BR112019018189A2 - Sistema e barramento para séries de eletrolisadores de alumínio - Google Patents

Abstract

O sistema de barramento consiste em uma parte do ânodo configurada para conectar os ânodos em uma série de eletrolisadores por meio de hastes de ânodo, uma parte catódica, consistindo de varetas com pacotes flexíveis, feitas com a capacidade de conexão com a parte anódica de um eletrolisador próximo em uma série por meio de um módulo de barramento que contém barramentos principais catódicos no lado de entrada e no lado de saída da embalagem catódica, conexões de barramento localizadas debaixo do leito do eletrolisador, pelo menos, um riser de ânodo localizado no lado de entrada e, no mínimo, um riser de ânodo localizado no lado de saída do eletrolisador. O sistema de barramento tem uma opção de alimentação de correntes de duas séries iguais de electrolisadores, consistindo de uma fileira de electrolisadores independentes uns dos outros, no tocante à a alimentação, e com o sentido de corrente oposto; contém barramentos de correção.

Description

SISTEMA DE BARRAMENTO PARA SÉRIES DE ELETROLISADORES DE ALUMÍNIO

[001] A invenção se refere à produção de alumínio pelo método de eletrólise do derretimento de sais de criolita em eletrolisadores colocados transversalmente na cuba de um eletrolisador.

[002] O sistema de barramento é um elemento condutor da estrutura de um eletrolisador e é composto por duas partes - anódica e catódica. Os eletrolisadores colocados em fileiras, um após o outro, ligados com condutores compostos por barramentos de alumínio ou de cobre de várias seções e incluídos num circuito elétrico em série: os barramentos catódicos de um eletrolisador ligam-se aos barramentos anódicos de um eletrolisador. Um grupo de eletrolisadores unidos num circuito elétrico, é chamado de série. A parte anódica do sistema de barramento inclui pacotes flexíveis, levantadores de ânodos e barramentos anódicos. A partir de barramentos anódicos a corrente elétrica é transmitida para as barras anódicas de alumínio e, em seguida, para os blocos de carbono anódicos pré-cozidos. A parte catódica do sistema de barramento é composta por pacotes de fitas flexíveis, que conduzem a corrente elétrica a partir de hastes de cátodo do fundo do forno para os sistemas de barramentos catódicos principais (bus) e a seguir - aos barramentos catódicos individuais.

[003] Existem muitos projetos de sistemas de barramentos de eletrolisadores. O sistema de barramento é elaborado para um determinado projeto de eletrolisador com a ajuda de modelos matemáticos computadorizados e depende do tipo de eletrolisador, da sua capacidade, localização na cuba e na série, da presença de estruturas vizinhas do eletrolisador, do clima da região, do distanciamento de fornecedores de matérias-primas, dos consumidores de produtos, do custo de energia, matérias-primas e produtos acabados.

[004] O desenvolvimento do sistema de barramentos guia-se pelas seguintes condições: - conformidade do projeto com as normas de segurança e de segurança elétrica;

- densidade de corrente elétrica adequada no sistema de barramento e nas peças condutoras do eletrolisador; - equilíbrio das Forças de Lorentz durante a fusão, i. e. campo elétrico e magnético ideal durante o derretimento; - capacidade de desconectar e conectar-se de forma rápida e segura ao circuito elétrico de um electrolisador individual ou um grupo de sem interromper a operação dos banhos vizinhos e sem desligar ou reduzir a carga da corrente elétrica na série; - atualmente, na Rússia fabricam-se barramentos principalmente a partir o alumínio А7Е, cujo coeficiente térmico de resistência elétrica é igual a 0,004. Isso significa que se alterarmos a temperatura dos barramentos em 10 °C, sua resistência irá variar em 4%, o que também deve ser levado em conta.

Na prática, isso realmente pode ser considerado apenas aproximadamente, pois a temperatura de qualquer barramento não depende apenas da densidade da corrente elétrica que passa por ele (a lei de Joule), e assim, em primeiro lugar, do seu equilíbrio térmico, que depende da forma, do peso e do material de barramento, bem como da dissipação térmica molecular ou aquecimento por qualquer outra fonte de calor, da dissipação ou geração de calor por radiação, transferência de calor convectiva, e influência de fontes de baixa temperatura; - idealmente, o design do sistema de barramentos catódico e anódico alcançaria uma distribuição perfeitamente uniforme de tensão ao longo de barras de aço e ânodos visando minimizar o impacto das correntes planares no metal, que comprometem a estabilidade magneto-hidrodinâmica do eletrolisador, assim piorando o seu desempenho. - o design de pacotes flexíveis do sistema de barramento anódico deve assegurar que eles estejam livres de danos mecânicos quando a moldura anódica se deslocar dentro do espaço pré-definido até os interruptores finais e batentes mecânicos; - a série de electrolisadores com o sistema de barramento deve estar devidamente isolada do aterramento e entre embalagens catódicas de cada um para reduzir a magnitude de vazamento e transição da corrente.

Vazamentos e desvios de corrente levam não só a perda direta da corrente, sem envolver as correntes no processo de eletrólise, mas também causam a instabilidade magneto-hidrodinâmica da massa derretida em electrolisadores nos locais próximos aos pontos de vazamento e de transição da corrente.

[005] Existe um sistema de barramento de eletrolisador de alumínio na posição transversal na cuba, contendo os barramentos principais (bus) com cátodos flexíveis colocados ao longo do lado longitudinal de entrada e do lado longitudinal de saída do eletrolisador, os risers de ânodo instalados no lado de entrada, através dos quais passam as mesmas correntes. O sistema de barramento anódico está ligado ao electrolisador anterior por meio de risers, de maneira que os risers extremos conectam-se com os barramentos principais (bus) catódicos do lado de entrada do eletrolisador através de pacotes de barramentos colocados ao longo dos lados terminais, e com barramentos principais (bus) catódicos do lado de saída do eletrolisador, enquanto os risers médios conectam-se com os barramentos principais (bus) médios do lado de entrada através de pacotes de barramentos colocados simetricamente sob unidades catódicas, as quais se encontram mais perto dos flanges do eletrolisador, e com barramentos principais (bus) catódicos do lado de saída do eletrolisador; o barramento é passado debaixo do fundo e colocado o mais próximo para a uma série vizinha de electrolisadores, transfere 15% da corrente do lado de entrada, enquanto o outro barramento transfere 10% da corrente do lado de entrada; debaixo do fundo do eletrolisador encontra-se um barramento intermediário, que passa na linha mediana entre o eixo da série e o flange do eletrolisador, do lado oposto a série vizinha de eletrolisadores; pelo barramento passa 5% da corrente do lado de entrada (Patente FR2552782, PECHINEY ALUMINIUM, MPK С25С 3/08, 1985).

[006] A desvantagem do existente sistema de barramento é a sua inaptitude para electrolisadores muito potentes, i.e. mais de 380 kA, pois os sistemas de barramento assimétricos tem uma restrição inerente do design devido a possibilidade de compensação da oscilação do campo magnético da série vizinha de electrolisadores.

[007] Há também um dispositivo para fornecimento/dissipação da corrente para/de electrolisadores para a obtenção de alumínio, com uma configuração transversal em 2 fileiras, contendo um sistema de barramento anódico adjacente aos ânodos através de barras anódicas, um sistema de barramento catódico de varetas catódicas com pacotes flexíveis, projetando- se em ambos os lados da embalagem catódica do eletrolisador com o seu fundo, barramentos anódicos principais (bus) no lado de entrada e no lado de saída da embalagem catódica do eletrolisador, barramentos conectores, um elemento de desvio, conexão do sistema de barramento anódico e do sistema de barramento catódico e do barramento do circuito de correção do campo magnético, localizados em paralelo do eixo transversal do eletrolisador nos flanges da embalagem catódica. A conexão do sistema de barramento anódico com o sistema de barramento catódico do próximo eletrolisador na fileira, faz-se na forma de módulos de barramentos compostos de dois semi- risers; um dos semi-risers sendo rigidamente anexado ao barramento principal (bus) catódico no lado de saída, que está anexado a quatro pacotes flexíveis, enquanto outro semi-riser é anexado através de barramentos colocados sob o fundo da embalagem catódica, e está acoplado em pacotes catódicos principais no lado de entrada, cada um dos quais anexa-se a 2 pacotes flexíveis, assim que os barramentos conectivos são colocados debaixo do fundo da embalagem catódica em paralelo ao eixo transversal do eletrolisador e em paralelo um a outro; o fluxo da corrente no circuito de correção é realizada na direção que coincide com a direção da corrente na série, enquanto a corrente no circuito de correção do campo magnético de preferência é de 20 a 70% da corrente da série (Patente FR 2583069, PECHINEY ALUMINIUM, 1986-12-12).

[008] A desvantagem do sistema de barramento é que ele usa barramentos independentes de correção do campo magnético compostos de 2 condutores, que passam ao longo de ambos os flanges dos electrolisadores no circuito na direção da corrente elétrica na série. A corrente de correção é de 20-70% da corrente de série. Por exemplo, dada uma corrente de série 500 кА, a corrente de correção pode chegar a 350 кА. Pela série passa uma corrente igual a 500+350=890 кА, que gera um campo magnético na estrutura correspondente de 500 кА, 890 кА, o que, em primeiro lugar, afeta negativamente funcionários industriais. O peso adicional do sistema de barramento devido o peso dos barramentos de correção será de cerca de 10 toneladas por cada electrolisador da série. Em qualquer caso, o uso de um circuito de correção aumenta o peso do sistema de barramento, consumo de energia elétrica, devido à queda de tensão no circuito de correção e aumenta custos de unidades fabris para a montagem do circuito de correção. Por exemplo, dada a intensidade da corrente de correção de 450 кА, os barramentos de correção serão compostos por 16 barramentos com seção transversal de 650 70 mm (largura de 1 pacote - de cerca de 2 metros, largura de 2 pacotes - de cerca de 4 metros).

[009] Na obra de Marc Dupuis "New Busbar Network Concepts Taking Advantage of Copper CollectorBars to Reduce Busbar Weight and Increase Cell Power Efficiency", Proceedings of 34th Iternational ICSOBA Conference, Quebec, Canada, 3-6 Outubro, em 2016, p.883, ISSN 2518-332X, Vol.41, No. 45 é apresentado um novo conceito de campo magnético da fileira vizinha de electrolisadores em série com otimização simultânea (redução do campo por componente Bz nos flanges do eletrolisador.)

[010] O primeiro método do novo conceito envolve o uso de risers anódicos apenas no lado de entrada do eletrolisador. Na forma mais simplificada do conceito, 100% da corrente de uma série volta para a estação de alimentação da corrente pelos barramentos adicionais de correção colocados sob o fundo do electrolisadores da corrente a plena carga.

[011] Conforme a segunda versão do novo conceito, os barramentos no lado de entrada de eletrolisador conduzem sob o fundo, a metade da corrente da série nos risers de um eletrolisador posterior, que se encontram no seu lado de entrada. Os barramentos do lado de saída de um eletrolisador conduzem a segunda metade da corrente de série nos risers do eletrolisador posterior debaixo do fundo, em risers localizados ao lado da saída do eletrolisador. Como no primeiro conceito, a corrente a plena carga da série passa no sentido oposto sob os fundos, por meio de barramentos adicionais de compensação colocados junto um a outro.

[012] Uma grande falha de ambas as variedades dos conceitos é que eles representam apenas um interesse teórico, i. e. não podem ser implementadas na prática. Devido ao fato de que a diferença de potencial entre os polos das estações de energia das séries mais modernas de electrolisadores é de 1000V ou mais. Por causa da proximidade do sistema de barramento catódico de série e os pacotes de barramentos de correção,

que retornam a corrente à uma fonte de alimentação, inevitavelmente ocorrerá entre eles um arco elétrico (plasma), algo inadmissível segundo as regras de segurança técnica e elétrica.

[013] Atualmente, não é conhecido nenhum método barato e confiável para uso industrial de isolamento entre condutores de grande corrente, com a diferença de potencial de 1000V ou superior, dada uma vasta superfície, curta distância entre eles e grande corrente.

[014] Há também a solicitação da patente WO2016/128824, C25C3/16, publ. em 18/08/2016. A fórmula de inscrição é composta basicamente de um conjunto de soluções técnicas, a saber: - no parágrafo 1, é dito que o sistema de barramento transversal possui risers de ânodo tanto no lado de entrada, como no lado de saída de um eletrolisador; - no parágrafo 19, é dito que o sistema de barramento do eletrolisador é uma estrutura elétrica modular.

[015] Porém, o p. 1 diz, que o sistema de barramento tem, pelo menos, um primeiro circuito de compensação que se encontra sob electrolisadores e é capaz de conduzir a primeira corrente de compensação sob electrolisadores no sentido oposto ao sentido da corrente total da eletrólise. - no p. 1 - um segundo circuito elétrico de compensação colocado, pelo menos, ao lado de electrolisadores e é capaz de conduzir a segunda corrente de compensação na direção da corrente de eletrólise.

[016] A presença de duas linhas de correção junto à própria série do eletrolisador acarreta em altos custos para três estações independentes de energia, considerando um estoque de emergência para cada uma delas e os custos de instalação de barramentos adicionais de 2 circuitos de correção, a perda de energia elétrica em 2 circuitos de correção e aparelhos para sua alimentação, o que é uma desvantagem na presente solicitação de patente.

[017] Na figura 6, na presente solicitação da patente, são apresentados electrolisadores, cujas barras de aço passam através do fundo, perpendicularmente ao plano da superfície de metal. A proteção contra os respingos de metal que podem ocorrer entre as barras de aço e o revestimento do banho provavelmente exige maiores custos, pois as barras de aço, o revestimento e a embalagem catódica variam muito em suas propriedades físicas, elétricas e térmicas. Durante a vida útil de um eletrolisador (6 ou 7 anos), a probabilidade de ocorrência de respingos de alumínio derretido, dissolução de barras de aço verticais e vazamento de metal é muito grande, pois essas peças do eletrolisador se movem constantemente umas em relação a outras, mudando de tamanho e geometria, suas propriedades físicas, o que é mais uma desvantagem da solicitação da patente já referida.

[018] O sistema de barramento do eletrolisador apresentado de acordo com a patente PT 2288976, que tem sido adotada como a estrutura padrão, coloca-se em 2 fileiras, de modo transversal na série, contendo a parte anódica do sistema de barramento anexa aos ânodos por meio de barras anódicas, já a parte catódica do sistema de barramento, consiste de varetas catódicas com pacotes flexíveis projetando-se em ambos os lados da embalagem catódica de eletrolisador. As varetas catódicas juntam-se ao sistema de barramento anódico do eletrolisador seguinte na fileira, através de módulos bus compostos de barramentos catódicos principais (bus), conexões de barramentos e risers de ânodos. Ao menos, um riser em cada módulo está localizado no lado de entrada do eletrolisador; pelo menos, um riser em cada módulo está do lado de saída do eletrolisador.

[019] Os risers de ânodos no lado de entrada são alimentados a partir de barras de aço, tanto do lado de entrada, como do lado de saída do eletrolisador anterior, enquanto os risers de ânodos no lado de saída alimentam-se a partir das barras de aço do lado de saída do eletrolisador anterior. 1/2 – 3/4 da corrente do módulo passa através dos risers de ânodos no lado de entrada, e através de risers do lado de saída passa 1/2 - 1/4 da corrente do módulo, conexões de barramentos se encontram debaixo do fundo do eletrolisador, onde pelo menos parte das conexões de barramentos dos módulos extremos consegue envolver os flanges do eletrolisador, preferencialmente, ao nível do metal fundido.

[020] As desvantagens do atual sistema de barramento segundo a estrutura padrão são: - capacidade limitada de criação de eletrolisadores com amperagem acima de 600 kA devido à necessidade de transmitir uma corrente mais alta através de pacotes de barramentos que envolvem os flanges do eletrolisador, devido à necessidade de estender o túnel vertical do eletrolisador, o que dificultará a estrutura do sistema de barramento, aumentando seu peso e exigirá uma distância (passo) maior entre os electrolisadores, afetando adversamente sua competitividade; - relativa complexidade estrutural do sistema de barramento .

[021] A atribuição e o resultado técnico da invenção é a formação de um campo magnético ideal no derretimento de electrolisadores colocados transversalmente na cuba para o desenvolvimento e construção de séries de eletrólise para uma força de tensão de 600 kA até 2000 kA, de preferência - 800 kA.

[022] Este resultado é conseguido graças a diferenças fundamentais entre o proposto pedido de patente da invenção do sistema de barramento e a estrutura do barramento padrão, nomeadamente:

1. O sistema de barramento necessariamente faz parte de um conjunto de 2 séries de electrolisadores unifiliares independente alimentadas;

2. Os barramentos catódicos de correção de cada série estão colocados junto ao sistema de barramento catódico da fileira vizinha de uma série;

3. A corrente em séries dirige-se nos sentidos opostos uma em relação à outra;

4. Os risers de ânodos no lado de entrada e no lado de saída de um eletrolisador estão localizados simetricamente ao plano YZ do eletrolisador.

[023] Dadas essas circunstâncias, não é possível obter um campo magnético ideal sem o uso de soluções técnicas, especificadas na interpretação restritiva da estrutura padrão da patente, nomeadamente:

5. Risers de ânodos, tanto no lado de entrada como no lado de saída do eletrolisador;

6. Capacidade de escolha do melhor regime de distribuição da corrente em risers de ânodos no lado de entrada e no lado de saída dentro de valores especificados na interpretação restritiva da fórmula do pedido de patente;

7. A opção de fazer passar uma parte da corrente elétrica em torno dos flanges do eletrolisador ao projetar um campo adequado no derretimento.

[024] A seguir, uma descrição dos desenhos.

[025] A figura 1 mostra o conceito de um conjunto de 2 séries de eletrolisadores na visão plana 3,5,1 e 4,6,2, onde debaixo de cada fileira da série 3 e 4 passam os barramentos de correção de uma série adjacente 5 e 6 junto do sistema de barramento catódico da respetiva série. As séries alimentam-se independentemente e cada uma está ligada a uma fonte elétrica separada 1 e 2.

[026] A figura 2 mostra um exemplo do sistema de barramento de 4 módulos que se refere ao pedido de patente visando uma amperagem de 800 kA com risers anódicos 16 e 17 localizados em ambos os lados do banho e barramentos de correção 5 e 6 colocados junto ao sistema de barramento catódico das fileiras de electrolisadores da série adjacente 3 e 4, respectivamente.

[027] A figura 3 mostra o esquema de conexão das fileiras de electrolisadores das séries 3 e 4 no âmbito do pedido na secção com risers no lado de entrada 16 e no lado de saída 17. Os barramentos de correção do campo da série vizinha 5 e 6, respectivamente.

[028] A figura 4 mostra um campo magnético em mT pelo componente do vetor de indução magnética Bz em meio ao nível de metal de um eletrolisador do modelo experimental industrial base pela patente padrão dimensionado para 550 kA.

[029] A figura 5 mostra um campo magnético em mT pelo componente do vetor de indução magnética Bz em meio ao nível de metal de um eletrolisador do modelo baseado no pedido de patente, dimensionado para 800 kA.

[030] A figura 6 mostra o campo magnético do componente By em mT do vetor de indução magnética de um eletrolisador similar ao eletrolisador proposto no pedido de patente com risers de ânodos apenas no lado de entrada 16 e barramentos de correção 5 e 6 da série adjacente, respectivamente.

[031] A figura 7 mostra o campo magnético do componente By mT do vetor de indução magnética do eletrolisador proposto no pedido de invenção com risers de ânodos 16 e 17, colocados em ambos os lados do eletrolisador simetricamente ao plano YZ, e barramentos de correção de 5 e 6 das filas da séries adjacentes 3 e 4, respectivamente.

[032] O sistema de barramento é composto por duas séries unifiliares 3,5,1 e 4,6,2 de electrolisadores consistentemente conectados, com alimentação independente. A corrente elétrica tem direções opostas nas séries. A série de electrolisadores 3,5,1 é alimentada por uma fonte independente de energia 1, e a série de electrolisadores 4,6,2 – a partir de uma fonte independente de eletricidade 2. A série de electrolisadores 3,5,1 retorna à corrente na fonte de alimentação 1, graças aos barramentos de correção 5 que passam junto de sistemas de barramento da fileira vizinha de uma série de electrolisadores 4. Da mesma forma, a série de electrolisadores 4,6,2 retorna à corrente na fonte de alimentação 2, através de barramentos de correção 6 colocados junto de sistemas de barramentos catódicos da série composta da fileira de electrolisadores 3.

[033] Por exemplo, a Fig. 2 mostra um sistema de barramento de quatro módulos dimensionado para 800 кА. Dependendo do número de módulos selecionados, ele pode ser desenvolvido para electrolisadores dimensionados para 1000 – 1500 kA e acima, por exemplo, 2000 kA, i.e. em qualquer grandeza de tensão que seja admissível técnica, tecnológica e economicamente. Não está descartado o projeto de séries a partir de sistemas de barramento unimodulares.

[034] O sistema de barramento na Fig. 2 e Fig. 3 inclui o sistema de barramento anódico 7 com ânodos 8 e barras anódicas 9, um sistema de barramento catódico de varetas catódicas 10 com pacotes flexíveis 11, módulos de barramentos A, B, C e D. Cada módulo inclui barramentos principais catódicos no lado de entrada 12 e no lado de saída 13 da embalagem catódica 14, conectores do barramento 15, risers de ânodo no lado de entrada 16 e no lado de saída 17, colocados simetricamente ao plano de simetria YZ. As conexões de barramentos 15 estão colocadas junto ao sistema de barramento catódico das séries 3 e 4. Risers de ânodo no lado de entrada 16 são conectados aos barramentos catódicos 13 no lado de entrada do eletrolisador anterior. Risers de ânodo no lado de saída 17 são conectados aos barramentos catódicos do lado de entrada 12 de um eletrolisador anterior. Junto ao sistema de barramento catódico estão os barramentos de correção 5 e 6 da série vizinha de electrolisadores.

[035] Como mostrado na fig. 1, fig. 2 e fig. 3, por meio de pacotes flexíveis 11 a corrente elétrica a partir de varas catódicas 10 será transmitida aos barramentos catódicos principais 12 e 13, e por uma conexão de barramentos 15, através de risers de ânodo 16 e 17, é transmitida ao sistema de barramento anódico 7 e, em seguida, a barras 9 e ânodos 8 de um eletrolisador seguinte da série. Nos barramentos de correção 5 e 6 a partir das fileiras adjacentes 3 e 4 da séries de electrolisadores, a corrente elétrica será canalizada no sentido oposto ao vetor da corrente da série.

[036] Deve-se notar que a solução técnica disposta no pedido da invenção baseia-se no fato de que electrolisadores de baixa potência, devido a relativamente baixa intensidade do campo magnético, pequena densidade de correntes horizontais e limitado volume de metal líquido, não exigem um sistema de barramento excessivamente complicado. Bons resultados com a eletrólise são atingidos, mesmo no caso de retirada unilateral da corrente do cátodo e fornecimento unilateral de tensão ao sistema de barramento anódico. Tais electrolisadores podem ser colocados na cuba longitudinalmente em 2 ou 4 fileiras, o que, não afeta muito na influência recíproca de campos magnéticos.

[037] No âmbito deste pedido os electrolisadores de grande capacidade (até 2000 kA) são compostos a partir de séries paralelas de electrolisadores de baixa potência (módulos), onde a corrente é dirigida em um sentido único. Os banhos adjacentes (módulos) de cada série são combinados num banho único, como é mostrado na Fig.2.

[038] Problemas com a instabilidade magneto-hidrodinâmica em cada eletrolisador (módulo) fraco são reduzidos ao mínimo; não haverá problemas significativos com a instabilidade magneto-hidrodinâmica em um eletrolisador potente, que por sua vez, é composto de eletrolisadores (módulos) de baixa potência.

[039] A solução mais efetiva seria colocá-los num banho comum transversalmente ao eixo da cuba eletrolítica. Isto permite reduzir significativamente a contribuição da intensidade do campo magnético proveniente do sistema de barramento catódico.

[040] As condições básicas para assegurar o melhor estado do campo magnético no metal para electrolisadores transversalmente colocados na cuba com a capacidade de até 500 kA são:

[041] - o campo magnético vertical (Bz) e transversal (Bx) no metal não deve exceder 1,5 mT;

[042] - a direção do campo vertical por componente (Bz) deve ser alternante em relação a cada quarta parte do banho (tipo hélice);

[043] - o campo por componente longitudinal (By) deve ser assimétrico em relação ao plano de simetria YZ.

[044] Para electrolisadores com tensão superior a 500 kA, estes critérios podem não ser suficientes para garantir o bom desempenho.

[045] Quando o componente vertical Bz do campo magnético que atua sobre uma camada de metal fundido, tem a mesma indicação de sentido (positivo ou negativo) no largo trecho do eletrolisador, especialmente ao longo dos lados longitudinais do eletrolisador, no estado fundido podem ocorrer oscilações coerentes que aumentam na superfície do metal fundido devido ao acúmulo de um momento longitudinal ao longo do eletrolisador. Eles também contribuem para a baixa estabilidade magneto-hidrodinâmica dos eletrolisadores e, consequentemente, para seu mau desempenho. Portanto, o aumento da estabilidade magneto-hidrodinâmica do eletrolisador, por meio da otimização do campo no metal líquido é conseguido através da criação de uma frequente mudança da indicação do componente Bz do campo, ao longo dos lados longitudinais do eletrolisador; a mudança de indicação deve ser assimétrica em relação ao plano YZ do eletrolisador.

[046] No presente pedido de patente, esse problema é resolvido da seguinte maneira. O projeto de dispositivos anódicos e catódicos de electrolisadores é constituída por grandes massas ferromagnéticas, que possuem significantes propriedades protetoras do metal do campo magnético do sistema de barramento catódico.

[047] Ao contrário do campo magnético do sistema de barramento catódico, o campo de risers do ânodo, em que sumariamente passa toda a corrente da série, e entre o metal e risers não há telas ferromagnéticos, reduzindo o efeito do campo magnético de risers no metal, o campo de risers de ânodo, principalmente, gera um campo magnético vertical (Bz) no metal. Do lado direito, durante o curso de tensão pelo riser, no metal é formado o campo (Bz) dirigido para baixo (sinal negativo), e com o lado esquerdo do riser – o campo dirigido para cima (sinal positivo). Escolhendo a distância correspondente e a força de tensão nos risers num lado longitudinal, é possível obter esse tipo de campo sinusoidal no metal por componente (Bz)

com amplitude não superior a 3,0 - 3,5 mT. Se no lado oposto do eletrolisador, simetricamente ao plano YX forem posicionados semelhantes risers de ânodo, então no resultado no electrolisador será formado um campo magnético assimétrico vertical relativamente aos planos YZ e XZ, como é mostrado na Fig. 4.

[048] Contudo, ao aumentar a capacidade do eletrolisador por meio da instalação de módulos adicionais e de alongamento do banho do eletrolisador, aumentaremos o valor vertical de componentes de indução magnética, especialmente, nos módulos extremos do eletrolisador A, D - Fig. 2.

[049] Assim, à medida que a amperagem aumentar, deve-se atenuar as interferências do campo da fileira adjacente da série, tendo aumentado a distância entre as fileiras de electrolisadores para transmitir a corrente a partir de um maior número de barras de aço aos pacotes envolventes nos flanges do eletrolisador a fim de compensar o crescente componente Bz do campo. Isso afetará negativamente a massa do sistema de barramento e custos unitários por unidade de área na cuba de eletrólise.

[050] No presente pedido de patente, estes dois problemas são resolvidos por meio da instalação de pneus de correção sob os barramentos catódicos de uma série de eletrolisadores da série adjacente, como é mostrado na fig. 1,2,3, dentro de 80-100% de pneus totais. A corrente de correção direcionada para o lado oposto ao da corrente canalizada no sistema de barramento catódico de uma fileira de electrolisadores de uma série adjacente.

[051] Assim como a diferença de potencial entre os polos de uma estação de energia que alimenta modernas séries de electrolisadores pode chegar a 1000V e acima, os barramentos de correção devem ser conectados à uma única fonte própria de energia para eliminar a diferença de potencial entre o sistema de barramento catódico e barramentos de correção, a fim de evitar a ocorrência de um arco elétrico, especialmente nos electrolisadores, que estão junto à fonte de alimentação.

[052] No presente pedido para resolução deste problema, solicitamos o uso da segunda série de eletrólise, com alimentação independente. Ou seja, o sistema de barramento especificado no pedido é composto por 2 séries de eletrólise unifiliares. A corrente elétrica em série é dirigida (no plano) no sentido horário, e na outra série é dirigida contra o sentido horário, como é mostrado na Fig. 1, onde vemos electrolisadores de duas séries - 3 e 4.

1. As segundas fileiras em cada série são substituídas por barramentos de correção 5 e 6, que estão localizados, em maior grau, sob o fundo de fileiras adjacentes da série de electrolisadores 3 e 4. No barramento catódico e nos barramentos de correção, as correntes são iguais e direcionadas em direções opostas, então, seguindo a regra de "Regra de Fleming" a corrente de barramentos do sistema catódico e barramentos de correção irá compensar o campo magnético em torno de si mesma. Os barramentos de correção, em primeiro lugar, compensam o campo magnético vertical no leito fundido dos electrolisadores até melhores valores e, em segundo lugar, subtraem o campo ao redor de cada uma das duas fileiras 3 e 4 das séries de eletrólise, eliminando assim a influência do campo magnético sobre a próxima série de electrolisadores.

[053] Isto permite a instalação de fileiras de electrolisadores em estreita proximidade entre si, por exemplo, em uma cuba de eletrólise. No entanto, os barramentos de correção otimizam não apenas o componente vertical (Bz) do campo no metal, mas também afetam o componente longitudinal (By) formado, principalmente, por grandes correntes e correntes de varetas catódicas, ou seja, a subtraem no lado de entrada longitudinal do eletrolisador, e no lado de saída aumentam-na, acrescentando-se à ela, pois têm o mesmo sentido. A figura 6 mostra o campo de By no metal do eletrolisador com risers, instalados no lado de entrada de eletrolisador, caso este possua barramentos de correção. Como pode ser visto, o campo deste componente tem em 100% um sentido positivo. Se no lado de entrada é de (- 2-0mT), no lado oposto longitudinal ele atinge (+36-+38 mT). Quando houver interação com a corrente vertical, no metal surge a força de Lorentz dirigida no plano a partir do lado de entrada longitudinal para o lado de saída longitudinal, o que irá causar um desalinhamento do metal, a dizer, o seu deslocamento do lado de entrada longitudinal para o lado de saída. Neste caso, o lado de entrada longitudinal torna-se "quente" e o lado de "saída" torna-se frio. Este fato leva a uma violação da simetria do equilíbrio térmico no electrolisador, da forma do espaço de trabalho e do campo elétrico no interior do metal, ou seja, a ocorrência de correntes planares, que, como é sabido,

reduzem a resistência eletromagnética de electrolisadores e seu desempenho.

[054] No presente pedido de patente, este problema é resolvido com uso de risers de ânodo encontrados no lado oposto, i.e. no lado de saída do eletrolisador 7, como é mostrado na Fig. 2, 3. Neste caso, a corrente residual nos risers do lado de entrada é reduzida, cerca de 2 vezes, e, portanto, contribui para o crescimento do campo de Bx no lado de entrada, porque o campo de risers de ânodo do By será somado ao campo análogo de barramentos de correção. No lado de saída o campo dos risers de ânodo, pelo contrário, será subtraído do campo de barramentos de correção. Regulando a tensão nos risers de ânodo do lado de entrada e no lado saída do eletrolisador, dentro dos limites definidos pela fórmula do pedido de patente, pode-se atingir um campo magnético assimétrico em relação ao plano YZ ao longo dos lados longitudinais, e, portanto, uma inclinação simétrica da superfície do metal, como é mostrado na Fig. 7.

[055] No livro "Light metals - 2017", editor Anre P. Ratvik, p. 26, ISSN 2367-1181 ISSN 2367-1696 (electronic) The Minerals, Metals & Materials Series, ISBN 978-3-319-51540-3 ISBN 978-3-319-51541-0 (eBook) etão publicados os principais indicadores de desempenho da planta-piloto do grupo de electrolisadores 550 kA, cujo sistema de barramento é instalado de acordo com a patente padrão deste pedido (RU 2288976). Os testes já estão em andamento há mais de dois anos.

[056] Dado o campo magnético indicado na Fig. 4, que foi medido no componente Bz, que por sua vez, é semelhante ao campo do pedido de patente (Fig.5) o grupo projeto-piloto considera os seguintes indicadores: - intensidade de corrente – 550 kA; - saída de corrente – 94,5%; - tensão – 3,8 B; - consumo específico de energia elétrica – 12,000 MWh/kg.

[057] Desde o início dos testes com estes electrolisadores, os pesquisadores não conseguiram alcançar uma instabilidade magneto- hidrodinâmica. Durante seu funcionamento normal, o ruído é de 5 a 6 mV. Em casos de desvio - não superior a 20 mV.

[058] Medições e cálculos práticos apontam para a mesma natureza qualitativa e quantitativa do campo magnético nos componentes do campo Bz e Bx no leito fundido do eletrolisador da estrutura padrão e do eletrolisador do pedido de patente 800 kA, como é mostrado na Fig. 4, 5 e 7.

[059] Essas correspondências com alta confiabilidade, preveem que o desempenho do eletrolisador com o sistema de barramento do pedido (até 2000 kA) não é inferior, se comparado ao do eletrolisador padrão.

Claims (3)

REIVINDICAÇÕES

1. O sistema de barramento de electrolisadores de alumínio transversalmente dispostos em séries, incluindo a parte anódica que permite reunir ânodos em uma série de electrolisadores por meio de barras de ânodo flexiveis da parte catódica, que consiste de varetas catódicas com pacotes flexíveis, podendo ser anexada à uma parte anódica do eletrolisador seguinte da série através de um módulo bus que contém barramentos catódicos principais (bus) do lado de entrada e do lado de saída da embalagem catódica do eletrolisador, conexões de barramentos que se encontram debaixo do fundo do eletrolisador, uma parte dos quais em módulos bus extremos é capaz de envolver os flanges do eletrolisador e com a possibilidade de colocá-la ao nível de metal fundido, em ao menos, um riser de ânodo no lado de entrada e um um riser de ânodo no lado de saída do eletrolisador, simetricamente em relação ao plano de simetria YZ do eletrolisador, que podem ser alimentados a partir de barras de aço do lado de entrada e do lado de saída de um eletrolisador anterior da série e com a capacidade de conduzir no lado de entrada através de risers de ânodo 1/2 – 3/4 da corrente de um módulo bus, e no lado de saída através de risers de ânodo – 1/2 – 1/4 da corrente de um módulo bus, caracterizado por poder alimentar 2 séries idênticas de eletrolisadores de alumínio, que consistem de uma fileira de electrolisadores de alumínio com alimentação independente de cada um e com o sentido da corrente oposto; também contendo barramentos de correção colocados junto à parte catódica de uma fileira de electrolisadores de uma próxima série, assegurando a compensação do campo magnético.

2. O sistema de barramento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os barramentos de correção se encontrarem em paralelo aos barramentos do sistema catódico.

3. O sistema de barramento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os pacotes de barramentos de correção poderem ser dispostos parcialmente sob o fundo e ao longo de flanges de eletrolisadores.