СПОСОБ И СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ И МАГНИТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ ВАНН
METHOD AND SYSTEMS OF ELECTRIC CONNECTION AND MAGNETIC COMPENSATION OF ALUMINIUM ELECTROLYSIS BATHS

Настоящее изобретение относится к способу и системе, предназначенным для электрического соединения последовательных электролизеров (электролизных ванн), расположенных в виде серии, для производства алюминия путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном криолите, с использованием, так называемого, процесса Эру - Холла (Hall - Heroult), и для его магнитной компенсации. Изобретение предпочтительно применяется для последовательности электролизеров, установленных поперечно оси серии (линии) и работающих с током силой больше, чем 300 kA, и возможно больше 600 kA.
В настоящем изобретении комбинируются разные преимущества известных компоновок, с получением экономически эффективных технических решений для больших электролизеров. Решение оптимизирует комбинацию результирующего магнитного поля с рабочими параметрами шинопровода, такими как падение напряжения, вес, распределение тока, распределение и средние уровни магнитного поля, решение стояка анода и физическое пространство, требуемое для шинопровода.
Область техники, к которой относится изобретение
Для хорошего понимания изобретения следует прежде всего помнить, что промышленное производство алюминия выполняется с использованием электролиза в электрически последовательно соединенных электролизерах с раствором глинозема в расплавленном криолите, при температуре обычно от 930 до 970°С, с нагревом в результате пропускания тока через электролизер.
Каждый электролизер состоит из изолированного стального контейнера в форме параллелепипеда, в котором установлен катод, содержащий предварительно обожженные углеродные блоки, в которых герметично установлены несколько стальных стержней, известных как блюмс (катодная шина), которые отводят ток из электролизера, традиционно 50% перед ним и 50% после него. Блюмсы катодного тока соединены с системой шинопроводов, которые используются для подачи тока от катодов в направлении анодов следующего электролизера. Анодная система, состоящая из углерода, стали и алюминия, закреплена на так называемой анодной раме, с помощью которой можно регулировать высоту анодных стержней, и электрически подключена к катодным стержням предыдущего электролизера.
Электролит, который представляет собой раствор глинозема в расплавленном криолите при температуре 930-970°С, находится между анодной системой и катодом. Производимый алюминий осаждается на поверхности катода. Слой жидкого алюминия постоянно поддерживают на дне катодного тигля. Поскольку тигель выполнен прямоугольным, анодная рама, на которой установлены аноды, обычно располагается параллельно его большим сторонам, в то время как катодные стержни располагаются параллельно его малым сторонам, известным как головки электролизера.
Основное магнитное поле в электролизере создается в результате протекания тока в системе анода и катода. Все другие протекающие потоки образуют возмущения этого образовавшегося основного поля.
Электролизеры расположены в рядах и размещены поперечно с ориентацией параллельно друг другу; при этом их короткая сторона расположена параллельно оси электролизной серии. Обычно одна электролизная серия представлена двумя рядами электролизеров. Ток протекает в противоположных направлениях в этих двух рядах. Электролизеры электрически соединены последовательно, при этом концы серии подключены к положительному и отрицательному выводам подстанции электрического выпрямления и управления. Электрический ток, протекая через различные электропроводные элементы: анод, электролит, жидкий металл, катод и соединительные проводники, создает значительные магнитные поля. Эти поля вместе с электрическим током через жидкий электролит и металл составляют основную причину магнитогидродинамического (МГД) поведения в электролите и в жидком металле, содержащемся в тигле. Так называемые силы Лапласа которые создают поток электролита и металла, также оказывают отрицательное воздействие на устойчивость режима работы (стабильность) электролизера. Конструкция электролизера и его соединительных проводников выполнена таким образом, чтобы влияние магнитных полей, образующихся в разных участках электролизера, в смежных и соседних электролизерах и в соединительных проводниках уравновешивали друг друга. На фигуре 1 показан вид в поперечном сечении двух электролизеров в одной электролизной серии.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ:
ОБЩИЙ ТОК
Постоянный электрический ток, протекающий через электролизеры, передающий энергию для электрохимических реакций, протекающих внутри каждого электролизера.
ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ СЕРИЯ
Электролизная серия состоит из множества электролизеров, соединенных друг с другом последовательно, и линейный ток подают из группы выпрямителей в цепь. Обычно такая цепь организована в виде двух (или четырех) параллельных рядов, причем в соседнем или смежном ряду (рядах) ток протекает в противоположном направлении относительно друг друга.
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ КОМПЕНСАЦИИ В ОДНОМ РЯДУ, СОДЕРЖАЩЕМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР (ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЫ) (КОМПЕНСАЦИЯ В РЯДУ)
При анализе компенсации в одном ряду электролизеров влияние соседнего ряда (рядов) не учитывается. Электрическая цепь формируется, когда последовательные электролизеры подключены к цепи. Такое соединение, зависящее от конструкции и размера отдельных электролизеров и соединительных шинопроводов, само создает магнитное поле, которое требуется компенсировать или модифицировать для уравновешивания результирующего магнитного поля самого электролизера, формируемого током, протекающим через электролизер и соседние электролизеры, расположенные перед ним и после него. Пример показан на фиг.2.
Компенсация в ряду обозначает компенсацию магнитного поля, формируемого этим локальным протеканием тока из электролизера в электролизер.
КОМПЕНСАЦИЯ В СОСЕДНЕМ РЯДУ
Один ряд электролизеров обычно расположен в непосредственной близости к одному или более другим рядам электролизеров. Два ряда электролизеров обычно составляют одну электролизную серию. Ток протекает в противоположных направлениях в двух рядах, как показано на фигуре 1.
Соседние электролизные серии обычно разделены на два или четыре ряда электролизеров. Через соседние ряды электролизеров протекает общий ток, а также возможны другие замкнутые цепи протекания тока. Сумма вкладов (в зависимости от тока и расстояния между рядами) всех цепей протекания тока в соседнем ряду влияет на магнитное поле электролизера (электролизеров), которое требуется компенсировать в данном ряду. Нейтрализация результирующих магнитных полей, формируемых токами, протекающими в соседних рядах, называется "компенсацией в соседнем ряду".
Вклад от соседнего ряда не является постоянным во всей области размещения электролизера. Вклад магнитного поля В соответствует закону Био - Савара:
p
где R представляет собой расстояние от источника и i представляет собой ток в источнике (электрическом проводе).
Вследствие этого магнитное поле В изменяется в области электролизера, и градиент в электролизере  становится более сильным при уменьшении расстояния до соседнего ряда.
РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ РЯДАМИ
Напряженность вертикальной составляющей магнитного поля, создаваемая в соседнем ряду (радах), зависит от величины тока, протекающего через соседний ряд, и от расстояния между рядами, в соответствии с законом Био - Савара.
Если будет выполнено решение, которое позволяет разместить два ряда на расстоянии от 20 до 40 м друг от друга, то оба ряда могут быть размещены в одном электролизном цеху, так называемом двухрядном электролизном цеху, как показано на фигуре 3. Такое решение позволяет сэкономить инвестиционные расходы, связанные со строительством и оборудованием электролизного цеха.
Если экономия затрат, связанная со строительством электролизных цехов и оборудованием будет меньше, чем затраты на дополнительные шинопроводы, требуемые для обеспечения необходимой компенсации в двухрядном электролизном цеху, тогда расстояние между рядами можно увеличить до более чем 40 метров, при этом электролизный цех разделяется на два отдельных электролизных цеха, в каждом из которых располагается один ряд электролизеров, как показано на фигуре 3. Расстояние между рядами в конечном счете представляет собой баланс между соответствующим компонентами затрат и проблемами и сложностью уравновешивания магнитного поля, которые увеличиваются при увеличении силы тока и уменьшении расстояния между рядами.
ВНУТРЕННЯЯ КОМПЕНСАЦИЯ
Внутренняя компенсация выполняется путем манипуляций с шинопроводами, подключенными к электролизеру и окружающими его, по которым протекает общий ток.
z
В общей перспективе замкнутые цепи для протекания тока, расположенные ниже и рядом с опорной поверхностью электролизера, позволяют изменять форму магнитного поля. В настоящем документе термин "внутренняя компенсация" включает в себя часть тока, собираемого из электролизера номер n и передаваемого в следующий электролизер номер n+1 по цепи, расположенной как ниже электролизера внутри опорной поверхности (тип 1), так и рядом с уровнем электролизного металла, за пределами опорной поверхности (тип 2) электролизера n. Тип 2 (цепь за пределами опорной поверхности электролизера) обычно представляет собой наиболее мощный способ компенсации вертикальной составляющей магнитного поля (B), смотри фигуру 4.
Цепь для тока компенсации может располагаться между двумя соответствующими рядами (внутри) или снаружи цепи линейного тока (снаружи).
Сокращения:
ВК (IC): Внутренняя компенсация
ТВК (ICC): Ток внутренний компенсации
СВК (ICS): Система внутренней компенсации
ВНЕШНЯЯ КОМПЕНСАЦИЯ
Если ток, используемый для компенсации в электролизере, не зависит от общего тока, он обозначается током внешней компенсации. Ток внешней компенсации при этом выполняет внешнюю компенсацию.
z
Он может подаваться от одного и того же источника постоянного тока с использованием двух ответвлений от источника тока или может применяться отдельный источник питания (бустер). Внешняя компенсация используется в дополнение или в качестве замены внутренней компенсации и, наоборот, в каждом соответствующем случае. Цепь для тока внешней компенсации может располагаться либо между двумя соответствующими рядами (внутри) или снаружи цепи общего тока (снаружи), предпочтительно на том же уровне, что и цепь резервуара для металла (более редко ниже электролизеров). Внешняя компенсация компенсирует только вертикальные составляющие магнитного поля (B) при размещении на уровне жидкого металла, смотри фигуру 4.
Направление тока внешней компенсации может быть как параллельным направлению протекания тока в электролизере, так и противоположным, в зависимости от требуемой компенсации.
Сокращения:
ВнешнК (ЕС): Внешняя компенсация.
ТВнешнК (ЕЭС): Ток внешней компенсации.
СВнешнК (ECS): Система внешней компенсации.
КОМБИНИРОВАННАЯ КОМПЕНСАЦИЯ
Комбинированная компенсация (комбинирование внутренней и внешней компенсации) определяется следующими сокращениями:
КК (СС): Комбинированная компенсация.
ТКК (ССС): Ток комбинированной компенсации (сумма ВКС и ВнешнКС).
СКК (CCS): Система комбинированной компенсации.
СКК, ВК (CCS, IC): Часть внутренней компенсации в системе комбинированной компенсации.
СКК, ВнешнК (CCS, ЕС): Часть внешней компенсации в системе комбинированной компенсации.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Конструирование шинопроводов электролизеров для производства алюминия, как известно, представляет собой один из видов деятельности, требующих наиболее высокой квалификации при разработке конкурентоспособной технологии восстановления алюминия.
Это иллюстрируется следующим широким списком важных инвестиций и факторов, связанных с эксплуатационными затратами, на которые влияет конструкция шинопроводов:
- МГД движения, генерируемые силами Лапласа .
- Стабильность электролизера, которая определяется балансом магнитного поля.
- Распределение тока катода, перед/после электролизера, традиционно по 50% с каждой стороны.
- Распределение тока вдоль стороны перед и вдоль стороны после электролизера.
- Баланс между рядами.
- Вес и сложность шинопровода.
- Электрическое сопротивление в системе шинопровода.
- Площадь земельного участка, необходимая для серии электролизеров.
- Расстояние между последовательными электролизерами.
- Стоимость строительства и монтажа цепей.
- Размер области электролита/металла (длина электролизера) при увеличении силы тока.
- Температура шинопроводов.
- Риск короткого замыкания.
Проектировщик имеет несколько степеней свободы в процессе разработки оптимальной системы шинопроводов, при этом он использует свой профессионализм для выбора конфигурации (топологии), которая соответствует требованиям, представленным в приведенном выше списке.
Учитывая конфигурацию, выбор конструктивных параметров, таких как длина шинопровода и площади поперечного сечения, позволяет обеспечивать баланс в дилемме падения напряжения/веса/стабильности, как показано на фигуре 5. Система шинопровода должна быть разработана с оптимальным балансом между падением напряжения, определенным по ожидаемьм затратам на электроэнергию во время срока эксплуатации печи, и инвестиционными затратами, определяемыми стоимостью материала электрических проводников и затратами на производство и монтаж. Для заданной конструкции (конфигурации) такой процесс экономической оптимизации выполняется с использованием анализа чистой приведенной стоимости. Предпочтительное решение находится где-то вдоль линии, специфичной для конфигурации, показанной на фигуре 5.
z
Наличие электрического тока и магнитного поля создает силы Лапласа, которые приводят к МГД движению жидкого электролита и металла, с последующей деформацией границы раздела металл - электролит из-за малого демпфирования (малой разницы плотности между жидким электролитом и металлом). Вертикальная составляющая магнитного поля B вместе с горизонтальными составляющими электрического тока в жидком металле представляет собой основную причину возникновения нежелательных сил Лапласа, дестабилизирующих электролизер. Полученный в результате выход электролиза (эффективность по току) может быть существенно ухудшен, что приводит в результате к повышению потребления энергии.
Соседний ряд (ряды) создает магнитное поле, накладывающееся на локальное магнитное поле, и делает его более асимметричным. Влияние магнитного поля, создаваемого соседним рядом (включая любой ток внешней компенсации), следует нейтрализовать.
Для установки крупных проводников сложной формы между электролизерами может потребоваться определенное место между последовательными электролизерами. Это может дополнительно увеличить длину электрической цепи и привести к увеличению занимаемой площади на месте установки и площади застройки, требуемых для размещения этих электролизеров.
Чем больше повышается интенсивность работы таких электролизеров, тем больше увеличиваются их размеры (длина в поперечном направлении). Увеличенная площадь жидких слоев (площадь электролита/металла) повышает чувствительность к величине и градиенту магнитных полей. Конструкция соединительных проводников при этом становится более сложной.
Уровень техники
Настоящее изобретение было разработано в области, в которой были опубликованы несколько патентов за последние 35 лет. При этом хорошо документированы и описаны как компенсация в ряду, так и компенсация в соседнем ряду с внутренней, а также внешней компенсацией. Однако в большинстве патентов описывается компенсация магнитного поля для электролизеров, работающих с токами меньше 300 кА и даже меньше 200 кА. Полный обзор принципов, используемых в области магнитной компенсации, приведен в публикации R.Huglen in K.Grjotheim and H.Kvande: "Introduction to Aluminium Electrolysis", Aluminium Verlag, Dusseldorf, 1986 and 1993.
Фундаментальные принципы, которые формируют основу настоящего изобретения, не были описаны, поскольку научное их описание не было доступно ни в литературе, ни в патентах.
Основное ограничение, связанное с устройствами предшествующего уровня техники, состоит в понимании принципов, позволяющих различать хорошие и менее хорошие решения.
Вариации общего тока, расстояния между рядами, падения напряжения, веса шинопровода и стабильности работы электролизера никогда не были описаны со сравнением получаемых на практике рабочих характеристик.
В следующей таблице представлены основные патенты, с обозначенной областью основного интереса.
№ патента
Автор
Год
Внутренняя компенсация
Внешняя компенсация
Компенсация в ряду
Компенсация в соседнем ряду
US 4,713,161
Chaffy и др.
1987
(X)
Х
Х
Х
FR 2505368
Homsi
1981
X
Х
Х
US 4,072.597
Morel
1978
X
Х
Явное различие между предшествующим уровнем техники и настоящим изобретением состоит в том, что часть линейного тока, протекающего со стороны перед электролизером, протекает за пределами опорной поверхности электролизера.
Хотя в настоящем изобретении от 5 до 25% общего тока протекает за пределами опорной поверхности, в остальном патенты отличаются.
В решении, описанном в патенте 4,072,597, предполагается, что 50% общего тока (весь ток перед электролизером) протекает за пределами опорной поверхности.
В патенте 250536825 - 30% общего тока протекает за пределами опорной поверхности.
В патенте 4713161 0% общего тока протекает за пределами опорной поверхности.
НЕДОСТАТКИ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Недостатки предшествующего уровня техники, описанные в патенте США 4,713,161, также относятся к технической основе настоящего изобретения.
Кроме того, патент США 4713161 имеет следующие недостатки:
- Если бы поперечные коллекторы между электролизерами были полностью удалены, и промежутки между электролизерами были соответственно уменьшены, уменьшение длины шинопроводов оказало бы существенное влияние на вес/падение напряжения, но коллекторы всегда необходимы так же, как и стояки анодов. Обозначенное количество стояков анодов велико, что приводит к недостатку, связанному со сложностью шинопроводов, трудностям при замене анода и шунтировании электролизеров.
- Большой ток в шинопроводах внешней компенсации увеличивает необходимость компенсации в ряду или требует увеличения расстояния между рядами.
z
z
- Если часть общего тока перед электролизером протекает по кратчайшему пути между электролизерами, шинопровод внешней компенсации должен быть расположен на относительно большом расстоянии от концевого стояка электролизера для наложения магнитного поля с малым градиентом. Это должно быть выполнено для достижения лучшего соответствия между полем B, формируемым общим током, и направленным в противоположном направлении полем B, формируемым током компенсации. Вследствие большего расстояния требуется относительно больший ток, что соответственно приводит к увеличению веса и/или падению напряжения.
- Если в цепи тока компенсации возникнет неисправность, электролизер становится чрезвычайно нестабильным. При этом эффективность по току (ЭТ, СЕ) определенно уменьшается и это будет оказывать отрицательное влияние на движение электролита и жидкого металла.
- Крупные шинопроводы внешней компенсации требуют места, использования держателей и экранирования, что требует применения более широкого основания, и приводит к дополнительным инвестиционным затратам.
- Шинопровод внешней компенсации расположен непосредственно под полом электролизного цеха и создает чрезвычайно сильное магнитное поле на концах электролизера.
z
z
Основная проблема связана с величиной градиента B, создаваемого шинопроводом внешней компенсации над областью катода. Увеличенный ток компенсации создает увеличенный градиент B по поперечной длине электролизера. Этот градиент может быть нейтрализован или вред от него может быть уменьшен либо путем перемещения шинопровода компенсации от концевого стояка электролизера, или путем модификации компоновки шинопроводов, расположенных под электролизной ванной, для лучшего соответствия форме вертикального магнитного поля, создаваемого внешним шинопроводом. Оба способа увеличивают вес шинопровода и/или приводят к повышению падения напряжения.
Результирующий эффект шинопровода, расположенного под и внутри опорной поверхности электролизера, и шинопровода, расположенного снаружи опорной поверхности электролизера, принципиально отличаются друг от друга и представлены на фигуре 4.
В соответствии с настоящим изобретением, как указано в пунктах 1-6 формулы изобретения, направленных на способ, может быть получена оптимизированная система шинопровода, которая позволяет преодолеть основные недостатки конструкций предшествующего уровня техники. В пунктах 7-16 формулы изобретения определена такая система.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на чертежи и примеры, где:
на фигуре 1 представлено поперечное сечение одной электролизной серии (предшествующий уровень техники),
z
на фигуре 2 представлено поле B на уровне электролит - металл (предшествующий уровень техники),
на фигуре 3 показаны конструкции однорядного и двухрядного электролизного цеха (предшествующий уровень техники).
на фигуре 4 показана компенсация ниже и рядом с концевым стояком электролизера (предшествующий уровень техники),
на фигуре 5 представлена дилемма падения напряжения/веса/стабильности,
на фигуре 6 представлен вес дополнительного шинопровода,
на фигуре 7 представлена доля внутренней компенсации,
на фигуре 8 представлено влияние расстояния между рядами,
на фигуре 9 раскрыты категории электролизеров, предназначенных для компенсации,
на фигуре 10 показаны компоновки по-разному скомбинированных компенсаций,
на фигуре 11 представлены ячейки 350 кА и конструкции компенсации (СВК, СВнешнК и СКК),
на фигуре 12 показан крупный электролизер и разные расстояния между рядами.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и системе электрического соединения между последовательными электролизерами, расположенными в виде ряда, для промышленного производства алюминия, и более точно к компоновке проводников, обеспечивающих возможность работы расположенных в поперечном направлении электролизеров, при силе тока, превышающей 300 кА и до 600 кА, с эффективностью по току от 93 до 97%, при улучшении технических и экономических рабочих характеристик систем проводников, включающих в себя шинопроводы между ячейками и шинопроводы системы внешней компенсации.
Настоящее изобретение основано на новом понимании преимуществ и недостатков известных способов конструкции шинопровода, оно полностью отличается от концепций предшествующего уровня техники и предполагает использование лучших свойств двух существующих способов компенсации для получения решения, обеспечивающего возможность обеспечения меньшего веса и меньшего потребления энергии.
Таким образом, описана система, обеспечивающая оптимизацию затрат на разработку, позволяющая уменьшить инвестиционные и эксплуатационные затраты. В результате этого получено устройство, позволяющее без излишних затрат компенсировать магнитное поле, создаваемое соседними рядами. Это также позволяет уменьшить значимость концепции расстояния между рядами для электролизеров с более высокой силой тока, чем в предшествующем уровне техники, включая технологию двухрядных электролизных цехов.
Нормальная комбинация или традиционный анализ, связанный с использованием комбинаций внутренней и внешней компенсации, не позволяет достичь преимуществ, в отличие от преимуществ, представленных в настоящем изобретении, поскольку:
- Было определено, что общий ток должен превысить силу 300 кА прежде, чем возникает эффект. Электролизные серии при более низком уровне тока нормально работают с использованием только внутренней компенсации.
- Разработчики системы шинопроводов должны понимать, где требуется обеспечить увеличение.
Электролизная серия с внутренней компенсацией, модифицированная с получением комбинированного профиля, путем введения внешней цепи просто для компенсации соседнего ряда, находится за пределами основного объема настоящего изобретения, поскольку полный потенциал способа внутренней компенсации при использовании такой конструкции является недооцененным.
Кроме того, настоящее изобретение основано на определении того, что ток внутренней компенсации (СКК.ВК) должен находиться в интервале 5-25% общего тока.
Предпочтительно величина тока внешней компенсации (СКК, ВнешнК) составляет от 5 до 80% величины общего тока.
Как система внешней компенсации, так и система внутренней компенсации требуют дополнительного увеличения веса (и, следовательно, дополнительных затрат) системы шинопровода, окружающей электролизеры, но дополнительный вес в этих двух способах вводится очень разными способами.
ECS
Вес шинопроводов внешней компенсации, m; пропорционален току компенсации.
ECS
где I - ток в шинопроводах внешней компенсации, [кА]
CCS,EC
(I для системы комбинированной компенсации);
ECS
m - дополнительная масса шинопроводов компенсации, [кг]
CCS,EC
(m для комбинированной системы компенсации);
2
i - плотность тока в шинопроводах, [кА/дм];
3
δ - плотность материала шинопровода, [кг/дм];
3
l - расстояние с-с, от n до n+1 электролической ванны [дм].
ICS
Увеличение веса, возникающее при использовании способа внутренней компенсации, представляет собой функцию расстояния вдоль боковой стенки, расположенной впереди электролизера, где должен происходить отбор тока. Вес дополнительных шинопроводов (m) аппроксимируется уравнением такого типа (расчет веса дополнительных шинопроводов, показанных на фигуре 6, с правой стороны):
ics
где i - ток в шинопроводах внутренней компенсации
ICCS,BK
(i для системы комбинированной компенсации);
ICS
m - дополнительная масса шинопроводов компенсации
CCS,IC
(m для системы комбинированной компенсации);
а - ток вдоль длины боковой стенки, снимаемый с пакета гибких шин катода в блюмс, [кА/дм];
b - константа со значением от 0,5 до 1, в зависимости от вариаций поперечного сечения блюмса вдоль длины;
1
l - длина дополнительных шинопроводов внутренней компенсации, расположенных перед электролизером, перпендикулярно общему направлению протекания общего тока, в дополнение к блюмсу, [дм];
2
l - длина дополнительных шинопроводов внутренней компенсации, расположенных после электролизера, перпендикулярно общему направлению протекания общего тока, в дополнение к блюмсу, [дм].
Линейная взаимозависимость между весом и током для внешней компенсации и соотношение второго порядка между весом и током для способа внутренней компенсации позволяет лучше согласовать эти способы для разных уровней тока компенсации.
Как видно по наклону уравнений 2 и 3, графики которых представлены на фигуре 6, увеличение веса на единицу тока меньше для ВКС, чем ВнешнКС, при малых токах компенсации, в то время как при больших токах компенсации возникает противоположная ситуация.
Естественная точка для ввода СКК представляет собой точку, где два уравнения имеют одинаковый наклон. До этой точки компенсацию электролизера следует выполнять с использованием СВК, в то время как вся дополнительная компенсация, требуемая после этой точки, должна быть выполнена с использованием внешней компенсации.
Сравнение наклонов кривых уравнений 2 и 3 может быть записано в следующей форме:
Из этого уравнения (4) можно вывести:
И в упрощенной форме:
CS
CCS
Разрешенный диапазон для СКК затем находится в месте, где суммарный ток компенсации, BK (I), удовлетворяет условию:
Часть BKS (константа) СКК затем определяется с помощью:
Часть СВнешнК СКК определяется следующим образом:
CCS,EC
На практике ввод I выполняется с несколько большей требуемой компенсацией, чем представлено уравнениями (5), (6) и (7), учитывая тот факт, что
1. Ввод СВнешнК приводит к дополнительным затратам, что означает, что СВнешнК должна иметь определенный размер прежде, чем она станет рентабельной.
2. Предполагается, что СВнешнК должна быть расположена на большем расстоянии до концевого стояка электролизера, чем СВК. Это делает СВнешнК менее эффективной и перемещает предел ввода вверх.
В результате исследования свойств системы внутренней компенсации было определено, что этот способ содержит неотъемлемые элементы, которые преобладают и являются действительными даже при использовании их вместе с внешней компенсацией.
Система внутренней компенсации имеет пять преимуществ по сравнению с системой внешней компенсации:
- Ток, используемый для компенсации, вычитают из тока, протекающего под электролизером (часть общего тока), то есть уменьшается потребность в компенсации ряда.
В результате манипулирования с общим током и когда не вводятся дополнительные источники магнитного поля, исключается дополнительная причина отрицательного влияния на соседний ряд (ряды). Способ внешней компенсации приводит как к существенному увеличению тока, который требуется компенсировать, так и к уменьшению расстояния между воздействующим током и электролизером, в результате чего возникает дополнительная потребность в компенсации.
- Общий ток перед электролизером в любом случае должен быть пропущен через электролизер, к стояку следующего электролизера. В этом конкретном направлении не требуется дополнительно увеличивать вес шинопровода для выполнения внутренней компенсации.
- Разность электрического потенциала между компенсированным электролизером и шинопроводом компенсации очень невелика, что позволяет легко решить проблемы, связанные с безопасностью.
- Стабильность во время работы электролизеров восстановления может быть подвергнута серьезной опасности при неисправности внешней цепи. Система внутренней компенсации не имеет этой слабой точки и поэтому ожидается, что система комбинированной компенсации будет менее чувствительна к отказам внешней цепи компенсации.
Именно эти преимущества позволяют обеспечить лучшую комбинированную компенсацию по сравнению со способом внешней компенсации в случае, когда способ, в котором используется исключительно внутренняя компенсация, становится недостаточным для решения проблемы магнитной стабильности. Доля компенсации, обеспечиваемая внутренней компенсацией, как функция требуемой компенсации, представлена на фигуре 7.
Величина тока компенсации должна быть связана с компенсируемьм магнитным полем. Напряженность В магнитного поля представляет собой функцию величины и расстояния до источника. На фигуре 8 представлена взаимосвязь между расстоянием между рядами силой тока (200-600 кА) и полученным в результате током компенсации, требуемым для нейтрализации источника (соседний ряд).
ICCS,IC
Для преобладающих физических размеров, плотностей тока и материалов, I, определяется приблизительно на уровне от 30 до 70 кА. Если обозначить этот уровень компенсации на фигуре 8, можно видеть, что общий ток на уровне приблизительно 300 кА представляет собой верхний предел для использования исключительно способа внутренней компенсации в двухрядном электролизном цеху (расстояние между рядами приблизительно 30 м).
Используя комбинированную компенсацию, ранее установленное ограничение общего тока может быть повышено для электролизных серий при малом расстоянии между рядами (включая двухрядные электролизные цеха). Это относится к случаям, когда дополнительное пространство является дорогостоящим или недоступным, см. фигуру 9, метки «а» и «b».
х-
y-
Следует также понимать, что составляющие В и особенно B вносят вклад в дестабилизацию электролизера, и их следует учитывать при разработке системы шинопроводов.
Способ комбинированной компенсации также представляет собой наилучшее решение для другого диапазона вариантов применения, в которых меньше потребность в увеличении расстояния между рядами и требуется уделять меньше внимания этому фактору.
Длинные электролизеры (через которые пропускают большой общий ток), в которых существенная часть общего тока перед электролизером протекает через шинопроводы, расположенные под электролизером, создает потребность в использовании больших токов компенсации. Хотя необходимость в компенсации соседнего ряда является умеренной, в случае, когда расстояние между рядами увеличивается, необходимость в компенсационном токе ряда добавляется поверх необходимости в компенсации соседнего ряда, в результате чего получается большая требуемая суммарная компенсация, чем в случае, когда достаточно использовать только внутреннюю компенсацию. Наилучшее решение в таких случаях состоит в использовании комбинированной компенсации.
В дополнение к стабильности, весу, сложности шинопровода и падению напряжения конструкция в соответствии с "уровнем техники" должна быть выполнена с учетом других критериев, таких как:
- Максимальная температура шинопроводов и стояков анода.
- Не должно возникать осложнений при работе электролизеров.
- Вентиляция стальной оболочки катода должна быть как можно более свободной.
- Необходимо удовлетворять требованиям БЗО (SHE безопасность, здоровье, окружающая среда).
- Необходимо предусмотреть место для увеличения силы тока в электролизной серии в будущем.
Следует отметить, что изобретение может быть дополнительно улучшено путем обеспечения несимметричного распределения тока катода. В частности, распределение со стороны перед электролизером может составлять от 40 до 50% общего тока, предпочтительно от 45 до 50%. Такая компоновка подразумевает, что меньше тока должно быть пропущено под или снаружи электролизера с помощью системы шинопроводов, то есть можно уменьшить сложность самой системы.
Подробное описание чертежей
Фигура 1. Поперечное сечение одной электролизной серии предшествующего уровня техники.
На фигуре иллюстрируется терминология, используемая в настоящем документе. На ней представлена СВнешнК.
Электролизер с правой стороны оборудован подачей тока со стороны перед электролизером под электролизер [1] и внешними шинопроводами компенсации с внутренней стороны (в направлении к соседнему ряду) и с наружной стороны опорной поверхности электролизера [2].
Электролизер с левой стороны показан в упрощенном виде для упрощения расчета влияния магнитного поля общего тока [3] и внешней компенсации [4] на электролизер, расположенный с правой стороны.
Расстояние R представляет собой расстояние между рядами.
z
Фигура 2. Поле B на уровне электролит - металл в электролизере предшествующего уровня техники.
z
Иллюстрация нескомпенсированного и компенсированного полей B в СВнешнК, без влияния соседнего ряда.
Весь общий ток протекает под электролизером, и вся компенсация тока в ряду достигается с помощью внешней компенсации с внутренней и наружной стороны опорной поверхности электролизера, аналогично фиг.5 в патенте США №4713161.
Фигура 3. Решения предшествующего уровня техники для однорядного и двухрядного электролизного цеха.
В верхней части представлены эскизы системы однорядного электролизного цеха, а в нижней части показана система двухрядного электролизного цеха.
Система [1] однорядного электролизного цеха может быть оборудована
- рядами [2] электролизеров, расположенных в направлении к зоне внутренней стенки и одним рядом электролизеров в направлении внешней стенки,
- рядами электролизеров, расположенных в направлении внешних стенок.
Фигура 4. Компенсация ниже и рядом с концевым стояком электролизера предшествующего уровня техники.
z
Иллюстрация внутренней компенсации (B) рядом и под электролизером. Концевые стояки электролизеров расположены на уровне 7,0 и -7,0 метра.
Фигура 5. Дилемма падения напряжения/веса/стабильности.
Иллюстрация дилеммы падения напряжения/веса/стабильности, связанной с конструкцией цепи для электрического соединения между двумя последовательными электролизерами в ряду.
I. Уменьшить линейный ток или увеличить вес шинопровода.
II. Увеличить линейный ток или уменьшить вес шинопровода.
III. Увеличить вес шинопроводов компенсации из-за необходимости повышения стабильности или плохая конструкция шинопровода.
IV. Уменьшить вес шинопроводов компенсации, жертвуя стабильностью, или хорошо продуманная конструкция шинопровода.
Фигура 6. Дополнительный вес шинопровода.
В области, где снимают ток в системе внутренней компенсации, используются две формы шинопровода:
- призматическая форма может использоваться для сведения к минимуму веса;
- квадратная форма может использоваться для оптимизации распределения тока.
Фигура 7. Доля внутренней компенсации.
Иллюстрация доли внутренней компенсации как функции требуемой компенсации. Остальная требуемая компенсация выполняется с использованием внешней компенсации.
Фигура 8. Влияние расстояния между рядами.
Упрощенные взаимозависимости между током в соседнем ряду, расстоянием между рядами и током компенсации выглядят так, как представлено на чертеже. Линии равного тока следует рассматривать как сумму линейного тока и ТВнешнК.
На этом чертеже представлена только компенсация тока соседнего ряда, но не показан ток ряда.
При заданном значении общего тока стабильная работа электролизера может быть достигнута либо путем увеличения тока компенсации или путем увеличения расстояния между рядами.
Фигура 9. Категории электролизеров для компенсации.
Важно отметить, что область, обозначенная «с», представляет собой в основном компенсацию тока в этом же ряду, а не тока в соседнем ряду. Этот способ введен просто из-за длины электролизера (общего тока).
В областях «а» и «b» может быть более привлекательным переключиться с двухрядного на однорядный электролизный цех вместо добавления дополнительного тока компенсации.
Фигура 10. Компоновки различных комбинированных компенсаций.
Фигура 10.а Терминология.
Фигура 10.b Компенсация тока в ряду среднего значения и соседнего ряда при малом расстоянии (двухрядный электролизный цех).
Фигура 10.с Компенсация большого тока в ряду и соседнего ряда при малом расстоянии (двухрядный электролизный цех).
Фигура 11. Влияние СВК, СВнешнК и СКК при 350 кА.
z
Нескомпенсированное поле, поле компенсации и скомпенсированное поле B при СВК (вверху слева), СВнешнК (вверху справа) и СКК (внизу) для электролизера с током 350 кА в двухрядном электролизном цеху.
Фигура 12. Большой электролизер и разные расстояния между рядами.
Эта фигура относится к компенсации больших электролизеров, расположенных с разными расстояниями между рядами. Настоящее изобретение в особенности применимо для компоновок этого типа.
ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ
Пример электролизера с током 350 кА в двухрядном электролизном цеху.
Выбор двухрядного электролизного цеха может быть связан с ограничениями доступного пространства или стоимостью подготовки места для застройки. Если присутствует свободное место за обоснованную стоимость, было бы более экономично выбрать два однорядных электролизных цеха вместо решения с двухрядным электролизным цехом.
При компенсации электролизера, работающего при большом токе в двухрядном электролизном цеху, сам ток компенсации создает необходимость в значительной дополнительной компенсации, в частности в случае СВнешнК. Влияние такой зависимости делает некоторые из чертежей (8 и 9) в данном документе менее понятными, поскольку чертежи относятся к сумме общего тока и тока внешней компенсации.
Представление только токов и весов для СВК и СВнешнК для внутреннего концевого стояка электролизера уменьшает размер примера. Этот пример соответствует данным, приведенным на фигуре 10.b, и типа «а», как показано на фигуре 9. На фигуре 10.а поясняется терминология, в то время как на фиг.10.с показана версия с током 450 кА (тип «b», фигура 9).
Тип (Фиг.10)
Потребность в компенсации* [кА]
Вес дополнительных шино-проводов [тонн]
Внутренняя компенсация
СВК
72
5,3
Внешняя компенсация
СВнешнК
190
9,2
Комбинированная компенсация
СКК
35+65
4,6
*Рассчитано с использованием простой программы, учитывающей влияние B<sub>z</sub> от шинопроводов, расположенных под и рядом (включая соседний ряд (ряды)) анализируемого электролизера. Основано на законе Био-Савара, без учета железных деталей.
Используемые граничные условия:
Единица
Значение
Общий ток
I
кА
350
% тока перед электролизером
%
48
Высота между электролитом/металлом и шинопроводами под электролизером
h
м
1,3
Расстояние между рядами
R
м
30
Длина электролизера
м
14
Расстояние с-с, от центра одного электролизера до центра другого электролизера
l<sub>3</sub>
дм
60
Ток в пакете гибких шин катода
кА
6,3
Расстояние между пакетами гибких шин катода
дм
5,8
Плотность тока, шинопровод
j
кА/дм<sup>2</sup>
3,33
Плотность алюминия
r
кг/дм<sup>3</sup>
2,7
Расстояние до шинопровода компенсации*
дм
1и2
*Шинопровод ВнешнК расположен на 1 метр дальше от концевого стояка электролизера по сравнению с шинопроводом ВК. Это сделано из соображений безопасности.
Дополнительный вес системы внутренней компенсации рассчитан с помощью уравнения (3). Дополнительный вес системы внешней компенсации рассчитан по уравнению (2).
Дополнительный вес системы комбинированной компенсации рассчитан по уравнениям (2) и (3) с распределением тока, представленным в уравнении (9).
CCS,IC
CCS,EC
Типичное процентное распределение между m и m представлено на фигуре 7.
CCS,IC
На этом чертеже также представлено преобладание решения СКК, поскольку здесь показано, что m обеспечивает больше, чем его доля в токе компенсации, при условии одинакового уровня стабильности электролизера и удельной потери энергии в СВК и СВнешнК.
На фигуре 7 ВК поддерживают на уровне 40 кА для всего диапазона решений комбинированной компенсации.
Например:
- при потребности в компенсации 50 кА получают 80% внутренней компенсации, что составляет 40 кА.
- При потребности компенсации 100 кА получают 40% внутренней компенсации, что составляет 40 кА.
Пример электролизера с током 600 кА в однорядном электролизном цеху.
Что касается предыдущего примера, представлены только значения тока и веса для ВК и ВнешнК для внутреннего концевого стояка электролизера. Этот пример соответствует данным, приведенным на фигуре 12.
Тип
Потребность в компенсации* [кА]
Вес дополнительных шинопроводов [тонн]
Внутренняя компенсация
СВК
70
4,8
Внешняя компенсация
СВнешнК
175
8,5
Комбинированная компенсация
СКК
35+58
4,3
СКК здесь преобладает по сравнению с СВК и СВнешнК.