Магнитное поле в электролизере

При протекании тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле, которое взаимодействует с током и создает электромагнитные силы, действующие на проводник с током. Именно на этом принципе работают все электрические двигатели, устройства для электромагнитного транспорта жидкого металла и пр.

В алюминиевых электролизёрах протекают огромные токи, приводящие к возникновению мощных электромагнитных сил в электролизёре и вокруг него. В конструктивных частях электролизёра эти силы никак не проявляются, но в жидком алюминии, как проводнике тока, под воздействием электромагнитных сил изменяется форма поверхности металла, а значит, и междуполюсное расстояние (МПР). Возникает не только циркуляция расплава, приводящая к замыканию подошвы анода с жидким Al, но и перекос поверхности алюминия.

Ток по элементам электролизера течет вертикально — вверх и вниз (анод, стояки); горизонтально — вдоль и поперек ванны (анодные и катодные шины, катодные блюмсы), и поэтому магнитная индукция в каждой точке ванны имеет сложную картину. Так как МПР — величина переменная и зависит от состояния подошвы анода, волнений металла, наличия газа, угольных частичек в электролите и других факторов, то фактическая плотность тока в электролите переменна и ею невозможно управлять. Для расчетов приходится принимать ее равной анодной плотности тока.

Направление тока в расплавленном алюминии зависит от формы рабочего пространства (ФРП), наличия осадков, столба металла на подине и других факторов. При стабильном технологическом режиме и нормальной ФРП плотность поперечного горизонтального тока в металле незначительна и не превышает 0,1—0,2 А/см². Но конфигурация настыли переменна, поэтому и величина горизонтальных токов не постоянна. Практически ток через электролит к подине стекает не вертикально, а наклонно, поскольку площадь анода, как правило, всегда больше площади подины, свободной от настылей и осадков. При "горячем" ходе ванны, т.е. в отсутствии бортовых и подовых настылей, величина поперечного тока, направленного к продольным сторонам шахты, возрастает и достигает 1,2—1,3 А/см².

Причины возникновения горизонтальных токов:

1) меньшее электрическое сопротивление расплавленного алюминия, чем у блюмсов и катодных шин;

2) изготовление подины ванны из секций разной длины. Их электросопротивление не одинаково, и ток перетекает от длинных секций к коротким. Подовые секции, равные ширине ванны, снижают горизонтальные токи.

Распределение тока по подовому блоку зависит от материала заделки блюмса в паз (углеродистая паста или чугун). Углеродистая паста выравнивает распределение тока, но обладает большим электросопротивлением, что увеличивает расход электроэнергии.

Распределение тока по аноду редко может быть однородным. На СОА резкое перераспределение токов происходит при перестановке штырей и подъеме анодной рамы. Также плотность тока на вторичных анодах, т.е. на подштыревых участках анода, значительно ниже, чем на остальном аноде, за счет его большей пористости.

Распределение тока на обожженных анодах также неравномерно вследствие разницы их температур, разной высоты и качества заделки ниппелей в блок. Однако в целом распределение тока по ванне с ОА равномернее из-за более стабильной ФРП и температуры токопроводящих узлов.

Горизонтальные составляющие напряженности магнитного поля при взаимодействии с вертикальным током образуют электромагнитные силы, направленные к поперечной и продольной осям ванны. Электромагнитные силы возникают во всех алюминиевых электролизерах, их величина пропорциональна квадрату силы тока. При токе более 80 кА влияние этих сил становится значительным, а на ваннах большой мощности эти силы определяют ТЭП.

Поверхность расплавленного алюминия имеет слегка выпуклую форму, и этот перекос является основной причиной циркуляции расплава (металла и электролита). При этом скорости металла определяются электромагнитными силами, а скорости циркуляции электролита - его гидравлическими характеристиками. Поверхность металла находится в состоянии непрерывного волнения, и высота волн может достигать 45 мм при частоте до 40 раз в минуту, т.е. высота волны сравнима с величиной МПР, что приводит к местным коротким замыканиям.

Процессы массо- и теплопереноса значительно влияют на технологию и технико-экономические показатели работы электролизеров. Гидродинамические потоки расплава формируются в результате совокупного воздействия электромагнитной силы, движения газовых пузырьков по подошве анода и свободной конвекции расплава.

Роль гидродинамических процессов резко возрастает с увеличением размеров и мощности электролизеров. От гидродинамики расплава зависят такие важнейшие массообменные процессы, как:

- перенос глинозема из зоны загрузки и растворения - в МПР - зону потребления;

- выравнивание концентраций компонентов электролита во всей ванне;

- потери металла;

- формирование температурного поля расплава и ФРП;

- теплообмен в электролизёре и передача тепла в окружающую среду.

Современные методы позволяют рассчитывать и измерять направление и величину магнитного поля в любой точке электролизёра. Это позволило разработать меры по снижению вредного влияния электромагнитных сил на расплав: увеличение столба металла в ванне, обеспечение оптимальной ФРП, применение секционированной ошиновки оптимальной конфигурации на мощных ваннах.