專利名稱：經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理的液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)，盡管不排除其它，但尤其適用于提高現(xiàn)代的鋁電解槽的生產(chǎn)效率和降低其生產(chǎn)費(fèi)用。
背景技術(shù)：
在本說(shuō)明書中，將舉例說(shuō)明本發(fā)明，并且將參考鋁的還原和熔煉來(lái)隨后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)描述和說(shuō)明。
現(xiàn)代的鋁生產(chǎn)設(shè)備消耗巨大的電能。實(shí)質(zhì)上所有生產(chǎn)過(guò)程都通過(guò)在電解槽，或如其所稱的“罐”里還原礬土而操作。實(shí)踐中，商業(yè)的鋁熔煉設(shè)備將由幾百個(gè)這樣的“罐”組成，并在連續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上運(yùn)轉(zhuǎn)。
這種工藝有兩個(gè)顯著的特色。第一，自從最初成功發(fā)展這種工藝到現(xiàn)在事實(shí)上它已經(jīng)被毫無(wú)變化的保留了一百多年(實(shí)際上該工藝仍然以最早獨(dú)立發(fā)明它的兩位科學(xué)家的名義，Hall-Héroult工藝而著稱世界)。
第二，采用這種工藝所消耗的能量數(shù)值是相當(dāng)令人震驚的。
據(jù)估計(jì)現(xiàn)代的鋁生產(chǎn)消耗掉的能源大約占全世界發(fā)電量的2％(！)，可是這部分能量中的許多都在克服每個(gè)單個(gè)熔煉槽里的弱電導(dǎo)高電阻電解質(zhì)層的電阻時(shí)損失掉。主要的電驅(qū)動(dòng)電流可能是低壓的，但為了工藝進(jìn)行必須有相對(duì)很大安培數(shù)的電流?；谶@些障礙，任何能減少電流、電解質(zhì)厚度、或使兩者同時(shí)降低的改進(jìn)都會(huì)真正帶來(lái)能量消耗上的減少，這與那些當(dāng)今沒有改進(jìn)卻需要改進(jìn)的工藝相比，其效果無(wú)疑是顯著的。
當(dāng)然，已經(jīng)有人做出努力來(lái)克服這個(gè)問題，但主要的限制因素是，如果電解質(zhì)厚度的減小超過(guò)某一臨界極限時(shí)，在液態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)鋁之間的界面就開始出現(xiàn)不穩(wěn)定。對(duì)這些不穩(wěn)定主要表現(xiàn)在它們自身槽內(nèi)液體的晃動(dòng)，對(duì)其深入研究的課題已經(jīng)進(jìn)行了20年或更長(zhǎng)時(shí)間。實(shí)際上，這些是界面重力波，受充滿電池的外磁場(chǎng)的影響，當(dāng)超過(guò)某一穩(wěn)定下限時(shí)，這些波能依靠從周圍的電磁場(chǎng)吸收能量而逐漸生長(zhǎng)。
值得慶幸的是可按分鐘和它的小時(shí)生長(zhǎng)率測(cè)出波動(dòng)周期，因此，該問題應(yīng)該易受一些可控制的溶液的影響?，F(xiàn)實(shí)問題是一旦這種波產(chǎn)生，它可能破壞電解以至達(dá)到必須從運(yùn)行中撤出電解槽的這種程度。在極端的情況中，它可以毀壞整個(gè)電解槽。
為了設(shè)法克服這些不穩(wěn)定因素，以前提出的方法包括●在鋁中放置擋板來(lái)分解長(zhǎng)波長(zhǎng)的波，同時(shí)依靠摩擦來(lái)消耗短波長(zhǎng)的分量。
●設(shè)置傾斜的陰極塊以便鋁不斷地排去。
●通過(guò)在電解槽邊緣放置液壓能量吸收體來(lái)消滅駐波。
●使陽(yáng)極與波協(xié)調(diào)一致地進(jìn)行搖動(dòng)，以便電解質(zhì)層幾乎保持均勻并因此消除電流中的擾動(dòng)。
這些方法中的第一種仍然保留簡(jiǎn)單易行的好處，但它和第二種方法兩者都受限于它需要在實(shí)際環(huán)境中找到能忍受熔煉槽里的化學(xué)侵蝕環(huán)境的材料。第二種方法有另一個(gè)困難在于薄鋁層將不適合潤(rùn)濕陰極并且不可能容易地或經(jīng)濟(jì)地克服這一點(diǎn)。雖然第三種方法自身可能解釋得通，但最近的研究集中在最后一種方案中。但就目前所知，還沒有出現(xiàn)可行的實(shí)施方案。
另外，由作者A.Lukyanov，G.E1和S.Molokov于2001年11月12日在Elsevier Science發(fā)表的一篇論文被認(rèn)為與本申請(qǐng)相關(guān)，因?yàn)樗x了不穩(wěn)定機(jī)理的一般背景。然而本申請(qǐng)的一個(gè)目標(biāo)在于，首先要確定反射系數(shù)范圍而不是提供一種用于在電解槽中控制不穩(wěn)定因素的方法。
總之，盡管該問題已經(jīng)討論了很長(zhǎng)一段時(shí)間，對(duì)于工業(yè)化社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)代鋁生產(chǎn)總體上說(shuō)很重要。與之矛盾的是，能量的保存變得日益緊迫，鋁電解槽的不穩(wěn)定問題仍然是大量工業(yè)中的集中和未解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
申請(qǐng)人提出對(duì)現(xiàn)有的電流-驅(qū)動(dòng)的液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)(其中鋁電解槽是典型的，但其實(shí)施并不限于此)的改進(jìn)，其源于與上面所描述的任何一種方法都相當(dāng)不同的起點(diǎn)。但我們相信，該方法可以用于上述方法中的一些、所有、或任意方法的適當(dāng)組合。
實(shí)質(zhì)上，我們對(duì)這樣的系統(tǒng)施加附加的外部磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)是如此選擇的，以至于與沒有采用改方法進(jìn)行改進(jìn)時(shí)所需的電解質(zhì)相比，能減少電解質(zhì)厚度。這樣做，我們恰恰是針對(duì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的原因，其發(fā)生的原因歸于由外磁場(chǎng)界面運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電流的交互作用。
基于我們對(duì)控制不穩(wěn)定性的基本機(jī)理的理解，我們相信用圍繞電解槽設(shè)計(jì)的適當(dāng)?shù)木€圈環(huán)形電流誘發(fā)自動(dòng)磁場(chǎng)來(lái)使電解槽明顯穩(wěn)定化是可行的，即使這種穩(wěn)定不是完全程度上的。
因此，我們通過(guò)圍繞槽施加適當(dāng)功率和依賴于時(shí)間的磁場(chǎng)而有效地抑制波動(dòng)，而不是設(shè)法充分弄清楚所有槽內(nèi)部所發(fā)生的情況?，F(xiàn)代的鋁(或任何其它金屬)電解槽是一種復(fù)雜的和具備極佳特性的設(shè)備。在這樣的槽內(nèi)有眾多細(xì)小的物理和化學(xué)過(guò)程發(fā)生，并且它們中的許多將不可避免的相互影響。任何一個(gè)參數(shù)的細(xì)小變化都很可能有非常出乎預(yù)料的結(jié)果。并且這些可能是內(nèi)部相關(guān)聯(lián)或完全可預(yù)知的，但也可能不是。單單主要驅(qū)動(dòng)電流的規(guī)模就使試圖對(duì)電解槽運(yùn)轉(zhuǎn)的任何一方面做相對(duì)小的調(diào)整都幾乎變得不切實(shí)際，例如前述的第四個(gè)方法中的“陽(yáng)極搖動(dòng)”法-沒有任何甚至是部分成功的實(shí)際保障。
相反我們持有這樣的觀點(diǎn)并相信，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)并結(jié)合調(diào)節(jié)控制參數(shù)(即場(chǎng)的振幅、頻率和穩(wěn)定的背景)的能力，我們更可能在可預(yù)見的將來(lái)之內(nèi)，以一種可實(shí)施的方式取得對(duì)不穩(wěn)定性的真正抑制。
在一個(gè)輔助的方面，施加的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上是垂直磁場(chǎng)。在這一方向上所產(chǎn)生的對(duì)液態(tài)金屬電解質(zhì)不穩(wěn)定性的極大影響，使得電解質(zhì)本身的厚度可允許降低到按慣例會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況的水平。
在進(jìn)一步的輔助方面，磁場(chǎng)依賴于幅度和頻率，它們的值可通過(guò)對(duì)無(wú)限大的壁上的波反射值的分析而進(jìn)行估算。這是很有利的，因?yàn)樗试S迅速確定適合的磁場(chǎng)而不是依賴于熟練的技術(shù)人員通過(guò)更廣泛的分析來(lái)確定。


所附附圖圖1用圖解法顯示現(xiàn)代的Hall-Héroult槽的一個(gè)例子；圖2顯示槽的電解質(zhì)區(qū)域示意圖；
圖3用圖表顯示現(xiàn)有的和改進(jìn)的不穩(wěn)定程度，分別出現(xiàn)在未改進(jìn)的和根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的電解槽中；圖4再次用圖解形式顯示一個(gè)實(shí)施本發(fā)明的可能的設(shè)置；圖5顯示雙層系統(tǒng)的示意圖；圖6顯示在無(wú)限大平面壁上波反射的示意圖；圖7用圖表顯示當(dāng)不施加交變磁場(chǎng)時(shí)代表兩電解質(zhì)厚度的界面波振幅；圖8用圖表顯示在有和沒有交變磁場(chǎng)時(shí)代表減少的電解質(zhì)厚度的界面波振幅。
對(duì)方案的概括描述圖1所示為一個(gè)通常以附圖標(biāo)記1表示的現(xiàn)代Hall-Héroult槽的例子。槽1包含蓋2、碳陽(yáng)極3、熔鹽電解質(zhì)4、熔融鋁5、收集棒(collectorbars)6、碳質(zhì)內(nèi)襯7和碳質(zhì)通路(carbon bus)8。所有這些組件都可有標(biāo)準(zhǔn)的類型，如果必要，可以用其它相關(guān)組件或組件群來(lái)進(jìn)行改進(jìn)或替換，這是本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員不經(jīng)過(guò)任何創(chuàng)造性勞動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)的。
電解所用的電流通過(guò)陽(yáng)極垂直進(jìn)入電解質(zhì)區(qū)域并在底部積累于陰極。兩層的厚度，電解質(zhì)和鋁，與水平尺寸相比是非常小的。用示意圖，如圖2中所示，展現(xiàn)電解區(qū)域。
所損耗能量的主要部分都被在弱傳導(dǎo)電解質(zhì)上，圖2中層2，以電阻損耗的形式浪費(fèi)掉。但當(dāng)將電解質(zhì)的厚度降低到某臨界水平或電流超過(guò)某臨界值時(shí)，電解槽會(huì)變得不穩(wěn)定。換句話說(shuō)，在兩液體界面之間的交界處的波開始生長(zhǎng)。所導(dǎo)致的不穩(wěn)定的增長(zhǎng)量如圖3(曲線1)所示。
我們建議施加外部的交變磁場(chǎng)，并調(diào)節(jié)由此磁場(chǎng)誘發(fā)的電流以便控制或進(jìn)一步抑制不穩(wěn)定性。如圖4所示為可能的設(shè)置草圖。在此圖中圍繞槽的環(huán)形電流誘發(fā)交變磁場(chǎng)。在實(shí)踐中，例如，可通過(guò)在槽周圍環(huán)繞線圈或由本領(lǐng)域技術(shù)人員精選的其它方法來(lái)建立交變磁場(chǎng)。對(duì)于圓形電解槽模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其中例舉了大量的不穩(wěn)定情況，如圖3中曲線2所示。我們能發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定性的消失。更多的實(shí)際分析長(zhǎng)方形電解槽表明該方法在這種情況下(圖8)同樣會(huì)成功運(yùn)行。我們相信本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)任何幾何形狀的電解槽采用這種方法。
基礎(chǔ)理論與示范性結(jié)果的描述在以下描述中，展示了通過(guò)交變磁場(chǎng)使流體穩(wěn)定化，用矩形幾何形狀的雙層系統(tǒng)來(lái)表征對(duì)不穩(wěn)定性的抑制效果。
A)在閉合磁疇中通過(guò)MHD改進(jìn)的界面重力波動(dòng)力學(xué)模型使雙導(dǎo)電液體(液態(tài)金屬和電解質(zhì))系統(tǒng)傳送J強(qiáng)度的電流并暴露于圖5所示的磁場(chǎng)B中。
在平衡狀態(tài)下，J＝J0＝(0，0，-J0)，B＝(B0x，B0y，B0z)，×[J0×B0]＝0. (1)這里(x，y，z)是笛卡爾坐標(biāo)。上式的關(guān)系暗示磁場(chǎng)B0z的垂直分量可能是任意的(由外部環(huán)流提供)。
假定液態(tài)金屬層的厚度在平衡狀態(tài)下為H1，而電解質(zhì)的為H2。任何偏離平衡狀態(tài)(其不可避免的存在于實(shí)際槽中)的界面偏差會(huì)誘發(fā)電流的再分布(因而具有磁場(chǎng))。雙層液體系統(tǒng)波運(yùn)動(dòng)伴隨這個(gè)過(guò)程。在沒有電流的情況下，體系是穩(wěn)定的(在波的傳播過(guò)程中界面的初始擾動(dòng)振幅不會(huì)生長(zhǎng))。最終，由于系統(tǒng)自然損耗，波會(huì)逐漸消失。相反，當(dāng)有電流持續(xù)時(shí)，電流擾動(dòng)與外磁場(chǎng)持續(xù)交互作用能夠增強(qiáng)波運(yùn)動(dòng)并導(dǎo)致界面波振幅的不受控生長(zhǎng)。
雙層系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)取決于以下方程式ρi[∂ui∂t+(ui·▿)ui]+▿(Pi+ρigz)=Fi-Di---(2a)]]>.ui＝0，.Ji＝0，.B＝0， (2b-d)這里i＝1，2是圖5中的層號(hào)；ρi是場(chǎng)強(qiáng)；ui是流速，Pi是流體壓力(hydrodynamic pressure)，Ji是層中的電流強(qiáng)度(其包括由波運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的變化)，B是總磁場(chǎng)強(qiáng)度(其中包括由外部環(huán)流誘發(fā)的磁場(chǎng))，t是時(shí)間，F(xiàn)i＝Ji×B是洛侖茲力，Di是描述層中能量損失的損耗。用淺水方程式(shallow-water equations)的一般形式得到損耗期，即Di＝viui，這里vi是損耗系數(shù)。
放入弱傳導(dǎo)性室(poorly conducting bath)中的雙層液態(tài)系統(tǒng)臨界條件是
(ui.n)室.＝0； (3)(J1，2.n)側(cè)壁＝0；(J1.n)底＝-J0；(J1.n-J2.n)界面＝0，(4a-c)這里n是與特定表面正交的單位向量。
電流的邊界條件(4)暗示著以下傳導(dǎo)率的排列σ側(cè)壁＜＜σ2＜＜σ底部＜＜σ1，這些是工業(yè)鋁電解槽的特征(典型的，σ1＝3.3·106(Om.m)-1)，σ2＝200(Om.m)-1，σ底部＝2.104(Om.m)-1，σ側(cè)壁≈0＞。
方程組(2)，與臨界條件(3)，(4)一起充分定義雙層系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。
在下文中，將討論來(lái)自平衡狀態(tài)z＝0的界面的偏差z＝h(x，y，t)。正如由鋁電解槽中實(shí)際物理和工程條件顯示的那樣，如果引進(jìn)兩個(gè)小的參數(shù)，可有效簡(jiǎn)化控制方程組(2)，即●ε＝H1/L＜＜1，淺水參數(shù)。這里L(fēng)是槽的水平尺寸。典型的，ε∝0.01。
●δ＝max h/H1＜＜1，這里最大值h是界面波的振幅。那就是說(shuō)我們對(duì)小振幅擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)感興趣，其對(duì)于穩(wěn)定分析這些是極有利的。
這兩種參數(shù)的應(yīng)用意味著對(duì)于在δ界面運(yùn)動(dòng)的第一次指令實(shí)質(zhì)上是二維的和符合以下關(guān)系的ui(x，y，z，t)≈δνi(x，y，t)，h(x，y，z，t)≈δη(x，y，t)，F(xiàn)1(x，y，z，t)≈δfi(x，y，t)，(5)這里νi，ηI，fi是新的、未知的，O(1)函數(shù)。這些分別是標(biāo)準(zhǔn)速度，和界面擾動(dòng)與洛倫茲力。
考慮到淺水、小振幅近似值(5)，原始方程式(2)-(4)的分析表明通過(guò)在δ第一次指令能夠得出下面的結(jié)論●由界面運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的電流擾動(dòng)是水平的，即J≈J0+j‖(x，y，t)(這里和其它處的下標(biāo)‖表示(x，y)平面的向量的分量)，●作用于液態(tài)金屬的洛倫茲力僅僅依賴外磁場(chǎng)的垂直分量f1≈j‖×B0Z，●作用于電解質(zhì)的洛倫茲力比作用在液態(tài)金屬上的少得多，即|f2|＜＜|f1|。
結(jié)果，我們能推斷通過(guò)控制磁場(chǎng)B0Z(其由外部回路提供)的垂直分量，就有可能控制誘發(fā)界面的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的力。有一種這樣的可能就是把一定的交變磁場(chǎng)疊加在外部駐波場(chǎng)上。
因此，認(rèn)為場(chǎng)的垂直分量由以下形式構(gòu)成B0Z＝B0b(x，y，t)，這里B0Z是常量，而函數(shù)b(x，y，t)可以是任意的。在之前的研究中，已經(jīng)假定磁場(chǎng)是駐波(例如不依賴于時(shí)間)并且是固定的。
在所有的假定條件下得出上面的界面運(yùn)動(dòng)控制體系∂2η∂t2-c2▿2η=c2▿φ·[▿×b(x,y,t)ex]-v1∂η∂t---(6)]]>2φ＝-βη.(7)這里▿≡ex∂/∂x+ey∂/∂y;c=(ρ1-ρ2)g[ρ1/H1+ρ2/H2]-1]]>是在沒有外磁場(chǎng)條件下的界面重力波的速度，φ(x，y，t)＝σ1B0g-1(ρ1-ρ2)-1(x，y，t)是標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)，(如j‖＝-σ1)和β＝J0B0/[H1H2(ρ1-ρ2)g]人們注意到電解槽的自然損耗在現(xiàn)有設(shè)備的穩(wěn)定性中扮演關(guān)鍵的角色。在這種情況中無(wú)量綱參數(shù)β的一般值是～20。無(wú)損耗的條件下穩(wěn)定運(yùn)行的唯一可能是β值小到近似于1而這是不切實(shí)際的。
臨界條件(3)，(4)滿足∂φ∂n=0,∂η∂n=-b(x,y,t)∂φ∂tatΓ---(8a,b)]]>這里函數(shù)Γ(x，y)＝0定義為臨界(電解槽水平幾何形狀)形式； 和 各自代表對(duì)于Γ＝0正交和切向?qū)?shù)。
在最簡(jiǎn)單的情況中本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對(duì)方程組(6)-(8)的分析，當(dāng)b≡1(均勻、連續(xù)的磁場(chǎng))時(shí)，已經(jīng)揭示了潛在的界面不穩(wěn)定性機(jī)理。實(shí)質(zhì)上，已經(jīng)表明不穩(wěn)定(如果發(fā)生這種情況)就是通過(guò)反射系數(shù)遠(yuǎn)大于1的波反射在電解槽邊界處激發(fā)的。更早的研究忽略了均勻外磁場(chǎng)這個(gè)不穩(wěn)定機(jī)制要點(diǎn)。對(duì)于這種類型的場(chǎng)方程式(6)右面的第一期限消失，方程式(6)實(shí)質(zhì)上是從方程式(7)中分離出來(lái)的。臨界條件(8b)是造成不穩(wěn)定性發(fā)展的原因。這里的補(bǔ)救是具有任意函數(shù)b(x，y，t)，其本質(zhì)上是在這個(gè)臨界條件下的外加磁場(chǎng)。
根據(jù)這個(gè)先進(jìn)理論推導(dǎo)能夠找到優(yōu)選發(fā)明的外磁場(chǎng)b(x，y，t)，這導(dǎo)致不穩(wěn)定性的衰減甚至是抑制。
以下給出的結(jié)果為空間均勻交變磁場(chǎng)的最簡(jiǎn)單情況b＝1+b0cos(ω0t+θ0)(9)這里b0是標(biāo)準(zhǔn)振幅，ω0是頻率，和θ0是控制將獲得的外磁場(chǎng)的初始相。
對(duì)于電解槽的實(shí)際幾何形狀，由方程式(6)-(8)定義的問題必須以數(shù)學(xué)法解決。對(duì)于象此后給出的長(zhǎng)方形電解槽的具體情況的計(jì)算，可能全部要使用二級(jí)中心差分。使用直接圖解法可能對(duì)方程式(6)產(chǎn)生懷疑?？梢允褂每旖莸牟此汕蠼獬绦蚯蠼夥匠淌?7)。
為了進(jìn)行計(jì)算，可以使每單位長(zhǎng)度分為32點(diǎn)。該方案已經(jīng)成功的在幾個(gè)基準(zhǔn)問題上試驗(yàn)過(guò)以確保高準(zhǔn)確度和無(wú)數(shù)值分散。也可以采用其它方法確定有利的磁場(chǎng)類型，這將由本領(lǐng)域技術(shù)人員從已知的備選方案中選擇。
從無(wú)限制平面(見B部分)反射的對(duì)應(yīng)問題中可能方便地獲得參數(shù)b0和ω0的近似值。增加或減少來(lái)自這些初始估計(jì)的頻率和振幅起始值以使不穩(wěn)定的增量達(dá)到最小。反復(fù)的調(diào)整參數(shù)直到取得界面的穩(wěn)定。
B)外磁場(chǎng)的振幅與頻率的近似確定來(lái)自無(wú)限平面層的反射本節(jié)中提供一個(gè)來(lái)自無(wú)限平面層的反射分析例子。
如圖6所示在沒有損耗的情況下，使用最簡(jiǎn)單的從無(wú)窮遠(yuǎn)邊界處的平面波反射模型估計(jì)外磁場(chǎng)的兩個(gè)控制參數(shù)，振幅和頻率。
在之前的這類研究中假定b在這里恒等于1時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于一定的入射角來(lái)說(shuō)反射系數(shù)μ遠(yuǎn)大于1。換句話說(shuō)，在邊界處波正在增強(qiáng)。顯然在存在由方程式(9)提供的交變磁場(chǎng)b(t)條件下我們得到μ0＝μ(b0，ω0)。現(xiàn)在我們繼續(xù)找這樣的反射系數(shù)μ≤1的控制參數(shù)b0和ω0。為了完成這個(gè)適宜于用傅里葉分量η(x，y，t)積分方程形式來(lái)表現(xiàn)來(lái)自壁的平面波反射問題。
用下面的形式表現(xiàn)反射問題的因變量-η=η~(x,t)exp(ikyy),φ=φ~(x,t)exp(ikyy),]]>
這里ky是入射波的波數(shù)。
根據(jù)x的傅里葉變換導(dǎo)出下面的對(duì)于函數(shù) 在邊界處的積分方程x=0:∂η~∂x=-ib(t)∫-∞0η~(x′,t)exp(kyx′)dx′---(10)]]>而函數(shù) 滿足方程∂2η~∂t2-c2∂2η~∂x2+k2yc2η~=0---(11)]]>對(duì)t進(jìn)行進(jìn)一步的傅里葉變換，如η~(x,t)=∫ηωexp(-iωt)dω,]]>給出方程式(11)的解如下ηω＝C1(ω)exp(ikxx)+C2(ω)exp(-ikxx)， (12)其中kx=ω2/c2-ky2]]>和C1(ω)，C2(ω)分別是入射波與反射波的光譜強(qiáng)度。將方程式(12)代入方程式(10)得到一個(gè)函數(shù)方程式，其將反射波和入射波的光譜強(qiáng)度相聯(lián)系，即kx(ω){C1(ω)-C2(ω)}+{C1(ω)ky+ikx(ω)+C2(ω)ky-ikx(ω)}]]>+b0{C1(ω±ω0)ky+ikx(ω±ω0)+C2(ω±ω0)ky-ikx(ω±ω0)}=0.---(13)]]>假定給出入射波的光譜強(qiáng)度就能反復(fù)求解方程式(13)，例如C1(ω)＝1。這樣給出b0和ω0值，在有損耗下長(zhǎng)方形電解槽中可以用作我們不穩(wěn)定分析的起始點(diǎn)。進(jìn)一步的，還必須對(duì)這些參數(shù)數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)以取得穩(wěn)定。
值得注意的是方程式(10)可用于解決一些更廣泛的反面問題。也就是說(shuō)，如果我們規(guī)定入射和反射波兩者的光譜強(qiáng)度，那么我們就能依靠控制磁場(chǎng)b(t)而得到必要的時(shí)間，而不用假定前面式(9)中的任何參數(shù)形式。
C)長(zhǎng)方形電解槽中不穩(wěn)定性的控制長(zhǎng)方形電解槽中交變磁場(chǎng)的穩(wěn)定效應(yīng)將在下面的實(shí)施例中得到證明。使電解槽的幾何參數(shù)為長(zhǎng)L1＝9.8m，寬L2＝3.4m，電解質(zhì)層厚度H2＝5cm和鋁層厚度H1＝25cm。通過(guò)槽的總電流強(qiáng)度是Ic＝175KA。已經(jīng)得到持續(xù)的外部磁場(chǎng)B0＝3.10-3T。這些條件符合鋁的生產(chǎn)穩(wěn)定過(guò)程，其通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和與圖7中相應(yīng)的水平曲線而得到確認(rèn)。
如果我們降低電解質(zhì)層厚度5％，即H2＝4.75，槽會(huì)變得非常不穩(wěn)定。圖7的生長(zhǎng)曲線顯示這樣帶來(lái)的不穩(wěn)定。由此看出，生長(zhǎng)率是相當(dāng)迅速的并且在30分鐘后發(fā)生短路。
圖8顯示的是通過(guò)交變磁場(chǎng)使鋁層厚度得到減少的穩(wěn)定化槽。
有相同(降低的)電解質(zhì)層厚度的電解槽的操作顯示于圖8中，其中應(yīng)用了由方程式(9)提供的交變磁場(chǎng)，這里b0＝0.66，ω0＝20弧度/秒，θ0＝0。
根據(jù)我們?cè)贐)節(jié)描述的方法，已經(jīng)找到適合的頻率ω0和振幅b0，并且經(jīng)調(diào)諧取得了穩(wěn)定。起始值離提供穩(wěn)定操作的那些相差不是很大，即b0近似≈1.66，ω0近似≈40弧度/秒。注b0是以B0＝3.10-3T為標(biāo)準(zhǔn)。
如圖8中所示結(jié)果為電解槽達(dá)到穩(wěn)定。正如下節(jié)中所顯示的那樣，這個(gè)結(jié)果對(duì)于實(shí)際能量的節(jié)約有特別的促進(jìn)。
D)能量消耗的減少讓我們?cè)谏厦嫠袇?shù)之內(nèi)計(jì)算一下每毫米電解質(zhì)層的能量損耗。熔融電解質(zhì)的傳導(dǎo)率為σe＝200(Om.m)-1。那么每毫米電解質(zhì)層(ΔL＝1mm)中由于功率損耗的能量損失是We＝Ic2ΔL/(σeL1L2)。既然本發(fā)明的磁場(chǎng)應(yīng)用已經(jīng)允許電解質(zhì)層的厚度可減小ΔH2＝2.5mm，這就允許電能的損耗降低ΔWe＝11.5kWatt。另一方面，利用線圈建立穩(wěn)定的外部交變磁場(chǎng)，我們所需耗費(fèi)量?jī)H是Ws＝57Watt，所提供的線圈為直徑0.5cm的銅線300圈。
因此，Ws/ΔWe比率恰好＝0.5％。就是說(shuō)，用于控制磁場(chǎng)的產(chǎn)生所需的能量花費(fèi)與最終節(jié)省的相比是非常小的。
在有磁場(chǎng)存在的條件下傳送電流的雙層系統(tǒng)能通過(guò)施加外部交變磁場(chǎng)而穩(wěn)定化。對(duì)工業(yè)鋁電解槽的一般幾何形狀的計(jì)算表明，在有均勻場(chǎng)存在的條件下用于穩(wěn)定化所需的能量損耗是最小的。
可以對(duì)各種形狀和甚至有不均勻空間磁場(chǎng)的槽進(jìn)行相似的計(jì)算。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)于每種具體情況將會(huì)采用前述主要的先進(jìn)理論，然而這些均包含在本發(fā)明權(quán)利要求當(dāng)前所定義的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種已知類型的電流驅(qū)動(dòng)的液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)，其特征在于對(duì)該系統(tǒng)施加附加的、外部的、隨時(shí)間變化的和/或交變的磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所施加的磁場(chǎng)其實(shí)是垂直磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中磁場(chǎng)取決于振幅和頻率，振幅和頻率的值近似于對(duì)無(wú)限壁上的波反射分析值。
4.一種電流驅(qū)動(dòng)的液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)如與任何附圖相結(jié)合所進(jìn)行的描述相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及已知的電流驅(qū)動(dòng)的液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)施加附加的、外部的、隨時(shí)間改變的和/或交變的磁場(chǎng)。優(yōu)選的是，施加的磁場(chǎng)實(shí)際上可以是垂直的磁場(chǎng)。
文檔編號(hào)C25C3/00GK1615378SQ03802163
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月10日
發(fā)明者謝爾蓋·莫洛科夫, 亞歷克斯·盧坎尤夫, 根納季·葉爾 申請(qǐng)人:考文垂大學(xué)