<<
>>

4.1 Влияние настыли на физические поля в алюминиевом электролизере

Застывший слой электролита вдоль бортов электролизера (настыль) играет важную роль в работе ванны: •

защищает бортовые блоки от разрушения; растворенный в электролите или жидкий металлический алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида (АЦСэ), который растворяется в электролите.

Настыль является единственной надежной защитой бортовых блоков; •

служит естественным регулятором температуры электролиза. При повышении температуры настыль растворяется, что приводит к уменьшению теплового сопротивления, увеличению тепловых потерь и падению температуры. Перегрев электролита и увеличение коэффициента теплообмена на границе электролит-настыль или металл-настыль снижают толщину настыли. Именно этим объясняется тот факт, что в этом районе всегда наблюдается самая тонкая настыль; •

растворение настыли или ее кристаллизация - одна из главных причин изменения состава электролита; •

надлежащая настыль формирует форму рабочего пространства (ФРП), определяет небольшую скорость циркуляции металла, при которой достигается высокий выход по току.

С помощью разработанной модели физических полей и программы «Электролизер» было исследовано влияние настыли на физические поля в алюминиевом электролизере [127]. Рассмотрим влияние настыли на примере электролизера С160.

На рис. 4,1-4,3 изображены горизонтальные токи в металле рассчитанные с разной настылью. Горизонтальные токи в металле при настыли 0.3 м направлены от центра к боковым сторонам электролизера; при настыли 0.6 м - частично от центра, частично к центру (резкая смена направления горизонтальных токов происходит примерно по кромке настыли); при настыли 1 м горизонтальные токи в металле направлены к центру электролизера.

* * t Г / / >

ШШ'Ф Шшм

Г S / 11 Г t f / ?///*////it t / // t г I

WrW^mmmw/rmw/z/rVA

1 J t fffffff?/f/S/fffTrff//Sff/ff//ffffr/-rtt I

4

.

?. .

1 ч ч ч\1 \I

1 кч\\\| ч ч * \ s \ I

I f J t tf/fff?* I f t t

3

1 Ч * \ \ '

5 2

> * У * *

i t t ч » ч ц чч ч чччччччччч^ччччч^Ч^ЧН^ I

. . . \ \ \ ч^чччч^ччччччччччч^чч^чччлчч^ч >i »

t * s J * / g i I I I I II \

t //S//JJi j n I I \

> t s s J f ni i {

t t * t i I н IlII

?

1

0

Рисунок 4.1 - Горизонтальные токи в металле (настыль 0.3 м). 1 t i t г / •it l 11 /

I с , , W * * ,

I ; , ^ ' / -

! \\VVVVчч\С ^\Ч Л i \\v4\\\\\\ % ч. ^

\ \\\ч\\ч\\л u(uiif/; ^ \vv.v.44 4\ /sssssss.

3

з 2 1

I I *

H I \ S ч

I 1 11 HUMN i minimi\ss44v

' ' ' nnusw ЧЧЧ- - -

I I ttttt/Jd/f* rf'yy.

\ 1V44VVV\ k 4

V 4444V4Ч ч ч

г S / i t

' - — ** S J у / j

' 4

ЧЧЧЧЧЧЧчч i

НИМШ I X, M

Рисунок 4.2 - Горизонтальные токи в металле (настыль 0.6 м). I i I J ss s * * t I '

lllJ/jjtflll

3

A4\\44\44S44S4\s ч 4 \ t \ \ t

1 Ч'Ч.'Ч'Ч'Ч'ЧХЧ

3

s 2

эА

1 G Рисунок 4.3 - Горизонтальные токи в металле (настыль 1 м).

В таб. 4.1 показаны максимальные и средние значения плотности электрического тока в металле в зависимости от длины настыли. При увеличении длины настыли от 0 до 1.2 м максимальное значение х- компоненты плотности тока уменьшается. Максимальное значение у- и z- компоненты сначала уменьшается, а затем, после того как настыль заходит за кромку анода, увеличивается.

Таблица 4.1 - Максимальные и средние значения плотности электрического тока в металле. Настыль, м | j'm 1, А/м2 \j„y 1, А/м2 | jMZ 1, А/м2 Л. А/м2 макс. средн. макс. средн. макс. средн. макс. средн. 0 7727 2951 23446 12513 10967 5103 24487 14329 0.3 6112 2838 17553 8819 9403 4304 19129 10707 0.6 5521 2847 10030 3154 10783 4308 12766 6711 0.9 5568 2916 10121 3188 11810 4311 13909 6868 1.2 5666 2986 17906 6682 13813 4313 19332 9536 В катоде с увеличением длины настыли максимальные значения х- и у-

компонент плотности тока увеличиваются (таб.

4.2). Максимальное значение

z-компоненты, как и в металле, сначала уменьшается, а затем увеличивается.

Ток в катоде направлен в сторону блюмсов.

99 Таблица 4.2 - Максимальные и средние значения плотности электрического тока а катоде. Настыль, м \j'kx 1, А/м2 А/м2 \j'kz |, А/м2 L А/м2 макс. средн. макс. средн. макс. средн. макс. средн. 0 4525 246 11246 3756 21935 5959 24640 7101 0.3 5217 299 13282 4757 15720 4353 18766 7180 0.6 6413 434 15984 7125 15619 4360 18552 9682 0.9 6978 561 15945 9071 16035 4366 18696 11889 1.2 7264 680 15914 10611 19336 4370 21028 13959 Были проведены расчеты магнитного поля в электролизере с настылью разной длины. В таб. 4,3, 4.4 приведены максимальные и средние значения магнитного поля в электролите и металле в зависимости от длины настыли.

Таблица 4.3 - Максимальные и средние значения магнитного поля в электролите. Настыль, м 1 Вэх Тл 1 Вм Тл К ,Тл макс. средн. макс. средн. макс. средн. макс. средн. 0 0.0148 0.0034 0.0106 0.0029 0.0066 0.0026 0.0151 0.0061 0.3 0.0146 0.0034 0.0107 0.0029 0.0062 0.0026 0.0148 0.0061 0.6 0.0144 0.0035 0.0110 0.0030 0.0056 0.0026 0.0146 0.0062 0.9 0.0144 0.0036 0.0114 0.0030 0.0054 0.0026 0.0146 0.0063 1.2 0.0143 0.0037 0.0118 0.0030 0.0054 0.0026 0.0146 0.0064 Таблица 4.4 - Максимальные и средние значения магнитного поля в металле.

Настыль, м 1 Вт |, Тл 1 в^ 1, Тл 1 5*z Тл К ,Тл макс. средн. макс. средн. макс. средн. макс. средн. 0 0.0144 0.0027 0.0105 0.0027 0.0083 0.0027 0.0146 0.0054 0.3 0.0144 0.0029 0.0106 0.0027 0.0077 0.0027 0.0146 0.0056 0.6 0.0145 0.0034 0.0110 0.0027 0.0067 0.0027 0.0147 0.0060 0.9 0.0144 0.0041 0.0116 0.0027 0.0064 0.0027 0.0147 0.0065 1.2 0.0144 0.0047 0.0124 0.0027 0.0063 0.0027 0.0146 0.0069

На рис. 4.4-4.6 показано влияние настыли нал-компоненту магнитного поля в металле. Изменение ^-компоненты больше всего заметно в поперечном сечении электролизера при х = 4.45 м (середина длинной стороны электролизера).

Рисунок 4.4 -Х-компонента магнитного поля (пунктирная линия - без учета настыли, сплошная линия - настыль 0.4 м)

so

GO 40

30

С D

",500 OS 1 1.5 2 26 3 35 * у.м

Рисунок 4.5 - Х-компонента магнитного поля (пунктирная линия - без учета настыли, сплошная линия - настыль 0.8 м)

я?

-50 -10D

а? -зо -JO ?60 ?so -too -а.,

Рисунок 4.6 - Х-компонента магнитного поля (пунктирная линия - без учета настыли, сплошная линия — настыль 1.2 м)

В центре ванны и возле боковых сторон значение jc-компоненты не изменилось.

В направлении от центра к боковым сторонам модуль х- компоненты магнитного поля постепенно увеличивается до своего максимума, а затем резко спадает возле границы. Модули максимального и минимального значения л-компоненты в поперечном сечении электролизера увеличились.

Такое изменение л-компоненты обусловлено тем, что изменение настыли привело к увеличению модуля ^-компоненты плотности электрического тока в катоде. Возле глухой стороны электролизера (у = 0)>>- компонента плотности тока в катоде уменьшает значение х-компоненты магнитного поля в металле, возле лицевой стороны (у = 3,7) - увеличивает (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 - Влияние ^-компоненты плотности электрического тока в катоде на х-компоненту магнитного поля в металле.

Среднее значение модуля У-компоненты магнитного поля в металле практически не изменилось, так как больше всего из-за настыли изменилась ^-компонента плотности электрического тока, а в расчете ^-компоненты магнитного поля участвуют х- и z-компоненты плотности электрического тока.

На рис. 4.8-4.13 показана z-компонента магнитного поля в металле в поперечном сечении у входного (у = 0) и выходного (у = 8,9) торца электролизера. Именно в этих местах z-компонента магнитного поля претерпела наибольшее изменение.

Рисунок 4.8 - Z-компонента магнитного поля, х — 0 м (пунктирная линия — без учета настыли, сплошная линия - настыль 0.4 м).

Рисунок 4.9 - Z-компонента магнитного поля, х = 0 м (пунктирная линия - без учета настыли, сплошная линия - настыль 0.8 м).

»

Рисунок 4.11 - Z-компонента магнитного поля, х= 8.9 м (пунктирная линия - без учета настыли, сплошная линия - настыль 0.4 м).

Рисунок 4.10 - Z-компонента магнитного поля, х = 0м (пунктирная линия - без учета настыли, сплошная линия - настыль 1.2 м).

-3D ' 1 1 1 1 1 1

0 05 1 IS 2 2S 3 35 *

У.М

Рисунок 4.12 - Z-компонента магнитного поля, x - 8.9 м (пунктирная линия - без учета настыли, сплошная линия - настыль 0.8 м).

Рисунок 4.13 - Z-компонента магнитного поля, jc = 8.9 м (пунктирная линия — без учета настыли, сплошная линия — настыль 1.2 м).

-20,

1S г 2.5 Э 3.S 4 у.м

Как и в случае с я-компонентой магнитного поля, z-компонента не изменилась в центре ванны.

Вдоль торцов электролизера при настыли 0.8 м z- компонента магнитного поля разогнулась практически в прямую линию. Размах z-компоненты уменьшился как возле входного, так и возле выходного торца. Главную роль в таком изменении z-компоненты магнитного поля сыграла у-компонента плотности электрического тока в металле. Увеличение ^-компоненты плотности электрического тока в металле, направленной к центру ванны приводит к уменьшению размаха z-компоненты магнитного поля вдоль торцов электролизера (рис. 4.14).

Рисунок 4.14 - Влияние _у-компоненты плотности электрического тока в металле на z-компоненту магнитного поля в металле.

У входного торца электролизера z-компонента магнитного поля увеличивается с глухой стороны, а с лицевой стороны - уменьшается; у выходного торца, наоборот, с глухой стороны z-компонента уменьшается, а с лицевой - увеличивается.

В таб. 4.5, 4.6 показаны максимальные и средние значения плотности электромагнитных сил в электролите и металле. Z-компонента плотности электромагнитных сил в электролите равна нулю так как ток в электролите считаем вертикальным. Таблица 4.5 - Максимальные и средние значения плотности электромагнитных сил в электролите. Настыль, м \м !> н/м3 1U1.Шм3 1\, Н/м3 макс. средн. макс. средн. макс. средн. 0 51.3 10.1 53.6 11.9 53.6 18.4 0.3 51.8 10.2 54.3 11.9 54.3 18.5 0.6 52.8 10.3 56.5 12.5 56.6 19.2 0.9 54.0 10.4 58.5 13.2 58.5 19.9 1.2 55.1 10.5 59.4 13.9 59.4 20.5 Таблица 4.6 - Максимальные и средние значения плотности электромагнитных сил в металле.

Настыль, м |/*Д Н/м3 1/л.ДН/м3 \frnV Н/м' Л Н/м3 макс. средн. макс. средн. макс, средн. макс. средн. 0 179.4 40.6 144.9 17.3 169.3 35.4 223.5 64.4 0.3 137.1 29.0 89.6 14.0 121.6 25.5 141.8 47.1 0.6 88.8 16.5 92. L 15.2 45.7 12.1 97.0 29.9 0.9 82.3 16,5 88.1 16.6 72.3 17.6 100.9 33.4 1.2 142.1 24.2 82.7 17.7 144.3 32.9 152.0 49.6 Модуль плотности электромагнитных сил в электролите увеличивается при увеличении длины настыли. В металле с увеличением длины настыли модуль плотности электромагнитных сил сначала уменьшается до настыли 0.6 м, а затем увеличивается.

На рис.

4.15, 4.16 представлены линии циркуляции электролита и металла подсчитанные с разной настылью. Как видно из графиков линии циркуляции электролита (рис. 4.15) практически не изменяются при изменении настыли, а линии циркуляции металла (рис. 4.16) меняются. При настыли 0.3 м линии циркуляции металла представляют собой один большой контур, а при настыли 1 м они разделяются на несколько более мелких контуров. Настынь 1 м

2 4 6 6 X. М

2 4 6 8

X. М

Настыль 0,6 м

2 4 6 8 х. м

Ванна №2 Настынь 0,3 м

Ванна №1

Рисунок 4.15 - Линии циркуляции электролита. Ванна №1

Ванна №2

х, м

Настыть 1 м

2 4 6 0 X, М

„ , х, м

Настыпь 1 м Рисунок 4.16 - Линии циркуляции металла. 109 На рис, 4.17 изображена стационарная форма поверхности металла, рассчитанная с разной настылью. На рис. 4.18 представлена поверхность металла под анодами с глухой и лицевой стороны (сплошная линия - настыль 0.3 м, линия с точками — настыль 0.6 м, линия с маркерами — настыль 1 м). С глухой стороны у входного торца увеличение длины настыли вызывает уменьшение уровня поверхности металла» а у выходного торца — увеличение. С лицевой стороны у входного торца увеличение длины настыли наоборот вызывает увеличение уровня поверхности металла, а у выходного торца - уменьшение. Ванна №2 Настыль: 0,3 и

х, и

Рисунок 4.17 — Форма поверхности металла.

Ванна №1 Настыль: 0,3 и

Лицевая сторона

Рисунок 4.18 — Форма поверхности металла по сторонам электролизера.

В таб. 4.7 представлены значения размаха поверхности металла, максимальное значение скорости в электролите и максимальное значение скорости в металле с разной насты лью.

Таблица 4.7. Настыль, м Размах, м max v„ м/с max v*, м/с 0.3 0.0608 0.0265 0.0872 0.6 0.0573 0.0265 0.051 1 0.0776 0.0263 0.0586 Скорость в электролите меньше, чем скорость в металле (см. таб. 4.7). С увеличением настыли максимальное значение скорости в электролите изменяется незначительно. В металле с увеличением настыли максимальное значение скорости сначала уменьшается, а затем опять увеличивается.

<< | >>
Источник: Коростелев, Иван Николаевич. Математическая модель стационарных физических полей и критерий МГД—стабильности В алгоритмах динамической модели алюминиевого электролизера / Диссертация / Москва. 2005

Еще по теме 4.1 Влияние настыли на физические поля в алюминиевом электролизере:

  1. Основная идея диссертации
  2. Краткое описание диссертации по разделам
  3. 1 Обзор литературных источников
  4. 2.4 Описание программной реализации
  5. 4 Исследование состояний алюминиевых электролизеров
  6. 4.1 Влияние настыли на физические поля в алюминиевом электролизере
  7. 4.4. Влияние замены анодов на физические поля и устойчивость алюминиевого электролизера
  8. Выводы по разделу 4
  9. Заключение