Введение к работе
Актуальность темы.
В технологии электролиза алюминия анализ магнитогидр о динамических явлений очень важен, так как от оптимального распределения электромагнитных полей и обусловленного этим распределения движения расплавов, зависит эффективность работы ванны. Рост мощности и размеров электролизера предъявляет повышенные требования к поведению жидких расплавов в электролизной ванне, сбалансированности электромагнитных полей, магнитогидродинами-ческой (МГД) стабильности. В связи со значительной затрудненностью непосредственных измерений на ванне (высокая температура , химическая агрессивность расплавов, сильные магнитные поля), а также высокой стоимостью различных модификации конструкции широкое распространение получили методы математического моделирования и вычислительного эксперимента. На основе математических моделей проектируются конструкции электролизеров и разрабатывается регламент обслуживания занн.
Сущность процесса получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите, состоит в следующем.
В плоских ваннах (электролизерах), футерованных углеродистыми материалами, находится на подине слой расплавлешюго алюминия, выше - слой электролита - криолито-глиноземного расплава. На стенках ванны образуется настыль из застывших солей - это формирует рабочее пространство электролизера (ФРП). Сверху в ванну опущен угольный анод, частично погруженный в электролит. Катодом служит расплавленный алюминий. Температура процесса около 960 градусов по Цельсию. Процесс состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий. Упрощенно продольный разрез электролизера можно представить следующей схемой -рисунок 1.
Цель данной работы — создание математической модели для эффективной диагностики гидродинамического состояния ванны, т.е. определение стационарной поверхности раздела металл-электролит и пленарных установившихся потоков расплавов, адаптация нового критерия МГД-стабилыюсти для оценки порогов устойчивости электролизеров, применение полученных моделей к различным
Av+S-TfeX & КрасТУ-Т&і
конструкциям работающих и проектируемых электролизеров.
Научная новизна:
Модифицирована модель Моро - Эванса - Бояревича применительно к реальным электролизерам в соответствии с требованиями технологической адекватности. Получена формула для определения формы стационарной поверхности раздела металл-электролит. Выведены оценки коэффициентов турбулентной вязкости и турбулентного трения в зависимости от величины электромагнитных сил.
Изучен отклик модели на технологические и конструктивные изменения. Проанализировано влияние изменений внешнего контура ванны на гидродинамическое состояние.
Разработана методика использования адаптированного критерия Селе-Бояревича-Ромерио для оценки МГД - стабильности электролизеров с обожженными анодами.
Научная и практическая значимость.
Полученная математическая модель испо льзуется для диагностики магнитогидродинамического состояния электролизера с реальным токораспределением и магнитными полями. Проверена технологическая адекватность расчетов , соответствие экспериментальным данным. Рассчитаны формы поверхности раздела, поля скоростей металла и электролита при различных режимах работы ванн. С помощью адаптированного критерия стабильности установлены связи технологических параметров и МГД-устойчивости, определены пороги устойчивости для работающих электролизеров. Разработан пакет для расчета и визуализации МГД - состояния электролизера, показана возможность его применения как для оценки эффективности работающих конструкций, так и использование при разработке новых конструкций.
На защиту выносятся следующие положения:
1.Применимость разработанной модификации модели для определения формы стационарной поверхности раздела, линий течения, полей скорости в металле и электролите для электролизеров Содер-берга.
2.Оценка коэффициентов турбулентной вязкости и турбулентного трения в зависимости от величины электромагнитных сил в каждом слое.
3.Исследование влияния технологических и конструктивных из-
менений на гидродинамику расплавов.
4.Применение обобщенного критерия для определения порогов устойчивости электролизеров с обожжешшми анодами, методика расчета влияния технологических параметров на устойчивость.
5.Пакет прикладных программ и использование программного комплекса при внесении практических рекомендаций.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на следующих Российских и международных конференциях, школах и семинарах: на 125-ой TMS ежегодной встрече и выставке в Лос- Анджелесев 1996 г., на Девятой Всесибирской конференции по прикладной математике d Шушенском, 1996 г., на Втором сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике, Новосибирск, 1996 г., на международной конференции "'Алюминий Сибири - 96, - Красноярск -96, на международной конференции "Математические модели и методы их исследования", Красноярск, 1997 г., атакже на семинарах организаций — Вычислительный Центр СО РАН, Красноярская Академия цветных металлов и золота, Красноярский государственный университет, научно-технический совет КрАЗа.
Публикации.
По теме диссертации опубликовало 6 работ, сдано два годовых отчета о НИР.
Личный вклад автора.
Научному руководителю Проворовой О.Г. принадлежат постановка задачи, основные идеи. Автор разработала расчетные схемы, пакет прикладных программ, сделала все расчеты, работала над проверкой адекватности модели и определением отклика модели на изменение параметров. Получила оценку коэффициента турбулентного трения. Самостоятельно в идейном и исполнительном плане ею выполнены исследования, относящиеся к МГД - состоянию электролизера с обожженными анодами, оценка магнитогидродинамической устойчивости.
Структура и объем работы.
