RU2505626C1

RU2505626C1 - Bus arrangement of electrolysis cell for producing aluminium

Info

Publication number: RU2505626C1
Application number: RU2012145698/02A
Authority: RU
Inventors: Виталий Валерьевич Пингин; Виталий Владимирович Платонов; Евгений Юрьевич Радионов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр"
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-01-27

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: bus arrangement comprises a partitioned cathode bus bar and an anode bus bar, wherein the anode bus bar has three stand pipes - blind input, front input and front output - with the possibility of distributing current fed to the electrolysis cell on the stand pipes, and is provided with jumpers on the anode bus bars at the input and output, characterised by that a second bus for the anode stand pipe is placed in parallel to the input stand pipe on the blind side of the previous electrolysis cell, said second bus being connected at the top to the input end of the anode bus of the previous electrolysis cell, and connected at the bottom to the cathode bus of the blind side of the previous electrolysis cell with a group of cathode rods closest to the output end and carrying 7-11% of the current load fed to the electrolysis cell.

EFFECT: invention enables to form a more uniform electric field in a melt which, coupled with good magnetic field properties, creates an optimum field of Lorentz forces and as a result high margin of magnetohydrodynamic stability and good cost/performance ratio of the electrolysis cell.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия в электролизерах с любым подводом тока, размещенных в корпусе продольно в два ряда и соединенных друг с другом в последовательную электрическую цепь.The invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the electrolytic production of aluminum in electrolyzers with any current supply, 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 electrolysers are connected by a system of conductive buses, one of the main requirements for which is to ensure that the melt has an optimal magnetic field that has a minimal negative effect on the process.

Известна ошиновка алюминиевых электролизеров при их продольном расположении в корпусе, которая обеспечивает двусторонний подвод тока к аноду, а катодные шины с каждой стороны электролизера разделены на два пакета, обеспечивающие следующее распределение тока по стоякам: на стороне электролизера, обращенной к соседнему ряду электролизеров, 33% общего тока подается на ближний по ходу тока анодный стояк и 17% - на дальний; на противоположной стороне электролизера 40% тока подается на ближний и 10% - на дальний анодный стояк. Пакеты шин, по обеим сторонам электролизера, расположены горизонтально, но на разной высоте (СССР, авторское свидетельство, SU 356312, кл. C25C 3/16, 1974)The busbar of aluminum electrolyzers is known for their longitudinal arrangement in the housing, which provides two-way supply of current to the anode, and the cathode buses on each side of the electrolyzer are divided into two packages, which provide the following current distribution along the risers: on the side of the electrolyzer facing the adjacent row of electrolyzers, 33% total current is supplied to the anode riser near the current and 17% to the far; on the opposite side of the cell, 40% of the current is supplied to the near and 10% to the far anode riser. Tire packages, on both sides of the electrolyzer, are located horizontally, but at different heights (USSR, copyright certificate, SU 356312, class C25C 3/16, 1974)

Расчеты и практика эксплуатации электролизеров с указанной ошиновкой показали, что она имеет несимметричное, большое, по абсолютной величине, вертикальное и поперечное (Bz, By) магнитное поле в расплаве. Из-за плохо скомпенсированного поля от соседнего ряда электролизеров. В результате, возникают не симметричные контуры циркуляции металла и необходимость работы с высоким уровнем металла для обеспечения приемлемой магнитогидродинамической (МГД) устойчивости электролизера и технико-экономических показателей (ТЭП) работы. Кроме того, несимметричная картина циркуляционных потоков расплава с высокими скоростями не способствуют образованию устойчивых настылей и гарнисажа, что приводит к прорывам расплава через бортовую футеровку, преждевременному выходу из строя электролизеров.Calculations and the practice of operating electrolytic cells with the indicated busbar showed that it has an asymmetric, large, in absolute value, vertical and transverse (Bz, By) magnetic field in the melt. Due to a poorly compensated field from an adjacent row of cells. As a result, non-symmetrical metal circulation circuits arise and the need to work with a high level of metal to ensure acceptable magnetohydrodynamic (MHD) stability of the electrolyzer and technical and economic performance indicators (TEC). In addition, the asymmetric pattern of circulating melt flows at high speeds does not contribute to the formation of stable overlays and skulls, which leads to breakthroughs of the melt through the side lining, and premature failure of the electrolytic cells.

Известна так же ошиновка электролизера для получения алюминия, в которой для компенсации магнитного поля соседнего ряда электролизеров и уменьшения вредного влияния поля на технологический процесс пакеты катодных шин расположены под углом к горизонтальной плоскости, причем пакет катодных шин правого (по ходу тока в серии) борта установлен под углом 6-16°, а левого - под углом 2-12° (СССР, авторское свидетельство, SU 963321, кл. C25C 3/16, 1980).The busbar of an electrolytic cell for producing aluminum is also known, in which, to compensate for the magnetic field of an adjacent row of electrolyzers and to reduce the harmful effect of the field on the technological process, the cathode bus packets are positioned at an angle to the horizontal plane, and the cathode bus packet of the starboard side (along the current in the series) is at an angle of 6-16 °, and the left at an angle of 2-12 ° (USSR, copyright certificate, SU 963321, class C25C 3/16, 1980).

Недостатками указанного технического решения является разные углы наклона пакетов катодных шин, расположенных вдоль продольных сторон электролизера. Наклонные пакеты катодных шин влияют на вертикальную (Bz) и поперечную (By) компоненту магнитного поля в расплаве электролизера. Несмотря на то, что в результате применения указанных в изобретении технических решений улучшается качество компенсации влияния соседнего ряда электролизеров, одновременно с этим ухудшается симметрия поперечного (By) магнитного поля относительно продольной (X) оси электролизера из-за разного удаления катодных шин от расплава. Симметрия магнитного поля по поперечной (By) компоненте в расплаве электролизера относительно оси X является одним из условий обеспечения стабильной его работы (Light Metals, 1992, Principles of MHD design of aluminum electrolysis cells, Vinko Potocnik, c.1191).The disadvantages of this technical solution is the different angles of inclination of the packages of cathode buses located along the longitudinal sides of the cell. Inclined cathode busbar packages affect the vertical (Bz) and transverse (By) components of the magnetic field in the melt of the cell. Despite the fact that as a result of applying the technical solutions indicated in the invention, the quality of compensation of the influence of the adjacent row of electrolyzers is improved, at the same time, the symmetry of the transverse (By) magnetic field relative to the longitudinal (X) axis of the electrolyzer is due to different removal of the cathode buses from the melt. The symmetry of the magnetic field along the transverse (By) component in the melt of the electrolyzer relative to the X axis is one of the conditions for ensuring its stable operation (Light Metals, 1992, Principles of MHD design of aluminum electrolysis cells, Vinko Potocnik, c. 1191).

Наиболее близкой по достигаемому эффекту к предлагаемому в настоящей заявке техническому решению является ошиновка алюминиевых электролизеров, при двухрядном продольном расположении в корпусе электролиза, содержащая, катодные сборные, катодные и анодные шины, соединенные тремя анодными стояками в последовательную электрическую цепь, при этом 9-11% блюмсов правой стороны предыдущего по ходу тока в серии электролизера подключено к левому входному стояку последующего электролизера посредством катодной шины установленной поперек электролизера ниже его днища, анодные шины имеют уравнительные перемычки, соединяющие их торцы (патент RU2259427, кл. C25C 3/16, 2003). Эта ошиновка выбрана за прототип.The closest to the achieved effect to the technical solution proposed in this application is the busbar of aluminum electrolytic cells, with a two-row longitudinal arrangement in the electrolysis body, containing cathodic precast, cathodic and anode buses connected by three anode risers into a serial electric circuit, with 9-11% blooms of the right side of the previous current in the series of the cell is connected to the left input riser of the subsequent cell through a cathode bus mounted across the electric oliser below its bottom, the anode tires have equalizing jumpers connecting their ends (patent RU2259427, CL C25C 3/16, 2003). This bus is selected for the prototype.

Недостатком технических решений заложенных в настоящем патенте является то, что ошиновка не в состоянии обеспечить относительно симметричное магнитное поле из-за отрицательного влияния на вертикальное (Bz) магнитное поле в металле катодной шины, передающей 9-11% тока от блюмсов с правой стороны предыдущего электролизера в левый входной стояк последующего электролизера. Указанная шина расположена между торцами соседних электролизеров ниже отметки днища и своим магнитным полем влияет на вертикальную (Bz) компоненту поля в расплаве торцов предыдущего и последующего электролизера. Так как ток в шине направлен справа - налево, то вертикальное поле от нее складывается с подобным полем в расплаве правых торцов соседних электролизеров и вычитается - в расплаве левых торцов соседних электролизеров. В результате ухудшается антисимметрия поля по вертикальной (Bz) компоненте («пропеллерный» характер), что отрицательно отражается на МГД устойчивости и ТЭП электролизера. Кроме того, как следует из описания к патенту, в результате подключения к левому входному стояку 9-11% тока серии с правой стороны катодных стержней предыдущего электролизера, силу тока в нем практически не меняется и остается, примерно, постоянной. Постоянство силы тока в стояке возможно только за счет снижения тока в 3-х сборных катодных шинах в сумме на 9-11%, подключенных к этому же стояку и расположенных на левой стороне электролизера. Ток в этих шинах, как и ток в обводной шине обеспечивают компенсацию влияния магнитного поля соседнего ряда электролизеров. Таким образом, качество симметрии поля должно ухудшиться, что так же отрицательно отразится на МГД устойчивости электролизера.The disadvantage of the technical solutions incorporated in this patent is that the busbar is not able to provide a relatively symmetrical magnetic field due to the negative effect on the vertical (Bz) magnetic field in the metal of the cathode bus, transmitting 9-11% of the current from the blooms on the right side of the previous electrolyzer in the left entrance riser of the subsequent electrolyzer. The specified bus is located between the ends of adjacent electrolyzers below the bottom mark and its magnetic field affects the vertical (Bz) component of the field in the melt of the ends of the previous and subsequent electrolyzer. Since the current in the bus is directed from right to left, the vertical field from it is added with a similar field in the melt of the right ends of neighboring electrolyzers and is subtracted in the melt of the left ends of neighboring electrolyzers. As a result, the field antisymmetry worsens along the vertical (Bz) component (“propeller” character), which negatively affects the MHD stability and TEC of the electrolyzer. In addition, as follows from the description of the patent, as a result of connecting to the left input riser 9-11% of the series current on the right side of the cathode rods of the previous electrolyzer, the current strength in it practically does not change and remains approximately constant. The constancy of the current in the riser is possible only by reducing the current in 3 precast cathode buses in the amount of 9-11%, connected to the same riser and located on the left side of the cell. The current in these buses, as well as the current in the bypass bus, provide compensation for the influence of the magnetic field of the adjacent row of electrolyzers. Thus, the quality of the field symmetry should deteriorate, which will also negatively affect the MHD stability of the electrolyzer.

Задача заявляемого изобретения заключается в создании в расплаве магнитного и электрического полей, способствующих высокой МГД стабильности и ТЭП работы электролизеров, а именно: магнитного поля по компоненте Bz - антисимметричного относительно осей X и Y (пропеллерного типа); по компоненте By - антисимметричного относительно оси Y и симметричного относительно оси X, высокая степень равномерности распределения тока по катодным стержням.The objective of the invention is to create a magnetic and electric fields in the melt that contribute to high MHD stability and TEC of the electrolytic cells, namely: a magnetic field along the Bz component - antisymmetric with respect to the X and Y axes (propeller type); in the By component, which is antisymmetric with respect to the Y axis and symmetric with respect to the X axis, a high degree of uniformity of the current distribution over the cathode rods.

Техническим результатом является создание четырех симметричных контуров циркуляции с малой скоростью движения расплавленного металла.The technical result is the creation of four symmetric circuits with a low speed of movement of the molten metal.

Технический результат достигается тем, что в ошиновке электролизера для получения алюминия с двухсторонним подводом тока к аноду при двухрядном, продольном расположении электролизеров в корпусе, содержащей, секционированную катодную ошиновку и анодную ошиновку, при этом, анодная ошиновка выполнена трехстоячной с возможностью распределения тока по стоякам, % от тока, подаваемого на электролизер: глухой входной 46-54, лицевой входной 32-36, лицевой выходной 23-27 и снабжена перемычками по анодным шинам на входе и выходе. Параллельно входному стояку на глухой стороне установлена вторая шина анодного стояка, которая в верхней части подключена к входному концу анодной шины последующего электролизера, а в нижней части к ней подключена катодная шина глухой стороны предыдущего электролизера с группой катодных стержней, ближайших к выходному торцу и подводящих 7-11% токовой нагрузки, подаваемой на электролизер.The technical result is achieved by the fact that in the busbar of the electrolytic cell for producing aluminum with two-sided supply of current to the anode with a two-row, longitudinal arrangement of the cells in the casing, containing a sectioned cathodic busbar and anode busbar, the anode busbar is made three-way with the possibility of current distribution among the risers, % of the current supplied to the electrolyzer: blind input 46-54, front input 32-36, front output 23-27 and is equipped with jumpers on the anode buses at the input and output. In parallel with the input riser, on the deaf side, a second anode riser bus is installed, which is connected in the upper part to the input end of the anode bus of the subsequent electrolyzer, and the cathode bus of the deaf side of the previous electrolyzer with a group of cathode rods closest to the output end and leading 7 is connected to it in the lower part -11% of the current load supplied to the cell.

Заявленное изобретение дополняют зависимые пункты, способствующие улучшению указанного технического результата.The claimed invention is supplemented by dependent items that contribute to the improvement of the specified technical result.

Перемычки анодных шин могут быть расположены между входными и выходными торцами анодных шин, в местах подключения к анодным стоякам.Jumpers of the anode busbars can be located between the input and output ends of the anode busbars, at the points of connection to the anode risers.

Катодная ошиновка на лицевой стороне электролизера может быть расположена в плоскости расплава.The cathode bus on the front side of the cell may be located in the plane of the melt.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the proposed solution and the characteristics of the analogue and prototype indicates that the solution meets the criterion of "novelty."

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.The invention is illustrated graphic material.

На фиг.1 показана схема предполагаемой ошиновки, на фиг.2 -рассчитанное поле векторов циркуляции металла с ошиновкой по заявке, на фиг.3 - рассчитанное поле векторов циркуляции металла с ошиновкой прототипом.In Fig.1 shows a diagram of the proposed busbar, Fig.2 is a calculated field of metal circulation vectors with a busbar according to the application, Fig.3 is a calculated field of metal circulation vectors with a busbar prototype.

Ошиновка электролизера предыдущего 1 и последующего 2 электролизера состоит из сборных катодных шин 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, катодных шин 10, 11, 12, 13, 14, 15, обводной катодной шины 16, анодных шин 21, 22, анодных стояков 17, 18, 19, 20, уравнительных перемычек 23, 24.The busbar of the electrolyzer of the previous 1 and subsequent 2 electrolysers consists of precast cathode buses 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, cathode buses 10, 11, 12, 13, 14, 15, bypass cathode bus 16, anode buses 21, 22, anode risers 17, 18, 19, 20, equalization jumpers 23, 24.

Ошиновка работает следующим образом.The bus operates as follows.

Ток от сборных катодных шин 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, электролизера 1, передается посредством катодных шин 10, 11, 12, 13, 14, 15, и обводной катодной шины 16, в анодные стояки 17, 18, 19, 20, последующего электролизера 2, которые питают током анодные шины 21, 22, в которых ток частично выравнивается с помощью перемычек 23, 24. Анодные стояки 19 и 20, это по сути один комплексный стояк, у которого две его верхние части подключены в одной точке к торцу анодной шины 22, а в нижней части, к стояку 20 подключено 7-13% тока с глухой стороны, а к стояку 19 - остальная часть тока глухой стороны предыдущего электролизера. В верхней части эти два стояка сварены с торцом анодной ошиновки последующего электролизера в единый монолитный узел. Ток в сборных катодных шинах 3, 4, 5 и катодных шинах 10, 11 на лицевой стороне электролизера, обводная катодная шина 16, а так же отсутствие катодной шины, подводящий ток к дальнему, стояку на глухой стороне последующего электролизера в комплексе обеспечивают хорошую компенсацию влияния магнитного поля от соседнего ряда электролизеров.The current from the cathode busbars 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, electrolyzer 1, is transmitted through the cathode buses 10, 11, 12, 13, 14, 15, and the bypass cathode bus 16, to the anode risers 17, 18 , 19, 20, of the subsequent electrolyzer 2, which supply current to the anode busbars 21, 22, in which the current is partially aligned with jumpers 23, 24. Anode risers 19 and 20, this is essentially one complex riser, in which its two upper parts are connected at one point to the end of the anode bus 22, and in the lower part, to the riser 20, 7-13% of the current from the deaf side is connected, and to the riser 19 - the rest of the current of the deaf side before duschego cell. In the upper part, these two risers are welded to the end of the anode busbar of the subsequent electrolyzer in a single monolithic unit. The current in the prefabricated cathode buses 3, 4, 5 and cathode buses 10, 11 on the front side of the electrolyzer, the bypass cathode bus 16, as well as the absence of the cathode bus, supplying current to the far, riser on the blank side of the subsequent electrolyzer in the complex provide good compensation for the influence magnetic field from an adjacent row of electrolyzers.

Симметрию поля также заметно улучшают перемычки в торцах анодных шин, а точнее - уравнительные шины, которые приварены в местах подключения анодных стояков 17, 18, 19 к анодным шинам 21, 22.The field symmetry is also noticeably improved by jumpers at the ends of the anode tires, or rather equalizing buses, which are welded at the points of connection of the anode risers 17, 18, 19 to the anode tires 21, 22.

С помощью анодного стояка 20 становится возможным равномерно распределить ток по катодным стержням электролизера, тем самым создать более равномерное электрическое поле в расплаве, которое, в совокупности с хорошими показателями магнитного поля создает оптимальное поле сил Лоренца, соответственно - высокий запас МГД устойчивости и хорошие ТЭП показатели работы.Using the anode riser 20, it becomes possible to evenly distribute the current across the cathode rods of the electrolyzer, thereby creating a more uniform electric field in the melt, which, together with good magnetic field performance, creates an optimal field of Lorentz forces, respectively, a high supply of MHD stability and good TEC indicators work.

Как видно на фиг.2, ошиновка по заявке обеспечивает относительно приемлемую симметрию 4-х циркуляционных потоков в металле, направленных навстречу друг другу со средней скоростью потоков 3,5 см/с, максимальной скоростью - 11,3 см/с.As can be seen in figure 2, the busbar on request provides a relatively acceptable symmetry of 4 circulating flows in the metal, directed towards each other with an average flow rate of 3.5 cm / s, and a maximum speed of 11.3 cm / s.

Настоящая картина циркуляции указывает на хорошую сбалансированность сил Лоренца в металле, обусловленную оптимальным магнитным и электрическим полями в расплаве, что способствует равномерному распределению теплового поля в рабочей зоне электролизера, образованию устойчивых и симметричных защитных настылей и гарниссажа, отсутствию застойных зон, где могут скапливаться осадки и образовываться коржи.The present circulation pattern indicates a good balance of Lorentz forces in the metal, due to the optimal magnetic and electric fields in the melt, which contributes to the uniform distribution of the thermal field in the working area of the electrolyzer, the formation of stable and symmetrical protective coverings and the skull, the absence of stagnant zones where precipitation and cakes are formed.

У электролизера с ошиновкой по прототипу (фиг.3) симметрия циркуляционных потоков заметно хуже, контуры циркуляции металла, по сравнению с заявляемым изобретением, определены нечетко. Скорость потоков металла выше и составляет 4,6 см/с, максимальная скорость- 14,8 см/с.In an electrolytic cell with a busbar according to the prototype (Fig. 3), the symmetry of the circulation flows is noticeably worse, the metal circulation circuits, in comparison with the claimed invention, are not clearly defined. The flow rate of the metal is higher and is 4.6 cm / s, the maximum speed is 14.8 cm / s.

Claims

1. The electrolytic cell busbar for producing aluminum with two-sided current supply to the anode with a two-row longitudinal arrangement of electrolyzers in the housing, containing a sectioned cathodic busbar and anode busbar, while the anodic busbar is made with three risers - with a blind inlet, front inlet and front outlet, with the possibility distribution along the risers of the current supplied to the electrolyzer, and is equipped with jumpers on the anode buses at the input and output, characterized in that parallel to the input riser on the blank side of the previous a second busbar of the anode riser is installed, which is connected in the upper part to the input end of the anode bus of the subsequent electrolyzer, and in the lower part is connected to the cathode bus of the blank side of the previous cell with a group of cathode rods closest to the output end and supplying 7-11% of the current load fed to the electrolyzer.

2. Busbar according to claim 1, characterized in that the jumpers of the anode busbars are located between the input and output ends of the anode studs at the points of connection to the anode risers.

3. The busbar according to claim 1, characterized in that the cathode busbar on the front side of the cell is located in the plane of the melt.