3.5. Ошиновка

Для соединения алюминиевых электролизеров в единую электрическую сеть или, как принято называть в промышленности, в «серию» применяют соединительную ошиновку. Принципиальная схема ошиновки электролизера с верхним подводом тока и направление тока в ней показаны на рис. 3.10.

Рис.3.10. Схема соединительной ошиновки на электролизере ВТ:

1-анодные стояки; 2-анодные шины; 3-анодные штыри; 4-анод; 5-электролит; 6-алюминий; 7-подина; 8-гибкие шины; 9-катодные шины; 10-место шунтирования ванны при отключении из серии

Ошиновка делится на три части - анодную, катодную и стояки. Горизонтальная часть шин 2, располагаемая по продольной оси ванны непосредственно над анодом и примыкающая к токоподводящим штырям 3, носит название анодной ошиновки. По обеим сторонам анодных шин размещены зажимы для крепления анодных штырей (либо штанг анододержателей или гибких анодных спусков, в зависимости от типа электролизера). По продольной оси катодной части электролизера размещается так называемая тяжелая катодная ошиновка 9, состоящая из набора длинных алюминиевых пластин. Устанавливается она примерно на уровне выхода катодных стержней из катодного кожуха и соединяется с блюмсами пакетами гибких шин 8, собранных из листового алюминия толщиной 0,3-0,5 мм.

Катодная ошиновка подводится к следующему по ходу тока электролизеру. Вертикально установленные пакеты шин 1, соединяющие катодную ошиновку одной ванны с анодной ошиновкой последующей ванны, носят название стояков. Стояк состоит из двух участков: один выполнен из литых алюминиевых шин, он неподвижен. Второй изготовлен в виде гибкого пакета. Гибкий участок имеет запас по длине и дает возможность перемещать анод по высоте, а также поднимать анодную раму при перетяжке.

У электролизеров малой мощности ток на анодные шины подается с одного торца, а у электролизеров средней и большой мощности с обоих торцов. Первый по ходу тока торец анодной шины называется «входным», а второй - «выходным». Ток к выходному торцу подводится через обводную шину, идущую от ближней половины предыдущего электролизера к дальнему стояку последующего. При двустороннем подводе токи в анодной шине направлены к середине электролизера, навстречу друг другу. Встречные токи создают магнитные поля, которые взаимно компенсируют друг друга и снижают напряженность суммарного магнитного поля.

Для отключения ванн на капитальный ремонт предусмотрен узел установки шунтирующего устройства 10. При наличии шунта ток от катодной ошиновки предыдущего электролизера замыкается на катодную ошиновку последующего, минуя отключаемый электролизер и выводя его из серии.

Ошиновка алюминиевого электролизера должна удовлетворять следующим основным требованиям:

• передавать электрический ток в цепи электролизёров одной электролизной серии;

• иметь минимальные потери напряжения на всем протяжении серии и между электролизерами;

• обеспечить равномерное распределение тока по отдельным токоведущим элементам электролизера;

• гарантировать оптимальное распределение магнитных силовых векторов в расплаве алюминия;

• гарантировать быстрое включение или отключение ванны из серии путем шунтирования.

Рассмотрим, как можно обеспечить эти требования. С точки зрения снижения потерь напряжения в ошиновке целесообразно использовать шины повышенного сечения и изготавливать их из материала с высокой электропроводностью. Количество сварных соединений следует свести к минимуму, т.к. их сопротивление заметно выше сопротивления линейной шины. Падение напряжения в катодной ошиновке составляет 130-170 мВ, в анодной - 90-110 мВ и в общесерийной (в расчете на один электролизер) - 20-25 мВ. Всего потери напряжения в ошиновке составят 230-320 мВ. В зависимости от стоимости электроэнергии экономически обоснованная плотность тока в ошиновке, изготовленной из алюминия, составляет от 0,2 до 0,6 А/мм².

При прохождении через ошиновку электрического тока в ней выделяется тепло и она разогревается. С повышением температуры ошиновки на каждые 10°С электрическое сопротивление и потери напряжения в ней возрастают на 4% . Поэтому не следует допускать нагрев ошиновки более 100ºС. Наибольшее внимание следует уделять условиям охлаждения ошиновки в одноэтажных корпусах, в которых шины размещаются в замкнутом пространстве шинных каналов. Каналы должны регулярно чиститься и хорошо вентилироваться.

Важное значение для экономии энергии имеет расстояние между электролизерами, т.к. это напрямую определяет общее электрическое сопротивление ошиновки. При продольном размещении электролизеров в корпусе они устанавливаются плотно торец к торцу с проходами для проезда техники через каждые 8-10 ванн. При поперечном размещении электролизеров расстояние между ними стремятся сократить до 5,5 – 6,0 м (между осями).

Для изготовления ошиновки необходимо выбрать наиболее приемлемый материал, обладающий высокой проводимостью и достаточными механическими свойствами. Тяжелую ошиновку электролизеров (анодные стояки, анодные и катодные шины) изготовляют из алюминия марки АЕ, А6 или А7 сечением 400х20, 400х40 мм и более. Зарубежные фирмы используют для литья шин сплавы 1350А (99,5% Аl) и 1370А (99,7% Аl), а для штанг анододержателей - кремниевый сплав с 98% Аl. Что касается производства шин, то предпочтение отдается непрерывному литью, позволяющему получать изделия до 18 м длиной и снизить количество сварных соединений.

Равномерное распределение тока в электролизере предотвращает перегрев его отдельных узлов, повышает симметричность магнитного поля. Достижение этой цели возможно путем тщательного расчета электрической проводимости всех узлов ошиновки, а также соблюдением технологических требований в процессе эксплуатации электролизера.

Вокруг всех токоведущих узлов электролизера создаются мощные магнитные поля, вызванные электрическим током. Суммарное магнитное поле электролизера складывается из следующих составляющих:

- магнитного поля токоведущих частей электролизёра;

- поля электрических токов в жидком алюминии;

- поля ферромагнитных элементов конструкций;

- магнитного поля соседних ванн и поля рядом стоящих корпусов.

Какого-либо видимого воздействия на элементы конструкции электролизера и ошиновку магнитное поле не оказывает. В то же время чрезвычайно сильное воздействие магнитных полей проявляется в расплавленном алюминии как в жидком проводнике с электронной проводимостью, вызывая циркуляцию и волнение металла, искривление поверхности раздела фаз металл-электролит, нарушение стабильности зеркала по времени.

Токи, протекающие в различных частях ошиновки в горизонтальном и вертикальном направлениях, существенно влияют на электромагнитные явления в расплавленном алюминии. Значительное воздействие оказывают магнитное поле соседних электролизеров, поле электролизеров параллельного ряда при продольном их размещении, а также поле соседних корпусов.

Дополнительное магнитное поле образуют стальные конструкции, т.к. сталь относится к ферромагнитным материалам. Вклад стальных конструкций в суммарное магнитное поле электролизеров заключается в том, что ферромагнитные элементы перераспределяют магнитное поле электролизеров в зависимости от формы этих элементов, расположения и степени магнитного насыщения, т.е. степени намагниченности.

Следует учитывать влияние напольных перекрытий (стальных рифленых плит), катодных и анодных кожухов, металлических строительных конструкций и т.д. С другой стороны, ферромагнитные массы можно использовать как экраны в виде стальных пластин или массивных деталей, т.е. как средство ослабления поля в том или ином направлении и сбалансирования магнитного поля электролизера в целом. Экранирующий эффект может наблюдаться, в частности, от металлических рифлёных плит напольных перекрытий.

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.

Оснащение анодных узлов уравнительными шинами, соединяющими анодную ошиновку в кольцо и выравнивающими токи от катода предыдущего электролизера, дополнительно повышают устойчивость МГД-процессов в электролизёре небольшой мощности. 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 и 3.12). Для электролизеров этого типа применяется асимметричная двусторонняя схема ошиновки с так называемыми «расщепленными пакетами».

Рис.3.12. Схема двусторонней асимметричной ошиновки электролизёра ВТ на силу тока 160 кА

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. Катодная ошиновка для выравнивания токовой нагрузки может быть снабжена также двумя дополнительными поперечными шинами, соединяющими вторые по ходу тока пакеты катодных шин. Плотность горизонтальных токов в расплавленном металле за счет выравнивания нагрузки отдельных участков подины существенно уменьшается.

Для компенсации магнитного поля соседнего ряда ванн применяется двухуровневое расположение катодной ошиновки: по лицевой стороне шины устанавливаются на 400 мм выше, чем на глухой. Кроме того, ток по анодным стоякам распределяется асимметрично, что достигается различным числом шин в стояках:

Входной стояк Выходной стояк

Левый 3 Правый 5

Правый 2 Левый 4

При этом суммарный ток на выходных стояках составит 27% (10 и 17%), а на входных – 73% (40 и 33%). Между правой и левой ветвями нагрузка делится поровну - по 50%. За счет этого суммарная вертикальная составляющая магнитной индукции Bz от собственных токов в ошиновке и от соседнего ряда ванн будет полнее уравновешивать магнитную индукцию в расплавленном металле.

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.

Примеры конфигурации ошиновки для электролизеров большой мощности (250-300 кА) с поперечным их размещением в корпусе, предложенные R.Huglen, приводятся на рис. 3.13. Подключение блюмсов к катодным шинам также разделено на несколько групп, а анодные шины связаны в кольцо. Ток подводится к анодной ошиновке с торцов и продольных сторон с помощью дополнительных анодных стояков. Это способствует максимальному выравниванию тока в анодных шинах. При мощности электролизера 225 кА число стояков должно быть не менее четырех, при 300 кА – пять и более. На электролизерах этого типа используются шины большого сечения, например 300х800 мм, а общее сечение ошиновки достигает 1 м² и более.

Рис.3.13. Конструкция ошиновки электролизера большой мощности при поперечном размещении в корпусе: а - подвод тока к анодной ошиновке с торцов и продольных сторон; б – то же, но с размещением обводной шины под катодным кожухом

У электролизеров большой мощности вертикальную составляющую магнитного поля можно частично компенсировать с помощью внешних, по отношению к ошиновке ванны, проводников, как показано на рис. 3.14. На схеме приведен способ компенсации вертикальной компоненты магнитного поля от соседнего ряда ванн (Morel P., Dugois J.-P.). Это может быть сделано с помощью дополнительной ошиновки (петли), внешней или внутренней по отношению к току серии. Аналогичный подход широко используется по патентам РУСАЛа на ваннах Саянского алюминиевого завода.

Рис. 3.14. Схема петель тока для компенсации вертикальной составляющей магнитного поля

Технически это выполняется установкой дополнительных шин, идущих параллельно оси серии с внешней или внутренней стороны (или с обеих сторон) и подключением их к источнику прямого тока. При этом направление тока во внутренней петле будет совпадать с током серии, а в наружной петле - будет противоположным. В результате воздействия компенсирующего поля от тока петли вертикальная составляющая воздействия соседнего ряда ванн практически полностью компенсируется. Ток петли может составлять порядка 10% от тока серии.