Ошиновка электролизера

Важнейшей составной частью электролизера является ошинов­ка, обеспечивающая не только подвод тока к ванне, но и определяю­щая магнитное поле в расплаве.

Еще в середине 60-70 гг. прошлого века наиболее широкое применение находили шины сечением 250x29 мм. Однако с вводом в работу электролизеров ВТ для анодной ошиновки начали применять шины сечением 310x35 мм, а затем и 430x50 мм. Для катодной оши­новки практически на всех вновь вводимых корпусах катодная ошинов­ка изготавливалась из шин сечением 430x60 мм. В настоящее время, в связи с увеличением силы тока, находят применение шины значитель­но большего сечения, вплоть до 800x150 мм. Очевидно, что примене­ние шин большого сечения экономически выгоднее, как с точки зрения их изготовления, так и их монтажа.

При выборе ошиновки электролизеров следует иметь в виду следующее:

- в настоящее время материалом для шин служит алюминий, температурный коэффициент электрического сопротивления которого равен 0,004. Это означает, что при изменении температуры шин на 10 °С, его сопротивление изменяется на 4%;

- при конструировании катодной ошиновки желательно под­ключать равное количество блюмсов. Это позволит улучшить распре­деление тока по шинам и снизить потери энергии в них;

- гибкую часть ошиновки следует располагать так, чтобы она была доступна для обозрения. Так, например, на электролизерах ВТ типа С8Б и С8БМ гибкая часть ошиновки расположена между электро­лизерами и ниже уровня днища катодного кожуха. Ее недостаточная гибкость в сочетании с увеличенным подъемом анодной рамы приво­дит к тому, что ошиновка имеет возможность касаться катодного кожу­ха, шунтируя часть тока. Кроме того, установлено, что чрезмерный подъем анодной рамы приводит к надрывам в отдельных лентах гиб­кой части;

- ошиновка должна быть надежно изолирована от "земли" с целью уменьшения величины утечек тока.

Рис. 3.11. Схемы ошиновки электролизеров: а - односторонний подвод тока к аноду (продольное расположе­ние в корпусе);

б - двусторонний подвод тока к аноду (продольное расположе­ние);

в - двусторонний подвод тока к аноду (поперечное расположение)

На рис 3.11 приведены наиболее распространенные схемы ошиновки в зависимости от типа электролизера, его мощности и расположения в корпусе. Влияние магнитного поля существенно возрастает по мере повышения мощности ванн и токовой нагрузки на серию электролиза. Электролизеры малой мощности (рис. 3.11,а) в силу относительно низкой напряженности магнитного поля, не­большой плотности горизонтальных токов и ограниченного объема жидкого металла не требуют чрезмерного усложнения ошиновки. Хорошие результаты при электролизе достигаются даже при одно­стороннем отводе тока от катода и одностороннем подводе тока к анодной ошиновке. Располагаться в корпусе такие электролизеры могут продольно по два или четыре ряда, что существенно не отражается на взаимном воздействии магнитных полей.

Ошиновка электролизеров ВТ и ОА средней мощности на силу тока 160 - 200 кА представляет собой более сложную конст­рукцию (рис. 3.11, б). Для электролизеров этого типа применя­ется асимметричная двусторонняя схема ошиновки с так называе­мыми «расщепленными пакетами».

При этом с каждой продольной стороны ванны ток отводит­ся от группы блюмсов самостоятельным пакетом. Пакеты, отводя­щие ток от первой (по направлению движения тока) половины элек­тролизера, направляются к ближайшим стоякам следующего элек­тролизера, а от второй половины - к дальним стоякам. Соединение дальних стояков со второй половиной пакетов предыдущей ванны производится за счет шин, которые носят название обводных.

Таким образом, катодные шины с каждой стороны ванны оказываются разделенными («расщепленными») на два участка. «Расщепление» катодной ошиновки дает возможность более равномерно отводить ток с отдельных участков катодного устройства. Электролизеры в серии располагаются с уменьшенным рас­стоянием между торцами и увеличенным расстоянием между ряда­ми.

Для электролизеров большей мощности (более 200 кА) пе­речисленные конструктивные усовершенствования оказываются не­достаточными, и приходится использовать более сложный набор технических решений. Наиболее эффективное из них - поперечное размещение электролизеров в корпусе. Это позволяет резко снизить вклад напряженности магнитного поля от катодной ошиновки. Из­меняя число стояков, число блюмсов, соединенных с каждым стоя­ком, пропуская шины под катодом, а также меняя их уровень и при­ближая к кожуху, можно достичь сбалансированного и устойчивого магнитного поля.

Следует отметить, что при поперечном расположении элек­тролизеров наибольшее влияние на магнитное поле оказывают токи, направленные вдоль бортов по длинной стороне электролизеров. Снижение вредного воздействия этих токов достигается более тщательным секционированием катодной ошиновки, применением двухпазовых катодных блоков, а также переходом от контрфорсного к шпангоутному катодному кожуху.

Катодная ассимитричная ошиновка электролизера С-8БМ

На рисунке 7.8 приведена развернутая схема участка серии, со­стоящего из двух рядом расположенных электролизеров.

Ток к электролизеру подводится 14-ю шинами размерами 430 х 60 мм, общее сечение которых 361200 мм². При токе 170 кА, средняя плотность тока в ошиновке составляет 170000/361200 = 0,47 А/мм². По имеющимся сведениям, в зарубежной практике плотность тока в оши­новке, как правило, не превышает 0,4 А/мм².

Рисунок 7.8 - Развернутая схема ошиновки электролизеров С-8БМ

Катодные шины делятся на 4 пакета (стояка), каждый из кото­рых через узлы А, Б, В и Г подсоединен к анодной ошиновке. Стояки состоит из разного числа шин, и к ним подключено разное количество блюмсов, т.е. ошиновка асимметрична. Это вызвано необходимостью оптимизации магнитного поля в расплаве, что подробно рассматрива­ется в следующем разделе. Распределение тока по стоякам, рекомен­дованное "ВАМИ" ("Всероссийский алюминиево-магниевого институт"), и рассчитанное по данным рисунка 7.8 при равномерном распределе­нии тока по блюмсам, приведены в таблице 7.7.

Таблица 7.7 - Распределение шин и тока по стоякам

Показатели	Стояки, подключенные к узлу
А	Б	В	Г
Количество шин в стояке
Сила тока в стояке, расчетная,%	28,6	35,7	21,4	14,3
Сила тока в стояке, (ВАМИ),%

Если распределение тока по блюмсам равномерно, то ошинов­ка, приведенная на рисунке 7.8, обеспечивает заданное распределе­ние тока по стоякам, но плотность тока в отдельных шинах недопустимо высока (до 0,66 А/мм²), из-за чего по­тери мощности возрастают на 6,5%.

Анодная ошиновка электролизеров С-8БМ

Анодная ошиновка электролизеров С-8БМ выполнена из 16 шин размерами 430 х 50 мм. (рисунок 7.9), общее сечение которых состав­ляет 344000 мм², и при токе 170 кА, плотность тока в ней составляет 0,494 А/мм², что выше, чем в катодной ошиновке. В настоящее время эти электролизеры на некоторых заводах работают на силе тока 173 кА, а плотность тока возросла до 0,502 А/мм², что превышает все мыслимые нормы.

К узлам анодной ошиновки (А, Б, В и Г) подключены стояки, идущие от катодной ошиновки предыдущего по ходу тока электроли­зера, к каждой шине которых подсоединено разное количество блюм­сов. Это приводит к тому, что плотность тока в шинах, подходящих к узлам анодной ошиновке различна (таблица 7.8).

Анодная ошиновка состоит из четырех параллельных ветвей (I, II, III, IV), к каждой из которых подсоединяются по 18 анодных штырей. Как видно на рисунках 7.8 и 7.9, а также в таблице 7.9, к ветвям анод­ной ошиновки подключено разное количество блюмсов. Но если узлы А, Б, В и Г хорошо сварены и имеют надежный электрический контакт, то количество блюмсов, подключенных к левой (ветви I и II) и правой (ветви III и IV) половинам анода, будет одинаково и равно 15.

Рисунок 7.9 - Анодная ошиновка электролизера С-8БМ

Таблица 7.9

Количество блюмсов, подключенных к анодным ветвям

Узел	Кол-во шин в стояке, шт.	Кол-во блюмсов, подключенных к стояку, шт.	Кол-во блюмсов, подключенных к анодной ветви, шт.
I	II	III	IV
А					-	-
Б			-	-
В					-	-
Г			-	-	1,5	1,5
Итого			7/23,3	8/26,7	5,5/18,3	9,5/31,7

Примечание: В знаменателе указан ток в ветви (%), при условии его равно­мерного распределения по блюмсам

Конфигурация анодной ошиновки (рисунок 7.9), с точки зрения распределения тока в ней, крайне неудачна. Плотность тока в ошиновке перед первым токоведущим штырем каждой ветви I-IV, со­ответственно, составляет 0,65; 0,79; 0,67 и 0,39 А/мм². Такое неравно­мерное распределение тока приводит к повышенным потерям энергии и дополнительные потери мощности составляют 5,3%.

Пути оптимизации ошиновки

Таким образом, неравномерное распределение тока в подине и ошиновке автоматически передается на анод следующего электроли­зера. Но прежде чем рассматривать возможные пути оптимизации ошиновки, еще раз следует обратить внимание на недопустимо высо­кую плотность тока и, особенно, в анодной ошиновке. Положение усу­губляется еще и тем обстоятельством, что в последние годы, в связи с переводом технологии на "кислые" электролиты, резко возросла сила тока практически на всех заводах. Это привело к тому, что средняя плотность тока уже достигает 0,5 А/мм², что крайне неэкономично.

К настоящему времени ошиновка электролизеров на большин­стве электролизеров давно превысила нормативный срок службы и приносит дополнительную прибыль, и поэтому логично было бы ис­пользовать эту прибыль для увеличения сечения ошиновки. В услови­ях же безудержного роста цен на электроэнергию необходимо пере­считать экономически выгодную плотность тока в ошиновке, которая, по-видимому, не должна превышать 0,4 А/мм².

Конструкция катодной ошиновки на электролизерах С-8БМ на подавляющем большинстве электролизеров выполнена шинами сече­нием 430x60 мм. Такая конструкция ошиновки требует больших расхо­дов на обслуживание, занимает много места и пр. Однако, по мнению [18], более рациональна алюминиевая ошиновка в виде полос боль­шого сечения, свариваемых с торца, преимуществами которой явля­ются дешевизна, компактность, легкость монтажа, простота обслужи­вания и доступность для наблюдения. По этим же данным, для токо- провода длиной 400 м применение полос большого сечения (1500x300 мм) вместо шин 325x70 мм позволяет снизить капитальные затраты на монтаж в 1,5 раза.

Конструкция анодной ошиновки, как показано выше, не опти­мальна и, безусловно, требует замены. В анодной ошиновке сила тока изменяется по длине, и поэтому изменяются потери энергии в каждом участке шины. Поэтому удобно ввести понятие об эквивалентном (с точки зрения потерь мощности) сечении шины, которая обеспечит та­кие же потери, которые были бы при равномерном токе в шине.

Наиболее удобно ошиновку ветви изготавливать из одной ши­ны, и ее сечение S_B можно принять равным 1/3 сечения шины на входе от стояка к анодной ошиновке S_c [20]. Если принять, что ток на 5- шинном стояке равен 40% от общего тока, то на каждую ветвь придет­ся 20% общего тока. При токе 160 кА это составит 32 кА, а при плотно­сти тока 0,35 А/мм² S_c = 32000/0,35 = 91430 мм², и в этом случае S_B = 91430/3 = 30500 мм². Если принять ширину шины равную, например, 600 мм, то ее толщина составит чуть больше 50 мм. Такая ошиновка будет технологична в изготовлении и заметно упростит конструкцию узла "стояк-анодная шина".

Контакт "стояк-анодная шина" на большинстве электролизе­ров выполняют сваркой. Практика показывает, что после проведения капитального ремонта электролизера, сварку этого узла приходиться вести в условиях мощных магнитных полей, которые воздействуют на дугу и резко ухудшают ее качество.

На подавляющем большинстве зарубежных заводов этот узел выполняется сборным на болтах, что обеспечивает невысокий пере­пад напряжения, надежность в работе и простоту сборки и разборки при проведении капитальных ремонтов.

Опытные конструкции ошиновки на "КрАЗе", выполненные с применением болтовых контактов, производят приятное впечатление, так как просты в изготовлении и удобны в работе. Для снижения по­терь мощности в узлах тяжелой ошиновки рекомендуется возвратить­ся к сборным болтовым контактам и применению сварки в среде арго­на.

Распределение тока по анодному узлу неравномерно и не ста­бильно во времени, основной причиной этого является отсутствие ме­таллической связи между I-II и III-IV ветвями анодной ошиновки. Необ­ходимость установки перемычек между ветвями ошиновки была обос­нована еще в 80-е годы [4], а в работах [11, 21] показано, что зарубеж­ные электролизеры, расположенные в корпусе продольно, оснащены такими перемычками.

Перемычки между рядами анодных шин необходимы и на элек­тролизерах с обожженными анодами, так как при замене анодных бло­ков резко нарушается распределение тока. Удачная конструкция таких перемычек применена на электролизерах "СаАЗа", а на электролизе­рах с обожженными анодами на "КрАЗе" используется другая, но не менее удачная конструкция.