Ошиновка алюминиевых электролизеров при поперечном их расположении в корпусе

Изобретение относится к производству алюминия методом электролиза расплавленных криолитовых солей в алюминиевых электролизерах при поперечном их расположении в корпусе электролиза. Конструкция ошиновки электролизеров состоит из стояков, расположенных вдоль продольной выходной стороны электролизера, сборных катодных шин входной стороны с катодными спусками, сборных катодных шин выходной стороны, пакетов катодных шин, расположенных под днищем электролизера, и пакетов шин, огибающих торцы электролизера. Стояки подключены к анодным шинам последующего электролизера. Выходная часть ошиновки изготовлена с применением сборок из алюминиевого листа, собранных с воздушным зазором и расположенных вертикально. Техническим результатом изобретения является возможность эксплуатации при повышенной плотности тока без риска образования структурных изменений в материале, что позволяет снизить капитальные затраты при монтаже электролизеров за счет снижения веса ошиновки. 1 ил.

 

Изобретение относится к производству алюминия методом электролиза расплавленных криолитовых солей в электролизерах при их поперечном расположении в корпусе электролиза.

Известна конструкция ошиновки алюминиевого электролизера при поперечном расположении его в корпусе электролиза, в которой для уменьшения веса ошиновки катодные пакеты шин входной стороны соединены со стояками последующего электролизера наикратчайшим путем, а для обеспечения высокой магнитогидродинамической стабильности по обе стороны электролизера, параллельно торцам электролизеров, располагают два компенсационных шинопровода, запитанных от независимых источников тока (Патент США №4713161, С25С 3/16, 1987). Данное техническое решение позволяет сэкономить расход металла на ошиновку для электролизеров на силу тока от 150 до 600 кА.

Недостатком этого технического решения является необходимость использования дополнительных независимых источников тока для запитки компенсационных шинопроводов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому решению является конструкция ошиновки алюминиевого электролизера при поперечном расположении его в корпусе электролиза, содержащая сборные и обводные катодные шины и спуски, установленные вдоль входной и выходной сторон предыдущего электролизера, в которой анодная ошиновка последующего электролизера соединена с катодными шинами предыдущего электролизера посредством стояков. В конструкции ошиновки сопротивление токосъемного электрода, выходящего на выходную сторону катодного устройства, больше, чем сопротивление токосъемного электрода, выходящего на входную сторону. Приведенное техническое решение имеет своей целью сокращение веса ошиновки, так как неравенство электрических сопротивлений токосъемных электродов с входной и выходной сторон электролизера позволяет дополнительно сократить длину выходной части ошиновки (Патент США №4654133, С25С 3/08, 1987).

Недостатком известной конструкции электролизера является усложнение процесса изготовления катодного устройства из-за применения токосъемных электродов различного профиля. Другим недостатком этой конструкции электролизера является необходимость использования несимметричной относительно оси электролизера футеровки для выравнивания тепловых потоков, так как токосъемные электроды с различным сечением неодинаково отводят тепло из электролизера.

Задача изобретения состоит в разработке технического решения, обеспечивающего снижение веса ошиновки. Техническим результатом настоящего изобретения является использование специальной конструкции части ошиновки с выходной стороны электролизера, которая обеспечивает безопасную эксплуатацию при повышенной плотности тока.

Технический результат достигается тем, что в ошиновке для алюминиевых электролизеров при поперечном расположении их в корпусе электролиза, содержащей сборные и обводные катодные шины и спуски, установленные вдоль входной и выходной сторон предыдущего электролизера, в которой анодные шины последующего электролизера соединены с катодными шинами предыдущего электролизера посредством стояков, согласно предлагаемому изобретению часть катодных шин на выходной стороне электролизера выполнена в виде пакетов из листов, расположенных вертикально, причем листы расположены с воздушными зазорами между ними.

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

Электролизеры в корпусе соединяются последовательно в электрическую цепь при помощи ошиновки. Ошиновка является сложной и дорогой инженерной конструкцией, вес которой может превосходить 60 тонн на один электролизер. При конструировании ошиновки стремятся уменьшить ее вес с целью сокращения затрат при строительстве и при эксплуатации. При поперечном расположении электролизеров выделяют входную и выходную сторону электролизера, при этом входная сторона находится ближе к предыдущему в электрической цепи электролизеру, а выходная сторона находится ближе к последующему в электрической цепи электролизеру. По входной и выходной сторонам в электролизере в катодном его устройстве расположены токосъемные электроды. Ток с отдельных групп электродов с помощью катодных шин передается на стояки, которые соединены с анодной шиной последующего электролизера. Для улучшения технико-экономических показателей работы желательно максимально выровнять токи, снимаемые с отдельных токосъемных электродов. Это означает, что необходимо стремиться к тому, чтобы электрическое сопротивление между каждым токосъемным электродом и анодной шиной было одинаковым. Прежде всего необходимо обеспечить равномерность токосъема для токосъемных электродов с входной и выходной сторон.

Обозначим через R_in электрическое сопротивление части ошиновки, соединяющей группу N токосъемных электродов, расположенных на входной стороне электролизера, с анодной шиной следующего электролизера (входная часть ошиновки), а через R_out электрическое сопротивление части ошиновки, соединяющей группу N токосъемных электродов, расположенных на выходной стороне электролизера с анодной шиной следующего электролизера (входная часть ошиновки). Для обеспечения снятия тока в равных долях необходимо выполнение условия R_in=R_out. Сопротивление участка ошиновки как линейного проводника прямо пропорционально длине ошиновки L и обратно пропорционально сечению ошиновки S. Если ошиновка выполнена из одного материала, то равенство сопротивлений входной и выходной частей ошиновки может быть выражено следующим образом:

Вес ошиновки можно уменьшить как уменьшением длины ошиновки, так и уменьшением сечения шин. Длина шин непосредственно связана с пространственным расположением шин и пакетов шин, которое, при конструировании ошиновки подбирается таким образом, чтобы электролизер обладал высокой магнитогидродинамической стабильностью. Из-за необходимости выполнения этого условия длины входной и выходной частей ошиновки не являются минимально возможными. Обычно при поперечном расположении электролизеров какая-то доля ошиновки, соединяющей входную часть с последующим электролизером, огибает торцы электролизера, что значительно увеличивает ее длину.

Так как выходная сторона электролизера расположена ближе к последующему электролизеру, чем входная сторона, выходная часть ошиновки имеет меньшую длину, т.е. L_in>L_out. Поэтому для выполнения соотношения (1) необходимо выполнение неравенства S_in>S_out. При подборе сечения шины или группы шин следует учитывать предельно-допустимую плотность тока, при превышении которой возможны структурные изменения ошиновки из-за тепловых эффектов. Из-за ограничения по плотности тока выходная часть ошиновки имеет достаточно большую длину, значительно превышающую минимально-необходимую.

Тем самым снижению веса ошиновки препятствуют два основных фактора: необходимость обеспечения высокой магнитогидродинамической стабильностью (нельзя уменьшить длину элементов ошиновки) и ограничение по плотности тока (нельзя уменьшить сечение).

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что делает возможным сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

На чертеже представлен пример схемы ошиновки электролизера, вес которой оптимизируется согласно предлагаемому техническому решению.

Ошиновка на чертеже включает в себя стояки 1, расположенные вдоль продольной выходной стороны электролизера, катодные сборные шины входной стороны 2 и 3 с катодными спусками 4, сборные шины 5, 6 выходной стороны, пакеты катодных шин 7, расположенные под днищем электролизера, и обводные катодные шины 8, огибающие торцы электролизера. Стояки 1 подключены к анодным шинам 9 последующего электролизера. Сборные шины 2 и 3 представляют собой входную часть ошиновки, сборные шины 5 и 6 - выходную часть ошиновки.

Пример реализации предлагаемого технического решения

Выходная часть ошиновки на силу тока 300 кА - пакеты шин 4 и 5 - изготавливается с применением сборок из алюминиевого листа толщиной 10 мм, собранных с воздушным зазором так, что каждая сборка включает в себя семь листов общим сечением 515×70 мм². Плотность проходящего через сборку тока составляет 0,72 А/мм². За счет большой поверхности сборки данная плотность тока является приемлемой в условиях длительной эксплуатации. Сечение входной части ошиновки подбирается таким образом, чтобы ток в равных долях распределялся между входной и выходной частью электролизера. Общий вес ошиновки составляет 49,5 тонн. Для монолитных шин предельная плотность тока, при которой возможна длительная эксплуатация ошиновки, составляет 0,6 А/мм². Соответственно, в указанном случае минимальное сечение монолитной шины составит 650×70 мм². Увеличение сечения выходной части ошиновки приведет к тому, что входная часть ошиновки также будет с увеличенным сечением. В этом случае ошиновка, у которой сечения входных и выходных частей подобраны таким образом, что ток в равных долях распределяется между входной и выходной частью электролизера, будет иметь вес 58 тонн. Тем самым предлагаемое техническое решение приводит к экономии алюминия при капитальном строительстве ошиновки 8,5 тонн на один электролизер на силу тока 300 кА. Предлагаемое техническое решение по замене конструкции части шин ошиновки, которую можно эксплуатировать при повышенной плотности тока без риска образования структурных изменений в материале, позволяет снизить капитальные затраты при монтаже электролизеров путем снижения веса ошиновки.

Ошиновка для алюминиевых электролизеров при поперечном расположении их в корпусе электролизера, включающая сборные и обводные катодные шины и спуски, установленные вдоль входной и выходной сторон предыдущего электролизера, в которой анодные шины последующего электролизера соединены с катодными шинами предыдущего электролизера посредством стояков, отличающаяся тем, что часть катодных шин на выходной стороне электролизера выполнена в виде пакетов из листов, расположенных вертикально с воздушными зазорами между ними.