров магнитное поле, аналогичное магнитному полю, как в остальных электролизерах серии, или, по крайней мере, симметричное поле относительно осей ванны.

Катодные шины 3 с компенсационными участками 5 имеют одинаковую длину и площадь сечения, а так же симметрично подключены к уравнительной шине 6 с одной стороны и эквипотенциальному узлу 7 с другой стороны, т.е.

L₁=L₂=L₃=L₄=... L_n, a S₁=S₂=S₃=S₄=... =S_n.

В этой связи сопротивления катодных шин 3 с компенсационными участками 5 будут одинаковыми

Поэтому в соответствии с законом Ома по катодным шинам будет проходить одинаковый по величине ток, т.е.:

где I₁..._{In - сила тока в катодных и компенсационных шинах 3 и 5, А;}

Δ U - разность потенциалов между эквипотенциальным узлом 7 и уравнительной шиной 6, В.

Тем не менее, даже при соблюдении вышеизложенных условий вероятны ситуации, когда равенство токов в катодных шинах 3 с компенсационными участками 5 может нарушаться. Такие случаи возможны, например, по причине нарушения изоляции отдельных катодных шин 3 с компенсационными участками 5 относительно земли или в результате возникновения разности температур в катодных шинах 3 с компенсационными участками 5 из-за неодинакового теплообмена с окружающей средой.

Нарушение равенства токов в катодных шинах 3 с компенсационными участками 5 может привести к расстройству технологии в крайних электролизерах серии из-за возникновения горизонтальных токов в их расплаве. С целью снижения влияния указанного фактора на ухудшение МГД-устойчивости крайних электролизеров в конструкции соединительной ошиновки предусмотрены уравнительные шины 6. При возникновении неравенства токов в катодных шинах 3 с компенсационными участками 5 распределение тока по блюмсам и анодам крайних электролизеров будет выравниваться за счет перетечек тока по уравнительным шинам 6.

Изложенное выше техническое решение позволяет обеспечить равномерность и устойчивость распределения тока по анодам и блюмсам крайних электролизеров, тем самым обеспечить их ТЭП не хуже, или близкие по сравнению с ТЭП рядовых электролизеров.

Условие расположения катодных шин от эквипотенциального узла до уравнительной шины примерно на уровне металла в крайних электролизерах необходимо для обеспечения эффективной компенсации влияния магнитного поля на крайние электролизеры в серии от соединительных шин 2, потому что в этом случае катодные шины 3 с компенсационными участками 5 создают в расплаве крайних электролизеров только вертикальную (Bz) компоненту магнитного поля. Нарушение этого условия будет приводить к возникновению в расплаве крайних электролизеров несимметричного поля по другой компоненте Вx, что вызовет снижение ТЭП работы крайних электролизеров из-за ухудшения МГД-устойчивости.

Изобретение позволяет оптимизировать магнитное поле и обеспечить равномерное и устойчивое во времени распределение тока по анодам и катодным стержням крайних электролизеров в серии, что создает условия для повышения производительности их работы.