Электромагнитные и газо-гидродинамические явления в электролизере

На технологический режим и технико-экономические показатели работы электролизеров значительное влияние оказывают процессы тепло- и массопереноса, определяемые гидродинамикой расплава [1], которая влияет на растворение и транспорт глинозема, потери метал­ла, усреднение состава электролита, формирование температурного поля и рабочего пространства ванны, теплообмен в ней и потери теп­ла в окружающую среду. Причем роль гидродинамических процессов резко возрастает с увеличением размеров и мощностей электролизе­ра.

Гидродинамические потоки расплава в электролизере форми­руются в результате совместного воздействия трех сил: газо­гидродинамической, электромагнитной (пондеромоторной) силы и кон­векции, обусловленной наличием температурных и концентрационных градиентов. Электромагнитные силы в расплаве возникают в резуль­тате взаимодействия магнитного поля, создаваемого током, проте­кающим по конструктивным элементам электролизера, с токами, про­ходящими через электролит и металл. Выделяющийся на аноде диок­сид углерода в виде пузырьков, их рост и движение по подошве анода и в пространстве "борт-анод", являются причиной возникновения газо­гидродинамических сил. Рассмотрим особенности возникновения этих процессов в промышленных электролизерах.

Газовая гидродинамика

В современных мощных электролизерах на силу тока 200- 300 кА с подошвы анода выделяется 3,3-5 м³/мин. газа. Даже при от­сутствии электромагнитных сил и свободной конвекции, под воздейст­вием таких объемов выходящих из-под анода газов, образуется мощ­ное движение двухфазного газожидкостного течения в междуполюсном зазоре и пространстве "борт-анод", которые практически не под­даются расчету.

Центрами образования газовых пузырьков являются неровно­сти на аноде. Газовая фаза под анодом в зависимости от ряда факто­ров, находится в виде пузырьков или протяженных пленок, но может иметь место и комбинация этих структур. Толщина пленок мало зависит от плотности тока и состав­ляет около 5 мм для анодов Содерберга, и 3-4 мм для обожженных анодов. Скорости перемещения по подошве анода пузырьков и пленок зависит от их размеров - чем они крупнее, тем выше их скорость, ко­торая составляет от 6-8 см/с для маленьких пузырьков, и до 20-25 см/с для больших пузырей [2].

Количество газа, находящегося в расплаве (газонаполнение), зависит от многих причин. Для электролизеров Содерберга на 150-160 кА составляет около 45%. С увеличение глубины погружения анода газонаполнение заметно возрастает, а с повышением темпера­туры, наоборот, газонаполнение уменьшается.

Электромагнитные силы в электролизере

Изучение магнитных полей в алюминиевых электролизерах и применение полученных результатов в практической деятельности было одним из главных факторов улучшения выхода по току и сокра­щения потребления энергии при производстве алюминия, достигнутые за последних два десятилетия [3, 4]. В этом разделе рассмотрены ос­новы электромагнетизма в приложении к производству алюминия электролизом. Более подробные сведения можно найти в многочис­ленных публикациях, в журналах и научно-технических сборниках.

Прежде чем приступить к изучению влияния магнитного поля на работу алюминиевого электролизера, рассмотрим определение пара­метров и понятий, которые специфичны при изучении электромагне­тизма.

Магнитные свойства материалов. Известно [5], что все веще­ства в отношении их магнитных свойств делятся на три группы: диа­магнитные, парамагнитные и ферромагнитные. У диамагнитных ве­ществ относительная магнитная проницаемость μ_r немного меньше единицы (Сu, Bi), а у парамагнитных веществ μ_r - немного больше единицы (Al, Si, С, Mg, Na, Li). У ферромагнитных веществ (Fe, Ni, Со) μ_r много больше единицы и доходит до 10⁴, а у некоторых материалов даже до 10⁶. Согласно существующей классификации все вещества делятся на: ферромагнитные, у которых μ_r много больше единицы, и неферромагнитные, у которых μ_r практически равно единице [5].

Магнитное поле - особое состояние материи. На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, прямо пропор­циональная вектору тока.

Связь магнитного поля с током. Магнитное поле создается током, который не обязательно должен протекать в непосредственной близости от пространства, где присутствует поле.

Основные величины, характеризующие магнитное поле – это магнитная индукция В и намагниченность J. Магнитная индукция - векторная величина, определяемая по силовому воздействию магнит­ного поля на ток. Намагниченность - магнитный момент единицы объ­ема вещества. Кроме этих двух величин, магнитное поле характеризу­ется также напряженностью магнитного поля I. Эти три величины В, J, I связаны друг с другом следующей зависимостью [2]:

B=μ₀*(H+I)= μ₀* μ_r*H (8.2)

где μ₀- постоянная, характеризующая магнитные свойства веще­ства в вакууме;

μ_г-относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина). Для алюминия, который является парамагнитным веществом, μ_r = 1 и поэтому ее можно не учитывать.

Так как магнитная индукция, в нашем случае, рассматривается не в вакууме, а в электролизере, а для алюминия μ_r = 1, можно утвер­ждать, что

В = H (8.3)

Единицей измерения магнитной индукции В является тесла (Тл - в системе СИ). Применяются и другие единицы измерения, соотношения между которыми приведено ниже:

1 Тл = 1 Вб/м² = 1В*с/м² = 1 Н/А*м² = 10⁴ Гс = 10⁸ Мкс/м², (8.4)

где Вб - вебер;

В - вольт;

с - секунда;

Н - ньютон;

Гс - гаусс;

Мкс - максвелл.

В зарубежной практике магнитную индукцию в алюминиевом электро­лизере обычно измеряют в гауссах.

Одним из основных проявлений магнитного поля является его воздействие на проводник с током, помещенным в это поле. Опыт по­казывает, что сила F, с которой магнитное поле воздействует на элемент проводника длиной dl с током I, определяется следующим выражением:

F =I*(dl*B)=I*(dl*H) (8.4)

Для расчетов удобнее рассматривать силу f, действующую на 1 см³ расплава:

f=0.1*(i*H), (8.5)

где f - электромагнитная сила, Н/см³;

i - плотность тока в расплаве, А/см²;

Н- напряженность магнитного поля, А/см.

Следует обратить внимание на то, что электромагнитная сила - векторная величина, которая пропорциональна произведению плотно­сти тока на напряженность магнитного поля. Протекающий по алюми­ниевым электролизерам ток, создает магнитное поле, напряженность которого пропорциональна этому току. А так как электромагнитная си­ла f равна произведению значений силы тока и напряженности маг­нитного поля, то возникающие электромагнитные усилия (при прочих равных условиях) пропорциональны квадрату силы тока. Поэтому по мере увеличения силы тока на электролизерах, электромагнитные си­лы возрастают в квадрате, что вызывает необходимость более тща­тельного подхода к расчету электромагнитных сил, возникающих в расплаве.

Определение и анализ электромагнитных сил удобнее произ­водить по их проекциям на координатные оси, которые в общем слу­чае выражаются уравнениями:

fx = 0,1-(i_yH_z-i_zH_y),

f_y=0,1(i_zH_x-i_xH_z), (8.7)

fz = 0,1(i_xH_y-i_yH_x),

где i_x, i_y, i_z, H_x, H_y, H_z - продольная, поперечная и вертикальная со­ставляющие плотности тока (А/см²) и напряженности магнитно­го поля (А/см), соответственно.

Направление силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током, всегда перпендикулярно к направлению тока и к направлению магнитного поля. При определении направления элек­тромагнитной силы обычно рекомендуется пользоваться правилом правой или левой руки. Такая неопределенность зависит от принятого направления тока. Если условно за направление тока принято направ­ление движения положительных зарядов, то, в этом случае, следует пользоваться правилом правой руки. Если же за направление тока принято направление движения электронов, то следует пользоваться правилом левой руки. Связь между направлением тока (положитель­ных зарядов) и направлением созданного им магнитного поля опреде­ляется правилом буравчика.

Электромагнитная сила возникает в любой точке электролизе­ра, но ее воздействие проявляется только в расплаве, в котором из­меняется форма поверхности металла, деформируется междуполюсное расстояние (МПР), возникает циркуляция и т.д. Электромагнитные силы возникают и в других частях электролизера, но они не приводят к каким-либо последствиям, и поэтому их не следует учитывать.

В жидком металле имеет место взаимодействие двух физических полей - электрического и магнит­ного. Взаимодействие магнитного поля проводника и протекающего через него тока генерируют так называемую силу Лапласа (электро­магнитную индукцию), действующую на единицу объема расплав­ленной среды перпендикулярно движению тока (правило правой руки). Именно силы Лапласа вызывают перемещение расплавленно­го металла.

Схематически характер возникновения и воздействия электро­магнитных сил на расплавленный металл и электролит в электролизе­ре ВТ изображен на рисунке 8.5.

Рисунок 8.5 - Схема действия сил Лапласа в расплаве электролизера

На рисунке 8.5 показано взаимо­действие магнитного поля, создаваемого током, протекающим по анодным шинам, с вертикальным током в металле. Хорошо видно (ис­пользуя правило буравчика), что вектор напряженности магнитного поля от тока анодных шин направлен параллельно поперечной оси ванны справа налево (Н₁), а от тока катодной шины (Н₂) - вертикально

вниз. Применив правило левой руки, получим, что от взаимодействия магнитного поля, создаваемого током в анодных шинах, с вертикаль­ным током в металле (i₁) возникают электромагнитные силы, перпен­дикулярные к плоскости рисунка в сторону от читателя (f₁). От взаимо­действия же магнитного поля катодной шины (Н₂) с поперечным током в металле (i₂) возникают силы противоположенного направления (f₂).

Воздействие сил Лапласа весьма многообразно. В значи­тельной мере это связано с тем, что ток в расплавленном металле протекает не строго вертикально, а под некоторым углом, в направ­лении меньшего электрического сопротивления, например к тем участкам подины, которые свободны от настылей и осадков. Поэто­му вектор плотности тока в металле можно разложить на три со­ставляющие: Iz - вертикальная и Iу и Iх - две горизонтальные (попе­речная - Iу и продольная - Iх).

Наиболее сильное влияние оказывает взаимодействие вер­тикальной составляющей магнитной индукции Bz с горизонтальны­ми токами в металле Iх и Iу. В результате взаимодействия с попереч­ным током Iу (от центра к борту), значение которого зависит пре­имущественно от состояния бортовых настылей, возникают про­дольные электромагнитные силы, сдвигающие металл к центру ван­ны (к поперечной оси) и увеличивающие продольный перекос алю­миния. Если направление поперечного тока от борта к центру, то его взаимодействие с Bz вызывает силы обратного направления. В обоих случаях имеют место значительные колебания поверхности рас­плавленного алюминия.

Взаимодействие Bz с горизонтальным током, протекающим в том же направлении, что и ток серии, вызывает поперечные элек­тромагнитные силы, которые на входной половине ванны направле­ны к продольной оси, а на выходной - к бортам ванны. При обрат­ном направлении тока электромагнитные силы будут действовать в противоположном направлении.

Профиль скорости циркуляции металла формируется под дей­ствием вихревой силы. Эпюра циркуляции металла носит многоконтурный характер, т.е. в пределах одного электролизёра имеет место несколько контуров циркуляции.

Рисунок 8.6 - Схемы циркуляции электролита (а) и катодного металла (б) в электролизерах ВТ на силу тока 150 кА

Максимальная скорость циркуляции может достигать 15-20 см/с и более. На рис. 8.6, б приведен пример многоконтурного поля циркуляции металла в ванне.

Горизонтальные составляющие магнитной индукции By и Bх, взаимодействуя с вертикальным током Iz, вызывают электромаг­нитные силы, направленные к поперечной и продольной осям, т.е. к середине ванны. При этом поверхность металла приобретает купо­лообразную форму или форму выпуклой арки, как вдоль продоль­ной, так и поперечной осей ванны. Однако возникающие в расплав­ленном металле горизонтальные токи Iу и Iх при взаимодействии с вертикальной составляющей магнитной индукции Bz вызывают си­лы других направлений и меняют конфигурацию перекоса. На про­мышленных электролизерах перекос металла составляет 2-5 см и более. На рис. 1.4 показан пример реальной конфигурации зеркала металла и перекоса границы раздела «металл-электролит».

Рис. 1.4. Конфигурация зеркала металла на промышленном электролизере

Для обеспечения устойчивой ра­боты ванн необходимо применить следую­щие мероприятия: увеличить МПР, повысить уровень металла, сни­зить анодную плотность тока, улучшить параметры ошиновки (Bz); сблизить площадь катодного металла с проекцией анода или анодно­го массива; увеличить разность плотностей металла и электролита (повысить к.о., увеличить температуру элек­тролита). Необходимо учесть, что выполнение всех перечисленных требований одновременно мало вероятно, а часть из них не может быть выполнена по ряду известных условий (к.о., анодная плотность тока и т.д.)

На нормально работающей ванне высота волн в пространст­ве между анодом и бортом составляет 4 см и более, а под анодом примерно в два раза меньше. При усилении МГД-нестабильности электролизёра высота волн соответственно возрастает. Однако на электролизёрах малой мощности возможность короткого замыкания металла с анодом мало вероятна. Это говорит о том, что при относи­тельно небольшой силе тока отсутствуют значительные электромаг­нитные силы, способные привести к развитию МГД-возмущений, как по перекосу металла, так и устойчивости поверхности раздела металл/электролит. Однако на электролизёрах повышенной мощно­сти такая вероятность всегда существует.

Роль ошиновки в оптимизации магнитного поля

Кроме основного своего назначения - подвода тока к электро­лизеру, система ошиновки должна обеспечить хорошо сбалансиро­ванное магнитное поле. С увеличением силы тока масса ошиновки достигает 50 т, и поэтому она должна быть, по возможности, простой, поскольку ее стоимость составляет около 10% общих затрат на соору­жение серии. Малое сечение ошиновки приведет к большим потерям напряжения в серии, а низкая плотность тока в ней увеличит расходы на ее сооружение, но уменьшит потери энергии.

Обычно ванны Эру-Холла силой тока до 150-160 кА располага­ют в корпусе продольно в два ряда. Расстояние между рядами состав­ляет около 10 м, для обеспечения проезда транспорта и обрабаты­вающей техники. Однако и такое значительное расстояние приводит к влиянию магнитного поля соседнего ряда ванн. Так, при расстоянии 10 м и токе 125 кА соседний ряд ванн будет образовывать в расплаве напряженность, равную 25 Гс, что не может не сказаться на техноло­гическом состоянии ванн.

Поэтому при повышении тока выше 150 кА в зарубежной прак­тике нередко используют поперечное расположение ванн с размеще­нием стояков по длинным сторонам электролизера. Это позволяет за счет рационального расположения катодной ошиновки частично ком­пенсировать негативное влияние магнитных полей. Однако при таком расположении ванн необходимо использовать комплексные мостовые краны, так как стояки, расположенные на длинных сторонах ванны, за­трудняют обработку. Влияние конструкции токоподвода на топогра­фию поверхности расплавленного металла показано на рисунке 8.7.

На электролизерах с односторонним токоподводом (рисунок 8.7 а), преимущественно на электролизерах БТ, перекос металла име­ет место в выходном торце. Для этого типа ванн значение Н_у на вход­ном торце достигает 170 Гс и значительно меньше (до 90 Гс) - на вы­ходном. Это объясняется тем, что Н_у на входном торце является сум­мой напряженностей от тока по стоякам и по аноду, которые одинако­во направлены, а в выходном торце они противоположны, и поэтому Н_у - есть разность напряженностей этих полей. На рисунке 8.7 б пред­ставлена типичная картина для электролизеров при продольном раз­мещении их в корпусе и двухстороннем подводом тока к аноду. Здесь межфазная граница искривлена за счет бугра в центре.

а - односторонний подвод тока к аноду; б-двухсторонний подвод тока к аноду; в - подвод тока к аноду с продольных сторон; г- комбинированный подвод тока к аноду с торцов и продольных сторон

Рисунок 8.7 - Влияние расположения стояков на топографию металла

На рисунке 8.7 в и г показаны ошиновки для ванны с ОА на силу тока более 150 кА. Основная идея - расположить ошиновку таким об­разом, чтобы зеркало металла было как можно более плоским.

Поперечное расположение ванн позволяет весь ток или его часть с входного торца пропустить под низом катода, чтобы избежать пропуска всего тока вокруг углов ванны, где значения напряженности магнитного поля самые большие.

При одностороннем токоподводе к аноду, который широко при­меняется в России на всех типах электролизеров БТ, предложить ка­кие либо усовершенствования не представляется возможным, и по­этому этот вид ошиновки используется на электролизерах малой мощности, где влияние магнитного поля ощущается слабо.

При двустороннем токоподводе к аноду и при двухрядном рас­положении ванн в корпусе (независимо от вида токоподвода) очень важно скомпенсировать влияние соседнего ряда ванн. Наиболее про­сто эта задача решается путем более высокого расположения катод­ных и обводных шин, по отношению к уровню металла, и увеличением силы тока на обводных шинах, расположенных на ближней к соседне­му ряду стороне электролизера. Вследствие этого вертикальная со­ставляющая H_z напряженности магнитного поля от собственных токов в анодных, катодных и обводных шинах, а также в гибких анодных па­кетах будет распределена асимметрично по отношению к продольной оси электролизера. Схема такой ошиновки приведена на рисунке 8.8.

Рисунок 8.8 - Схема двухсторонней асимметричной ошиновки

Как видно из этого рисунка, распределение тока на входном торце составляет 33 и 40%, а на выходном, соответственно, - 17 и 10%. Именно по такой схеме и выполнены все ошиновки на электро­лизерах типов С8Б и С8БМ.

На рисунке 8.9 показано три вида ошиновки при продольном расположении ванн. Схема "б" весьма удобна для двустороннего под­вода тока, а схема "а", широко применяемая в России, наиболее бла­гоприятно влияет на величину В_у. Схема "в" с его асимметричным вхо­дом характеризуется компенсирующим эффектом на величину B_z, по­скольку она складывается с составляющей B_z, которая создается со­седним рядом ванн, в этом случае расположенным слева.

Рисунок 8.9 - Схемы ошиновок электролизеров при продольном их расположении в корпусе

Вертикальную составляющую H_z магнитного поля можно ском­пенсировать с помощью дополнительной ошиновки. Для этого рядом с основной ошиновкой (с внешней или внутренней стороны, или с обеих сторон одновременно) монтируется петля (рисунок 8.10), по которой течет ток (около 10 кА) от собственного источника. При этом направ­ление тока во внутренней петле должно совпадать с направлением тока серии, а во внешней петле - оно должно быть противоположным. Для этого петли могут быть соединены последовательно. Такой метод сбалансирования вертикальной составляющей дорог, но иногда при­меняется, например, на заводе "ALUAR" (г. Пуэрто Мадрин, Аргентина) и на "САЗе".

Рисунок 8.10 - Схема компенсирующих петель в ошиновке

На рисунке 8.11 показаны две схемы ошиновки для поперечного расположения ванн, который иллюстрирует один из вариантов распо­ложения шин. Изменяя размер ошиновки, число стояков, число блюм­сов, соединенных с каждым стояком, пропуская шины под катодом и т.д., можно изменить систему ошиновки, для создания более благо­приятного магнитного поля. Однако, следует подчеркнуть, что система ошиновки должна быть простой, чтобы уменьшить затраты и, что маг­нитные поля должны быть измерены на реальной ванне, чтобы оце­нить влияние отдельных стальных частей.

Легко видеть, что вывод тока с концов катода имел бы положи­тельный эффект на величину вертикального магнитного поля в углах (хотя, по-прежнему, безо всякой пользы). Компоненты горизонтального магнитного поля будут быстро возрастать при расположении ошиновки ниже уровня металла, так как они зависят от синуса угла между ме­таллом и шиной. Такое расположение шин вызовет несколько мень­шую вертикальную составляющую магнитного поля в металле, которая изменяется как косинус угла между металлом и шиной.

а - подвод тока к аноду с торцов и продольной стороны; б - подвод тока к аноду с торцов и продольной стороны, но шины проходят под катодным кожухом

Рисунок 8.11 - Конфигурации ошиновки при поперечном расположении ванн в

корпусе

При прохождении тока под катодом возрастает, главным обра­зом, горизонтальная компонента поля. Возрастают несколько верти­кальная компонента и компонента, связанная с разницей в уровнях между металлом и ошиновкой. Если необходимо увеличить верти­кальную составляющую, например, для компенсации больших величин магнитного поля в углах, ошиновка должна быть расположена таким образом, чтобы угол между анодным ребром и шиной был равен 45 ⁰ по отношению к горизонтальной плоскости. Следует подчеркнуть, что до сих пор при рассмотрении влияния магнитного поля на технологию ванны, не учитывалось влияние ее стальных элементов ванны на электромагнитные силы, что может вносить определенные ошибки в результаты расчетов. Поэтому, наиболее убедительным способом оценить качество ошиновки, является эксперимент, т.е. исследования ошиновки на модели. Однако такой путь дорог и долог и поэтому к на­стоящему времени разработаны программы, позволяющие с помощью расчетов на ЭВМ, учесть влияние стальных масс (катодный кожух, анодная балка, чугунные плиты перекрытия шинных каналов и пр.) на значения составляющих магнитного поля. И, тем не менее, до сих пор конструкция электролизера принимается к широкому внедрению толь­ко после тщательной проверки ее на опытных участках.