Ошиновка алюминиевого электролизера

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия и может быть использовано при монтаже ошиновки электролизера. Ошиновка алюминиевого электролизера, при продольном расположении электролизеров в корпусе, содержит катодные стержни, соединенные с пакетами катодных шин, расположенных по продольным сторонам электролизера, каждый из которых состоит, по крайней мере, из одной катодной шины, входные и выходные анодные стояки, соединенные с пакетами катодных шин соединительными шинами и с анодными шинами передающими шинами. Анодные шины на входе и выходе снабжены перемычками на входе и выходе и дополнительной перемычкой. Для обеспечения заданной токовой нагрузки на анодный массив последующего электролизера электрические цепи для подачи токовой нагрузки выполнены с дифференцированным электрическим сопротивлением. Ошиновка может быть выполнена четырехстоячной, при этом два входных стояка расположены у входного торца электролизера в проекции его катодного устройства, два выходных стояка расположены на продольных сторонах на расстоянии от центральной поперечной оси электролизера, составляющем 0,05-0,16 длины электролизера, и ошиновка выполнена с распределением токовой нагрузки по стоякам, %: левый входной 15-35, правый входной 10-40, левый выходной 15-35, правый выходной 10-40. Изобретение обеспечивает оптимизацию электромагнитных характеристик процесса, оптимизацию скорости циркуляции металла и электролита, снижение падения напряжения и повышение технико-экономических показателей процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, к электролитическому производству алюминия и может быть использовано при монтаже ошиновки электролизера.

Значительное влияние на магнитогидродинамические и энергетические характеристики алюминиевого электролизера оказывают электромагнитные силы, воздействующие на катодный металл, что приводит к перекосам и волнению расплава, дестабилизации технологического режима и снижению технико-экономических показателей процесса электролиза.

Важным фактором, снижающим отрицательное воздействие электромагнитных сил, является эффективное токораспределение, как по анодному массиву, так и по катодному устройству.

Эти задачи решаются:

- дифференцированным отводом тока от катодного устройства;

- дифференцированным распределением токовой нагрузки по анодным шинам, переброской токовой нагрузки по катодным ошиновкам;

- смещением токоподводящих элементов ошиновки (анодные стояки, разноуровневая катодная ошиновка, поперечные шины на катодной и анодной ошиновке).

Известен способ ошиновки алюминиевых электролизеров с двусторонним токоподводом к аноду при двухрядном продольном расположении электролизеров в корпусе, в котором сечение обводного пакета на ближней к соседнему ряду стороне электролизера выполняют большим и подключают к нему большее количество катодных стержней, чем к обводному пакету противоположной стороны электролизера.

При этом распределение тока по стоякам следующее: входной левый (по ходу тока) стояк - 30-32%, входной правый 36-38%, выходной левый 20-18%, выходной правый 12-14%. Катодные и обводные шины на ближней к соседнему ряду стороне электролизера по высоте располагаются выше на 30-50 см, чем с противоположной стороны, т.е. ближе к слою расплавленного металла. (А.с. СССР №356312, C 22 d 3/12, 1972 г. [1]).

Использование известного решения позволяет уменьшить перекос зеркала металла, но не устраняет отрицательного влияния поперечной составляющей магнитной индукции (циркуляция расплава).

Известна ошиновка электролизеров для получения алюминия при продольном двухрядном расположении их в корпусе, содержащая анодные шины, стояки, пакеты катодных шин групп стержней, из которых ближние к входному торцу катодного устройства соединены со стояками, расположенными у входного торца, а остальные - со стояками, расположенными вдоль бортов катодного кожуха последующего электролизера, анодные стояки соединены с анодной шиной в точках, соответствующих 1/3 и 2/3 ее длины, в которой пакеты катодных шин на стороне, дальней от соседнего ряда электролизеров, установлены ниже пакетов катодных шин на противоположной стороне электролизера на 1,1-2,7 м, при этом к выходному торцу анодной шины, расположенной на стороне, ближней к соседнему ряду электролизеров, подсоединено 17,6-20,6% всех катодных стержней предыдущего электролизера, а отношение количества катодных стержней, подключенных к входному торцу анодной шины, расположенной на стороне, дальней от соседнего ряда электролизеров, к количеству катодных стержней, подключенных к входному торцу анодной шины, расположенной на противоположной стороне электролизера, составляет 1,14-1,7:1 (Патент РФ №2004630, С 25 С 3/16, 1993 г., [2]).

Использование этой ошиновки позволяет снизить скорости циркуляции расплава за счет снижения величины вертикальной составляющей магнитного поля, но не обеспечивает в полной мере эффективного токораспределения, ошиновка громоздка, сложна в монтаже, значительное количество контактных узлов приведет к значительным непроизводительным токовым потерям, а выносные анодные стояки затруднят обслуживание электролизера.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера с самообжигающимся анодом и верхним двухсторонним подводом тока к аноду при двухрядном продольном расположении электролизеров в корпусе, содержащая катодную ошиновку, штыри, шины и стояки анодной ошиновки, которая снабжена перемычками, соединяющими анодные шины на входе и выходе электролизера, установленными между соединением анодных шин с анодными стояками и местом установки крайних торцевых анодных штырей, причем, каждая перемычка может быть выполнена в виде двух Г-образных алюминиевых шин, соединенных, например, электродуговой сваркой. (Патент РФ №2169797, С 25 С 3/16, 2001 г, [3]).

По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение принято в качестве ближайшего аналога.

Использование известной ошиновки позволяет достигать равномерного токораспределения по электролизеру, но не устраняет в полной мере отрицательного влияния электромагнитных сил, что ведет к дестабилизации технологического режима и к снижению выхода по току.

Задача изобретения - повышение технико-экономических показателей работы электролизера.

Техническим результатом является снижение влияния электромагнитных сил на расплав, стабилизация технологического режима, повышение равномерности токораспределения, снижение токовых потерь.

Технический результат достигается тем, что в ошиновке алюминиевого электролизера, содержащей катодные стержни, соединенные с пакетами катодных шин, анодные стояки, соединенные передающими шинами с пакетами катодных шин, анодные шины, снабженные перемычками и соединенные с анодными стояками, все катодные стержни по каждой продольной стороне электролизера соединены с пакетом катодных шин, состоящим, по крайней мере, из одной катодной шины, а участки электрических цепей для подачи токовой нагрузки на анодные шины, состоящие из участков пакетов катодных шин, передающих шин, анодных стояков, выполнены с дифференцированным электрическим сопротивлением, обеспечивающим заданную токовую нагрузку, причем, ошиновка может быть выполнена четырехстоячной, при продольном расположении электролизеров в корпусе, два входных стояка расположены у входного торца электролизера в проекции его катодного устройства, два выходных стояка расположены на продольных сторонах на расстоянии от центральной поперечной оси электролизера, составляющем 0,05-0,16 длины электролизера и ошиновка выполнена с распределением токовой нагрузки по стоякам,%:

левый входной	23-27
правый входной	28-32
левый выходной	24-26
правый выходной	18-20.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

В известных решениях по ошиновке алюминиевого электролизера задачи эффективной передачи и распределения токовой нагрузки решаются формированием дифференцированных катодных пакетов из групп катодных стержней, переброской и перераспределением токовой нагрузки по катодной и анодной ошиновке.

Основные недостатки известных решений:

- при формировании катодных пакетов из групп катодных стержней не учитываются токовые нагрузки на каждый катодный стержень, а они могут быть различными (дефекты монтажа катодного устройства, локальные разрушения подины), что ведет заведомо к отклонениям от оптимального режима токораспределения;

- известные ошиновки, как правило, достаточно громоздки, что усложняет их монтаж, значительно количество контактных узлов, повышающих токовые потери;

- значительна металлоемкость известных ошиновок;

- обводные катодные шины усложняют монтаж и увеличивают количество контактных соединений, а следовательно, повышаются токовые потери;

- не в полной мере учитывается электрическое сопротивление элементов цепей, передающих токовую нагрузку.

В предлагаемом техническом решении снятие токовой нагрузки с катодного устройства предыдущего электролизера соединением всех катодных стержней каждой продольной стороны электролизера с одной катодной шиной сглаживает неравномерность токовых нагрузок по катодным стержням (группам катодных стержней, а соединение передающих шин с катодными шинами в определенных точках позволяет более точно формировать передаваемую заданную токовую нагрузку. Выполнение элементов электрической цепи для передачи токовой нагрузки на последующий электролизер с дифференцированным электрическим сопротивлением также направлено на точное достижение заданной токовой нагрузки.

Необходимая величина электросопротивления элементов цепи, обеспечивающая заданную токовую нагрузку, может быть достигнута выполнением элементов различного сечения, длины. Электрическое сопротивление цепей для передачи токовой нагрузки контролируется инструментально.

Использование предлагаемого решения позволит оптимизировать электромагнитные характеристики процесса, оптимизировать скорости циркуляции металла и электролита, снизить падение напряжения в ошиновке, и, в конечном итоге, повысить технико-экономические показатели процесса.

От ближайшего аналога предлагаемое техническое решение отличается тем, что:

- все катодные стержни по продольной стороне электролизера соединены с одним катодным пакетом, который выполнен из одной или нескольких катодных шин;

- электрические цепи (участки электрических цепей) для подачи токовой нагрузки на анодные шины, состоящие из участков пакетов катодных шин, передающих шин, анодных стояков, выполнены с дифференцированным электрическим сопротивлением.

Наличие в предлагаемом решении отличительных от ближайшего аналога признаков позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности "новизна".

Сравнительный анализ предлагаемого решения с ближайшим аналогом и другими известными решениями в данной области показал следующее:

- известен способ ошиновки алюминиевых электролизеров, в котором дифференцированное токораспределение достигается выполнением сечения обводного пакета на ближней к соседнему ряду стороне электролизера большим и подключением к нему большего количества катодных стержней, чем к обводному пакету противоположной стороны электролизера [1];

- известна ошиновка электролизеров для получения алюминия при продольном двухрядном расположении их в корпусе, в котором анодные стояки, расположенные вдоль бортов катодного кожуха последующего электролизера соединены с анодной шиной в точках, соответствующих 1/3 и 2/3 ее длины, и отношение количества катодных стержней, подключенных к входному торцу анодной шины, расположенной на стороне, дальней от соседнего ряда электролизеров, к количеству катодных стержней, подключенных к входному торцу анодной шины, расположенной на противоположной стороне электролизера составляет 1,14-1,7:1 [2];

- известно использование в ошиновках перемычек по анодным шинам патент РФ №2169797, С 25 С 3/16, 2001 г., ([3], патент РФ №2164557, С 25 С 3/16, 2001 г., [4], патент РФ №2109853, С 25 С 3/16, 1998 г. [5]);

- известна передача токовой нагрузки на анодный стояк последующего электролизера через коллекторную катодную шину предыдущего электролизера, к которой подсоединены все катодные стержни по продольной глухой (дальней от соседнего ряда электролизеров при их продольном двухрядном расположении в корпусе) стороне электролизера [4];

- известна ошиновка электролизера для получения металла, включающая расположенные вдоль продольных сторон электролизера в одной вертикальной плоскости пакеты катодных шин переменного сечения с катодными отводами и пакеты анодных шин переменного сечения с анодными отводами, в которой катодный и анодный пакеты выполнены в виде единого пакета (патент РФ №2151221, С 25 С 7/02, 3/04, 2000 г. [6];

Предлагаемое техническое решение характеризуется известными признаками:

- анодные шины снабжены перемычками;

- диффенцированное токораспределение по ошиновке;

- соединение катодных стержней (групп катодных стержней) с пакетами катодных (коллекторных) шин;

- выполнение токопроводящих элементов ошиновки с переменным сечением.

Предлагаемое решение характеризуется также и неизвестными ранее признаками:

- все катодные стержни по каждой продольной стороне соединены с одним катодным пакетом;

- катодный коллекторный пакет по каждой продольной стороне электролизера состоит, по крайней мере, из одной катодной шины;

- электрические цепи для подачи токовой нагрузки на анодные шины, состоящие из участков пакетов катодных шин, передающих, анодных стояков выполнены с дифференцированным электрическим сопротивлением, обеспечивающим заданную токовую нагрузку.

Кроме того, ошиновка может быть выполнена четырехстоячной, при продольном расположении электролизеров в корпусе, при этом два входных анодных стояка расположены у входного торца электролизера в проекции его катодного устройства, два выходных стояка расположены на продольных сторонах на расстоянии от центральной поперечной оси электролизера, составляющем 0,05-0,16 длины электролизера и ошиновка может быть выполнена с распределением токовой нагрузки по стоякам, %:

левый входной	15-35
правый входной	10-40
левый выходной	15-35
правый выходной	10-40.

Использование совокупности известных и неизвестных признаков предлагаемого технического решения позволит получить более равномерное распределение тока по катодным стержням, оптимальное заданное (расчетное и экспериментальное) токораспределение, обеспечивающее оптимальные значения векторов магнитной индукции, добиться оптимальных скоростей циркуляции металла и электролита, уменьшить перекос металла, и, в конечном результате, повысить выход по току и повысить срок службы электролизера. Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение иллюстрируется чертежом.

Ошиновка содержит катодные стержни 1, соединенные с пакетами катодных шин 2, 3, расположенных по продольным сторонам электролизера, анодные стояки, входные 4, 5 и выходные 6, 7, соединенные с пакетами катодных шин 2, 3 соединительными шинами 8, 9, 10, 11, и с анодными шинами 12, 13 передающими шинами 14, 15, 16, 17. Анодные шины на входе и выходе снабжены перемычками 18, 19 и дополнительной перемычкой 20.

Ошиновка алюминиевого электролизера работает следующим образом.

Токовая нагрузка с предыдущего электролизера через катодные стержни 1 поступает на пакеты катодных шин 2, 3, расположенных по продольным сторонам электролизера, причем, каждый пакет выполнен, по крайней мере, из одной катодной шины.

Все катодные стержни по каждой продольной стороне соединены с одним пакетом катодных шин. С пакетов катодных шин 2, 3 через передающие шины 8, 9, 10, 11 токовая нагрузка поступает на анодные стояки 4, 5, 6, 7 последующего электролизера, а затем через шины 14, 15, 16, 17 на анодные шины 12, 13. Для обеспечения заданной токовой нагрузки на анодный массив последующего электролизера, компенсации отрицательного влияния магнитных полей, электрические цепи для подачи токовой нагрузки выполнены с дифференцированным электрическим сопротивлением, что достигается соединениями передающих шин с пакетами катодных шин и с анодными шинами в определенных точках и выполнением участков передающих токовую нагрузку участков электрических цепей: коллекторных катодных шин (их частей), передающих шин с заданным электрическим сопротивлением.

Кроме, того, для более равномерного токораспределения по анодному массиву выполнено дифференцированное распределение токовой нагрузки по анодным стоякам и анодные шины снабжены перемычками.

Предлагаемая ошиновка смонтирована на опытно-промышленной группе электролизеров, проводятся испытания с приборными замерами контролируемых физических величин. Снизилась металлоемкость ошиновки.

1. Ошиновка алюминиевого электролизера, содержащая катодные стержни, соединенные с пакетами катодных шин, анодные стояки, соединенные передающими шинами с пакетами катодных шин, анодные шины, снабженные перемычками и соединенные с анодными стояками, отличающаяся тем, что все катодные стержни по каждой продольной стороне электролизера соединены с одним катодным пакетом, состоящим, по крайней мере, из одной катодной шины, а электрические цепи для подачи токовой нагрузки на последующий электролизер, состоящие из участков пакетов катодных шин, передающих шин, анодных стояков, выполнены с дифференцированным электрическим сопротивлением, обеспечивающим заданную токовую нагрузку.

2. Ошиновка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена четырехстоячной, при продольном расположении электролизеров в корпусе два входных стояка расположены у входного торца электролизера в проекции его катодного устройства, два выходных стояка расположены на продольных сторонах на расстоянии от центральной поперечной оси электролизера, составляющем 0,05-0,16 длины электролизера, ошиновка выполнена с распределением токовой нагрузки по стоякам, %:

Левый входной	15-35
Правый входной	10-40
Левый выходной	15-35
Правый выходной	10-40