Способ физического моделирования магнитогидродинамических явлений процесса электролитического производства алюминия и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано при разработке алюминиевых электролизеров большой мощности. Цель - расширение возможностей воспроизведеИзобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано при разработке и проектировании алюминиевых электролизеров большой мощности, в частности для экспериментального исследования магнитогидродинамических (МГД) явлений, сопровождающих процесс получения алюминия электролитическим способом, а также может найти применение в учебном процессе для демонстрации МГД-явлений технологии электролиза цветных металлов. ния, регистрации и экспериментального исследования всего многообразия МГД-явлений при электролизе алюминия. Предлагаемый способ физического моделирования заключается в изготовлении двуслойной холодной жидкостной модели алюминиевого электролизера, размещении модели во внешнем магнитном поле и возбуждении в ней, путем пропускания постоянного тока, МГД-явлений и их регистрации. Модель электролизера представляет собой ванну из диэлектрического прозрачного материала , в которой размещены пластинчатый катод, прилегающая к катоду модель подины в виде диэлектрической пластины с отверстиями и перемещающийся по вертикали пластинчатый с отверстиями анод. В качестве моделей жидкого алюминия и криолито-глиноземного расплава используется соответственно водный раствор азотной кислоты и раствор азотной кислоты в пентаноле. Модель электролизера размещается в магнитном поле электромагнита постоянного тока с независимым электропитанием. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. Целью изобретения является расширение возможностей воспроизведения, регистрации и экспериментального исследования всего многообразия МГД-явлений технологии производства алюминия электролитическим способом. Сущность изобретения заключается в изготовлении холодной жидкостной модели алюминиевого электролизера, размещении модели во внешнем магнитном поле и возбуждении в ней путем пропускания постоянного тока МГД-явлений и их регистрации. (Л о 00 о о со Ч

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4715325/02 (22) 03,07.89 (46) 23,10,91. Бюл, ¹ 39 (71) Харьковский государственный универ.ситет им.А.М.Горького (72) И,Д.Борисов, В.А.Крюковский, С,А.Пославский и T.Ã,Øåâ÷åíêo (53) 654.9 (088.8) (56) Бояревич В.В„Горбачев Е.В., Калис Х.Э. и др. Математическое и физическое моделирование МГД потоков в алюминиевых электролизерах. — Xll Рижское совещание по магнитной гидродинамике. Кн.1. Общие и теоретические вопросы. Рига, 1987. (54) СПОСОБ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ MAГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ Я ВЛ Е Н ИЙ ПРОЦЕССА

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано при разработке алюминиевых электролизеров большой мощности. Цель расширение возможностей воспроизведеИзобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано при разработке и проектировании алюминиевых электролизеров большой мощности, в частности для экспериментального исследования магнитогидродинамических (МГД) явлений, сопровождающих процесс получения алюминия электролитическим способом, а также может найти применение в учебном процессе для демонстрации МГД-явлений технологии электролиза цветных металлов, „„ К2„, 1686037 А1 (5ц5 С 25 С 3/06, С 09 В 23/24 ния, регистрации и экспериментального исследования всего многообразия МГД-явлений при электролизе алюминия.

Предлагаемый способ физического моделирования заключается в изготовлении двуслойной холодной жидкостной модели алюминиевого электролизера, размещении модели во внешнем магнитном поле и возбуждении в ней, путем пропускания постоянного тока, МГД-явлений и их регистрации.

Модель электролизера представляет собой ванну из диэлектрического прозрачного материала, в которой размещены пластинчатый катод, прилегающая к катоду модель подины в виде диэлектрической пластины с отверстиями и перемещающийся по вертикали пластинчатый с отверстиями анод. В качестве моделей жидкого алюминия и криолито-глиноземного расплава используется соответственно водный раствор азотной кислоты и раствор азотной кислоты в пентаноле. Модель электролизера размещается в магнитном поле электромагнита постоянного тока с независимым электропитанием. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Целью изобретения является расширеwe возможностей воспроизведения, регистрации и экспериментального исследования всего многообразия МГД-явлений технологии производства алюминия электролитическим способом.

Сущность изобретения заключается в изготовлении холодной жидкостной модели алюминиевого электролизера, размещении модели во внешнем магнитном поле и возбуждении в ней путем пропускания посто. янного тока МГД-явлений и их регистрации.

1686037

Холодную жидкостную модель электролизера изготовляют двуслойной, при этом в качестве моделей жидкого алюминия и криолито-глиноземного расплава применяют два несмешивающихся, химически невзаимодействующих прозрачных электролита. В качестве сред, моделирующих жидкий алюминий и криолито-глиноземный расплав, используют соответственно водный раствор азотной кислоты и раствор азотной кислоты в пентаноле.

Использование двуслойной жидкостной модели электролизера, построенной на применении в качестве моделей жидкого алюминия и криолито-глиноземного расплава растворов азотной кислоты соответственно в воде и пентаноле, обеспечивает возможность наиболее полно и точно физически воспроизводить при температуре, близкой к комнатной, и малых токовых нагрузках все многообразие существующих в реальных злектролизерах МГД-явлений, спонтанно возникающих в любой совокупности. При этом, благодаря прозрачности модели, обеспечивается высокая степень визуализации этих явлений по всей глубине модели, что благоприятствует исследованию скоротечных МГД-процессов, которые трудно поддаются математическому описанию и выяснению природы и причин их возникновения и развития, При осуществлении способа моделирования, т.е. при проведении экспериментов по наблюдению МГД-явлений, ванну-модель заполняют электролитами, обеспечивая при этом примерное равенство толщины слоев, которая обычно принимается равной 12 — 20 мм. Подготовленную таким образом модель помещают между полюсными наконечниками электромагнита, устанавливают требуемую величину магнитной индукции и путем плавного увеличения пропускаемого через модель постоянного тока наблюдают поведение электролитов.

Модель электролизера при этом подсвечивают. 8се возникающие МГД-явления (статические перекосы границы раздела электролитов, циркуляционные течения, волновые процессы и др.) можно фиксировать с помощью фото- или киноаппаратуры.

В связи с тем, что в процессе эксперимента происходит разогрев электролитов, что вызывает изменение их вязкости, плотности и электропроводности, для контроля температуры в различных точках модели устанавливают отградуированные термопаP bt. .Выявление влияния конструктивных параметров электролизеров на характер возникающих в них МГЦ-явлений, изменение раметров, либо путем изменения

10 конфигурации и расположения электродов (анода и катода) в модели.

45 этих параметров в процессе эксплуатации электролизеров (из-за обгорания анодов, появления настыли и т,д.), определение пороговых значений плотности тока и внешних магнитных полей, вызывающих возникновение критических М ГД-я влений, достигается либо с помощью моделей, отличающихся соотношением геометрических паНа чертеже представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа, Устройство содержит модель электролизера и электромагнит постоянного тока.

Модель электролизера состоит из выполненнойй из прозрачного диэлектрика (стекла, оргстекла) ванны 1, в донной части которого расположены катод 2 и диэлектрическая пластина 3 с отверстиями 4, а в верхней части — пластинчатый с отверстиями анод 5, Объем между анодом и катодом заполнен двумя слоями электролита: водным раствором 6 азотной кислоты и раствором 7 азотной кислоты в пентаноле, Граница 8 электролитов визуально четко различима благодаря различным коэффициентам преломления света электролитами. С целью более контрастного выражения границы раздела электролитов в них могут быть введены частицы непрозрачного диэлектрика, плотность которого больше плотности верхнего электролита и меньше плотности нижнего электролита. Модель электролизера расположена в магнитном поле электромагнита 9 постоянного тока, Ванну модели электролизера выполняют из стекла или оргстекла. Максимальный линейный размер поперечного сечения ванны не должен превышать линейного размера сечения области внешнего магнитного поля с индукцией заданной величины. Обычно этот размер ограничивается размером полюсных наконечников электромагнита внешнего магнитного поля.

В качестве материала для изготовления катода и анода используют листовую нержавеющую сталь толщиной 1,5 — 2 мм. Анод по всему сечению выполняют в виде сетки с отверстиями диаметром 1,5 — 2 мм и шагом

5 — 6 мм. Благодаря отверстиям в аноде обеспечивается свободный выход газов, выделяемых в электролитах в процессе проведения экспериментов без образования газовых пузырьков на нижней поверхности анода, что могло бы оказывать влияние на распределение тока на границе раздела анод — электролит.

1686037

Крепление анода к корпусу ванны должно обеспечивать возможность изменять положение анода по высоте.

Пластину, моделирующую подину электролизера, изготовляют из листового диэ- 5 лектрика (оргстекло, текстолит и др,) с отверстиями, выполненными аналогично аноду.

Электролит, моделирующий жидкий алюминий (водный раствор азотной кисло- 10 ты), приготовляют в массовом соотношении: 10 g, азотной кислоты и 90 (, воды, а электролит (раствор азотной кислоты в пенталоне С Н1 ОН), моделирующий криоаитоглиноземный расплав, — в соотношении 13ф .: t5 азотной кислоты и 87g пентанола. При таких концентрациях азотной кислоты обеспечивается соизмеримость плотностей электролитов, которые оказываются -соответственно равными р1 =1036 кг/м и р2 20 з з

=804 кг/м; при существенно разных электропроводностях соответственно о1=47,5

Ом/м oz =0,67 Ом/м. Такие соотношения плотностей и электропроводности электролитов-моделей соизмеримы с соотношени- 25 ем этих параметров, присущих компонентам реального алюминиевого электролизера.

Использование Двуслойной холодной жидкостной модели электролизера и элект- 30 ромагнита с независимым электропитанием для моделирования МГД-явлений процесса производства алюминия позволяет приборно достаточно просто при минимальных материальных затратах воспроизводить и исследовать все многообразие МГД-явлений, их взаимовлияние, а также влияние различных конструктивных и технологических параметров на возникновение и развитие МГД-процессов в электролиэерах. 40

Подобные исследования особенно важны на этапе разработки и проектирования электролизеров большой мощности для определения критических конструктивных и других параметров электролизеров и техно- 45 логического процесса производства алюминия в целом.

Формула изобретения

1, Способ физического моделирования магнитогидродинамических явлений процесса электролитического производства алюминия, включающий изготовление модели алюминиевого электролизера, размещение модели во внешнем магнитном поле и возбуждение в ней пропусканием через нее постоянного тока, МГД-явлений и их регистрацию, отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей воспроизведения, регистрации и экспериментального исследования М ГД-явлг ний в технологии производства алюминия, модель электролизера заполняют двумя несмешивающимися, химически невзаимодействующими прозрачными токопроводящими жидкостями, в качестве которых применяют водный раствор азотной кислоты как модель жидкого алюминия и раствор азотной кислоты в пентаноле как модель криолито-глиноземного расплава.

2. Устройство для осуществления способа физического моделирования магнитогидродинамических явлений процесса электролитического производства алюминия,; состоящее из модели электролизера и источника внешнего магнитного поля, выполненного в виде электромагнита, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что модель электролизера выполнена в виде ванны из прозрачного диэлектрического материала и содержит укрепленный на внутренней стороне ее донной части пластинчатый катод и расположенный в верхней части ванны с возможностью вертикального перемещения пластинчатый анод с отверстиями, а также снабжена перфорированной пластиной, выполненной из диэлектрика и размещенной у поверхности катода, кроме того, источник внешнего магнитного поля выполнен с автономной цепью электропитания постоянным током, 1686037

Составитель Е.Теренин

Техред М,Моргентал Корректор Э,Лончакова

Редактор И.Шмакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3578 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5