RU2179202C2 - Bus arrangement of electrolyzer for production of aluminum - Google Patents

Abstract

FIELD: non-ferrous metallurgy. SUBSTANCE: invention is specifically related to electrolytic production of aluminum in electrolyzers interconnected in series electric network with any longitudinal or lateral placement of them in frame. Bus arrangement includes collecting cathode buses mounted along longitudinal walls of electrolyzer with cathode taps connected to anode buses of electrolyzers next in row by means of anode uprights. Ferromagnetic screens are positioned between anode uprights and electrolyzer. Screens are multilayer and in plan they have form of trapezium or triangle facing anode upright with base. EFFECT: raised output of aluminum, provision for more stable side buildup protecting side lining against destruction. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах, соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь, при продольном или поперечном размещении их в корпусе. The invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the electrolytic production of aluminum in electrolyzers connected to each other in a series electrical circuit, with longitudinal or transverse placement of them in the housing.

Соединение электролизеров осуществляется системой токопроводящих шин, одним из основных требований к которой является формирование в расплаве оптимального магнитного поля, оказывающего минимальное отрицательное влияние на технологический процесс. The electrolysers are connected by a system of conductive buses, one of the main requirements for which is the formation of an optimal magnetic field in the melt, which has a minimal negative effect on the process.

Известна ошиновка алюминиевого электролизера при продольном расположении в корпусе, содержащая анодные шины, стояки, пакеты катодных шин групп стержней, ближних к входному торцу катодного устройства, соединены со стояками, расположенными у входного торца, а остальные группы катодных стержней - со стояками, расположенными вдоль бортов катодного кожуха последующего электролизера (патент СССР N 738518, кл. С 25 С 3/16, 1980). Known busbar aluminum cell with a longitudinal arrangement in the housing, containing anode busbars, risers, packages of cathode buses of groups of rods closest to the input end of the cathode device, connected to risers located at the input end, and the remaining groups of cathode rods with risers located along the sides cathode casing of the subsequent electrolyzer (USSR patent N 738518, class C 25 C 3/16, 1980).

Известна также ошиновка электролизера для получения алюминия 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, каждый из которых передает 35% тока входной стороны, и со средними сборными шинами выходной стороны электролизера, а средние стояки соединены со средними сборными шинами входной стороны пакетами шин, размещенными симметрично под днищем электролизера, каждый из которых передает 15% тока входной стороны, и со сборными шинами выходной стороны, при этом пакеты катодных шин, проходящие под днищем, приближены на входной стороне к торцам электролизера, а на выходной стороне - к его середине (патент РФ N 2009275, кл. С 25 С 3/16, публикация 15.03.1994 г.). Also known is the electrolytic cell busbar for producing aluminum in a transverse arrangement in the housing, containing busbars with cathode slopes installed along the inlet and outlet longitudinal sides of the cell, in which the anode busbar is connected to the previous cell by equidistant risers located on its input side, through which they flow identical currents so that each riser feeds the anode busbar at a point around which the same number of anodes are symmetrically located, e risers are connected to the extreme busbars of the input side of the electrolyzer by bus packs located along the end sides, each of which transfers 35% of the current of the input side, and to the middle busbars of the output side of the electrolyzer, and the middle risers are connected to the middle busbars of the input side by bus packets, placed symmetrically under the bottom of the cell, each of which transmits 15% of the current of the input side, and with busbars of the output side, while the packages of cathode buses passing under the bottom are close to the input th side to the ends of the cell, and on the output side to its middle (RF patent N 2009275, cl. C 25 C 3/16, publication March 15, 1994).

Общим недостатком указанных технических решений является отрицательное влияние электромагнитных сил на расплавленный алюминий вблизи анодных стояков, обусловленное воздействием их магнитного поля, которое приводит к снижению производительности электролизеров, а также сокращению срока их службы из-за разрушения бортовой футеровки вблизи анодных стояков. A common drawback of these technical solutions is the negative effect of electromagnetic forces on molten aluminum near the anode risers, due to the influence of their magnetic field, which leads to a decrease in the productivity of electrolyzers, as well as a reduction in their service life due to the destruction of the side lining near the anode risers.

Толщина слоя расплава в алюминиевом электролизере намного меньше горизонтальных размеров ванны, в связи с чем при оценке влияния циркуляционных потоков расплава на работу электролизера согласно теории "мелкой воды" вертикальными циркуляционными потоками можно пренебречь и рассматривать только горизонтальные, планарные потоки циркуляции расплава. The thickness of the melt layer in the aluminum electrolyzer is much smaller than the horizontal dimensions of the bath, and therefore, when assessing the influence of the melt circulation flows on the operation of the electrolyzer according to the shallow water theory, vertical circulation flows can be neglected and only horizontal, planar melt circulation flows can be considered.

Известно, что поле скоростей в рабочей зоне электролизера определяется особенностями распределения электромагнитной силы, для характеристики которой наиболее подходящим является ротор электромагнитной силы

где

вектор плотности тока;

вектор магнитной индукции.It is known that the velocity field in the working area of the electrolyzer is determined by the characteristics of the distribution of electromagnetic force, for the characterization of which the rotor of electromagnetic force is most suitable

Where

current density vector;

magnetic induction vector.

Вертикальная (z-составляющая) ротора электромагнитной силы будет определять планарную циркуляцию металла:

В свою очередь планарные электромагнитные силы определяются из выражений:
F_y = j_z • B_x - j_x • B_z,
F_x = i_y • B_z - j_x • B_y.The vertical (z-component) of the rotor of electromagnetic force will determine the planar circulation of the metal:

In turn, planar electromagnetic forces are determined from the expressions:
F _y = j _z • B _x - j _x • B _z ,
F _x = i _y • B _z - j _x • B _y .

Используя (2), (3) и (4), получим

Как видно из выражения (5), скорость планарных циркуляционных потоков расплава в электролизной ванне зависит от величин и градиентов всех составляющих напряженности магнитного поля и плотности тока относительно планарных осей ванны.Using (2), (3) and (4), we obtain

As can be seen from expression (5), the velocity of planar circulating melt flows in the electrolysis bath depends on the values and gradients of all components of the magnetic field and current density relative to the planar axes of the bath.

Значительное влияние на магнитное поле в расплаве электролизера оказывают проводники ошиновки, в которых сосредотачивается наибольшее количество тока серии, и которые располагаются относительно близко к расплаву. К таким проводникам, в первую очередь, следует отнести анодные стояки. По одному анодному стояку, как правило, проходит от 20% до 50% тока серии. В связи с тем что магнитное поле от проводника с током распространяется по экспоненциальному закону, то вблизи анодного стояка в расплаве всегда имеет место не только сильное магнитное поле, но и значительная его неоднородность, которая выражается градиентом. Busbar conductors, in which the largest amount of current in the series is concentrated, and which are located relatively close to the melt, have a significant effect on the magnetic field in the melt of the electrolyzer. Such conductors, first of all, should include anode risers. On one anode riser, as a rule, from 20% to 50% of the series current passes. Due to the fact that the magnetic field from the current conductor propagates exponentially, near the anode riser in the melt there is always not only a strong magnetic field, but also its significant heterogeneity, which is expressed by the gradient.

Значения 5-го

и 8-го

члена выражения (5) указывают на существенное влияние градиента горизонтальных компонент магнитного поля (H_x, H_y) относительно планарных осей и вертикальной составляющей плотности тока (j_z) на скорость и характер циркуляционных потоков в расплаве электролизной ванны вблизи анодных стояков.5th Values

and 8th

terms of expression (5) indicate a significant effect of the gradient of the horizontal components of the magnetic field (H _x , H _y ) relative to the planar axes and the vertical component of the current density (j _z ) on the speed and nature of the circulation flows in the molten electrolysis bath near the anode risers.

Так, у продольно расположенных в корпусе электролизеров с анодными стояками, установленными в торцах ванны, ротор электромагнитных сил имеет большую величину в расплаве вблизи анодных стояков, обусловленную 5-м членом выражения (5), а при расположении стояков в области продольных сторон - 8-м членом выражения (5). Для электролизеров поперечного расположения со стояками, установленными вдоль входной стороны, большая величина ротора сил в расплаве вблизи анодных стояков будет определяться 8-м членов выражения (5). So, in electrolyzers longitudinally located in the body with anode risers installed at the ends of the bath, the electromagnetic force rotor has a large value in the melt near the anode risers, due to the 5th term of expression (5), and when the risers are located in the region of the longitudinal sides, it is 8- m member of expression (5). For transverse electrolyzers with risers installed along the inlet side, a large value of the force rotor in the melt near the anode risers will be determined by the 8th terms of expression (5).

Практика эксплуатации промышленных электролизеров показывает, что интенсивная циркуляция расплава в области анодных стояков, обусловленная влиянием магнитного поля последних, во-первых, оказывает отрицательное влияние на выход металла по току из-за обратного окисления алюминия, а во-вторых, затрудняет формирование защитного бортового гарнисажа вблизи стояков в результате ухудшения однородности теплового поля в рабочей зоне ванны. В связи с отсутствием устойчивой настыли вблизи анодных стояков происходит разрушение бортовых блоков, вплоть до протеков расплава через борт ванны, что снижает срок службы электролизеров. The practice of operating industrial electrolyzers shows that the intense circulation of the melt in the region of the anode risers, due to the influence of the magnetic field of the latter, firstly has a negative effect on the metal current output due to the reverse oxidation of aluminum, and secondly, it complicates the formation of a protective side skull near risers as a result of deterioration in the uniformity of the thermal field in the working area of the bath. Due to the absence of a stable crust near the anode risers, the destruction of the side blocks occurs, up to the melt leaking through the side of the bath, which reduces the service life of the electrolytic cells.

Уменьшение отрицательного влияния магнитного поля анодных стояков можно достигнуть следующими способами:
- удалением анодных стояков от ванны;
- умножением количества стояков в конструкции ошиновки.Reducing the negative influence of the magnetic field of the anode risers can be achieved in the following ways:
- removal of the anode risers from the bath;
- multiplying the number of risers in the busbar design.

В обоих случаях это приведет к увеличению размеров ошиновки, ее веса, усложнению конструкции, а значит к значительному удорожанию. Кроме того, указанные изменения в ошиновке требуют отключений серий электролиза на период реконструкции, что также связано с существенными финансовыми затратами. In both cases, this will lead to an increase in the size of the tire, its weight, complexity of the design, and therefore to a significant rise in price. In addition, these changes in the busbar require disconnection of the electrolysis series for the reconstruction period, which is also associated with significant financial costs.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение выхода алюминия по току и обеспечение более устойчивого бокового гарнисажа, защищающего бортовую футеровку от разрушения. The technical result of the present invention is to increase the current output of aluminum and to provide a more stable lateral skull that protects the side lining from destruction.

Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что ошиновка последовательно соединенных алюминиевых электролизеров, содержащая установленные вдоль продольных сторон электролизера сборные катодные шины с катодными спусками, подключенными к анодным шинам следующего в ряду электролизера посредством анодных стояков, снабжена экранами из ферромагнитного материала, которые расположены между анодными стояками и электролизером, экраны выполнены многослойными и в плане имеют форму трапеции или треугольника. The achievement of the technical result is ensured due to the fact that the busbar of the series-connected aluminum electrolysis cells, comprising prefabricated cathode busbars installed along the longitudinal sides of the electrolyzer with cathode slopes connected to the anode buses of the next in the row electrolyzer by means of anode risers, is provided with shields of ferromagnetic material that are located between the anode risers and electrolyzer, the screens are multilayer and in the plan have the shape of a trapezoid or triangle.

На фиг. 1 показана схема ошиновки с ферромагнитными экранами; на фиг. 2 представлена диаграмма рассчитанной продольной (B_x) компоненты магнитного поля в расплавленном алюминии при отсутствии ферромагнитных экранов между стояками и расплавом; на фиг. 3 - диаграмма B_x компоненты магнитного поля в расплавленном алюминии при наличии ферромагнитных экранов по заявке.In FIG. 1 shows a bus diagram with ferromagnetic screens; in FIG. 2 is a diagram of the calculated longitudinal (B _x ) component of the magnetic field in molten aluminum in the absence of ferromagnetic screens between risers and the melt; in FIG. 3 is a diagram B _{x of the} components of the magnetic field in molten aluminum in the presence of ferromagnetic shields on request.

Пример ошиновки на фиг. 1 показан для катодного устройства одного электролизера 1 и анодного устройства последующего в серии электролизера 2. Направление тока серии символически обозначено с помощью стрелки. Ошиновка содержит установленные вдоль продольных сторон электролизера 1 сборные катодные шины 3 с катодными спусками 4, подключенными к анодным шинам 5 следующего в ряду электролизера 2 посредством анодных стояков 6, между стояками 6 и расплавом электролизера 2 установлены ферромагнитные экраны 7. The bus example in FIG. 1 is shown for the cathode device of one electrolyzer 1 and the anode device subsequent in the series of electrolyzer 2. The direction of the current of the series is symbolically indicated by an arrow. The busbar contains installed along the longitudinal sides of the electrolyzer 1 precast cathode bus 3 with cathode slopes 4 connected to the anode bus 5 of the next in the row of the cell 2 through the anode risers 6, between the risers 6 and the melt of the electrolyzer 2 installed ferromagnetic shields 7.

Устройство работает следующим образом, ток по сборным катодным шинам 3, установленным вдоль продольных сторон электролизера 1 и имеющим катодные спуски 4, поступает в анодные шины 5 следующего в ряду электролизера через анодные стояки 6. Анодные стояки 6, в которых проходит по 25% тока серии, генерируют вокруг себя большое по величине, неоднородное магнитное поле. Экраны 7, выполненные из ферромагнитного материала, защищают расплав электролизера 2 от отрицательного воздействия магнитного поля стояков 6. Треугольная или трапециевидная форма экранов 7 в плане обеспечивает снижение значения и градиента магнитного поля в расплаве электролизера 2, что создает условия для повышения магнитогидродинамической стабильности расплава в области стояков и устойчивости защитного бортового гарнисажа. The device operates as follows, the current through the cathode busbars 3 installed along the longitudinal sides of the electrolyzer 1 and having cathode slopes 4, enters the anode busbars 5 of the next in the row electrolyzer through the anode risers 6. Anode risers 6, in which 25% of the series current passes generate around themselves a large, inhomogeneous magnetic field. Screens 7 made of ferromagnetic material protect the melt of the electrolyzer 2 from the negative effects of the magnetic field of the risers 6. The triangular or trapezoidal shape of the screens 7 in plan provides a decrease in the value and gradient of the magnetic field in the melt of the electrolyzer 2, which creates conditions for increasing the magnetohydrodynamic stability of the melt in the region risers and stability of the protective side skull.

Как видно на фиг. 2, анодные стояки 6, по которым проходит по 25% тока серии, создают в ближних к ним областях расплавленного алюминия неоднородное (с высоким градиентом) продольное (В_x) магнитное поле, которое является причиной повышенной активности металла и ухудшения однородности теплового поля. На фиг. 3 видно, что многослойные экраны 7, выполненные из ферромагнитного материала, в магнитном поле от анодных стояков намагничиваются таким образом, что собственным магнитным полем снижают не только абсолютное значение поля в расплаве вблизи стояков, но и увеличивают однородность поля по этой же компоненте (снижают градиент).As seen in FIG. 2, the anode risers 6, along which 25% of the series current passes, create in the adjacent areas of molten aluminum an inhomogeneous (with a high gradient) longitudinal (B _x ) magnetic field, which causes increased activity of the metal and deterioration of the uniformity of the thermal field. In FIG. Figure 3 shows that multilayer screens 7 made of a ferromagnetic material are magnetized in the magnetic field from the anode risers in such a way that their own magnetic field not only reduces the absolute value of the field in the melt near the risers, but also increases the uniformity of the field along the same component (reduces the gradient )

Если возле анодных стояков без экранов поле по B_x достигает значений в 150-170 Гс, то при наличии экранов - 120-130 Гс, а градиент снижается примерно на 30%. В результате влияния экранов активность расплава вблизи анодных стояков снижается, что способствует повышению выхода алюминия по току и обеспечивает более устойчивый бортовой гарнисаж, защищающий бортовую футеровку от разрушения.If near the anode risers without screens the field along B _x reaches values of 150-170 G, then in the presence of screens it reaches 120-130 G, and the gradient decreases by about 30%. As a result of the influence of the screens, the activity of the melt near the anode risers decreases, which contributes to an increase in the aluminum current output and provides a more stable side scull that protects the side lining from destruction.

Весомым преимуществом настоящего изобретения является возможность его применения на действующих сериях электролиза без отключения электролизеров и снижения выпуска металла. A significant advantage of the present invention is the possibility of its application on the current series of electrolysis without shutting down the electrolysis cells and reducing the release of metal.

Claims (3)

1. Ошиновка электролизера для получения алюминия, содержащая установленные вдоль продольных сторон электролизера сборные катодные шины с катодными спусками, подключенными к анодным шинам следующего в ряду электролизера посредством анодных стояков, отличающаяся тем, что между анодными стояками и электролизером установлены ферромагнитные экраны. 1. The busbar of the cell for producing aluminum, comprising prefabricated cathode busbars installed along the longitudinal sides of the cell with cathode slopes connected to the anode busbars of the next in the row electrolyzer by means of anode risers, characterized in that ferromagnetic shields are installed between the anode risers and the electrolyzer. 2. Ошиновка по п. 1, отличающаяся тем, что экраны выполнены многослойными. 2. Busbar according to claim 1, characterized in that the screens are multilayer. 3. Ошиновка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что экраны в плане имеют форму трапеции или треугольника. 3. Busbar according to claim 1 or 2, characterized in that the screens in the plan have the shape of a trapezoid or triangle.

Images