Устройство для компенсации магнитного поля, наведенного соседним рядом последовательно соединенных электролизеров большой мощности

Изобретение относится к производству алюминия методом электролиза расплавленных криолитовых солей в электролизерах большой мощности при поперечном расположении их в корпусе электролиза, в частности к устройству для компенсации магнитного поля. Устройство включает внутренний и внешний компенсационные электрические проводники, расположенные в основном на том же самом уровне, как и слой жидкого алюминия, и установленные, по крайней мере, с одной стороны каждого ряда электролизеров. Кроме того, устройство содержит источник постоянного тока, соединенный с компенсационными проводниками. Направление постоянного тока во внутреннем компенсационном электрическом проводнике совпадает с направлением тока в серии электролизеров. Постоянный ток во внешнем компенсационном электрическом проводнике противоположен по направлению току в серии электролизеров, при этом внутренний и внешний компенсационные электрические проводники соединены последовательно. Устройство включает дополнительные компенсационные проводники с постоянным током, которые проходят под днищем электролизеров серии параллельно основным электрическим компенсационным проводникам. Рядом с внутренним электрическим компенсационным проводником установлен, по крайней мере, один дополнительный компенсационный проводник под днищем электролизеров серии в области крайних катодных стержней со стороны внутреннего электрического компенсационного проводника. Направление тока в указанных проводниках совпадает, рядом с внешним электрическим компенсационным проводником установлены, по крайней мере, два дополнительных проводника под днищами электролизеров. Один из проводников расположен в области крайних катодных стержней со стороны внешнего электрического компенсационного проводника, а другой - между этим проводником и малой осью электролизера, направление тока в указанных проводниках совпадает. Устройство обеспечивает создание оптимального магнитного поля в расплаве серии поперечно расположенных электролизеров, установленных в одном электролизном корпусе, состоящей, по крайней мере, из двух рядов электролизеров, с одновременным сокращением постоянных затрат. 3 ил.

 

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

Известно устройство для компенсации влияния магнитного поля от соседних рядов продольно расположенных электролизеров, в котором обеспечивающий компенсацию проводник с постоянным током расположен на внешней стороне серии электролиза, при этом ток в нем направлен в сторону, противоположную направлению тока в серии, проводник нагружен током, составляющим примерно 25% от тока серии (патент US 3616317 от 29.09.1969, М. кл. C22D 3/12, C22D 3/02).

Недостатком известного изобретения является то, что оно может быть использовано исключительно в сериях на небольшую силу тока, в которых электролизеры расположены в продольном направлении.

Магнитное поле от проводника с током распространяется по гиперболической зависимости. Расстояние от соседнего ряда электролизеров продольного расположения до оси слоя расплавленного алюминия в электролизере составляет 10-18 м, а от компенсационного проводника - 2,5-3,5 м, сила тока в компенсационном проводнике меньше силы тока серии электролизеров почти в 4 раза. В этой связи, в области расплава складываются направленные в противоположные стороны вертикальные поля от соседнего ряда и от компенсационной шины. При этом поле от компенсационной шины и от соседнего ряда в расплаве изменяется по гиперболической зависимости и от компенсационной шины более интенсивно, чем поле от соседнего ряда. В результате чего относительно эффективная компенсация магнитного поля от соседнего ряда электролизеров обеспечивается только на небольшом участке расплава, примерно длиной 3,5-4,5 метра. При поперечном расположении электролизеров, когда возникает необходимость скомпенсировать поле в расплаве на участке длиной 10-18 метров, указанное выше техническое решение не будет эффективным, т.к. не удастся достигнуть качественной компенсации из-за излишней компенсации поля в одной половине ванны и недостаточной компенсации на ее противоположной половине.

Известен также способ для компенсации влияния магнитного поля от соседних рядов поперечно расположенных электролизеров, у которых анод последующего электролизера питается током от катода соседнего, предыдущего электролизера, ток от катода, снимаемого с входных и выходных катодных стержней, с входными катодными стержнями, расположенными на стороне ближней к соседнему ряду электролизеров и выходными катодными стержнями, расположенными на противоположной стороне от соседнего ряда электролизеров, создающих электрическую петлю, которая генерирует дополнительное магнитное поле, существенно приравненное к созданному соседними рядами и направленному в противоположном направлении, за счет большей силы тока в проводнике, расположенном на стороне, ближней к соседнему ряду, и соединенным с катодными стержнями предыдущего электролизера (патент US №4072597 от 05.11.1976, М. кл. С25В 9/04, С25С 3/16).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство компенсации магнитного поля от соседних рядов последовательно соединенных электролизеров, каждый из которых содержит металлическое катодное устройство, соседние, параллельные ряды электролизеров, которые ориентированы поперечно длинной оси ряда, с катодным устройством, содержащим слой жидкого алюминия на подине. Устройство включает два компенсационных электрических проводника, расположенных в основном на том же самом уровне, как и слой жидкого алюминия, и установленных с обеих сторон каждого ряда электролизеров. Источник постоянного тока соединен с указанными проводниками, при этом один компенсационный проводник установлен отдельно на внутренней стороне серии электролизеров (внутренний проводник), а другой компенсационный проводник установлен отдельно на внешней стороне электролизеров (внешний проводник). Постоянный ток во внутреннем компенсационном проводнике течет в том же самом направлении, как и ток в серии электролизеров, а постоянный ток во внешнем компенсационном проводнике течет в противоположном направлении относительно направления тока в серии электролизеров, при этом внутренний и внешний компенсационные проводники соединены последовательно. Силу тока в компенсационном проводнике определяют по уравнению:

B=2i/d, где:

B = магнитное поле в 10⁴ Тесла;

i = сила тока в килоамперах;

d = расстояние в метрах.

Компенсационный проводник подбирают таким, чтобы средняя величина полного магнитного поля на большей оси электролизера равнялась нулю (патент US №4159034 от 18.07.1978 г. М. кл. С25С 3/16).

Основным недостатком известного устройства для компенсации, а также перечисленных выше технических решений-аналогов является то, что при их использовании невозможно достаточно эффективно скомпенсировать магнитное поле, наведенное от соседних рядов очень мощных электролизеров или от проводников, где сила тока может достигать 320-400 кА и более.

Для реализации изобретения прототипа серии электролизеров при силе тока 350-400 кА и более потребовалось бы существенно увеличить расстояние между рядами серии электролизеров, более чем на 150 м, чтобы сохранить приемлемое значение магнитного поля в области расплава. Это приведет к значительному увеличению затрат на аренду земли под корпуса электролиза, на длинную ошиновку между рядами серии электролизеров, росту расхода электроэнергии из-за греющего напряжения в длинной ошиновке. Перечисленные факторы уменьшают доход от инвестиций, вложенных в серии электролизеров с высокой силой тока.

Предлагаемое изобретение имеет отношение только к устройству компенсации магнитного поля соседнего ряда серий последовательно соединенных электролизеров на силу тока 350-400 кА и более, установленных в одном корпусе электролиза под одной крышей поперечно, по крайней мере, в два ряда.

Задача изобретения - повышение выхода металла по току и сокращение постоянных затрат.

Техническим результатом изобретения является создание оптимального магнитного поля в расплаве серии поперечно расположенных электролизеров, установленной в одном корпусе электролиза, состоящей, по крайней мере, из двух рядов с одновременным сокращением постоянных затрат.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для компенсации магнитного поля, наведенного соседним рядом последовательно соединенной серии электролизеров большой мощности, параллельные ряды которых ориентированы поперечно длинной оси ряда и каждого электролизера из серии, содержащего катодное устройство с катодными стержнями, соединенными посредством катодной ошиновки и анодных стояков с анодным устройством последующего электролизера, включающем внутренний и внешний компенсационные электрические проводники, расположенные в основном на том же самом уровне, как и слой жидкого алюминия, и установленные, по крайней мере, с одной стороны каждого ряда электролизеров; источник постоянного тока, соединенный с указанными проводниками, при этом направление постоянного тока во внутреннем компенсационном электрическом проводнике совпадает с направлением тока в серии электролизеров, а постоянный ток во внешнем компенсационном электрическом проводнике противоположен по направлению току в серии электролизеров, при этом внутренний и внешний компенсационные электрические проводники соединены последовательно, согласно предлагаемому, устройство включает дополнительные компенсационные проводники с постоянным током, которые проходят под днищем электролизеров серии параллельно основным электрическим компенсационным проводникам, при этом рядом с внутренним электрическим компенсационным проводником установлен, по крайней мере, один дополнительный компенсационный проводник под днищем электролизеров серии в области крайних катодных стержней со стороны внутреннего электрического компенсационного проводника, направление тока в указанных проводниках совпадает: кроме того, рядом с внешним электрическим компенсационным проводником установлены, по крайней мере, два дополнительных проводника под днищами электролизеров, один из которых расположен в области крайних катодных стержней со стороны внешнего электрического компенсационного проводника, а другой - между этим проводником и малой осью электролизера, направление тока в указанных проводниках совпадает.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа и аналога тем, что в устройстве способ компенсации магнитного поля соседнего ряда электролизеров обеспечивается в виде отдельных, независимых проводников с током, а не за счет асимметричной конструкции ошиновки электролизера.

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

На фиг.1 представлена ванна электролизера; на фиг.2 показано устройство компенсации; на фиг.3 - графики взаимодействия магнитных полей от соседнего ряда электролизеров и устройства компенсации.

На чертежах показано: ванна электролизера 1, жидкий алюминий 2, электролит 3, анодный массив 4, ферромагнитный катодный кожух 5. Электролизеры 1 образуют ряд электролизеров 6 и соседний к нему ряд электролизеров 7. Устройство компенсации состоит из внутреннего компенсационного электрического проводника 8_а и внешнего компенсационного электрического проводника 9_а, расположенного на внешней стороне серии электролизеров примерно на уровне металла. Устройство также состоит из дополнительных компенсационных проводников с постоянным током 8_б, 9_б, 9_с, расположенных под днищем электролизера и параллельных внутреннему и внешнему компенсационным проводникам. Компенсационные проводники 8_а, 8_б могут быть соединены с компенсационными проводниками 9_а, 9_б, 9_с посредством шины 10. Обе группы компенсационных проводников могут быть подключены к одному или каждый к отдельному источнику постоянного тока. В ряду электролизеров 6 ток серии направлен снизу вверх от наблюдателя, а в соседнем ряду электролизеров 7 ток направлен в противоположную сторону. Вся серия электролизеров, состоящая из 2-х рядов, и устройство компенсации расположены в одном корпусе электролиза под одной крышей. Стрелкой 11 обозначено направление тока в серии.

Устройство компенсации работает следующим образом. Каждый из рядов 6 и 7 серии электролизеров на 400 кА, расположенной в одном корпусе электролиза, создает в расплаве электролизеров соседнего ряда вертикальную, направленную вверх компоненту магнитного поля. Расстояние между осями рядов в данном примере 30 м. На фиг.3 кривой К показано влияние магнитного поля соседнего ряда, которое изменяется от внутреннего к внешнему торцу ванны примерно по гиперболической зависимости от 48,9·10^-4 Тесла до 23,2·10^-4 Тесла.

Внутренний 8_а и внешний 9_а, компенсационные электрические проводники создают в расплаве противоположное, относительно соседнего ряда электролизеров, вертикальное магнитное поле. Так как магнитное поле от этих компенсационных проводников в расплаве распространяется так же по гиперболической зависимости, а длина ванны электролизеров на силу тока 400 кА и более составляет 10-12 м, то с помощью магнитного поля от этих компенсационных проводников не удается оптимально скомпенсировать поле в расплаве от соседнего ряда электролизеров. Дополнительные компенсационные проводники 8_б, 9_б, 9_с, вместе с внутренним и внешним проводниками обеспечивают оптимальную компенсацию магнитного поля от соседнего ряда электролизеров.

В указанном примере сила тока в компенсационных проводниках составляет: 8_а - 50 кА; 9_а - 35 кА;8_б - 40 кА; 9_б - 40 кА; 9_с - 15 кА.

Расположение компенсационных проводников устройства компенсации и сила тока в них подбирается с помощью компьютерных программ с использованием закона Био-Савара-Лапласа.

На фиг.3 кривой L представлено суммарное магнитное поле от внутреннего, внешнего и дополнительных компенсационных проводников. Кривая М это суммарное поле от соседнего ряда электролизеров и магнитного поля от компенсационных проводников, т.е. M=K+L.

Как видно в представленном примере, применение устройства обеспечивает оптимальную компенсацию магнитного поля от соседнего ряда электролизеров. Кривая М близка к нулю, отклонение не превышает 3-10^-4 Тесла.

Таким образом, в отличие от аналогов и прототипа, предлагаемое устройство для компенсации магнитного поля, наведенного соседним рядом последовательно соединенных электролизеров, позволяет создавать оптимальное магнитное поле в рабочей зоне серии электролизеров большой мощности, на 350-400 кА и более, поперечного расположения, установленной в одном корпусе, тем самым обеспечивать технико-экономические показатели работы электролизеров не хуже передовых аналогов с одновременным сокращением постоянных затрат.

Устройство для компенсации магнитного поля, наведенного соседним рядом последовательно соединенной серии электролизеров большой мощности, параллельные ряды которых ориентированы поперечно длинной оси ряда и каждого электролизера из серии, содержащего катодное устройство с катодными стержнями, соединенных посредством катодной ошиновки и анодных стояков с анодным устройством последующего электролизера, включающее внутренний и внешний компенсационные электрические проводники, расположенные в основном на уровне слоя жидкого алюминия и установленные, по крайней мере, с одной стороны каждого ряда электролизеров, и источник постоянного тока, соединенный с указанными проводниками, при этом направление постоянного тока во внутреннем компенсационном электрическом проводнике совпадает с направлением тока в серии электролизеров, а постоянный ток во внешнем компенсационном электрическом проводнике противоположен по направлению току в серии электролизеров, при этом внутренний и внешний компенсационные электрические проводники соединены последовательно, отличающееся тем, что оно включает дополнительные компенсационные проводники с постоянным током, которые проходят под днищем электролизеров серии параллельно основным электрическим компенсационным проводникам, при этом рядом с внутренним электрическим компенсационным проводником установлен, по крайней мере, один дополнительный компенсационный проводник под днищем электролизеров серии в области крайних катодных стержней со стороны внутреннего электрического компенсационного проводника, направление тока в указанных проводниках совпадает, причем рядом с внешним электрическим компенсационным проводником установлены, по крайней мере, два дополнительных проводника под днищами электролизеров, один из которых расположен в области крайних катодных стержней со стороны внешнего электрического компенсационного проводника, другой - между этим проводником и малой осью электролизера, а направление тока в указанных проводниках совпадает.