RU2027799C1

RU2027799C1 - Method of electrolytic production of aluminium

Info

Publication number: RU2027799C1
Authority: RU
Inventors: Ф.Т. Петрунин; С.А. Артеменко; Б.П. Громов; В.П. Дзюба; В.М. Ревчук; З.М. Туринский
Original assignee: Запорожский производственный алюминиевый комбинат
Priority date: 1992-01-10
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: electrolytic production of aluminium. SUBSTANCE: current pulses passed through each bath and through a bank of electrolyzers on the whole have a square shape and are directed upwards relative to the effective value of current strength of the bank, and the pulse repetition period is selected within 100 to 300 s, the pulse amplitude is within 3 to 12 % of the constant value of current strength, and the duration of each pulse is within 2 to 5 s. EFFECT: enhanced capacity of electrolyzers, considerable reduction of consumption of processing electric power. 2 tbl

Description

Изобретение относится к цветной металлургии и может использоваться для электролитического получения алюминия-сырца. The invention relates to ferrous metallurgy and can be used for the electrolytic production of raw aluminum.

Известен способ управления током серии алюминиевых электролизеров, заключающийся в том, что измеряют и за некоторый период времени усредняют действующие значения силы тока серии, которое сравнивают с заданным постоянным значением, и в зависимости от знака рассогласования производят изменение рабочего напряжения выпрямленного тока в нужную сторону (авт.св. N 177092, кл. 01.12.65). A known method of controlling the current of a series of aluminum electrolytic cells, which consists in measuring and averaging over a certain period of time the effective values of the series current, which are compared with a given constant value, and depending on the sign of the mismatch, the operating voltage of the rectified current is changed in the right direction (automatic St. N 177092, class 01.12.65).

Недостатком этого способа является отсутствие оптимизации силы тока серии. The disadvantage of this method is the lack of optimization of the series current strength.

Известен также способ получения металлов, в частности алюминия (патент ФРГ N 1237330, опублик. 1977) и способ электролиза расплава (патент Великобритании N 1063855, 24.10.63), которые с целью снижения энергетических потерь, предусматривают использование постоянного тока низкого напряжения и импульсов высокого напряжения (минимум 1200 В). There is also known a method of producing metals, in particular aluminum (German patent N 1237330, published. 1977) and a method of electrolysis of the melt (UK patent N 1063855, 10.24.63), which in order to reduce energy losses, involve the use of direct current low voltage and high pulse voltage (minimum 1200 V).

Недостатком этих способов является необходимость установки дополнительного специального электрооборудования и дополнительных существенных затрат электроэнергии. The disadvantage of these methods is the need to install additional special electrical equipment and additional significant energy costs.

Известен также выбранный за прототип способ получения питающего тока для электролитических процессов путем использования трехфазной сети переменного тока с применением двухполупериодного выпрямления в каждой фазе, управляемого тиристорами. Способ предусматривает поочередное отключение фаз с подачей напряжения в виде пилообразных импульсов. Этот способ снижает потери электроэнергии. There is also known a prototype method for producing a supply current for electrolytic processes by using a three-phase AC network using a half-wave rectification in each phase controlled by thyristors. The method provides for alternating phase shutdown with a voltage supply in the form of sawtooth pulses. This method reduces energy losses.

Отличительная особенность этого технологического приема заключается в наложении пилообразных импульсов на некоторое постоянное значение силы тока; однако при этом возникают знакопеременные изменения силы тока серии, что приводит к колебательным процессам в ваннах серии и развитию технологических нарушений (например, типа "волнение металла"). Колебательные процессы приводят к непроизводительным потерям технологической электроэнергии. A distinctive feature of this technique is the imposition of sawtooth pulses on a certain constant value of current strength; however, this causes alternating changes in the current strength of the series, which leads to oscillatory processes in the baths of the series and the development of technological violations (for example, such as "metal excitement"). Vibrational processes lead to unproductive losses of technological electricity.

Предлагаемый способ включает поддержание постоянного значения силы тока серии электролизеров наложением импульсов тока на его действующее значение и отличается тем, что импульсы тока имеют прямоугольную форму и направлены вверх относительно действующего значения силы тока, при этом период следования импульсов выбирают в пределах 100-300 с, амплитуду импульсов - в пределах 3-12% от постоянного значения силы тока серии, а длительность каждого импульса - в пределах 2-5 с. The proposed method includes maintaining a constant current value of a series of electrolyzers by superimposing current pulses on its current value and characterized in that the current pulses have a rectangular shape and are directed upward relative to the current current value, while the pulse repetition period is selected within 100-300 s, the amplitude pulses - within 3-12% of the constant value of the current strength of the series, and the duration of each pulse is within 2-5 s.

Сущность предлагаемого способа электролитического получения металла заключается в том, что в непрерывном процессе электролиза криолитоглиноземного расплава на поверхности графитированного анодного массива происходят процессы накопления комплексных ионов, которые затрудняют реакцию электролиза и вызывают рост омического сопротивления расплава в междуполюсном зазоре. Это явление получило название пассивации подошвы анодного массива. The essence of the proposed method of electrolytic metal production is that in the continuous process of electrolysis of cryolite-alumina melt on the surface of a graphitized anode array, complex ions accumulate, which impede the electrolysis reaction and cause an increase in the ohmic resistance of the melt in the interpolar gap. This phenomenon is called passivation of the sole of the anode array.

Обычно считается, что восстановление нормальной реакционной способности пассивированной поверхности анодного массива происходит во время анодного эффекта на электролизере, когда рабочее напряжение в междуполюсном зазоре при падении концентрации глинозема в электролите ниже критических значений скачкообразно изменяется вверх до 30-50, а иногда до 100 В. Полагают, что при этом пленка из поверхностно пассивирующих веществ на рабочей поверхности анодного массива частично разлагается с переходом сложных ионов в более простые, а частично выгорает и диспергирует во всем слое электролита высотой 12-18 см. Пассивация реакционной поверхности анодного массива при прочих равных условиях способствует увеличению частоты анодных эффектов. It is generally believed that the restoration of the normal reactivity of the passivated surface of the anode array occurs during the anode effect on the cell, when the working voltage in the interpolar gap when the concentration of alumina in the electrolyte falls below critical values jumps upward to 30-50, and sometimes to 100 V. that at the same time, a film of surface-passivating substances on the working surface of the anode array partially decomposes with the transition of complex ions to simpler, and partially yelling and dispersing in the entire electrolyte layer 12-18 cm high. Passivation of the reaction surface of the anode array, ceteris paribus, increases the frequency of anode effects.

Таким образом, активация реакционной поверхности анодного массива независимо от механизма ее протекания происходит из-за быстропротекающего электрического удара в зоне электрохимической реакции при резком скачке рабочего напряжения электролизера, мгновенном выделении большой мощности в междуполюсном зазоре и неизменной силе тока, пропускаемого через ванну. Thus, the activation of the reaction surface of the anode array, regardless of the mechanism of its occurrence, occurs due to the fast-flowing electric shock in the zone of the electrochemical reaction with a sharp jump in the operating voltage of the electrolyzer, instantaneous release of high power in the interpolar gap and constant current flow through the bath.

Однако такого же эффекта можно вроде бы достичь резким кратковременным увеличением тока серии (но уже на всех электролизерах). Естественно, что технологические особенности серии электролизеров как электрической цепи с высокопараметрическими характеристиками, накладывают на технологию увеличения силы тока существенные ограничения. Здесь следует отметить, что импульсы тока не могут иметь знакопеременные направления, поскольку такие импульсы будут накладываться на колебательные процессы в ванне, всегда имеющие место в реальных условиях электролиза и связанные с колебаниями уровня металла (границы раздела металл-электролит). Это явление многократно заключалось в практике работы мощных электролизеров, когда в определенные промежутки времени анодные эффекты следуют один за другим и провоцируют волнение металла в ваннах с неустойчивым режимом работы. However, the same effect can seem to be achieved by a sharp short-term increase in the series current (but already on all electrolyzers). Naturally, the technological features of a series of electrolyzers as an electric circuit with high-parametric characteristics impose significant limitations on the technology for increasing current strength. It should be noted here that current pulses cannot have alternating directions, since such pulses will be superimposed on oscillatory processes in the bath, which always take place in real electrolysis conditions and are associated with metal level fluctuations (metal-electrolyte interface). This phenomenon repeatedly included the practice of powerful electrolyzers when, at certain intervals, the anode effects follow one after another and provoke a wave of metal in bathtubs with an unstable mode of operation.

Для соблюдения постоянства температурного режима работы электролизеров импульсные изменения силы тока серии не должны заметно менять величину действующего значения силы тока серии, стабилизируемой возле постоянного значения. Этим накладывается существенное ограничение на длительность каждого отдельного импульса. Но длительность импульса не может быть меньше времени, необходимого на выполнение переключений электромеханической коммутирующей аппаратуры выпрямительных агрегатов. Это ограничение снизу соответствует одному переключению в 2-3 с. По максимуму длительность импульсов ограничивается условием исключения влияния импульсной составляющей силы тока серии на тепловой баланс электролизера и составляет порядка 5 с (средняя длительность перемещения анодного массива при регулировании рабочего напряжения). To maintain a constant temperature regime of the electrolytic cells, pulsed changes in the series current should not noticeably change the value of the current value of the series current, stabilized near a constant value. This imposes a significant limitation on the duration of each individual impulse. But the pulse duration cannot be less than the time required to perform switching of the electromechanical switching equipment of the rectifier units. This lower limit corresponds to one switching in 2-3 s. To the maximum, the duration of the pulses is limited by the condition for eliminating the influence of the pulse component of the series current strength on the heat balance of the cell and is about 5 s (the average duration of the movement of the anode array when regulating the operating voltage).

Другой координатой, которая не может задаваться произвольно, является амплитуда импульсов силы тока серии. Снизу эта величина ограничивается естественными флуктуациями тока серии (импульс должен быть заметен на их фоне). Величина естественных флуктуаций тока обычно составляет не более 2,5-3,5% от действующего значения силы тока серии. Сверху амплитуда ограничивается по крайней мере возможностями выпрямительных агрегатов. Для того, чтобы увеличить силу тока на порядок, как рабочее напряжение во время анодного эффекта, необходимо снабдить серию агрегатами по мощности много большими, чем установленные в настоящее время, что, конечно, не реально. Поэтому требуется обойтись известными агрегатами, резерв мощности которых ограничен 10-12% от установленной мощности. Another coordinate, which cannot be set arbitrarily, is the amplitude of the pulses of the current strength of the series. From below, this quantity is limited by the natural fluctuations of the series current (the pulse should be noticeable against their background). The value of natural current fluctuations is usually not more than 2.5-3.5% of the effective value of the current series. The amplitude above is limited at least by the capabilities of the rectifier units. In order to increase the current strength by an order of magnitude, like the operating voltage during the anode effect, it is necessary to equip the series with power units much larger than those currently installed, which, of course, is not realistic. Therefore, it is required to dispense with known units whose power reserve is limited to 10-12% of the installed capacity.

Период следования импульсов также не может быть произвольным, так как снизу он ограничивается периодами собственных колебаний электрических параметров электролизеров, в частности, рабочего напряжения. Наибольшим периодом колебаний обладают регулярные изменения рабочего напряжения, связанные с колебаниями металла в ванне и имеющие характерные периоды колебаний синусоидального вида с периодами длительности 25-55 с. Поэтому, чтобы не провоцировать возникновение технологических нарушений в работе электролизеров типа "волнение металла", период следования импульсов тока серии не может быть меньше 100-150 с. Верхний предел периода следования импульсов выбирается из условия сохранения стабильности теплового режима, нарушение которой влечет за собой технологические расстройства электролизеров с потерями производительности и большими трудозатратами на их ликвидацию. The pulse repetition period also cannot be arbitrary, since from below it is limited by the periods of natural vibrations of the electric parameters of the electrolytic cells, in particular, the operating voltage. The largest oscillation period is observed in regular changes in the operating voltage associated with metal oscillations in the bath and having characteristic periods of sinusoidal oscillation with periods of 25-55 s. Therefore, in order not to provoke the occurrence of technological irregularities in the operation of electrolyzers of the “metal wave” type, the repetition period of the series current pulses cannot be less than 100-150 s. The upper limit of the pulse repetition period is selected from the condition of maintaining the stability of the thermal regime, the violation of which entails technological disorders of electrolyzers with loss of productivity and high labor costs to eliminate them.

Пример осуществления способа. An example implementation of the method.

Предлагаемый способ электролитического получения алюминия реализуется на аппарате управления выпрямительными агрегатами, формирующими постоянный ток низкого напряжения преобразованием сетевого переменного тока высокого напряжения. Обычно применяются кремниевые выпрямительные агрегаты типа ВАКВ-2500/850 в комплекте с силовым трансформатором типа ТДНП-40000/10 и высоковольтным переключателем обмоток трансформатора типа РПН на 19 ступеней. Этот комплект обеспечивает ток с параметрами до 2500 кА и 850 В. Для серии электролизеров с боковым подводом тока к самообжигающемуся анодному массиву на силу тока 70 кА в качестве источника тока используется, как правило, четыре последовательно подключенных выпрямительных агрегата. Такая электрическая схема позволяет компенсировать большие отклонения силы тока серии от заданной величины переключением ступеней РПН (на одном или двух агрегатах), а малые отклонения - регулированием тока в обмотке управления дросселем насыщения, который обеспечивает плавное изменение регулируемого параметра. Для формирования импульсов с параметрами, указанными в формуле, удобно и наиболее целесообразно размыкать цепь обмотки управления дросселем насыщения так, чтобы формировались прямоугольные импульсы заданной длительности и заданной периодичности следования. При разрыве цепи подмагничивание дросселя насыщения оказывается минимальным, а ток выпрямителя скачкообразно вырастает до максимального значения, т.е. импульсы имеют направленность вверх от действующего значения силы тока серии. The proposed method for the electrolytic production of aluminum is implemented on the control unit of the rectifier units that form a direct current of low voltage by converting a high-voltage alternating current network. Typically, silicon rectifier units of type VAKV-2500/850 are used, complete with a power transformer of type TDNP-40000/10 and a high-voltage switch of the windings of a transformer of type RPN by 19 steps. This kit provides current with parameters up to 2500 kA and 850 V. For a series of electrolyzers with lateral current supply to a self-firing anode array with a current strength of 70 kA, as a rule, four series-connected rectifier units are used as a current source. Such an electrical circuit allows you to compensate for large deviations of the series current from a given value by switching the on-load tap-changer stages (on one or two units), and small deviations by compensating for the current in the winding of the saturation inductor control, which ensures a smooth change in the adjustable parameter. To form pulses with the parameters specified in the formula, it is convenient and most expedient to open the saturation throttle control winding circuit so that rectangular pulses of a given duration and a given repetition rate are formed. When the circuit is broken, the magnetization of the saturation inductor is minimal, and the rectifier current jumps to its maximum value, i.e. pulses have an upward direction from the current value of the series current.

Для реализации такого способа формирования импульсов обмотка дросселя насыщения должна подключаться к цепи, которая содержит нормально закрытый контакт реле времени. Включение этого реле размыкает цепь обмотки управления дросселя насыщения. Если выдержка времени этого реле установлена в интервале 2-5 с, то получится прямоугольный импульс заданной длительности, при этом если в цепь включения питания обмотки этого реле вмонтировать нормально открытый контакт другого реле времени, а выдержку времени его срабатывания установить в интервале 100-300 с, то импульсы тока серии будут следовать с заданным периодом. Запуск второго реле осуществляется нормально закрытым контактом первого реле времени, а начальный запуск и остановка управляющей схемы осуществляется ключом в цепи питания обмотки второго реле. To implement this method of generating pulses, the winding of the saturation inductor must be connected to a circuit that contains a normally closed contact of the time relay. The inclusion of this relay opens the control winding circuit of the saturation inductor. If the time delay of this relay is set in the range of 2-5 s, then a rectangular pulse of a given duration will be obtained, while if a normally open contact of another time relay is mounted in the power circuit of the winding of this relay, and the time delay for its operation is set in the range of 100-300 s , then the series current pulses will follow with a given period. The start of the second relay is carried out by the normally closed contact of the first time relay, and the initial start and stop of the control circuit is carried out by a key in the power circuit of the winding of the second relay.

В качестве таких реле времени используются стандартные устройства типа ВЛ-56 на 220 В питающего напряжения (изготовитель Киевский завод) со шкалами 1-100 с и 1-100 мин. As such timers, standard devices such as VL-56 for 220 V supply voltage (manufacturer Kiev Plant) are used with scales of 1-100 s and 1-100 min.

Технологические режимы, реализуемые такой схемой формирования импульсов тока серии и используемые в качестве примеров, приведены в табл.1. Technological modes implemented by such a series current pulse generation circuit and used as examples are given in Table 1.

Для промышленной проверки правильности выбора параметров импульсной составляющей силы тока серии проводили проверку предлагаемого способа на алюминиевых электролизерах с боковым токоподводом на силу тока 70 кА. Чтобы получить достоверные результаты, фиксировали интегральный отчетный технико-экономический показатель эффективности процесса электролиза - выход алюминия-сырца по току, определяемый в производственных условиях как среднемесячное значение для каждого из двух корпусов серии по отношению количества электричества, пропущенного через электролизеры, к теоретически необходимому количеству электричества, необходимого для получения металла, переданного в литейное отделение. For industrial verification of the correct choice of parameters of the pulsed component of the series current strength, the proposed method was tested on aluminum electrolyzers with lateral current supply for a current strength of 70 kA. To obtain reliable results, we recorded an integrated reportable technical and economic indicator of the efficiency of the electrolysis process - the output of raw aluminum by current, which is defined under production conditions as the average monthly value for each of the two buildings of the series in relation to the amount of electricity passed through the electrolysis cells to the theoretically necessary amount of electricity required to obtain the metal transferred to the foundry.

В табл.1 приведены результаты наложения прямоугольных импульсов на действующее значение силы тока серии в течение нескольких отчетных периодов времени - месяцев. В первом режиме (1) наложение импульсов было прекращено через 2 дня по требованию технологического персонала корпусов, так как появились электролизеры с наведенным "волнением металла в ванне". Во втором режиме (2) наложение импульсов прекратили по просьбе производственного мастера, выявившего массовое повышение температуры электролита в ваннах одного из корпусов. Table 1 shows the results of superimposing rectangular pulses on the effective value of the series current for several reporting time periods - months. In the first mode (1), the imposition of pulses was stopped after 2 days at the request of the technological personnel of the buildings, as electrolyzers appeared with induced “wave of metal in the bath”. In the second mode (2), the imposition of pulses was stopped at the request of the production master, who revealed a massive increase in the temperature of the electrolyte in the baths of one of the buildings.

Для объективной оценки положительного эффекта сравнивали абсолютные изменения выхода алюминия по току и удельного расхода технологической электроэнергии в производстве для серии электролизеров с боковым токоподводом на силу тока 70 кА с импульсной составляющей, параметры которой выбирали в области оптимальных значений (Т=200-300 с; А=11-12%, dt=3 с) с аналогичными показателями такой же серии, на силу тока которой не накладывалась импульсная составляющая. При этом для минимизации влияния на оценку посторонних обстоятельств за установившееся значение каждого показателя принимали среднее значение за 2 мес в условиях работы без наложения импульсной составляющей. For an objective assessment of the positive effect, we compared the absolute changes in the current output of aluminum and the specific consumption of technological electricity in production for a series of electrolyzers with lateral current supply for a current strength of 70 kA with a pulse component, the parameters of which were chosen in the region of optimal values (T = 200-300 s; A = 11-12%, dt = 3 s) with similar indicators of the same series, on the current strength of which the pulse component was not superimposed. Moreover, to minimize the influence on the assessment of extraneous circumstances, the steady-state value of each indicator was taken as the average value for 2 months in operating conditions without imposing a pulsed component.

В табл.2 приведены результаты расчетов, выполненных по отчетным данным цеха электролиза за период наблюдения. Приведены величины изменений выхода алюминия по току в процентах относительно среднего значения за отчетные периоды, когда импульсная составляющая не накладывалась, для электролизеров четырех корпусов 1,2. При этом на силу тока серии двух корпусов накладывалась импульсная составляющая, а другие корпуса продолжали работать с постоянной силой тока серии и использованы в качестве свидетелей для сравнения. В табл.2 приведены величины изменений удельного расхода электроэнергии для электролизеров этих же корпусов в процентах относительно плановых расчетных удельных расходов электроэнергии для каждого из корпусов. В различные периоды времени изменения двух важнейших технико-экономических показателей эффективности процесса достигают неодинаковых величин, принимающих значения много выше погрешности их расчета (0,1%). Диапазоны изменения достаточно широки (вплоть до обратного знака) из-за различных причин, вызывающих отклонения в технологии и организации производства. Эти отклонения не фиксируются в калькуляции себестоимости алюминия-сырца и, в общем случае, неизвестны. Можно отметить, что даже на небольшом статистическом материале изменения выхода по току составили от -1,39 до +3,68% и среднее значение равно +1,75% , а изменения удельного расхода технологической электроэнергии составили от +1,197 до -1,297% при среднем значении -1,18%. Table 2 shows the results of calculations performed according to the reporting data of the electrolysis shop for the observation period. The values of changes in the current efficiency of aluminum in percent relative to the average value for the reporting periods when the pulse component was not superimposed are given for electrolytic cells of four buildings 1,2. At the same time, the pulse component was superimposed on the current strength of the series of two cases, while the other cases continued to work with a constant current strength of the series and were used as witnesses for comparison. Table 2 shows the magnitude of the changes in the specific energy consumption for electrolyzers of the same buildings as a percentage of the planned estimated specific electricity consumption for each of the buildings. In different periods of time, changes in the two most important technical and economic indicators of the process efficiency reach unequal values, taking values much higher than the error in their calculation (0.1%). The ranges of change are quite wide (up to the opposite sign) due to various reasons causing deviations in technology and organization of production. These deviations are not recorded in the costing of raw aluminum and, in general, are unknown. It can be noted that even on a small amount of statistical material, the changes in current efficiency ranged from -1.39 to + 3.68% and the average value is + 1.75%, and the changes in the specific consumption of technological electricity ranged from +1.197 to -1.297% with the average value is -1.18%.

Заявляемый способ электролитического получения алюминия представляет собой способ формирования энергетического потока, обеспечивающего оптимальное и непрерывное протекание процесса электролиза. Новизна изобретения проявляется в новых условиях реализации процесса на электролизерах и новых условиях формирования потока электроэнергии, пропускаемого через каждую ванну в отдельности и через серию электролизеров в целом. The inventive method for the electrolytic production of aluminum is a method of forming an energy stream that ensures optimal and continuous flow of the electrolysis process. The novelty of the invention is manifested in the new conditions for the implementation of the process on electrolyzers and new conditions for the formation of the flow of electricity transmitted through each bath separately and through a series of electrolyzers as a whole.

Предлагаемый способ электролитического получения алюминия позволяет повысить производительность электролизеров серии; снизить расход технологической электроэнергии на тонну алюминия; уменьшить число технологических нарушений в ваннах, связанных с повышением сопротивления реакционной поверхности анодного массива. The proposed method for the electrolytic production of aluminum can improve the performance of the series electrolysers; reduce technological energy consumption per ton of aluminum; reduce the number of technological violations in the baths associated with an increase in the resistance of the reaction surface of the anode array.

Способ практически не требует затрат на его реализацию. The method practically does not require the cost of its implementation.

Claims

METHOD FOR ELECTROLYTIC PRODUCTION OF ALUMINUM, including maintaining a constant current value of a series of electrolyzers and applying current pulses to it, characterized in that the current pulses are superimposed in a rectangular shape, with a pulse repetition period of 100 - 300 s, pulse amplitude 3 - 12% of the constant force value current, and the duration of each pulse 2 - 5 s.