Magnetohydrodynamics simulation of 300 KA novel cell for aluminum electrolysis

Simulación magnetohidrodinámica de una nueva célula de 300 KA para electrólisis de aluminio

Se presentó un nuevo cátodo con protuberancias cilíndricas para investigar el efecto de las protuberancias sobre el campo electromagnético y el campo de flujo en la célula de electrólisis de aluminio. Los resultados muestran que utilizando el nuevo cátodo, la fuerza electromagnética horizontal máxima y la velocidad a 2/3 de altura de la almohadilla metálica se redujeron en un 21 % y un 41 % respectivamente, y la onda de la interfaz metal - baño disminuyó en 0,69 cm. La almohadilla metálica fluye alrededor de los salientes. Los remolinos debidos a la separación de la capa límite son beneficiosos para la disolución de la alúmina.

INTRODUCCIÓN

En una célula Hall - Héroult típica, la corriente eléctrica continua pasa a través de los ánodos, el electrolito y los cátodos de carbono, y sale de la célula a través de las barras colectoras de acero. La intensa densidad de flujo magnético (B) creada debido a la elevada corriente en las barras colectoras interactúa con los vectores de densidad de corriente (J) que fluyen en el metal fundido para generar fuerzas magnetohidrodinámicas (MHD) [1], que hacen que el metal fluya y se deforme. La estabilidad de la interfaz baño-metal desempeña un papel importante en el ahorro de energía, lo que ha suscitado un gran interés entre los investigadores.

Tarapore [2] tomó la delantera en el acoplamiento eléctrico - magnético - campo de flujo secuencialmente calculado dos - campo de flujo turbulento dimensional con la fuerza electromagnética como fuente de Navier - ecuaciones de Stokes. Mooney et al. [3] enfatizaron los aspectos electromagnéticos computacionales asociados con el movimiento de la superficie libre, utilizando métodos de división de operadores y gradiente conjugado, calcularon el acoplamiento bidireccional entre el flujo de líquido y la evolución del campo electromagnético. Bojarevics et al [4], Doheim et al [5], y Wang et al [6] calcularon el efecto de la fuerza electromagnética y las burbujas de gas en el flujo del metal y el baño, lo que supone un avance significativo en el modelado teórico de la inestabilidad. En algunas investigaciones se sugirieron modificaciones del diseño del cátodo [7] y de la configuración de las barras colectoras [8] para que la densidad de corriente fuera más uniforme.

Desafortunadamente, en las pruebas industriales, tanto la célula de reducción de aluminio con ánodo inerte como la célula de cátodo drenado no consiguen reducir significativamente el consumo de energía. En 2008, los nuevos cátodos con protuberancias escalonadas se aplicaron a tres celdas de 168 kA en la fundición de Chongqing y se probaron con éxito [9]. Después de 2010, Feng propuso los nuevos cátodos con protuberancias cilíndricas. En este estudio, el campo electromagnético y el campo de flujo del nuevo cátodo con protuberancias cilíndricas se calcularon con ANSYS y CFX para proporcionar una base teórica para la optimización de la estructura.