RU2187584C2

RU2187584C2 - Gear to supply power to aluminum electrolyzers connected in series

Info

Publication number: RU2187584C2
Application number: RU2000123684A
Authority: RU
Inventors: В.В. Платонов; Л.В. Крылов; В.С. Жирнаков
Original assignee: ОАО "Объединенная компания "Сибирский алюминий"
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2002-08-20

Abstract

FIELD: non-ferrous metallurgy. SUBSTANCE: invention specifically refers to electrolytic winning of aluminum in electrolyzers arranged in housing lengthwise in two rows and connected in series electric network. Technical result of invention lies in development of magnetically, hydraulically and dynamically stable electrolyzer thanks to effective compensation for harmful effect of adjacent row of electrolyzers and favorable distribution of magnetic field in melt which has minimal negative impact on technological process. This technical result is achieved as compensation bus rounds electrolyzer over perimeter on side of input butt and is connected with input end to part of cathode rods located on side opposite to adjacent row of electrolyzers and with output end to upright positioned in input butt on side opposite to adjacent row of electrolyzer next in series. EFFECT: development of electrolyzer stable magnetically, hydraulically and dynamically. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах, размещенных в корпусе продольно в два ряда и соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь. The invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the electrolytic production of aluminum in electrolyzers placed in a housing longitudinally in two rows and connected to each other in a serial electric circuit.

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. The connection of electrolyzers is carried out by a system of conductive tires, one of the main requirements for which is to ensure the optimum magnetic field in the melt, which has a minimal negative effect on the process.

Известна ошиновка алюминиевых электролизеров при их продольном расположении в корпусе, содержащая анодные шины, стояки, расположенные у входного торца и на середине бортов катодного кожуха, и катодные стержни, разделенные на группы, каждая из которых соединена с самостоятельным пакетом катодных шин, пакеты катодных шин групп стержней, ближайших к входному торцу катодного кожуха, соединены со стояками, расположенными у входного торца последующего электролизера, а остальные группы катодных стержней - со стояками, расположенными на середине бортов катодного кожуха последующего электролизера, стояки, расположенные у борта, соединены с анодной шиной в ее середине (СССР, патент, 738518, кл. С 25 С 3/16, 1978). Known busbar aluminum electrolytic cells in their longitudinal arrangement in the housing, containing anode tires, risers located at the inlet end and in the middle of the sides of the cathode casing, and cathode rods, divided into groups, each of which is connected to an independent package of cathode buses, packages of cathode buses of groups rods closest to the input end of the cathode casing are connected to risers located at the input end of the subsequent electrolyzer, and the remaining groups of cathode rods are connected to risers located in the middle not the sides of the cathode casing of the subsequent electrolyzer, risers located on the side are connected to the anode bus in its middle (USSR, patent, 738518, class C 25 C 3/16, 1978).

Недостатком указанной ошиновки является то, что в ее конструкции отсутствуют элементы, позволяющие компенсировать вредное влияние магнитного поля соседнего ряда электролизеров. Поэтому она не может быть использована на электролизерах при двухрядном расположении их в корпусе. Эксплуатация электролизеров с данной ошиновкой при однорядном расположении в корпусе требует больших капитальных затрат на здания и внешние шинопроводы между соседними корпусами серии электролизеров и выпрямительной подстанцией, чем на серии электролизеров при двухрядном расположении их в корпусе электролиза. Чтобы уменьшить наводку магнитного поля соседнего корпуса электролизеров до приемлемых пределов необходимо, чтобы расстояние между корпусами в серии при однорядном расположении электролизеров в корпусе было не менее 60-80 метров. The disadvantage of this busbar is that in its design there are no elements that can compensate for the harmful effects of the magnetic field of an adjacent row of electrolyzers. Therefore, it cannot be used on electrolyzers with a double-row arrangement of them in the housing. The operation of electrolytic cells with this busbar in a single row arrangement in the housing requires greater capital costs for buildings and external busbars between adjacent buildings of a series of electrolytic cells and a rectifier substation than on a series of electrolyzers with their double row arrangement in the electrolysis housing. In order to reduce the magnetic field pickup of the adjacent electrolytic cell body to acceptable limits, it is necessary that the distance between the cells in the series with a single-row arrangement of the electrolysers in the cell is at least 60-80 meters.

Наиболее близкой по достигаемому эффекту к предлагаемому в настоящей заявке техническому решению является устройство для электропитания последовательно соединенных электролизеров, преимущественно при двухрядном расположении в корпусе, с двумя стояками, расположенными на продольных сторонах электролизера симметрично относительно ее середины, с двумя другими стояками, расположенными симметрично во входном торце электролизера, с двумя катодными сборными шинами, расположенными на каждой продольной стороне электролизера, причем часть катодных стержней электролизера, расположенных со стороны входного торца, соединена с первыми катодными сборными шинами, часть катодных стержней электролизера, расположенных со стороны выходного торца, соединена со вторыми катодными сборными шинами, первые катодные сборные шины электролизера соединены со стояками, расположенными во входном торце последующего электролизера, вторые катодные сборные шины электролизера соединены со стояками, расположенными на продольных сторонах последующего электролизера, стояки, расположенные во входном торце электролизера, соединены с началом анодных шин, стояки, расположенные на продольной стороне электролизера - с серединой анодных шин, устройство снабжено шиной для компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров, которая расположена на уровне катодных сборных шин с внешней стороны обоих рядов электролизеров, причем шина для компенсации подсоединена к отдельной системе электропитания (RU, патент, 2092622, кл. С 25 С 3/16, 1995). The closest effect to the proposed solution in this application is a device for powering series-connected electrolyzers, mainly in a two-row arrangement in the housing, with two risers located on the longitudinal sides of the cell symmetrically relative to its middle, with two other risers located symmetrically in the input the end of the cell, with two cathode busbars located on each longitudinal side of the cell, and often the cathode rods of the electrolyzer located on the inlet side are connected to the first cathode busbars, part of the cathode rods located on the side of the outlet end are connected to the second cathode busbars, the first cathode busbars of the electrolyzer are connected to the risers located in the input end of the subsequent electrolyzer the second cathode busbars of the electrolyzer are connected to the risers located on the longitudinal sides of the subsequent electrolyzer, the risers located in one end of the cell, connected to the beginning of the anode bars, risers located on the longitudinal side of the cell - with the middle of the anode bars, the device is equipped with a bus to compensate for the influence of the magnetic field of the adjacent row of cells, which is located at the level of the cathode busbars on the outside of both rows of cells, the compensation bus is connected to a separate power supply system (RU, patent, 2092622, cl. C 25 C 3/16, 1995).

Недостатком данного устройства для электропитания электролизеров являются то, что оно создает несимметричное, относительно продольной оси электролизера, вертикальное (Bz) магнитное поле из-за неэффективной компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров, также неэффективным является использование системы электропитания шины для компенсации влияния соседнего ряда электролизеров. The disadvantage of this device for powering electrolytic cells is that it creates an asymmetric, relative to the longitudinal axis of the cell, vertical (Bz) magnetic field due to ineffective compensation of the influence of the magnetic field of an adjacent row of electrolyzers; it is also inefficient to use a bus power system to compensate for the influence of an adjacent row of electrolyzers .

Несимметричная компенсация влияния соседнего ряда электролизеров обусловлена следующими причинами. При протекании тока по серии против хода часовой стрелки (вид сверху) в расплаве каждого электролизера от соседнего ряда генерируется вертикальное магнитное поле (Bz), направленное вверх. Шина для компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров, расположенная с внешней стороны серии, ток в которой направлен по ходу часовой стрелки, создает в расплаве каждого электролизера поле по компоненте Bz, направленное вниз. Таким образом, обеспечивается компенсация влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров. Asymmetric compensation of the influence of the neighboring row of electrolyzers is due to the following reasons. When current flows in a series counterclockwise (top view), a vertical magnetic field (Bz) is directed upward in the melt of each cell from an adjacent row. A bus to compensate for the influence of the magnetic field of an adjacent row of electrolyzers, located on the outside of the series, the current in which is clockwise, creates a downward field in the melt of each cell in the Bz component. Thus, compensation is provided for the influence of the magnetic field of an adjacent row of electrolyzers.

Поле от проводника с током распространяется по экспоненциальной зависимости. Однако в связи с относительно большим расстоянием между рядами электролизеров поле по Bz компоненте от соседнего ряда в расплаве электролизера изменяется почти по линейному закону. Магнитное поле по Bz от компенсационной шины, расположенной близко к расплаву, распространяется по экспоненциальной зависимости. При сложении обоих полей симметричной компенсации вертикального поля, относительно продольной оси электролизера, не происходит. Если подобрать силу тока в компенсационной шине такой величины, чтобы обеспечить полную компенсацию поля в расплаве от соседнего ряда в середине по продольной оси (X) ванны, то на ближней половине ванны от соседнего ряда поле по компоненте Bz будет перекомпенсировано, а на противоположной - недокомпенсировано. В результате, вертикальное поле будет асимметричным относительно оси X, что отрицательно отразится на магнитогидродинамической (МГД) стабильности расплава и технико-экономических показателях работы электролизера. The field from the current conductor propagates exponentially. However, due to the relatively large distance between the rows of electrolyzers, the field along the Bz component from the neighboring row in the melt of the electrolyzer changes almost linearly. The magnetic field along Bz from the compensation bus located close to the melt propagates exponentially. When both fields are combined, there is no symmetric compensation of the vertical field relative to the longitudinal axis of the cell. If you select a current in the compensation bus of such a magnitude as to ensure complete compensation of the field in the melt from the adjacent row in the middle along the longitudinal axis (X) of the bath, then in the near half of the bath from the adjacent row, the field along the Bz component will be overcompensated, and on the opposite - uncompensated . As a result, the vertical field will be asymmetric about the X axis, which will negatively affect the magnetohydrodynamic (MHD) stability of the melt and the technical and economic performance of the electrolyzer.

Неэффективное использование системы электропитания шины для компенсации влияния соседнего ряда электролизеров обусловлено тем, что шина для компенсации подключена к отдельной системе электропитания и ток, проходящий по ней, выполняет только функцию компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда, не участвуя в электрохимическом процессе производства алюминия. Данное техническое решение требует дополнительных капитальных затрат на систему питания шины для компенсации влияния соседнего ряда и дополнительные расходы на ее эксплуатацию. The inefficient use of the bus power supply system to compensate for the influence of the adjacent row of electrolyzers is due to the fact that the bus for compensation is connected to a separate power supply system and the current passing through it performs only the function of compensating for the influence of the magnetic field of the neighboring row without participating in the electrochemical process of aluminum production. This technical solution requires additional capital costs for the tire power system to compensate for the influence of the neighboring row and additional costs for its operation.

Задачей настоящего изобретения является повышение технико-экономических показателей работы алюминиевых электролизеров. The objective of the present invention is to increase the technical and economic performance of aluminum electrolytic cells.

Техническим результатом является создание МГД-устройствого электролизера за счет эффективной компенсации вредного влияния соседнего ряда электролизеров и благоприятного распределения магнитного поля в расплаве. The technical result is the creation of a MHD device electrolyzer by effectively compensating for the harmful effects of the neighboring row of electrolyzers and the favorable distribution of the magnetic field in the melt.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для электропитания последовательно соединенных электролизеров, преимущественно при их двухрядном расположении в корпусе, содержащее для каждого электролизера два стояка, расположенные на продольных сторонах электролизера симметрично относительно его середины, два стояка, расположенные симметрично во входном торце электролизера, две катодные сборные шины, расположенные на каждой продольной стороне электролизера, катодные стержни, расположенные со стороны входного торца, соединены с катодными сборными шинами, соединенными со стояками, расположенными во входном торце последующего электролизера, катодные стержни, расположенные со стороны выходного торца, соединены с катодными сборными шинами, соединенными со стояками, расположенными на продольных сторонах последующего электролизера, анодные шины, соединенные своим началом со стояками, расположенными во входном торце электролизера, а серединой - со стояками, расположенными на продольной стороне электролизера, и шину для компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров, при этом шина для компенсации огибает электролизер по периметру со стороны входного торца и подключена входным концом к части катодных стержней, расположенных на противоположной от соседнего ряда электролизеров стороне, а выходным концом - к стояку, расположенному во входном торце на противоположной от соседнего ряда стороне последующего в серии электролизера. К каждому из стояков подключено одинаковое, или близкое к одинаковому, количество катодных стержней. The technical result is achieved due to the fact that the device for powering the series-connected electrolyzers, mainly when they are arranged in a two-row arrangement, contains for each electrolyzer two risers located on the longitudinal sides of the electrolyzer symmetrically relative to its middle, two risers located symmetrically in the input end of the electrolyzer, two cathode busbars located on each longitudinal side of the electrolyzer, cathode rods located on the inlet side are connected to cathode busbars connected to risers located in the input end of the subsequent electrolyzer, cathode rods located on the output end side are connected to cathode busbars connected to the risers located on the longitudinal sides of the subsequent electrolyzer, anode buses connected by their beginning with risers located in the input end of the cell, and in the middle with risers located on the longitudinal side of the cell, and a bus to compensate for the influence of magnetic field of the adjacent row of electrolyzers, with the bus for compensation enveloping the electrolyzer around the perimeter from the input end side and is connected by the input end to the part of the cathode rods located on the opposite side from the neighboring row of electrolyzers, and the output end to the riser located in the input end on the opposite side adjacent row to the side of the next in a series of electrolyzer. The same or close to the same number of cathode rods is connected to each of the risers.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для электропитания последовательно соединенных алюминиевых электролизеров. На фиг. 2 - расчетные графики вертикального магнитного поля электролизера по изобретению. In FIG. 1 shows the proposed device for powering series-connected aluminum electrolysis cells. In FIG. 2 - calculated graphs of the vertical magnetic field of the electrolyzer according to the invention.

Устройство для электропитания показано на фиг. 1 для катодного устройства одного электролизера и анодного устройства последующего в серии электролизера. Направление тока серии символически обозначено с помощью стрелки. Устройство содержит два стояка 1, расположенных на продольных сторонах электролизера, два других стояка 2, расположенных во входном торце электролизера, две катодные сборные шины 3 и 4, расположенные на каждой продольной стороне электролизера, часть катодных стержней электролизера, расположенных со стороны входного торца, соединена с первыми катодными сборными шинами 4, часть катодных стержней электролизера, расположенных со стороны выходного торца, соединена со вторыми катодными сборными шинами 3, катодные сборные шины 4 соединены со стояками 2, катодные сборные шины 3 соединены со стояками 1, стояки 2 соединены с началом анодных шин 5, стояки 1 - с серединой анодных шин 5, устройство снабжено шиной 7 для компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров, которая огибает ванну электролизера по периметру со стороны входного торца и подключена входным концом к части блюмсов 6, а выходным концом - к анодному стояку 2, расположенному во входном торце на противоположной от соседнего ряда стороне последующего в серии электролизера, к каждому из анодных стояков подключено одинаковое, или близкое к одинаковому, количество катодных стержней. Стрелкой 8 показан соседний ряд электролизеров. The power supply device is shown in FIG. 1 for the cathode device of one electrolyzer and the anode device subsequent in the series of the electrolyzer. The direction of the series current is symbolically indicated by an arrow. The device contains two risers 1 located on the longitudinal sides of the electrolyzer, two other risers 2 located at the inlet end of the electrolyzer, two cathode busbars 3 and 4 located on each longitudinal side of the electrolyzer, a part of the cathode rods of the electrolyzer located on the inlet end side is connected with the first cathode busbars 4, a part of the cathode rods of the electrolyzer located on the output end side is connected to the second cathode busbars 3, the cathode busbars 4 are connected to 2, cathode busbars 3 are connected to the risers 1, risers 2 are connected to the beginning of the anode buses 5, risers 1 to the middle of the anode buses 5, the device is equipped with a bus 7 to compensate for the influence of the magnetic field of the adjacent row of electrolyzers, which bends around the perimeter bath side of the input end and is connected by the input end to the part of the blooms 6, and the output end to the anode riser 2 located in the input end on the opposite side from the next row of the subsequent in the cell series, to each of the anode risers but the same, or close to the same, number of cathode rods. Arrow 8 shows the adjacent row of cells.

Устройство работает следующим образом. Ток с катодных стержней поступает в сборные катодные шины 3 и 4. От сборных катодных шин 4 ток передается в анодные стояки 2, а от сборных катодных шин 3 - в анодные стояки 1 последующего в серии электролизера. Ток посредством анодных стояков 2 поступает во входные торцы анодных шин 5, а посредством анодных стояков 1 - в середину анодных шин 5. В расплаве рассматриваемого электролизера от соседнего ряда ванн 8 создается вертикальное, направленное вверх магнитное поле, которое увеличивает абсолютное значение вертикального поля в отдельных областях расплава и нарушает его симметрию относительно осей ванны. Указанное воздействие магнитного поля от соседнего ряда электролизеров оказывает отрицательное влияние на магнитогидродинамическую стабильность электролизера и технико-экономические показатели его работы. С целью компенсации магнитного поля в расплаве от соседнего ряда электролизеров устройство содержит компенсационную шину 7, которая огибает ванну в рассматриваемом примере по ходу часовой стрелки и создает в расплаве вертикальное магнитное поле противоположного направления полю от соседнего ряда электролизеров. Компенсационную шину питает группа катодных стержней, подключенных к сборной катодной шине 6, количество которых определяется с помощью физического или математического моделирования для конкретной серии электролизеров. При этом учитывается сила тока серии, расстояние между соседними рядами электролизеров. Данное техническое решение может быть использовано для модернизации ошиновок действующих серий электролиза. Компенсационная шина 7 огибает ванну на 3/4 ее периметра и уменьшает количество тока, проходящего по катодной ошиновке стороны, противоположной от соседнего ряда, тем самым обеспечивается эффективная компенсация магнитного поля от соседнего ряда электролизеров. Кроме того, предложенная схема расположения анодных стояков и одинаковое количество тока в них создают условия для антисимметричной картины вертикального магнитного поля в металле, не превышающего величину в 30 Гаусс, и симметричное поперечное магнитное поле не более 60 Гаусс. The device operates as follows. Current from the cathode rods enters the cathode busbars 3 and 4. From the cathode busbars 4, current is transmitted to the anode risers 2, and from the cathode busbars 3 to the anode risers 1 of the subsequent cell series. The current through the anode risers 2 enters the input ends of the anode bars 5, and through the anode risers 1 into the middle of the anode bars 5. In the melt of the cell under consideration, a vertical upward magnetic field is created from the adjacent row of baths 8, which increases the absolute value of the vertical field in individual areas of the melt and violates its symmetry relative to the axis of the bath. The indicated effect of a magnetic field from an adjacent row of electrolyzers has a negative effect on the magnetohydrodynamic stability of the electrolyzer and technical and economic indicators of its operation. In order to compensate for the magnetic field in the melt from the neighboring row of electrolyzers, the device contains a compensation bus 7, which bends around the bath in the considered example clockwise and creates a vertical magnetic field in the melt of the opposite direction to the field from the neighboring row of electrolyzers. The compensation bus is fed by a group of cathode rods connected to the prefabricated cathode bus 6, the number of which is determined using physical or mathematical modeling for a particular series of electrolyzers. This takes into account the current strength of the series, the distance between adjacent rows of electrolyzers. This technical solution can be used to upgrade the busbars of the existing electrolysis series. The compensation bus 7 bends around the bathtub by 3/4 of its perimeter and reduces the amount of current passing through the cathode busbar of the side opposite to the neighboring row, thereby ensuring effective compensation of the magnetic field from the neighboring row of electrolyzers. In addition, the proposed arrangement of the anode risers and the same amount of current in them create the conditions for an antisymmetric picture of the vertical magnetic field in the metal, not exceeding 30 Gauss, and a symmetric transverse magnetic field of not more than 60 Gauss.

На фиг. 2 показано расчетное (с учетом влияния ферромагнитных масс) вертикальное (Bz) магнитное поле в электролизере по данному изобретению. Как видно на чертеже, предлагаемое техническое решение обеспечивает вертикальное магнитное поле с 3-разовой переменой знака направления поля на каждой стороне. Антисимметрия вертикального поля создает условия для образования 8 контуров циркуляции металла, симметричных относительно планарных осей ванны, с малыми скоростями, т. к. индукция поля по Bz не превышает 30 Гаусс. Перечисленные преимущества обеспечат магнитогидродинамическую (МГД) устойчивость электролизера для работы его с высокими технико-экономическими показателями при силе тока до 220 кА. Наличие 8 симметричных контуров циркуляции в ванне при малых скоростях позволит создать равномерное тепловое поле, тем самым обеспечить стабильность технологического режима. In FIG. 2 shows the calculated (taking into account the influence of ferromagnetic masses) vertical (Bz) magnetic field in the electrolyzer according to this invention. As can be seen in the drawing, the proposed technical solution provides a vertical magnetic field with a 3-time change of sign of the field direction on each side. The antisymmetry of the vertical field creates the conditions for the formation of 8 metal circulation circuits, symmetrical with respect to the planar axes of the bath, at low speeds, since the field induction in Bz does not exceed 30 Gauss. The listed advantages will provide magnetohydrodynamic (MHD) stability of the electrolyzer for working with high technical and economic indicators with a current strength of up to 220 kA. The presence of 8 symmetric circuits in the bath at low speeds will create a uniform thermal field, thereby ensuring the stability of the technological regime.

Claims

1. Устройство для электропитания последовательно соединенных алюминиевых электролизеров преимущественно при их двухрядном расположении в корпусе, содержащее для каждого электролизера два стояка, расположенные на продольных сторонах электролизера симметрично относительно его середины, два стояка, расположенные симметрично во входном торце электролизера, две катодные сборные шины, расположенные на каждой продольной стороне электролизера, катодные стержни, расположенные со стороны входного торца, соединены с катодными сборными шинами, соединенными со стояками, расположенными во входном торце последующего электролизера, катодные стержни, расположенные со стороны выходного торца, соединены с катодными сборными шинами, соединенными со стояками, расположенными на продольных сторонах последующего электролизера, анодные шины, соединенные своим началом со стояками, расположенными во входном торце электролизера, а серединой - со стояками, расположенными на продольной стороне электролизера, и шину для компенсации влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров, отличающееся тем, что шина для компенсации огибает электролизер по периметру со стороны входного торца и подключена входным концом к части катодных стержней, расположенных на противоположной от соседнего ряда электролизеров стороне, а выходным концом - к стояку, расположенному во входном торце на противоположной от соседнего ряда стороне последующего в серии электролизера. 1. A device for powering series-connected aluminum electrolyzers mainly in a two-row arrangement in the housing, containing for each electrolyzer two risers located on the longitudinal sides of the electrolyzer symmetrically relative to its middle, two risers symmetrically located in the input end of the electrolyzer, two cathode busbars located on each longitudinal side of the cell, cathode rods located on the inlet end side are connected to cathode busbars and connected to the risers located in the input end of the subsequent electrolyzer, the cathode rods located on the output end side are connected to the cathode busbars connected to the risers located on the longitudinal sides of the subsequent electrolyzer, the anode buses connected at their beginning to the risers located in the input end of the cell, and in the middle with risers located on the longitudinal side of the cell, and a bus to compensate for the influence of the magnetic field of the adjacent row of cells, from characterized in that the compensation bus goes around the cell around the perimeter from the input end side and is connected by the input end to the part of the cathode rods located on the side opposite from the neighboring row of electrolyzers, and the output end to the riser located in the input end on the side opposite from the neighboring row subsequent in a series of electrolyzer.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что к каждому из стояков подключено одинаковое или близкое к одинаковому количество катодных стержней. 2. The device according to claim 1, characterized in that the same or close to the same number of cathode rods are connected to each of the risers.