Способ коррекции магнитного поля электролизера эру-холла и устройство для его осуществления

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к устройствам и способам коррекции магнитных полей при получении алюминия электролизом расплавленных солей в электролизере прямоугольной формы. Способ включает пропускание корректирующего тока по шинопроводу, электрически не связанному с электролизером, на независимые секции шинопровода, магнитное поле которых взаимодействует с рабочим током вертикального направления в жидком алюминии с возникновением продольной силы компенсации продольных перекосов поверхности раздела электролит - жидкий алюминий, вызванных внешними магнитными полями шинопроводов и соседних электролизеров. В начальной стадии после пуска электролизера или гашения анодного эффекта подают постоянный электрический ток на все независимые секции шинопровода, в периоды между анодными эффектами подают переменный ток на среднюю независимую секцию шинопровода, и в режиме приближения анодного эффекта - импульсный переменный, синфазный ток, с частотой, равной резонансной частоте стоячих волн границы электролит - жидкий алюминий на все независимые секции шинопровода. Устройство содержит шинопровод для пропускания корректирующего тока, выполненный в виде замкнутого контура из труб из немагнитного слабо проводимого материала, разделенных параллельными короткой стороне ванны перемычками на не менее чем три независимые секции и уложенных по внутреннему периметру ферромагнитного корпуса ванны под кладкой огнеупорного кирпича. Внутри секций расположены управляющие обмотки с возможностью подключения к независимым источникам питания постоянным, переменным или импульсным переменным током. Изобретение позволит устранить продольный перекос поверхности жидкого алюминия, вызванный внешними магнитными полями шинопроводов и соседних электролизеров, погасить опасные колебания и интенсифицировать процесс в межполюсном пространстве. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электрометаллургии вообще и, в частности, к устройствам и способам коррекции магнитных полей при получении алюминия электролизом расплавленных солей в электролизере прямоугольной формы.

Электролизер состоит из катодного и анодного устройства. Катодом является угольная ванна, содержащая слой расплавленного алюминия с расположенным над ним электролитом, представляющим слой расплавленных солей, содержащих ионы алюминия. В электролит погружен угольный анод. При эксплуатации возникают вредные явления, вызванные взаимодействием электрического тока с магнитным полем электролизера: явления продольного и поперечного перекоса границы раздела металл - электролит, явления колебаний этой поверхности, вызванные как турбулентностью, так и автоколебательным процессом, генерируемым нелинейностью пинчевых явлений в электролите в межполюсном расстоянии (МПР).

К основным технико-экономическим показателям производства алюминия относится выход по энергии, под которым понимается отношение массы алюминия, полученного в данном электролизере, к энергии, израсходованной в нем на электролиз. В электрической цепи электролизера главный расход энергии приходится на расплав электролита, электрическое сопротивление которого значительно превышает “последовательно включенный” с ним слой расплавленного алюминия. Поэтому стремятся, как при конструкторской разработке, так и при эксплуатации, слой электролита сделать тоньше. Однако при этом может возникнуть замыкание расплавленного алюминия на анод, вызванное колебаниями границы жидкий алюминий - электролит, а также явлением отклонения от горизонтальной плоскости граничной поверхности жидкий алюминий - электролит, при котором с одной стороны ванны может наблюдаться подъем этой границы и опасное сокращение межполюсного расстояния.

Условием устойчивости работы электролизера является также бесперебойность процесса эвакуации пузырьков анодных газов. В тех случаях, когда она нарушается, возникает неравномерность физических свойств электролита: от периферии к центру уменьшаются эффективные плотность и проводимость, тормозится движение под действием электромагнитных сил, уменьшается гидростатическое давление на поверхность жидкого алюминия.

Аналогом способа является способ коррекции магнитного поля электролизера, в котором ошиновку мощных алюминиевых электролизеров производят следующим образом: катодные шины разделены на три самостоятельные секции, а ток к входным и выходным анодным стоякам подводят несимметрично в отношении, близком 2:1 (Авторское свидетельство СССР №168457, МПК С25С 3/06. 1965). Авторы способа предполагают, что несимметричный подвод тока равноценен его циркуляции в плоскости ванны и, тем самым, образованию вертикальной компоненты магнитного поля, демпфирующего горизонтальные перемещения жидкого металла. Различие в токах секций предполагается в отношении 2:1, т.о. примерно в таком же отношении вдоль анода будет меняться плотность тока.

Недостатком аналога является магнитогидродинамическая неустойчивость поверхности жидкий алюминий-электролит.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ коррекции магнитного поля алюминиевого электролизера (Заявка РФ №94029216, 1997, МПК С25С3/16). Способ включает пропускание постоянного корректирующего тока по траектории в виде ломаной линии, вдоль ряда электролизеров по шинопроводу, электрически не связанному с этими электролизерами. Около каждого электролизера выполняют участок траектории корректирующего тока, на котором расстояние от оси электролизера до этого участка тока является переменным.

В прототипе, также как и в предлагаемом изобретении, корректирующий ток не связан с гальваническим током электролизера, а отличие в том, что шинопровод уложен вне ванны.

Недостатком прототипа является слабое влияние предполагаемого эффекта на процессы в ванне, т.к. корпус последней будет оказывать сильное экранирующее воздействие на корректирующее поле. И поэтому ему присущи низкая стабильность коррекции и управляемости, и устранения явлений возмущения расплава.

За аналог и прототип устройства принято устройство для коррекции магнитного поля электролизера Эру-Холла, имеющее ванну с бортами и подиной, анод, жидкий катод и катодные шины, содержащее шинопровод для пропускания корректирующего тока (патент США №4169034, С25С 3/16, 25.09.1979). Боковая футеровка вместе с углеродистой подиной образует ванну, в которой находится расплавленный алюминий и электролит. В нижнюю угольную часть подины вмонтированы стальные стержни - катодные шины. Анодное устройство состоит из угольного анода, электрический ток подводится к аноду по металлическим стержням и системе алюминиевых шин.

Недостатками прототипа являются невозможность устранения продольного перекоса поверхности жидкого алюминия, вызванного внешними магнитными полями шинопроводов и соседних электролизеров.

Задача изобретения состоит в снижении расхода электроэнергии на электролиз, повышении управляемости режимами электролиза и снижении частоты возмущений расплава.

Технический результат изобретения состоит в устранении продольного перекоса поверхности жидкого алюминия, вызванного внешними магнитными полями шинопроводов и соседних электролизеров, гашении опасных колебаний и интенсификации протекания процесса в межполюсном пространстве.

Технический результат достигается тем, что в способе коррекции магнитного поля электролизера Эру-Холла, включающем пропускание корректирующего тока по шинопроводу, электрически не связанному с электролизером, согласно предлагаемому изобретению, корректирующий ток подают на независимые секции шинопровода, магнитное поле которых взаимодействует с рабочим током вертикального направления в жидком алюминии с возникновением продольной силы компенсации продольных перекосов поверхности раздела электролит - жидкий алюминий, вызванных внешними магнитными полями шинопроводов и соседних электролизеров. При этом, в начальной стадии после пуска электролизера или гашения анодного эффекта, постоянный электрический ток подают на все независимые секции шинопровода. В периоды между анодными эффектами для гашения колебаний, образованных стоячей волной с пучностями уровня на концах ванны, подают переменный ток на среднюю независимую секцию шинопровода. В режиме приближения анодного эффекта, для интенсификации течения в межполюсном пространстве, подают импульсный переменный синфазный ток, с частотой, равной резонансной частоте стоячих волн границы электролит - жидкий алюминий на все независимые секции шинопровода.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для коррекции магнитного поля электролизера Эру-Холла, имеющем ванну с бортами и подиной, анод, жидкий катод и катодные шины, содержащем шинопровод для пропускания корректирующего тока, согласно предлагаемому изобретению, шинопровод для пропускания корректирующего тока выполнен в виде замкнутого контура из труб из немагнитного слабопроводимого материала, разделенных параллельными короткой стороне ванны перемычками на не менее трех независимых секций и уложенных по внутреннему периметру ферромагнитного корпуса ванны под кладкой огнеупорного кирпича, а внутри секций расположены управляющие обмотки с возможностью подключения к независимым источникам питания постоянным, переменным и импульсным переменным током.

В патентуемом изобретении предлагается более совершенный способ и устройство коррекции магнитного поля электролизера Эру-Холла.

Сущность способа, предлагаемого как изобретение, заключается в создании в ванне электролизера электромагнитных сил, которые могли бы уменьшить отрицательное влияние внешних магнитных полей шинопроводов и соседних электролизеров на производительность.

В устройстве для реализации этого способа используются управляющие обмотки в виде токовых витков, уложенные под кладкой огнеупорного кирпича по внутреннему периметру ферромагнитного корпуса ванны, т.е. в местах, где температура ниже точки Кюри. Такое расположение витков выгодно с точки зрения экономии тока и материалов, так как стенки ванны используются в качестве магнитопровода. Такой способ укладки предполагает двойной эффект: как средство создания вибрационных явлений в виде капиллярных волн малой длины, выполняющих роль эвакуатора газовых включений, и как средство демпфирования длинноволновых колебаний на поверхности жидкий алюминий - электролит.

Отличием является то, что уложенные проводники в предлагаемом изобретении, и ток по ним, электрически не связаны с рабочим током электролизера, он может быть постоянным, переменным и импульсным в зависимости от проводимого воздействия.

В тех случаях, когда необходимо устранить продольный перекос поверхности жидкого алюминия, вызванный внешними магнитными полями шинопроводов и соседних электролизеров, в начальной стадии после пуска электролизера или гашения анодного эффекта, применяется постоянный ток для питания управляющих обмоток. Таким образом, создается циркулярный намагничивающий электрический ток по периметру ванны и в результате взаимодействия с рабочим током вертикального направления в жидком алюминии возникает продольная сила компенсации продольных перекосов.

В тех случаях, когда необходимо погасить опасные колебания, образованные стоячей волной с пучностями уровня на концах ванны, применяют переменный ток через среднюю управляющую обмотку, а краевые управляющие обмотки остаются обесточенными.

В тех случаях, когда необходимо интенсифицировать течения в межполюсном пространстве, чтобы очистить его от газовых образований и увеличить концентрацию глинозема, в режиме приближения анодного эффекта, применяется импульсный переменный синфазный ток с частотой, равной резонансной частоте стоячих волн границы электролит - жидкий алюминий для питания управляющих обмоток на все независимые секции шинопровода.

Анализ, проведенный заявителем, показал, что совокупность признаков является новой, а само изобретение удовлетворяет условию изобретательского уровня ввиду новизны причинно-следственной связи “отличительные признаки - технический результат”.

Сущность способа и устройства иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1,а - схема образования поперечного “пинча” в электролизере, в начальной стадии после пуска или гашения анодного эффекта;

Фиг.1,б - схема образования пинча перед анодным эффектом.

Фиг.2,а - схема компенсации пинча в момент анодного эффекта и гашения колебаний, поперечный разрез электролизера с управляющими обмотками.

Фиг.2,б - размещение управляющих обмоток на дне корпуса ванны электролизера.

На чертежах введены обозначения: 1 - направление поперечной циркуляции электролита в межполюсном пространстве и между обожженными анодными блоками под действием электромагнитных сил, 2 - направление циркуляции жидкого алюминия под действием сил той же природы, 3 - корпус ванны электролизера из ферромагнитной стали, 4 - управляющая обмотка для создания магнитного поля и направление тока в ней, помещенная в трубу из немагнитного слабопроводимого материала, уложенная в виде прямоугольника по внутреннему периметру ферромагнитного корпуса ванны 3, т.е. под слоем кирпичной кладки и графита. В трубе выполняются две трубные перемычки, параллельные короткой стороне ванны. Управляющая обмотка 4 выполнена в виде параллельных проводов, 5 - направление сил магнитного поля при питании управляющей обмотки 4 переменным током или токовыми импульсами, 6 - слой кирпичной футеровки, примыкающий к стенке электролизера.

На чертежах введены также буквенные обозначения: Е1 - расплав электролита, Al - жидкий алюминий, МПР - межполюсное расстояние, YOZ - координатная система, плоскость XOY совпадает с уровнем границы жидкий алюминий - электролит при отключенных токах - рабочем (гальваническом) и управляющих обмоток.

На чертежах для удобства понимания сделаны также надписи, указывающие уровни жидкого алюминия и электролита при включенном рабочем токе и при его отключении.

Способ осуществляется следующим образом. В начальной стадии процесса, после пуска электролизера или возникновения аномально больших колебаний (фиг.1) по управляющим обмоткам 4 пропускают постоянный электрический ток так, как это изображено на фиг.2,б. При этом по токовым перемычкам идут равные, но противоположные токи, и вокруг перемычек не создается магнитного поля. Магнитное поле создается в виде дуг, замыкающихся на внутренних поверхностях корпуса, таким образом, горизонтальная проекция вектора индукции магнитного поля этой обмотки оказывается перпендикулярной к направлению рабочего (гальванического) тока, а сила электромагнитного взаимодействия Лоренца направлена вдоль ванны. Направление этой силы зависит от направления управляющего тока, например, при его направлении по часовой стрелке так, как указано на фиг.2,б, она направлена слева направо, при изменении направления тока на противоположный, т.е. против часовой стрелки, эта сила будет направлена справа налево. Таким образом, может быть ликвидирован особенно вредный продольный перекос уровня жидкого алюминия.

В тех случаях, когда продольный перекос уровня жидкого алюминия носит динамический характер, т.е. образуется большая стоячая волна с пучностями уровня на концах ванны и максимумом скоростей переката в средней части, применяется переменный ток, питающий среднюю управляющую обмотку. Магнитное поле в этом случае играет роль тормозящей силы, направленной против скорости движения, т.е. силы трения. Сила тока выбирается из расчета декремента затухания продольной стоячей волны.

В тех случаях, когда - на основании дисперсионного контроля, будет получен сигнал о приближении анодного эффекта, или, по выбору опытного оператора, - переменный ток пропускают по всем трем обмоткам синфазно, например, так, как изображено на фиг.2,б, но цепь тока прерывают с частотой, равной резонансной частоте поперечной стоячей волны граничной поверхности жидкий алюминий - электролит. При этом, около бортов ванны появляются синфазные силы электромагнитного давления, такие, например, как показаны на фиг.2,б радиальными стрелками 5. Резонансная частота этих сил приведет в колебание среднюю часть поверхности алюминия, разрушение газовых “блинов” и больших пузырей - к освобождению от них межполюсного пространства.

Управляющие обмотки в варианте предполагается изготовить из алюминиевой шины с общим напряжением около 5-10 вольт, с возможностью подключения в параллель рабочему (гальваническому) току электролизера или включением в эту же цепь низковольтного понижающего трансформатора промышленной частоты.

Первичная цепь трансформатора может управляться таймером, прерывающим ток с частотой от 0,05 до 0,1 Гц в зависимости от резонансной частоты колебаний в ванне.

Технические и экономические преимущества способа.

Расход электроэнергии для питания управляющих обмоток оценивается около 10 кВт в среднем, предполагается снизить межполюсное расстояние MПP на 15-20% и выиграть в расходе энергии на электролизере с рабочим током 150 кА около 200 кВт мощности или 4800 кВт-час энергии/ в сутки.

Этот выигрыш дополняет эксплуатационные преимущества способа: большую управляемость режимами электролиза, возможность проведения процесса в оптимальном режиме, снижение частоты возникновения анодных эффектов.

Преимуществом способа и устройства является сохранение расчетных режимов и конструкции существующих электролизеров, проверенных на практике, и представляет собой в сущности метод управления при помощи внешних полей.

1. Способ коррекции магнитного поля электролизера Эру-Холла, включающий пропускание корректирующего тока по шинопроводу, электрически не связанному с электролизером, отличающийся тем, что корректирующий ток подают на независимые секции шинопровода, магнитное поле которых взаимодействует с рабочим током вертикального направления в жидком алюминии с возникновением продольной силы компенсации продольных перекосов поверхности раздела электролит - жидкий алюминий, вызванных внешними магнитными полями шинопроводов и соседних электролизеров, причем в начальной стадии после пуска электролизера или гашения анодного эффекта подают постоянный электрический ток на все независимые секции шинопровода, в периоды между анодными эффектами для гашения колебаний, образованных стоячей волной с пучностями уровня на концах ванны, подают переменный ток на среднюю независимую секцию шинопровода, и в режиме приближения анодного эффекта, для интенсификации течения в межполюсном пространстве - импульсный переменный, синфазный ток, с частотой, равной резонансной частоте стоячих волн границы электролит-жидкий алюминий на все независимые секции шинопровода.

2. Устройство для коррекции магнитного поля электролизера Эру-Холла, имеющего ванну с бортами и подиной, анод, жидкий катод и катодные шины, содержащее шинопровод для пропускания корректирующего тока, отличающееся тем, что шинопровод для пропускания корректирующего тока выполнен в виде замкнутого контура из труб из немагнитного слабо проводимого материала, разделенных параллельными короткой стороне ванны перемычками на не менее чем три независимые секции и уложенных по внутреннему периметру ферромагнитного корпуса ванны под кладкой огнеупорного кирпича, а внутри секций расположены управляющие обмотки с возможностью подключения к независимым источникам питания постоянным, переменным или импульсным переменным током.