ОШИНОВКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
BUS ARRANGEMENT OF ELECTROLYSIS CELL FOR PRODUCING ALUMINIUM

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах с любым подводом тока, размещенных в корпусе продольно в два ряда и соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь.
Соединение электролизеров осуществляется системой токопроводящих шин, одним из основных требований к которой является обеспечение в расплаве оптимального магнитного поля, оказывающего минимальное отрицательное влияние на технологический процесс.
Известна ошиновка алюминиевых электролизеров при их продольном расположении в корпусе, которая обеспечивает двусторонний подвод тока к аноду, а катодные шины с каждой стороны электролизера разделены на два пакета, обеспечивающие следующее распределение тока по стоякам: на стороне электролизера, обращенной к соседнему ряду электролизеров, 33% общего тока подается на ближний по ходу тока анодный стояк и 17% - на дальний; на противоположной стороне электролизера 40% тока подается на ближний и 10% - на дальний анодный стояк. Пакеты шин, по обеим сторонам электролизера, расположены горизонтально, но на разной высоте (СССР, авторское свидетельство, SU 356312, кл. C25C 3/16, 1974)
Расчеты и практика эксплуатации электролизеров с указанной ошиновкой показали, что она имеет несимметричное, большое, по абсолютной величине, вертикальное и поперечное (Bz, By) магнитное поле в расплаве. Из-за плохо скомпенсированного поля от соседнего ряда электролизеров. В результате, возникают не симметричные контуры циркуляции металла и необходимость работы с высоким уровнем металла для обеспечения приемлемой магнитогидродинамической (МГД) устойчивости электролизера и технико-экономических показателей (ТЭП) работы. Кроме того, несимметричная картина циркуляционных потоков расплава с высокими скоростями не способствуют образованию устойчивых настылей и гарнисажа, что приводит к прорывам расплава через бортовую футеровку, преждевременному выходу из строя электролизеров.
Известна так же ошиновка электролизера для получения алюминия, в которой для компенсации магнитного поля соседнего ряда электролизеров и уменьшения вредного влияния поля на технологический процесс пакеты катодных шин расположены под углом к горизонтальной плоскости, причем пакет катодных шин правого (по ходу тока в серии) борта установлен под углом 6-16°, а левого - под углом 2-12° (СССР, авторское свидетельство, SU 963321, кл. C25C 3/16, 1980).
Недостатками указанного технического решения является разные углы наклона пакетов катодных шин, расположенных вдоль продольных сторон электролизера. Наклонные пакеты катодных шин влияют на вертикальную (Bz) и поперечную (By) компоненту магнитного поля в расплаве электролизера. Несмотря на то, что в результате применения указанных в изобретении технических решений улучшается качество компенсации влияния соседнего ряда электролизеров, одновременно с этим ухудшается симметрия поперечного (By) магнитного поля относительно продольной (X) оси электролизера из-за разного удаления катодных шин от расплава. Симметрия магнитного поля по поперечной (By) компоненте в расплаве электролизера относительно оси X является одним из условий обеспечения стабильной его работы (Light Metals, 1992, Principles of MHD design of aluminum electrolysis cells, Vinko Potocnik, c.1191).
Наиболее близкой по достигаемому эффекту к предлагаемому в настоящей заявке техническому решению является ошиновка алюминиевых электролизеров, при двухрядном продольном расположении в корпусе электролиза, содержащая, катодные сборные, катодные и анодные шины, соединенные тремя анодными стояками в последовательную электрическую цепь, при этом 9-11% блюмсов правой стороны предыдущего по ходу тока в серии электролизера подключено к левому входному стояку последующего электролизера посредством катодной шины установленной поперек электролизера ниже его днища, анодные шины имеют уравнительные перемычки, соединяющие их торцы (патент RU2259427, кл. C25C 3/16, 2003). Эта ошиновка выбрана за прототип.
Недостатком технических решений заложенных в настоящем патенте является то, что ошиновка не в состоянии обеспечить относительно симметричное магнитное поле из-за отрицательного влияния на вертикальное (Bz) магнитное поле в металле катодной шины, передающей 9-11% тока от блюмсов с правой стороны предыдущего электролизера в левый входной стояк последующего электролизера. Указанная шина расположена между торцами соседних электролизеров ниже отметки днища и своим магнитным полем влияет на вертикальную (Bz) компоненту поля в расплаве торцов предыдущего и последующего электролизера. Так как ток в шине направлен справа - налево, то вертикальное поле от нее складывается с подобным полем в расплаве правых торцов соседних электролизеров и вычитается - в расплаве левых торцов соседних электролизеров. В результате ухудшается антисимметрия поля по вертикальной (Bz) компоненте («пропеллерный» характер), что отрицательно отражается на МГД устойчивости и ТЭП электролизера. Кроме того, как следует из описания к патенту, в результате подключения к левому входному стояку 9-11% тока серии с правой стороны катодных стержней предыдущего электролизера, силу тока в нем практически не меняется и остается, примерно, постоянной. Постоянство силы тока в стояке возможно только за счет снижения тока в 3-х сборных катодных шинах в сумме на 9-11%, подключенных к этому же стояку и расположенных на левой стороне электролизера. Ток в этих шинах, как и ток в обводной шине обеспечивают компенсацию влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров. Таким образом, качество симметрии поля должно ухудшиться, что так же отрицательно отразится на МГД устойчивости электролизера.
Задача заявляемого изобретения заключается в создании в расплаве магнитного и электрического полей, способствующих высокой МГД стабильности и ТЭП работы электролизеров, а именно: магнитного поля по компоненте Bz - антисимметричного относительно осей X и Y (пропеллерного типа); по компоненте By - антисимметричного относительно оси Y и симметричного относительно оси X, высокая степень равномерности распределения тока по катодным стержням.
Техническим результатом является создание четырех симметричных контуров циркуляции с малой скоростью движения расплавленного металла.
Технический результат достигается тем, что в ошиновке электролизера для получения алюминия с двухсторонним подводом тока к аноду при двухрядном, продольном расположении электролизеров в корпусе, содержащей, секционированную катодную ошиновку и анодную ошиновку, при этом, анодная ошиновка выполнена трехстоячной с возможностью распределения тока по стоякам, % от тока, подаваемого на электролизер: глухой входной 46-54, лицевой входной 32-36, лицевой выходной 23-27 и снабжена перемычками по анодным шинам на входе и выходе. Параллельно входному стояку на глухой стороне установлена вторая шина анодного стояка, которая в верхней части подключена к входному концу анодной шины последующего электролизера, а в нижней части к ней подключена катодная шина глухой стороны предыдущего электролизера с группой катодных стержней, ближайших к выходному торцу и подводящих 7-11% токовой нагрузки, подаваемой на электролизер.
Заявленное изобретение дополняют зависимые пункты, способствующие улучшению указанного технического результата.
Перемычки анодных шин могут быть расположены между входными и выходными торцами анодных шин, в местах подключения к анодным стоякам.
Катодная ошиновка на лицевой стороне электролизера может быть расположена в плоскости расплава.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На фиг.1 показана схема предполагаемой ошиновки, на фиг.2 -рассчитанное поле векторов циркуляции металла с ошиновкой по заявке, на фиг.3 - рассчитанное поле векторов циркуляции металла с ошиновкой прототипом.
Ошиновка электролизера предыдущего 1 и последующего 2 электролизера состоит из сборных катодных шин 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, катодных шин 10, 11, 12, 13, 14, 15, обводной катодной шины 16, анодных шин 21, 22, анодных стояков 17, 18, 19, 20, уравнительных перемычек 23, 24.
Ошиновка работает следующим образом.
Ток от сборных катодных шин 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, электролизера 1, передается посредством катодных шин 10, 11, 12, 13, 14, 15, и обводной катодной шины 16, в анодные стояки 17, 18, 19, 20, последующего электролизера 2, которые питают током анодные шины 21, 22, в которых ток частично выравнивается с помощью перемычек 23, 24. Анодные стояки 19 и 20, это по сути один комплексный стояк, у которого две его верхние части подключены в одной точке к торцу анодной шины 22, а в нижней части, к стояку 20 подключено 7-13% тока с глухой стороны, а к стояку 19 - остальная часть тока глухой стороны предыдущего электролизера. В верхней части эти два стояка сварены с торцом анодной ошиновки последующего электролизера в единый монолитный узел. Ток в сборных катодных шинах 3, 4, 5 и катодных шинах 10, 11 на лицевой стороне электролизера, обводная катодная шина 16, а так же отсутствие катодной шины, подводящий ток к дальнему, стояку на глухой стороне последующего электролизера в комплексе обеспечивают хорошую компенсацию влияния магнитного поля от соседнего ряда электролизеров.
Симметрию поля также заметно улучшают перемычки в торцах анодных шин, а точнее - уравнительные шины, которые приварены в местах подключения анодных стояков 17, 18, 19 к анодным шинам 21, 22.
С помощью анодного стояка 20 становится возможным равномерно распределить ток по катодным стержням электролизера, тем самым создать более равномерное электрическое поле в расплаве, которое, в совокупности с хорошими показателями магнитного поля создает оптимальное поле сил Лоренца, соответственно - высокий запас МГД устойчивости и хорошие ТЭП показатели работы.
Как видно на фиг.2, ошиновка по заявке обеспечивает относительно приемлемую симметрию 4-х циркуляционных потоков в металле, направленных навстречу друг другу со средней скоростью потоков 3,5 см/с, максимальной скоростью - 11,3 см/с.
Настоящая картина циркуляции указывает на хорошую сбалансированность сил Лоренца в металле, обусловленную оптимальным магнитным и электрическим полями в расплаве, что способствует равномерному распределению теплового поля в рабочей зоне электролизера, образованию устойчивых и симметричных защитных настылей и гарниссажа, отсутствию застойных зон, где могут скапливаться осадки и образовываться коржи.
У электролизера с ошиновкой по прототипу (фиг.3) симметрия циркуляционных потоков заметно хуже, контуры циркуляции металла, по сравнению с заявляемым изобретением, определены нечетко. Скорость потоков металла выше и составляет 4,6 см/с, максимальная скорость- 14,8 см/с.