CC BY
21
Выводы:
- по минеральному составу в зависимости от типа перерабатываемых руд долголетние отвалы могут быть кварцевыми окисленными, малосульфидными или сульфидными.
- отвалы даже после длительного (многолетнего) хранения по вещественному составу соответствуют переработанным рудам;
- физические изменения характерны всех типов отвалов;
- образование сильнокислой среды в сульфидсо-держащих отвалах существенно влияет на химический состав, возрастает количество свободного (гипергенного) золота за счет растворения покрывающих золото пленок;
- цианистые комплексы золота и серебра в многолетних отвалах не отмечены.
Библиографический список
1. Технология извлечения золота, серебра и цветных ме- сырья. М.: Цветмет экономики и информации, 1986. 52 с. таллов из отвальных хвостов обогатительных фабрик / В.А. Бочаров, С.И.Черных, Г.С.Агафонова, И.И.Херсонская, Г.А. Лапшина. М.: Цветная металлургия, 2002.
2. Пунишко О.А., Телегина Л.Е. Современное состояние и перспективы вторичной переработки золотосодержащего
3. Пунишко О.А., Ходжер Д.В. Научно-практические основы формирования отходов золотоизвлекательных фабрик как техногенного сырья и вопросы их переработки: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2001. 138 с.
УДК 669.713.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИЛ В РАСПЛАВЛЕННОМ МЕТАЛЛЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
А
В.А. Томилова1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разработан экспериментально-аналитический метод расчета электромагнитных сил в расплавленном металле действующего электролизера по замеренным значениям проекций напряженности магнитного поля в минимальном числе точек по периметру анода в расплаве или вне его. Метод позволяет получить закон изменения электромагнитных сил, плотности их циркуляции в аналитической форме записи, определить величину и направление их в любой точке поданодной области с учетом особенностей конструкции и условий работы действующего электролизера, а при наличии автоматических систем управления (АСУ) процессом электролиза делать соответствующие выводы о возможных нарушениях нормального технологического режима за счет вредного влияния электромагнитных сил и путях их предотвращения. Ил. 1. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: магнитное поле; алюминиевый электролизер; метод расчета; напряжённость магнитного поля; электромагнитные силы.
EXPERIMENTALLY ANALYTICAL METHOD TO CALCULATE ELECTROMAGNETIC FORCES IN MOLTEN METAL OF ALUMINUM ELECTROLYTIC CELL V.A. Tomilova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author develops an experimentally analytical method for calculating electromagnetic forces in the molten metal of the operating electrolytic cell by the measured values of the projections of magnetic field strength in a minimum number of points along the anode perimeter in the melt or outside it. The method allows to obtain the law of electromagnetic forces variation, density of their circulation in the analytical form of recording, determine their magnitude and direction at any point of subanode area taking into account construction features and working conditions of the operating electrolytic cell, and in the presence of automatic control systems (ACS) for the process of electrolysis to make appropriate conclusions on possible failures of the normal technological mode due to the harmful effects of electromagnetic forces and methods to prevent them. 1 figure. 2 sources.
Key words: magnetic field; aluminum electrolytic cell; calculation method; magnetic field strength; electromagnetic forces.
Перспективным направлением современного промышленного производства является рост единичной мощности энергоемких установок. В металлургической
промышленности рост мощности электролизных ванн связан с увеличением силы тока, напряженности магнитного поля и электромагнитных сил в зоне электро-
1Томилова Валентина Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952) 511361, (3952) 405132.
Tomilova Valentina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel.: (3952) 511361, (3952) 405132.
лиза, что приводит к нарушению технологического режима и снижению выхода металла по току.
Внедрение АСУ процессом электролиза алюминия требует поступления соответствующей информации о распределении магнитного поля и связанных с ним электромагнитных сил в электролизерах, учитывающих наличие всех влияющих факторов и позволяющих осуществлять непрерывный контроль за распределением магнитных полей и сил при различных режимах работы ванн.
Одним из таких методов является экспериментально-аналитический, разработанный автором настоящей статьи. Метод сочетает аналитическое решение с экспериментальными данными о напряженности магнитного поля в минимальном числе точек расплава действующей ванны или вне электролизера и позволяет определять поле по всей поданодной области расплавленного металла [1, 2].
Распределение магнитного поля и электромагнитных сил в зоне расплава алюминиевого электролизера зависит от способов токоподвода, конструкции ошиновки, расположения ферромагнитных деталей и прочих специфических особенностей работы ванн, поэтому одновременно с исследованием и расчетом магнитных полей необходимо определять и электромагнитные силы, действующие в них.
Исследования, проведенные на различного рода моделях, свидетельствуют о том, что электромагнитные силы играют существенную роль в образовании перекосов металлов, возникновении циркуляции и волнении жидкого алюминия. Однако эти исследования весьма трудоёмки, поле в любой модели воспроизводится недостаточно точно, поскольку даже в двух ваннах, построенных по одному проекту, магнитные поля и электромагнитные силы в реальных условиях работы могут быть различны.
Кроме того, подобные исследования не позволяют найти закон изменения электромагнитных сил в любой интересующей точке поданодной области, занятой расплавленным металлом.
В настоящей работе, по сравнению с [1, 2], проводится расчет электромагнитных сил
F = [SB],B = MM0H с использованием экспериментально-аналитического метода расчета напряженности магнитного поля в расплавленном металле действующего электролизера.
В жидком алюминии ц = 1,м0 = const, поэтому
F=[SmH] = Ma[SH ].
В декартовой системе координат проекции электромагнитных сил, выраженные через проекции плотности тока S(Sx,Sy,Sz) в расплаве и напряженности
магнитного поля H(Hx,Hy,Hz):
Fx = Ma (SyHz - SzHy ); Fy = Ma(SzHx -SXH2 ); Fz =Maa(SxHy -SyHx).
При расчете экспериментально-аналитическим методом [1, 2] напряженность магнитного поля в рас-
плавленном металле электролизера представлена в виде суммы двух составляющих:
Нэл =Hl +Н2 , где вихревая составляющая Н2, связанная с плотностью тока S в жидком алюминии, определяется по закону Био - Савара, а потенциальная Hi, связанная с токами вне расплава и всеми феромагнитными деталями конструкции ванны, записывается с помощью рядов Фурье.
Тогда
Fx = Ma (SyH1z - SzH1y ) + + Ma (SyH2z - SzH2y h Fx = F1x + f2x .
Здесь проекция F1x - от потенциальной составляющей напряженности магнитного поля H1, F2x —
от вихревой H2.
Аналогично Fy, Fz с учетом H2z = 0 получаем:
F1x = M0(SyH1z-SzH1y) ;
F1y = Ma(SzH1x -SxH1z);
F1z = Ma(SxH1y -SyH1x);
f2x =-M0SzH2y ;
F2y = M0SzH2x ;
F2z = Ma(SxH2y - SyH2x) .
При постоянных и соизмеримых значениях Sz, Sy = aSz , Sx = a2Sz (a1,a2 - const) в слое расплавленного металла закон изменения электромагнитных сил от потенциальной составляющей напряженности магнитного поля H1 определяется законом изменения её проекций (H1x,H1y,H1z).
При известных коэффициентах и всех постоянных, найденных экспериментально-аналитическим методом (с использованием замеренных значений проекций H в минимальном числе точек расплава или вне его, вблизи электролизера [1, 2]), получаем закон изменения составляющих электромагнитных сил F1, позволяющий определять их в любой точке поданод-ной области с учетом специфических особенностей конструкции и условий работы действующего электролизера:
(1)
F1x =
MaSz
~Y^Xchnz[-jna1(cos kyy +
2 k=0 + Ак sinkyy)cos kxx + ky x
x (yk cos kxx + ek sinkxx)cos kyy]; MaSz
(2)
F1y =-
^ 2chnz[-kx(ck cos kyy + 2 k=0
+ ek sin kyy) cos kxx + + jna2 (Pk cos kyy + А sin kyy) cos kxx];
<x>
Flz = lchnz[ -Ú2ky х
2 k=o
х (fk cos kxx + ek sin kxx) cos kyy +
+ a1kx(ck coskyy + ek sinkyy)cos kxx]-
Силы F->
"2x , F2y ,
,, Г2г могут быть найдены с использованием выражений (1) и составляющих Н2, определенных по закону Био - Савара [1]. Однако, как показывает расчет [1, 2], проекции вихревой составляющей И2г = 0,И2х,И2у во всей поданодной области обладают симметрией относительно осей электролизера и более чем на порядок оказываются меньше проекцией потенциальной составляющей И1х,И1у. Поэтому они практически не будут влиять
ни на перекос поверхности жидкого алюминия, ни на его циркуляцию.
Следовательно, силы ?2х << ^1х,^2у << р1у,р2х << р11 в первом приближении из расчета можно исключить.
По результатам расчета поля и электромагнитных сил типового электролизера на силу тока 155 кА построена диаграмма распределения
|г| = д/Рх + гу2 + Г2 на поверхности расплавленного
металла, ограниченной периметром анода (рисунок).
Значения проекций |г| изменяются в пределах:
3,7 [Н] < Гх < 91,5[Н]; 4 [Н] < Гу < 81 [Н];
0,8 [Н] < Г < 26,6[Н].
Анализ результатов расчета показывает, что во всей поданодной области силы гх, как и Иу, являются превалирующими, распределены несимметрично и решающим образом влияют на формирование перекоса поверхности расплавленного алюминия. Горизонтальные токи увеличивают гх, а следовательно, перекос в угловых точках торцов, где эти токи и И2, максимальны.
Рациональные конструкции электролизеров и оптимальные режимы их работы должны оцениваться
исходя из большей симметрии Fx и Hy во всей по-
данодной области и минимального их значения на продольной оси и вблизи нее.
Нарушение состояния гидродинамического равновесия в расплаве происходит и за счет Гу в части
расплава, находящейся у торцов ванны, характеризуется значительными градиентами, что является причиной циркуляции жидкого алюминия, приводящей к уменьшению гарнисажа в углах ванны, а это ведет к увеличению горизонтальных токов и дальнейшему усилению перекоса.
При прочих равных условиях циркуляция расплавленного металла в горизонтальной плоскости электролизеров определяется вертикальной составляющей ротора электромагнитных сил:
rotzF =
( 3F,
y dx
F
dy
Выражая 8y и Sx через Sz и считая их постоянными, получаем:
mtzF = HoSz
rdHx dHy dHv dH, Л
dx
dy
~a2'
dx
-ai -
dy
Так как
rotF = rot( Fi + F2), то при F2 << F1, с учётом соотношений (2) имеем:
rotzF = rotzF 1 =
Ho8z
2
^Áchnz[ -kx х
k=o
(3)
х (ck cos kyy + ek sin kyy) sin kxx —
— ky (fk cos kxx + ek sin kxx) sin kyy + +jnkxai( Pk cos kyy + Ak sin kyy) sin kxx + +jnkya2( Pk sin kyy + Ak cos kyy) cos kxx].
Поскольку rotzF ф 0, то электромагнитные силы кроме изменения формы поверхности жидкого алюминия вызовут циркуляционные потоки в нём. Плотность циркуляции этих сил в любой точке расплава определяется соотношением (3).
В самом общем случае при известном законе изменения проекций плотности точка S (Sx ,Sy ,Sz) и
напряженности магнитного поля H(Hx,Hy,Hz) [1, 2],
Распределение величины электромагнитных сил на поверхности расплавленного металла
оо
аналогично можно найти закон изменения электромагнитных сил и плотности их циркуляции на поверхности расплавленного металла или в его глубине в
горизонтальной плоскости - ш2Г, в плоскости параллельной торцевой поверхности анода - или же тогуБ - в плоскости параллельной продольной поверхности анода электролизера (4):
тогх¥ =
тогуГ =
5Бг дКуЛ
ду ~ & )
5БХ
5г дх )
(4)
Если наличие тог2Г вызывает циркуляцию расплавленного металла на его горизонтальной поверхности, то при достаточной величине электромагнитных
сил Б и плотностей их циркуляции шхЕ, гоГуБ
могут возникнуть перекосы уровня жидкого алюминия и волны на его поверхности, причем наибольшая амплитуда волн там, где эти величины максимальны.
Для создания более стабильных условий в расплаве следует уменьшать асимметрию относительно
осей электролизера магнитного поля и сил, с ним связанных.
Таким образом, разработанный экспериментально-аналитический метод расчета магнитного поля и электромагнитных сил позволяет получить в аналитической форме законы их изменения и определить величину и направление действия этих сил, а также плотность циркуляции в любой точке поданодной области действующего типового или опытного электролизера с учетом всех особенностей его конструкции и условий работы, так как электромагнитные явления неразрывно связаны с технологическими, происходящими во время процесса электролиза.
Алгоритм расчета указанных величин достаточно прост, характеризуется цикличностью, что даёт возможность при наличии АСУ процессом электролиза иметь систематическую информацию как о характере распределения магнитного поля, так и электромагнитных сил в любой точке расплавленного металла с учетом всех факторов, влияющих на работу рассматриваемой ванны, делать соответствующие практические выводы о возможных нарушениях нормального технологического режима, их предотвращении и выборе оптимального режима работы электролизера.
Библиографический список
1. Томилова В.А. Экспериментально-аналитический метод расчета магнитных полей крупных электротехнических установок (на примере алюминиевого электролизера): дис. ... канд. техн. наук. Л: ЛЭТИ, 1974. 189 с.
2. Томилова В.А. Расчет магнитного поля в расплаве алюминиевого электролизера по известному полю в цехе // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5. С. 129-134.
