Способ физического моделирования магнитогидродинамических явлений процесса электролитического производства алюминия и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК C25C3/06 G09B23/24 

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 электролизерах 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. Все 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 термопары.

Выявление влияния конструктивных параметров электролизеров на характер возникающих в них МГД-явлений, изменение

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 МГД-явлений, достигается либо с помощью моделей, отличающихся соотношением геометрических па- раметров, либо путем изменения

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

На чертеже представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит модель электролизера и электромагнит постоянного тока. Модель электролизера состоит из выполненной 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, вы5 деляемых 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 - эле/тролит.

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

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

Электролит, моделирующий жидкий алюминий (водный раствор азотной кислоты), приготовляют в массовом соотношении: 10% азотной кислоты и 90% воды, в электролит (раствор азотной кислоты в пен- талоне СбНцОН), моделирующий криолито- глиноземный расплав, - в соотношении 13% азотной кислоты и 87% пентанола. При таких концентрациях азотной кислоты обеспечивается соизмеримость плотностей электролитов, которые оказываются соответственно равными pi 1036 кг/м3 и pi 804 кг/м3-, при существенно разных элект- ропроводностях соответственно ,5 Ом/миОг 0,67 Ом/м. Такие соотношения плотностей и электропроводности электролитов-моделей соизмеримы с соотношением этих параметров, присущих компонентам реального алюминиевого электролизера.

Использование Двуслойной холодной жидкостной модели электролизера и электромагнита с независимым электропитанием для моделирования МГД-явлений процесса производства алюминия позволяет прибор- но достаточно просто при минимальных ма- териальных 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 электролизерах. Подобные исследования особенно важны на этапе разработки и проектирования электролизеров большой мощности для определения критических конструктивных и других параметров электролизеров и технологического 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, о т л и ч а,ю щ и и с я тем, что, с целью расширения возможностей воспроизведения, регистрации и экспериментального исследования МГД-явлгний 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 магнитогид- родинамических явлений процесса электролитического производства алюминия,

состоящее из модел и электролизера и источника

внешнего магнитного поля, выполненного в виде электромагнита, отличающееся 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.

-&

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 магнитогидродинамиче- ских (МГД) явлений, сопровождающих процесс получения алюминия электролитическим способом, а также может найти при- менение 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 кри- олито-глиноземного расплава используется соответственно водный раствор азотной кислоты и раствор азотной кислоты в пента- ноле. 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