Устройство для электрического соединения между двумя последовательными электролизерами серии электролизеров для получения алюминия

Устройство для электрического соединения между двумя последовательными электролизерами серии электролизеров для получения алюминия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к устройству для электрического соединения между двумя последовательными электролизерами (N-1, N) серии электролизеров для получения алюминия по способу Холла-Эру. Изобретение относится также к способу шунтирования электролизера (N), принадлежащего такой серии электролизеров, посредством упомянутого устройства для электрического соединения.

Металлический алюминий производится промышленным способом электролиза глинозема в растворе в ванне электролита, в основном образованной криолитом, по способу Холла-Эру. Ванна электролита содержится в электролизной ванне электролизера, имеющей стальной кожух, покрытый изнутри огнеупорными и/или изолирующими материалами, на дне которой расположено катодное устройство.

Аноды, обычно из углеродистого материала, частично погружены в ванну электролита. Каждый анод снабжен металлической штангой, предназначенной для электрического и механического подсоединения к анодной раме, подвижной относительно портальной опоры, закрепленной над электролизной ванной.

Завод по производству алюминия содержит большое число электролизеров, обычно одну или несколько сотен, выровненных по оси. Устройство для электрического соединения, включающее в себя систему электрических проводников (ошиновку), последовательно соединяет катодное устройство электролизера (N-1) с анодной рамой электролизера (N), расположенного непосредственно за ним в направлении протекания тока. Концы проводников на входе и на выходе серии электролизеров соединены с положительными и отрицательными выводами электрической подстанции выпрямления и регулирования.

Сила тока, проходящего через последовательные электролизеры, является очень высокой и обычно составляет порядка 200000-500000 А. Вследствие этого система электрических проводников спроектирована таким образом, чтобы эффекты создаваемых значительных магнитных полей компенсировались с тем, чтобы уменьшить проблемы, вызванные магнитными полями (деформация верхней поверхности жидкого металла в электролизной ванне, нестабильности и т.д.).

Вследствие износа, вызванного работой электролизера (N), электролизная ванна должна периодически ремонтироваться или заменяться. Для того чтобы другие электролизеры серии могли продолжать работать, рассматриваемый электролизер (N) шунтируют с тем, чтобы ток мог проходить непосредственно от электролизера (N-1) к электролизеру (N+1) на время замены электролизной ванны электролизера (N).

Для этого известно размещение шунтирующих клиньев между первым проводником, связанным с катодным устройством электролизера (N-1), и вторым проводником, связанным с катодным устройством электролизера (N). Вследствие этого ток протекает от катодного устройства электролизера (N-1) к катодному устройству электролизера (N), без прохождения по анодной раме электролизера (N), и затем направляется к анодной раме электролизера (N+1).

Из-за большой силы тока, протекающего в проводниках, обычно необходимо использовать по меньшей мере два параллельных клина, чтобы каждый из клиньев проводил только часть общего тока, протекающего в проводниках.

Встречающейся при этом проблемой является то, что компоновка проводников (ошиновка) ограничена по соображениям компенсации магнитных полей, как указано выше, а также занимаемого пространства.

Таким образом, обычно имеется ошиновка, в которой:

- первый проводник имеет расположенную между упомянутыми ваннами (N-1) и (N) часть, в которой ток протекает в направлении оси выравнивания ванн;

- второй проводник имеет расположенную между ваннами (N-1) и (N) часть, в которой ток протекает, удаляясь от оси выравнивания ванн;

причем упомянутые части первого и второго проводников являются, по существу, параллельными между собой.

Для осуществления шунтирования электролизера (N) между упомянутыми частями первого и второго проводников размещают первый клин и второй клин, причем последний расположен ближе к оси выравнивания электролизеров. Тем самым создают два пути протекания тока от первого проводника ко второму проводнику, а именно первый путь через первый клин и второй путь через второй клин. Вследствие этого направления протекания тока противоположны в первом и втором проводниках, причем оба пути имеют различные длины. Точнее говоря, второй путь является более длинным, чем первый, и поэтому имеет большее электрическое сопротивление (при идентичности компонентов, то есть клиньев и проводников).

Отсюда следует значительная неравномерность между силами токов, проходящих по клиньям. Например, первый клин может пропускать до 70% общего тока, а второй клин - только 30%. Это нежелательно. Действительно, с одной стороны, первый клин может быть преждевременно поврежден. С другой стороны, дисбаланс токов может привести к ограничению тока в первом клине и к недоиспользованию возможности пропускания тока во втором клине, что, следовательно, ограничивает общую силу тока узла шунтирования.

Настоящее изобретение направлено на устранение упомянутых выше недостатков, предлагая устройство для электрического соединения между двумя последовательными электролизерами, которое позволяет сделать лучшим электрический баланс при шунтировании электролизера, без создания заметного магнитного дисбаланса и с учетом жестких ограничений по занимаемому пространству.

Для этой цели изобретением предложено устройство для электрического соединения между двумя последовательными электролизерами (N-1, N) серии электролизеров для получения алюминия по способу Холла-Эру, причем электролизеры выровнены по оси, каждый электролизер включает в себя электролизную ванну, содержащую катодное устройство, и анодную раму, несущую аноды, устройство для электрического соединения включает в себя систему электрических проводников, соединяющих последовательно катодное устройство электролизера (N-1) с анодной рамой расположенного непосредственно за ним электролизера (N), причем система электрических проводников содержит по меньшей мере:

- первый проводник, соединенный с катодным устройством электролизера (N-1) и с анодной рамой электролизера (N), причем упомянутый первый проводник имеет расположенную между упомянутыми ваннами (N-1) и (N) часть, в которой ток протекает в направлении оси выравнивания ванн;

- второй проводник, соединенный с катодным устройством электролизера (N) и с анодной рамой расположенного непосредственно за ним электролизера (N+1), причем упомянутый второй проводник имеет расположенную между ваннами (N-1) и (N) часть, в которой ток протекает, удаляясь от оси выравнивания ванн, при этом упомянутые части первого и второго проводников являются, по существу, параллельными между собой;

- по меньшей мере два посадочных места для приема шунтирующего клина.

В соответствии с общим определением изобретения система проводников дополнительно содержит третий проводник для уравновешивания тока, который простирается, по существу, параллельно упомянутым частям, причем третий проводник электрически соединен с упомянутой частью первого проводника или второго проводника, а два посадочных места для приема клина размещены между упомянутым третьим проводником и упомянутой частью второго проводника или соответственно первого проводника.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения упомянутые по меньшей мере два посадочных места для приема шунтирующего клина размещены между упомянутыми частями первого и второго проводников, и третий проводник для уравновешивания тока расположен между упомянутыми частями первого и второго проводников.

Третий проводник преимущественно размещен таким образом, что, когда шунтирующие клинья вставлены в посадочные места, протекающий в упомянутом третьем проводнике ток протекает в направлении, противоположном направлению протекания тока в упомянутой части первого проводника или соответственно второго проводника, с которым соединен третий проводник.

Таким образом, благодаря изобретению, когда шунтируют электролизер (N), получают посредством клиньев электрическое соединение между двумя параллельными проводниками, в которых ток протекает в одном и том же направлении, а именно третьим проводником и упомянутой частью второго проводника или соответственно третьим проводником и упомянутой частью первого проводника.

Таким образом, создают два пути протекания тока, которые имеют, по существу, одинаковую длину и которые обладают по существу идентичными компонентами. Эти два пути имеют, по существу, одинаковое сопротивление, следствием чего является равновесие тока между двумя клиньями.

Обычно первый проводник является проводником, огибающим электролизер (N-1), и/или второй проводник является проводником, огибающим электролизер (N).

Устройство соединения может также включать в себя изолирующий элемент, расположенный между третьим проводником и упомянутой частью первого проводника или соответственно второго проводника, с которым соединен третий проводник. Этот изолирующий элемент позволяет исключить деформации проводников, которые могли бы привести к нежелательным коротким замыканиям.

В соответствии с возможным вариантом реализации ванны электролизеров являются, по существу, прямоугольными и размещены перпендикулярно оси выравнивания электролизеров, при этом упомянутые части первого и второго проводников простираются, по существу, параллельно большим сторонам ванн.

Предпочтительно по меньшей мере одно посадочное место для приема шунтирующего клина может иметь наклонную поверхность, видимую в плоскости, ортогональной направлению, в котором простираются упомянутые части первого и второго проводников, так чтобы посадочное место имело сужающуюся форму в направлении введения клина.

Устройство соединения может включать в себя в каждом полупространстве, отделенном вертикальной плоскостью, проходящей по оси выравнивания электролизеров, набор из двух посадочных мест для приема клина, находящихся вблизи бокового борта ванны, и дополнительное посадочное место для приема по меньшей мере одного клина, находящееся между упомянутым набором из двух посадочных мест и осью выравнивания электролизеров.

На практике ток шунтируется набором из двух клиньев. Эти клинья, называемые эквипотенциальными, расположенные наиболее близко к оси выравнивания, принципиально выполняют функцию уравновешивания тока.

В соответствии со вторым аспектом изобретением предложен способ шунтирования электролизера (N), принадлежащего серии электролизеров для получения алюминия по способу Холла-Эру, посредством описанного выше устройства для электрического соединения, при котором вводят первый и второй клинья в посадочные места для приема шунтирующего клина, расположенные между упомянутым третьим проводником и упомянутой частью второго проводника или соответственно первого проводника.

В дальнейшем описаны в качестве неограничительных примеров несколько возможных вариантов реализации изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фигура 1 схематично изображает в разрезе серию последовательных электролизеров (N-1), (N), (N+1), электрически подключенных последовательно;

фигура 2 изображает частичный вид сверху электролизеров (N-1) и (N) на фигуре 1, упрощенно изображающий систему проводников между электролизерами и показывающий расположение шунтирующих клиньев согласно уровню техники;

фигура 3 схематично изображает часть системы электрических проводников, расположенную вблизи двух клиньев, согласно уровню техники;

фигура 4 схематично изображает часть системы электрических проводников, расположенную вблизи двух клиньев, согласно первому варианту реализации изобретения;

фигура 5 схематично изображает часть системы электрических проводников, расположенную вблизи двух клиньев, согласно второму варианту реализации изобретения;

фигура 6 изображает вид в разрезе проводников, перпендикулярном им, в зоне посадочного места для приема клина.

Как показано на фигурах 1 и 2, электролизер 100 содержит электролизную ванну 1 в целом прямоугольной формы, имеющую две малые стороны и две большие стороны. Осью (х) обозначают ось, параллельную малым сторонам и проходящую, по существу, посредине ванны 1, а направлением (y) - горизонтальное направление, перпендикулярное (х).

Электролизная ванна 1 обычно включает в себя металлический кожух 2, футерованный изнутри огнеупорными материалами (не изображенными на чертеже), и катодные устройства, которые ориентированы, по существу, параллельно (х) и каждое из которых содержит катод 3 из углеродистого материала, соединенный с токопроводящим стержнем 4.

Электролизер 100 также включает в себя анодное устройство, содержащее анодную раму 5, ориентированную по (у) и расположенную по высоте над ванной 1. На анодной раме 5 закреплены штанги 7, каждая из которых снабжена анододержателем 8, прикрепленным к аноду 6 из углеродистого материала.

При работе ванна 1 содержит слой жидкого алюминия, слой жидкого электролита и покрытие на основе твердого электролита и глинозема.

Многочисленные электролизеры 100 выровнены последовательно по оси (х), как видно на фигурах 1 и 2, при этом малые стороны ванн образуют, по существу, две параллельные прямые линии. На фигуре 1 изображены три последовательных электролизера (N-1), (N), (N+1), тогда как на фигуре 2 изображены два последовательных электролизера (N-1), (N).

Электролизеры 100 электрически подключены последовательно. Для этого предусмотрена система проводников, последовательно соединяющих катодное устройство входного электролизера с анодной рамой расположенного непосредственно за ним выходного электролизера. Термины «входной» и «выходной» заданы в направлении протекания тока, которое также является направлением оси (х). Ток, проходящий по серии электролизеров, обладает очень большой силой I, обычно порядка 200000-500000 А.

Система проводников выполнена таким образом, что возникающее магнитное поле, при рассматриваемых силах тока, совместимо со стабильной работой ванны.

Вкратце, для некоего данного электролизера 100 система проводников содержит:

- входной катодный коллектор 9, соединенный с некоторыми из токопроводящих стержней 4 и с проводниками 10, проходящими под ванной 1;

- другой входной катодный коллектор 11, соединенный с другими токопроводящими стержнями 4 и продолженный проводником, огибающим ванну 1 этого электролизера (N-1);

- по меньшей мере один выходной катодный коллектор 12, соединенный с, по меньшей мере, некоторыми из токопроводящих стержней 4.

Электрическое соединение между катодными коллекторами 9, 11, 12 ванны (N-1) и анодной рамой ванны (N) обеспечивается стояками, в данном случае в количестве четырех. Некоторые стояки могут быть сдвоены и содержать первую ветвь 13а, непосредственно соединенную с выходным катодным коллектором 12, и вторую ветвь 13b, соединенную с входным катодным коллектором 9, 11 проводником 10, проходящим под ванной 1, или проводником, огибающим ванну 1 (см. фигуру 2).

Каждый проводник может содержать жесткую часть 14 в виде металлического стержня, обычно алюминиевого стержня, и гибкую часть 15, позволяющую, в частности, выполнить изогнутые части.

Следует отметить, что для упрощения чертежей и облегчения понимания изобретения огибающие проводники не изображены на фигуре 1. Кроме того, на фигуре 2 система проводников электролизера (N) изображена только частично в том, то касается связей катодных устройств.

Как видно на фигуре 2, некий данный электролизер содержит огибающий проводник, проходящий вокруг каждой из малых сторон ванны 1, расположенных, по существу, симметрично относительно оси (х). Через этот огибающий проводник протекает большая часть, обычно от 70 до 95%, силы тока, выходящего из катодного устройства электролизера (N-1), когда электролизер (N) шунтирован.

Таким образом, каждый огибающий проводник и, в частности, проводник 16, огибающий электролизер (N-1), содержит:

- входную часть 17, по существу, параллельную (у), которая расположена между электролизером (N-2) и электролизером (N-1) и в которой ток течет, удаляясь от оси (х);

- часть 18, по существу, параллельную (х) и следующую вдоль малой стороны электролизера (N-1), в которой ток течет вдоль направления оси (х);

- и выходную часть 19, по существу, параллельную (у), которая расположена между электролизером (N-1) и электролизером (N) и в которой ток течет в направлении оси (х).

Когда нужно шунтировать ванну (N), размещают несколько клиньев (блоков), обеспечивающих протекание тока непосредственно от катодного устройства электролизера (N-1) к анодному устройству электролизера (N+1). Клинья вводят в подходящие посадочные места между рассматриваемыми проводниками.

На фигуре 2 изображены с каждой стороны от оси (х):

- с одной стороны набор из двух боковых клиньев, а именно первого клина 20 и второго клина 21, более близкого к оси (х), чем первый клин 20. Эти клинья 20, 21 расположены между выходной частью 19 огибающего электролизер (N-1) проводника 16 и входной частью 23 огибающего электролизер (N) проводника 24;

- с другой стороны клин 22, называемый эквипотенциальным, расположенный ближе к оси (х), чем два клина 20, 21.

В частности, особенно интересуют наборы из двух боковых клиньев, то есть первого клина 20 и второго клина 21.

Как изображено на фигурах 2 и 3, в уровне техники клинья 20, 21 расположены непосредственно между выходной частью 19 огибающего электролизер (N-1) проводника 16 и входной частью 23 огибающего электролизер (N) проводника 24.

Таким образом, создается первый путь 25 протекания тока I от первого проводника 16 ко второму проводнику 24 через первый клин 20 (изображенный жирной линией на фигуре 3), и второй путь 26 протекания тока I от первого проводника 16 ко второму проводнику 24 через второй клин 21 (изображенный тонкой линией на фигуре 3). Как показано на фигуре 3, вследствие противоположных направлений протекания тока в частях 19 и 23 второй путь 26 имеет более значительную длину, чем первый путь 25, и, следовательно, большее электрическое сопротивление. Таким образом, сила тока, проходящего через первый клин 20, является большей, чем сила тока, проходящего через второй клин 21, что обуславливает упомянутые выше недостатки.

Первый и второй варианты реализации устройства электрического соединения по изобретению изображены соответственно на фигурах 4 и 5.

В соответствии с первым вариантом реализации, изображенным на фигуре 4, предусмотрен третий проводник 27 для уравновешивания тока I. Этот третий проводник 27 расположен между выходной частью 19 огибающего электролизер (N-1) проводника 16 и входной частью 23 огибающего электролизер (N) проводника 24 и простирается, по существу, параллельно упомянутым частям 19, 23. Этот третий проводник 27 имеет первый конец 28, электрически соединенный с выходной частью 19 огибающего электролизер (N-1) проводника 16, и второй свободный конец 29, более удаленный от оси (х), чем первый конец 28.

Таким образом, как изображено на фигуре 4, ток I в третьем проводнике 27 протекает в направлении, противоположном направлению протекания в части 19, но в том же направлении, что и в части 23.

Клинья 20, 21 установлены между третьим проводником 27 и входной частью 23 огибающего электролизер (N) проводника 24, то есть в двух параллельных проводниках, в которых ток протекает в одном и том же направлении, удаляясь от оси (х).

Таким образом, создают два пути протекания тока I от первого проводника 16 ко второму проводнику 24 - первый путь 25 через первый клин 20 и второй путь 26 через второй клин 21, - которые имеют, по существу, одинаковую длину, а значит, по существу одинаковое сопротивление, что обуславливает баланс тока между двумя клиньями.

Предпочтительно, между третьим проводником 27 и выходной частью 19 огибающего электролизер (N-1) проводника 16 расположен изолирующий элемент 30 для исключения нежелательных коротких замыканий.

Благодаря изобретению считают, что возможно получить прохождение примерно 55% тока в первом клине 20 и примерно 45% тока во втором клине 21.

Второй вариант реализации изобретения представлен на фигуре 5. Третий проводник 27 для уравновешивания тока I также расположен между выходной частью 19 огибающего электролизер (N-1) проводника 16 и входной частью 23 огибающего электролизер (N) проводника 24 и простирается, по существу, параллельно упомянутым частям 19, 23.

В этом втором варианте реализации третий проводник 27 имеет первый конец 28, электрически соединенный с входной частью 23 огибающего электролизер (N) проводника 24, и второй свободный конец 29, более удаленный от оси (х), чем первый конец 28.

Таким образом, как изображено на фигуре 5, ток I протекает в третьем проводнике 27 в направлении, противоположном направлению протекания тока в части 23, и в том же направлении, что и в части 19.

Клинья 20, 21 установлены между третьим проводником 27 и выходной частью 19 огибающего электролизер (N-1) проводника 16, то есть в двух параллельных проводниках, в которых ток протекает в одном и том же направлении - в направлении оси (х).

Благодаря этому создают два пути протекания тока I от первого проводника 16 ко второму проводнику 24 - первый путь 25 через первый клин 20 и второй путь 26 через клин 21, которые имеют, по существу, одинаковую длину, а значит,

одинаковое сопротивление, что обуславливает баланс тока между двумя клиньями.

Предпочтительно, между третьим проводником 27 и входной частью 23 огибающего электролизер (N) проводника 24 расположен изолирующий элемент 30 для исключения нежелательных коротких замыканий.

Каждый из клиньев 20, 21 расположен в посадочном месте 31, размещенном между двумя проводниками, которые он должен электрически соединять. Это посадочное место 31 образовано в пространстве, разделяющем упомянутые проводники. Например, на фигуре 6 изображены проводники по фигуре 4 в поперечном их разрезе. Как видно на этой фигуре, в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения посадочное место 31 имеет наклонную поверхность 32 для того, чтобы посадочное место 31 имело сужающуюся форму, способствующую введению клина 20.

Само собой разумеется, что изобретение не ограничено описанными выше в качестве примеров вариантами реализации, а, напротив, охватывает все варианты реализации. В частности, между ваннами могут быть предусмотрены другие наборы посадочных мест для приема шунтирующих клиньев и шунтирующие клинья, в отличие от того, что было описано со ссылкой на фигуру 2. Таким образом, узлы шунтирования могут содержать более двух посадочных мест, например три.

1. Устройство для электрического соединения двух последовательных электролизеров (N-1, N) серии электролизеров (100) для получения алюминия способом Холла-Эру, причем электролизеры выровнены по оси (х), каждый электролизер включает в себя электролизную ванну (1), содержащую катодное устройство (3, 4), и анодную раму (5), несущую аноды (6), и систему электрических проводников, последовательно соединяющих катодное устройство (3, 4) электролизера (N-1) с анодной рамой (5) расположенного непосредственно за ним электролизера (N), причем система электрических проводников содержит, по меньшей мере:- первый проводник (16), соединенный с катодным устройством электролизера (N-1) и с анодной рамой электролизера (N), причем упомянутый первый проводник (16) имеет расположенный между упомянутыми ваннами (N-1) и (N) участок (19), в котором ток (I) протекает в направлении оси (х) выравнивания ванн (1);- второй проводник (24), соединенный с катодным устройством электролизера (N) и с анодной рамой расположенного непосредственно за ним электролизера (N+1), причем упомянутый второй проводник (24) имеет расположенный между ваннами (N-1) и (N) участок (23), в котором ток (I) протекает с удалением от оси (х) выравнивания ванн (1), при этом упомянутые участки (19, 23) первого и второго проводников (16, 24) параллельны между собой;- по меньшей мере два посадочных места (31) для приема шунтирующего клина (20, 21);отличающееся тем, что система проводников дополнительно содержит третий проводник (27) для уравновешивания тока, проходящий параллельно упомянутым участкам (19, 23), и электрически соединенный с упомянутым участком первого проводника (16) или второго проводника (24), а два посадочных места (31) для приема клина (20, 21) размещены между упомянутым третьим проводником (27) и упомянутым участком второго проводника (24) или соответственно первого проводника (16).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутые по меньшей мере два посадочных места (31) для приема шунтирующего клина размещены между упомянутыми участками (19, 23) первого и второго проводников (16, 24), а третий проводник (27) для уравновешивания тока расположен между упомянутыми участками (19, 23) первого и второго проводников (16, 24).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что третий проводник размещен таким образом, что при размещении шунтирующих клиньев в посадочных местах (31) протекающий в упомянутом третьем проводнике (27) ток протекает в направлении, противоположном направлению протекания тока в упомянутом участке первого проводника (16) или соответственно второго проводника (24), с которым соединен третий проводник (27).

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первый проводник (16)огибает электролизер (N-1).

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что второй проводник (24) огибает электролизер (N).

6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно содержит изолирующий элемент (30), расположенный между третьим проводником (27) и упомянутым участком (19, 23) первого проводника (16) или соответственно второго проводника (24), с которым соединен третий проводник (27).

7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что ванны (1) электролизеров (100) выполнены прямоугольными и расположены перпендикулярно оси (х) выравнивания электролизеров, при этом упомянутые участки (19, 23) первого и второго проводников (16, 24) проходят параллельно большим сторонам ванн (1).

8. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что по меньшей мере одно посадочное место (31) для приема шунтирующего клина (20, 21) имеет наклонную поверхность (32), видимую в плоскости, ортогональной направлению (у), в котором проходят упомянутые участки (19, 23) первого и второго проводников (16, 24), с образованием сужающейся формы в направлении введения клина (20, 21).

9. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно содержит в каждом полупространстве, отделенном вертикальной плоскостью, проходящей через ось (х) выравнивания электролизеров (100), набор из двух посадочных мест для приема клина (20, 21), находящихся вблизи бокового борта ванны (1), и по меньшей мере одно дополнительное посадочное место для приема клина (22), находящееся между упомянутым набором из двух посадочных мест и осью (х) выравнивания электролизеров.

10. Способ шунтирования электролизера (N) в серии электролизеров для получения алюминия способом Холла-Эру посредством устройства для электрического соединения по любому из пп.1-9, заключающийся в том, что первый и второй клинья (20, 21) вводят в посадочные места (31) для приема шунтирующего клина, расположенные между упомянутым третьим проводником (27) и упомянутым участком (23, 19) второго проводника (24) или соответственно первого проводника (16).