Электролизное производство алюминия относится к числу наиболее энергоемких процессов в мировой промышленности. Сила тока, протекающего через одну ванну, может достигать ста и более тысяч ампер, а сечение шинопроводов, подводящих ток к электролизерам, составляет несколько квадратных дециметров. В таких условиях даже незначительное увеличение электрического сопротивления на контактных соединениях приводит к огромным потерям электроэнергии и дополнительному нагреву оборудования. Именно поэтому проблема надежного и долговечного соединения элементов ошиновки всегда находилась в центре внимания алюминиевых заводов. Опыт последних десятилетий показывает, что одним из наиболее эффективных решений является широкое применение гибких токоведущих элементов, позволяющих решить целый комплекс проблем, связанных с температурными деформациями, вибрациями и необходимостью частого обслуживания контактов.
Особенности устройства ошиновки алюминиевого электролизера
Ошиновка электролизной ванны делится на анодную и катодную части. Анодная ошиновка подводит ток к угольному аноду, погруженному в расплавленный электролит. Она состоит из пакетов алюминиевых шин, смонтированных вдоль ванны, и гибких медных пакетов, которые через анодные штанги и стальные штыри подключаются непосредственно к аноду. Катодная ошиновка отводит ток от катода, расположенного в днище ванны, и включает в себя стальные катодные стержни (блюмсы), гибкие соединительные элементы и основные алюминиевые шины, идущие к следующему электролизеру в серии.
Общая протяженность шинопроводов в серии электролизеров может составлять сотни метров, а число контактных соединений — многие десятки. Каждое такое соединение является потенциальным источником потерь и нагрева. Потери на контактных соединениях могут достигать десятков киловатт на один электролизер, что в масштабах завода дает огромные суммы нерационально потраченной электроэнергии.
Основные проблемы традиционных соединений
Традиционно элементы ошиновки соединялись сваркой или болтовыми соединениями. Однако оба этих способа имеют серьезные недостатки применительно к условиям электролизного производства.
Высокие температуры. Вблизи ванны температура воздуха может достигать нескольких сотен градусов. Контактные соединения, особенно в анодной части, работают в условиях интенсивного теплового излучения от расплавленного электролита. Контактная поверхность анодной ошиновки нагревается до высоких температур, что приводит к интенсивному окислению контакта. При таком нагреве переходное сопротивление болтового соединения может возрасти в сотни и тысячи раз всего за несколько суток работы ванны.
Агрессивная среда. Электролиз сопровождается выделением агрессивных газов, содержащих фтор и другие химически активные элементы. Эти газы вызывают коррозию контактных поверхностей, особенно в местах соединения разнородных металлов (меди и алюминия, стали и меди).
Термические деформации. Шинопроводы при нагреве удлиняются. На прямолинейных участках через каждые 20-25 метров приходится устанавливать специальные температурные компенсаторы из гибких шин, чтобы избежать разрушительных механических напряжений. Жесткие соединения в таких условиях испытывают значительные нагрузки.
Электродинамические усилия. При протекании токов в десятки и сотни килоампер между параллельными шинами возникают значительные электродинамические силы, стремящиеся сблизить или развести проводники. Эти силы могут вызывать деформацию шин и ослабление контактов.
Необходимость частого обслуживания. Из-за окисления и ослабления контактов обслуживающему персоналу приходится регулярно зачищать контактные поверхности и подтягивать болтовые соединения. Это отвлекает рабочих от других задач и создает дополнительные трудозатраты. Кроме того, при зачистке контактов в расплав алюминия может попадать медь, ухудшая качество готового металла.
Гибкие шины как решение проблемы
Применение гибких токоведущих элементов позволяет решить большинство перечисленных проблем. В ошиновке электролизеров гибкие шины используются в нескольких ключевых узлах.
Соединение анодной ошиновки с анодными штырями. В этом узле гибкие медные пакеты соединяют неподвижную часть анодной ошиновки с подвижными анодными штангами. По мере сгорания анода его необходимо периодически опускать, что требует вертикального перемещения токоподводящих элементов. Гибкие шины естественным образом обеспечивают эту подвижность, не требуя разборки контактов.
Соединение катодных стержней с катодной шиной. Стальные катодные стержни, выходящие из днища электролизера, необходимо соединить с алюминиевыми шинами. Прямое соединение стали с алюминием невозможно из-за образования хрупких интерметаллических соединений. Поэтому применяются медно-алюминиевые переходные элементы, а соединение с блюмсом часто выполняется через гибкие медные шины.
Температурные компенсаторы. На длинных прямолинейных участках шинопроводов устанавливаются специальные гибкие вставки, которые компенсируют тепловое расширение. Сечение таких компенсаторов равно сечению основного шинопровода, а гибкая конструкция позволяет им свободно деформироваться при нагреве, не создавая напряжений в смежных узлах.
Опыт применения гибких соединений в конструкции катодной секции
Значительный интерес представляет конструкция токоподвода к катодной секции электролизера. В одной из известных разработок гибкая шина соединяется со стальным катодным стержнем не сваркой, а через разъемное соединение. В стальном электроде выполняется коническое гнездо, покрытое алюминиевым сплавом, в которое вставляется конический конец гибкой шины. Такое решение позволяет многократно использовать шину при ремонтах электролизера, так как она легко отсоединяется и может быть установлена на новое место.
Кроме того, отказ от жесткой сварки гибкой шины со стальным блюмсом улучшает температурные условия работы медно-алюминиевого переходного элемента. При расположении переходного элемента на определенном расстоянии от торца стального блюмса температура его эксплуатации снижается до безопасных значений. Это существенно повышает ресурс соединения и снижает потери.
Технические решения для анодной ошиновки
В анодной части электролизера также активно применяются гибкие токоподводы. В устройстве для подвода тока к анодной ошиновке, разработанном еще в советский период, пакеты гибких шин соединяют неподвижные анодные стояки с подвижной анодной ошиновкой. Такое решение обладает несколькими важными преимуществами.
Во-первых, гибкие пакеты располагаются под ошиновкой, что освобождает верхнюю зону электролизера и создает условия для использования любых обслуживающих механизмов. Во-вторых, равномерность распределения тока по длине анодной ошиновки позволяет снизить расход алюминия и уменьшить вес перемещающихся частей. В-третьих, такая конструкция способствует уменьшению влияния магнитных полей на зеркало металла, то есть снижает перекосы металла в ванне, что стабилизирует процесс электролиза.
Современные исследования в области контактных соединений
Проблема надежного соединения элементов ошиновки продолжает оставаться предметом научных исследований. В отраслевых публикациях последних лет были представлены результаты исследования соединения гибкого катодного спуска с катодной шиной.
Авторы работ теоретически обосновали и экспериментально подтвердили возможность соединения алюминиевой ошиновки электролизера с катодными спусками методом заливки бобышки перегретым расплавом алюминия. Этот метод позволяет получить высококачественное соединение без потери производительности серии электролизеров и снизить эксплуатационные расходы.
Результаты исследований показывают, что в металлургии, где используются мощные энергетические установки, проблема уменьшения потерь при передаче электроэнергии от источника к потребителю остается острейшей. Основные потери происходят именно на контактных соединениях, в частности при передаче электроэнергии от ошиновки алюминиевого электролизера к катодным спускам. Поэтому совершенствование конструкции гибких соединений и технологии их монтажа дает прямой экономический эффект.
Эффективность применения гибких шин
Опыт алюминиевых заводов показывает, что переход на гибкие токоведущие элементы во всех ответственных узлах ошиновки дает комплексный положительный эффект.
Снижение потерь электроэнергии. Качественное гибкое соединение с оптимальным переходным сопротивлением позволяет сэкономить до нескольких процентов электроэнергии, потребляемой электролизным производством. Для завода мощностью в сотни тысяч тонн алюминия в год это означает экономию миллионов киловатт-часов.
Увеличение межремонтного периода. Благодаря отсутствию ослабления контактов под действием вибрации и температурных циклов, а также защите от окисления, срок службы гибких соединений значительно превышает срок службы традиционных болтовых контактов. Отпадает необходимость в частых зачистках и подтяжках, что снижает трудозатраты обслуживающего персонала.
Повышение надежности. Отказ контактного соединения в электролизной серии может привести к остановке всей линии, что связано с огромными убытками. Гибкие шины, благодаря своей конструктивной надежности, практически исключают внезапные отказы. Даже при частичном повреждении отдельных слоев шина продолжает выполнять свою функцию, тогда как жесткое соединение разрушается полностью.
Улучшение качества металла. При традиционном болтовом соединении медной шины со стальным штырем в анодной части в процессе зачисток контактов медь может попадать в расплавленный алюминий, ухудшая его чистоту. Гибкие соединения с защищенными контактными поверхностями практически исключают такое загрязнение.
Ограничения и правильный выбор конструкции
При всех преимуществах гибких шин необходимо учитывать и некоторые ограничения их применения в электролизных цехах.
Высокая температура окружающей среды. Изоляция гибких шин, если она применяется, должна быть рассчитана на длительную работу при повышенных температурах. В некоторых узлах, например вблизи анодной головки, целесообразно применять неизолированные гибкие шины.
Агрессивная среда. Химически активные газы, выделяющиеся при электролизе, могут вызывать коррозию меди. Для защиты гибких шин в наиболее агрессивных зонах применяется хромирование контактных поверхностей или другие защитные покрытия.
Механическая прочность. Гибкая шина сама по себе не обладает несущей способностью. Она должна быть закреплена так, чтобы не провисала и не касалась соседних конструкций. Для этого применяются специальные изоляторы и поддерживающие конструкции.
Правильный выбор типоразмера гибкой шины и конструкции ее концевых заделок имеет решающее значение. Площадь сечения медной пластины наконечника должна составлять определенный процент от площади поперечного сечения алюминиевой токоподводящей шины, а площадь контакта переходного элемента должна быть больше площади сечения шины. Соблюдение этих соотношений позволяет обеспечить минимальное переходное сопротивление и долгий срок службы соединения.
Перспективы дальнейшего развития
Технологии производства гибких шин для электролизных цехов продолжают совершенствоваться. Разрабатываются новые способы соединения алюминиевых и медных элементов, позволяющие получать более надежные и долговечные контакты. Метод заливки перегретым расплавом алюминия является одним из перспективных направлений.
Также ведутся работы по созданию гибких шин с улучшенными характеристиками, предназначенных для работы при особо высоких температурах и в агрессивных средах. Применение новых материалов и технологий, таких как сварка взрывом для создания биметаллических переходников, позволяет существенно повысить качество гибких соединений.
Переход на гибкие токоведущие элементы в ошиновке алюминиевых электролизеров является одним из наиболее эффективных способов повышения энергоэффективности и надежности производства. Опыт применения таких решений, накопленный как в советский период, так и в последние десятилетия, убедительно доказывает их преимущества.
Гибкие шины обеспечивают надежный электрический контакт в условиях высоких температур, вибраций и агрессивной среды. Они компенсируют тепловые расширения, снижают потери электроэнергии, уменьшают трудозатраты на обслуживание и повышают качество готового металла.
Для алюминиевых заводов, стремящихся к снижению себестоимости продукции и повышению надежности оборудования, замена традиционных жестких соединений на современные гибкие токоподводы в анодных и катодных цепях является одним из наиболее перспективных направлений технического перевооружения. Дальнейшие исследования и разработки в этой области, безусловно, приведут к появлению еще более совершенных конструкций, которые позволят алюминиевой промышленности достичь новых рубежей энергоэффективности.