Алюминиевый электролизер представляет собой прямоугольную ванну, которая состоит из двух жидких слоев - слоя электролита и алюминия. Сильные электромагнитные поля, присутствующие в электролизере вызывают гравитационные волны. Волнение поверхности металла способствует массопереносу жидкого алюминия от катода в электролит, где он снова окисляется.
Свободная поверхность жидкости, находящейся в равновесии в поле тяжести, - плоская. Если под влиянием внешнего воздействия поверхность жидкости в каком-нибудь месте выводится из её равновесного положения, то в жидкости возникает движение, которое распространяется вдоль всей поверхности жидкости в виде волн, которые называются гравитационными. С технологической точки зрения за предел стабильности электролизера принимается минимальное значение расстояния анод-металл (межполюсное расстояние, МПР) при котором возникают незатухающие колебания поверхности раздела металл-электролит. Автоматическая система управления (АСУТП) определяет возникновение колебаний по флуктуациям измеряемого напряжения - уровню "шума". Величина в 30 мВ считается нормой, а пороговое значение, выше которого «шум» считается высоким, - 70 мВ.
Критерий Бояревича-Ромерио [1] построен на математическом моделировании процесса развития длинных волн на поверхности раздела металл-электролит.
Для того чтобы электролизер работал устойчиво, необходимо выполнение следующего неравенства:
(1)
Обозначим через Ic - ток серии,
- собственные частоты
ρм - плотность металла, ρэ - плотность электролита, hм - высота металла, hМПР - межполюсное расстояние, Lx - длина электролизера, Ly - ширина электролизера.
- волновой вектор ,
, m, n - целые числа,
,
εk - нормирующий множитель.
Распределение вертикальной компоненты магнитного поля учитывается через ее преобразование Фурье:
Критическое значение МПР (порог устойчивости) - это то значение, при котором в (1) достигается равенство.
Если через h обозначить глубину жидкости, то условие того, что рассматриваются длинные волны, запишется в следующем виде kh << 1. Таким образом, можно задать ограничение на набор исследуемых волновых чисел. Этот выбор субъективный, так, например,
а) если выбирать kh < 0,4, то
б) если выбирать kh < 0,65, то
Авторы работы предлагают методику применения этого критерия для оценки областей устойчивости промышленных электролизеров в АСУТП и оценки границ применимости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Bojarevics and M.V. Romerio, Long wave instability in liquid metal-electrolyte interface in aluminum electrolysis cells: a generalization of Sele´s criterion, European Journal of Mechanics, B/Fluids, Vol. 13, N 1, 1994, 33-56