Ошиновка алюминиевых электролизеров

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия и может быть использовано в конструкциях ошиновок мощных электролизеров с обожженными анодами при их поперечном расположении в корпусе. Ошиновка содержит сборные катодные шины, соединенные с пятью равноотстоящими анодными стояками с одинаковой токовой нагрузкой, которые соединены с анодными шинами, снабженными перемычками. Сборные катодные шины снабжены перемычками, причем крайние сборные шины входной стороны электролизера выполнены не менее чем из одного пакета сборных шин, передающие пакеты шин, расположенные вдоль торцевых сторон электролизера и передающие по 40% токовой нагрузки входной стороны каждый, выполнены на уровне расплава металла, при этом токовая нагрузка на средние анодные стояки подведена двумя передающими пакетами шин, соединенными в верхней части стояков, а на пакетах, передающих токовую нагрузку на центральный и средние анодные стояки, выполнены участки с разным направлением тока. Передающие пакеты шин под днищем электролизера могут быть расположены несимметрично относительно поперечной оси электролизера, анодная ошиновка может быть выполнена в виде двух токопроводящих контуров, содержащих по две анодные шины, жестко соединенные поперечными шинами, контуры могут быть соединены перемычками и соединены с центральным анодным стояком. Изобретение обеспечивает снижение до оптимальных величин скоростей циркуляции металла и электролита, оптимизацию токораспределения по катодной и анодной ошиновкам. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электролитическому производству алюминия в цехах с поперечным расположением электролизных ванн на силу тока 250-350 кА.

Ошиновка - один из основных узлов электролизера, определяющий его энергетические, магнитогидродинамические характеристики, а значит, технико-экономические показатели процесса электролиза в целом.

К магнитогидродинамическим (МГД) характеристикам электролизеров с токовыми нагрузками 250-350 кА с поперечным расположением в корпусе предъявляются следующие требования:

- минимизация и симметрия продольной составляющей магнитного поля Вх;

- знакопеременность вертикальной составляющей магнитного поля Bz и минимизация по абсолютной величине;

- оптимальные скорости циркуляции металла и электролита;

- количество и расположение контуров циркуляции;

- минимальный перекос металла.

Задачи по выполнению оптимальных вариантов ошиновки решаются различными способами:

- выполнением и компоновкой основных элементов ошиновки (секционирование и расположение катодных шин, расположение и выполнение анодных стояков);

- различными вариантами токосъема, токоподвода и токораспределения (комплектование пакетов катодных шин, переброска токовой нагрузки, распределение токовой нагрузки);

- выполнением встречных ветвей катодных передающих шин и замкнутых токопроводящих контуров для компенсации вертикальной составляющей магнитного поля.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера при поперечном расположении в корпусе, содержащая сборные шины с катодными спусками, установленные вдоль входной и выходной продольных сторон электролизера, в которой анодная ошиновка соединена с предыдущим электролизером посредством равноотстоящих стояков, расположенных на его входной стороне, через которые протекают одинаковые токи таким образом, что каждый стояк питает анодную ошиновку в точке, вокруг которой симметрично расположено одинаковое количество анодов, при этом крайние стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны электролизера пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон, каждый из которых передает 35% тока входной стороны, и со сборными шинами входной стороны пакетами, размещенными симметрично под катодными блоками, наиболее близко расположенными к торцам электролизера, каждый из которых передает 15% тока входной стороны, и со сборными шинами выходной стороны электролизера (патент Франции №2552782, С 25 С 3/08, 1985 г.). [1]

Недостатком известной ошиновки является то, что она не обеспечивает изменение знака направления вертикальной составляющей магнитного поля Bz при переходе через поперечную ось У, а только при переходе через продольную ось Х (при поперечном расположении электролизеров в корпусе). Указанный недостаток обуславливает двухконтурную картину циркуляции расплава в электролизере с повышенными скоростями.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера при поперечном расположении в корпусе, содержащая сборные шины с катодными спусками, установленные вдоль входной и выходной продольных сторон электролизера, в которой анодная ошиновка соединена с предыдущим электролизером посредством равноотстоящих стояков, расположенных на его входной стороне, через которые протекают одинаковые токи так, что каждый стояк питает анодную ошиновку в точке, вокруг которой симметрично расположено одинаковое количество анодов, при этом крайние стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны электролизера пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон, каждый из которых передает 35% тока входной стороны, и со сборными шинами выходной стороны электролизера, а средние стояки соединены со средними сборными шинами входной стороны пакетами шин, размещенными под днищем электролизера, каждый из которых передает 15% тока входной стороны, и со сборными шинами выходной стороны, в которой пакеты катодных шин, проходящие под днищем, приближены на входной стороне к торцам электролизера, а на выходной стороне - к ее середине (патент РФ №2009275, С 25 С 3/16, 1999 г.). [2]

Известная ошиновка обеспечивает четырехконтурную циркуляцию расплава со сниженными скоростями, но снижение абсолютной величины вертикальной составляющей магнитного поля Bz недостаточно, не достигается в полной мере оптимальное токораспределение по ошиновке и стабилизация технологических параметров.

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 равноотстоящих стояков, расположенных на его входной стороне, через которые протекают одинаковые токи так, что каждый стояк питает анодную ошиновку в точке, вокруг которой симметрично расположено одинаковое количество анодов, при этом крайние стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны электролизера пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон и со сборными шинами выходной стороны электролизера, а средние стояки соединены со сборными шинами входной стороны пакетами шин, размещенными симметрично под днищем электролизера, и со сборными шинами выходной стороны, в которой каждый из пакетов шин, огибающих торцы электролизера, передает 35-50% тока входной стороны (патент РФ №2132888, С 25 С 3/16, 1999 г.). [3]

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

Известная ошиновка позволяет снизить отрицательные воздействия магнитного поля на катодный металл, обеспечить более высокую магнитогидродинамическую устойчивость электролизеров, повысить выход металла по току.

Вместе с тем передача токовой нагрузки на анодные стояки с входной и выходной сторон предыдущего электролизера совмещенными передающими шинами не обеспечивает в полной мере необходимую равномерность поступления и распределения токовой нагрузки по анодному устройству последующего электролизера, не устраняет в полной мере возмущения расплава, вызываемые магнитными полями. Все это снижает технико-экономические показатели процесса. Кроме того, компоновка данной ошиновки усложняет ее монтаж, используемый вариант установки перемычек на анодной ошиновке затруднит установку технологического оборудования.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение технико-экономических показателей процесса за счет оптимизации и стабилизации технологических параметров, в том числе снижение удельного расхода электроэнергии.

Техническим результатом внедрения предлагаемого технического решения является следующее: снижение до оптимальных величин скоростей циркуляции металла и электролита, оптимизация токораспределения по катодной и анодной ошиновкам, расширение технологических возможностей ошиновки.

Технический результат достигается тем, что в ошиновке алюминиевых электролизеров при поперечном расположении электролизеров в корпусе, содержащей сборные шины с катодными спусками, выполненные вдоль входной и выходной продольных сторон электролизера предыдущего по ходу тока и соединенные с пятью равноотстоящими анодными стояками с одинаковой токовой нагрузкой, установленными по продольной входной стороне последующего электролизера и соединенными с его анодной ошиновкой, когда центральный анодный стояк соединен передающим пакетом шин с центральной сборной шиной выходной стороны, средние анодные стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны передающими пакетами шин, расположенными под днищем электролизера, а крайние анодные стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон электролизера и передающими 35-50% токовой нагрузки входной стороны каждый, сборные шины снабжены перемычками, а пакеты шин, расположенные вдоль торцевых сторон электролизера и передающие по 40% токовой нагрузки входной стороны каждый, выполнены на уровне расплава металла, при этом токовая нагрузка на средние анодные стояки подведена двумя передающими пакетами шина, причем на пакетах, передающих токовую нагрузку на центральный и средние анодные стояки, выполнены участки с разным направлением тока.

Кроме того:

- передающие пакеты шин под днищем электролизера могут быть расположены несимметрично относительно поперечной оси электролизера;

- анодная ошиновка может быть выполнена в виде двух токопроводящих контуров, содержащих по две анодные шины, жестко соединенные поперечными шинами, контура могут быть соединены перемычками;

- токопроводящие контура соединены с центральным анодным стояком.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

В предлагаемой ошиновке задачи стабилизации технологических параметров процесса электролиза за счет снижения отрицательного влияния на расплавы металла и электролита магнитных полей, генерируемых ошиновкой, решаются компенсацией составляющих магнитного поля путем выполнения проводников, по которым проходят встречные токи: сборные катодные шины по продольным сторонам электролизера, пакеты передающих шин по продольным сторонам электролизера, выполнение в передающих пакетах участков с разным направлением тока в ветвях равной длины, равного омического сопротивления, с одинаковой по величине токовой нагрузкой. Кроме того, выполнены передающие параллельные пакеты шин, по которым протекают токи в одном направлении, и генерируемые этими пакетами вертикальные составляющие магнитных полей взаимно компенсируются, например:

- передающие пакеты шин под днищем электролизера и передающие пакеты шин по торцам электролизера,

- отдельные передающие пакеты шин, подводящие токовую нагрузку на средние анодные стояки, и участки торцевых передающих пакетов шин, проходящих по выходной стороне и участки шин выходной стороны.

Подача тока с входной стороны на крайние анодные стояки отдельными передающими пакетами шин, расположенным по торцам электролизера на уровне расплава металла и передающими по 40% токовой нагрузки входной стороны каждый, обеспечивает, во-первых, гарантированную токовую нагрузку на стояки, во-вторых, способствует стабилизации магнитогидродинамических параметров расплавов в электролизере. Предлагаемое выполнение элементов ошиновки компенсирует отрицательное воздействие магнитных полей не только конкретного электролизера, но и последующего: участки передающих пакетов шин, выполненные нисходящими (изменение направления тока), на входной стороне электролизера являются компенсаторами восходящих к анодным стоякам участков на выходной стороне (входная сторона последующего электролизера) и восходящих участков собственных анодных стояков. Таким образом, с учетом вышеизложенного, образуется "макроошиновка", работающая на стабилизацию технологических параметров всех электролизеров корпуса. Выполнение перемычек между сборными катодными шинами направлено на выравнивание токовых нагрузок при съеме токовой нагрузки с катодного устройства и для снижения отрицательного воздействия изменений электрических параметров электролизера на соседние электролизеры.

Передающие пакеты шин под днищем электролизера могут быть расположены как симметрично, так и не симметрично относительно поперечной оси электролизера в зависимости от наличия соседнего ряда электролизеров, влияния ферромагнитных конструкций, величины токовой нагрузки, протекающей по ним и по передающим пакетам шин, расположенным по торцам электролизера.

Выполнение анодной ошиновки в виде двух токопроводящих контуров, каждый из которых содержит по две анодные шины, жестко соединенные поперечными балками, направлено, во-первых, на усреднение токовой нагрузки по массиву обожженных анодов, во-вторых, на обеспечение более плавного и точного перемещения анодов для поддержания межполюсного расстояния в заданных пределах, а также для обеспечения рационального размещения технологического оборудования (систем питания электролизера глиноземом, фтористыми солями и т.п.). Причем оба контура соединены с центральным анодным стояком и могут быть соединены между собой перемычками.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с ближайшим аналогом выявил следующее. Предлагаемая ошиновка и известная характеризуются общими признаками:

- сборные шины с катодными спусками, выполненные вдоль входной и выходной продольных сторон предыдущего по ходу тока электролизера;

- пять равноотстоящих анодных стояков с одинаковой токовой нагрузкой, установленных по продольной входной стороне последующего электролизера, соединенных с его анодной ошиновкой;

- центральный анодный стояк соединен передающим пакетом шин с центральной сборной шиной выходной стороны;

- средние анодные стояки соединены передающими пакетами шин со средними сборными шинами входной стороны предыдущего электролизера, расположенными под днищем электролизера, и со сборными шинами выходной стороны предыдущего электролизера;

- крайние анодные стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны предыдущего электролизера пакетами передающих шин, расположенными вдоль торцевых сторон электролизера, передающими 35-50% токовой нагрузки входной стороны каждый.

Предлагаемое техническое решение также характеризуется отличительными от ближайшего аналога признаками:

- сборные шины снабжены перемычками;

- пакеты шин, расположенные вдоль торцевых сторон электролизера и передающие 40% токовой нагрузки входной стороны каждый, выполнены на уровне расплава металла;

- токовая нагрузка на средние анодные стояки подведена двумя передающими пакетами шин, соединенными в верхней части стояков;

- на пакетах передающих шин, связывающих центральный и средние анодные стояки со сборными шинами входной и выходной сторон, выполнены участки с разным направлением тока.

Кроме того:

- анодная ошиновка последующего электролизера выполнена в виде двух токопроводящих контуров, каждый из которых содержит по две анодные шины, жестко соединенные поперечными балками, и могут быть соединены перемычками;

- токоподводящие контуры соединены с центральным анодным стояком.

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

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими решениями в данной области, выявленными в процессе проведения поиска, показал следующее:

- известна передача токовой нагрузки с входной стороны электролизера на анодные стояки передающими пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон в размере 35% тока входной стороны [1, 2], в размере 35-50% [3];

- известна передача токовой нагрузки с входной стороны и выходной сторон электролизера на анодные стояки передающими пакетами шин, размещенными под днищем электролизера и выполненными на выходной стороне [1, 2, 3];

- известна передача необходимой токовой нагрузки с входной стороны на крайние анодные стояки передающими пакетами шин, расположенными по торцам электролизера (патент РФ №2054054, С 25 С 3/16, 1996 г.) [4];

- известно соединение сборных катодных шин перемычками (патент РФ №2227179, С 25 С 3/16, 2004 г., [5] и выполнение сборных катодных шин в виде коллекторной шины (патент РФ №2255148 С 25 С 3/16, 2005 г.) [6];

- известно компенсирование составляющих магнитного поля выполнением и расположением пакетов шин, по которым протекают встречные токи (А.с. СССР №1093255, С 25 С 3/16, 1979 г.) [7].

В предлагаемом техническом решении:

- гарантированная токовая нагрузка на крайние анодные стояки (по 20% общей токовой нагрузки) подается с входной стороны отдельными передающими пакетами шин, расположенными по торцам электролизера и выполненными на уровне расплава металла;

- необходимая токовая нагрузка на средние анодные стояки подается отдельными пакетами шин, которые соединяются только в верхней части стояков;

- для снижения отрицательных влияний магнитных полей и обеспечения необходимого и гарантированного токораспределения, на пакетах передающих шин выполнены участки с разным направлением тока.

Предлагаемая ошиновка, рассчитанная на трехмерной модели, составленной по компоновочным чертежам с учетом ферромагнитных элементов анодного и катодного устройств, выполнена в опытно-промышленном варианте и по предварительным результатам дает возможность получать более высокие технико-экономические результаты, а именно:

- снижена себестоимость и трудоемкость монтажа ошиновки за счет выполнения парных однотипных комплектующих, выполнения секционированных сборных шин, снижения металлоемкости;

- обеспечены оптимальные скорости циркуляции расплавов;

- повышен выход по току и снижены токовые потери.

Предлагаемое техническое решение, характеризующееся совокупностью известных и новых признаков, при его использовании позволяет достигнуть более высоких технико-экономических результатов, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На чертеже представлен вариант выполнения ошиновки по предлагаемому решению для мощного электролизера. Предлагаемая ошиновка включает сборные катодные шины продольной входной стороны электролизера 1, 1', 2, 2', 3, 3', соединенные перемычками 4, сборные катодные шины продольной выходной стороны 5, 6, 7, соединенные перемычками 8, анодные стояки 9, 9', 10, 10', 11, расположенные по продольным сторонам последующего электролизера и соединенные с шинами анодной ошиновки 12, которые снабжены поперечными шинами 13 и перемычками 13'. Крайние стояки 9,9' соединены с крайними сборными шинами 1, 1', 2, 2' входной стороны пакетами шин 14, 14', расположенными вдоль торцевых сторон электролизера на уровне расплава металла в электролизере. Средние анодные стояки 10, 10' соединены со средними сборными шинами 3, 3' входной стороны пакетами 15, 15', расположенными под днищем электролизера, и со сборными катодными шинами 5, 7 выходной стороны пакетами шин 16, 17. Центральный анодный стояк 11 соединен со сборной катодной шиной 6 пакетами шин 18, 18'.

Ошиновка работает следующим образом. Токовая нагрузка с катодного устройства предыдущего электролизера от токопроводящих стержней подины посредством катодных спусков передается на сборные секционированные катодные шины (с каждой сборной шиной соединены катодные спуски группы близлежащих стержней) 1, 1', 2, 2', 3, 3', 5, 6, 7, которые по каждой продольной стороне соединены между собой перемычками 4 и 8. Со сборных катодных шин 1, 1', 2, 2' входной стороны по пакетам шин 14, 14', расположенным по торцам электролизера на уровне расплава металла в ванне электролизера, на крайние анодные стояки 9, 9' поступает по 40% токовой нагрузки входной стороны на каждый стояк (по 20% общей токовой нагрузки). На средние анодные стояки 10, 10' со средних сборных катодных шин входной стороны 3, 3' по пакетам шин 15, 15', расположенным под днищем электролизера, поступает по 10% токовой нагрузки входной стороны (по 5% общей токовой нагрузки) и с крайних сборных катодных шин выходной стороны 5, 7 по пакетам 16, 17 по 30% токовой нагрузки выходной стороны (по 15% общей токовой нагрузки). Пакеты 15 и 16 и пакеты 15' и 17 соединены в верхних частях стояков. На центральный анодный стояк токовая нагрузка (40% токовой нагрузки выходной стороны или 20% общей токовой нагрузки) поступает со средней сборной катодной шины 6 по пакетам 18 и 18', при этом в верхней части центральный стояк разделен на две половины и каждая соединена с анодными шинами 12 гибкими перемычками. Анодные шины соединены с анодными стояками гибкими перемычками и соединены между собой жесткими перемычками 13.

Предлагаемая ошиновка обеспечивает оптимальные скорости циркуляции металла и электролита, рациональный токосъем и токораспределение с минимальными значениями разброса тока.

Проводимые опытно-промышленные испытания электролизеров с токовой нагрузкой 300 кА, оснащенных данной ошиновкой, подтверждают ее высокую эффективность и позволяют сделать выводы о получении высоких технико-экономических показателей процесса в серийном производстве.

ИНФОРМАЦИЯ

1. Патент Франции №2552782, С 25 С 3/08, 1985 г.

2. Патент РФ №2009275, С 25 С 3/16, 1994 г.

3. Патент РФ №2132888, С 25 С 3/16, 1999 г.

4. Патент РФ №2054054, С 25 С 3/16, 1996 г

5. Патент РФ №2227179, С 25 С 3/16, 2004 г.

6. Патент РФ №2255148, С 25 С 3/16, 2005 г.

7. А.с. СССР №1093255, С 25 С 3/16, 1979 г.

1. Ошиновка алюминиевых электролизеров с поперечным расположением электролизеров в корпусе, содержащая сборные шины с катодными спусками, выполненные вдоль входной и выходной продольных сторон электролизера, предыдущего по ходу тока, и соединенные с пятью равноотстоящими анодными стояками с одинаковой токовой нагрузкой, установленными по входной продольной стороне последующего электролизера и соединенными с анодными шинами, при этом центральный анодный стояк соединен передающим пакетом шин с центральной сборной шиной выходной стороны, средние анодные стояки соединены с крайними сборными шинами выходной стороны и центральными сборными шинами входной стороны передающими пакетами шин, расположенными под днищем электролизера, а крайние анодные стояки соединены с крайними сборными шинами входной стороны передающими пакетами шин, расположенными вдоль торцевых сторон электролизера и передающими 35-50% токовой нагрузки входной стороны каждый, отличающаяся тем, что сборные шины снабжены перемычками, причем крайние сборные шины входной стороны выполнены не менее чем из одного пакета сборных шин, а передающие пакеты шин, расположенные вдоль торцевых сторон электролизера и передающие по 40% токовой нагрузки входной стороны каждый, выполнены на уровне расплава металла, при этом токовая нагрузка на средние анодные стояки подведена двумя передающими пакетами шин, соединенными в верхней части стояков, причем на пакетах, передающих токовую нагрузку на центральный и средние анодные стояки, выполнены участки с разным направлением тока.

2. Ошиновка по п.1, отличающаяся тем, что передающие пакеты шин под днищем электролизера расположены несимметрично относительно поперечной оси электролизера.

3. Ошиновка по п.1, отличающаяся тем, что анодная ошиновка выполнена в виде двух токопроводящих контуров, содержащих по две анодные шины, жестко соединенные поперечными шинами.

4. Ошиновка по п.3, отличающаяся тем, что токопроводящие контуры соединены перемычками.

5. Ошиновка по п.3 или 4, отличающаяся тем, что токопроводящие контуры соединены с центральным анодным стояком.