專利名稱：經(jīng)過穩(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)：
在本說明書中，將舉例說明本發(fā)明，并且將參考鋁的還原和熔煉來隨后對其進(jìn)行進(jìn)描述和說明。
現(xiàn)代的鋁生產(chǎn)設(shè)備消耗巨大的電能。實質(zhì)上所有生產(chǎn)過程都通過在電解槽，或如其所稱的“罐”里還原礬土而操作。實踐中，商業(yè)的鋁熔煉設(shè)備將由幾百個這樣的“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)在事實上它已經(jīng)被毫無變化的保留了一百多年(實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單個熔煉槽里的弱電導(dǎo)高電阻電解質(zhì)層的電阻時損失掉。主要的電驅(qū)動電流可能是低壓的，但為了工藝進(jìn)行必須有相對很大安培數(shù)的電流?；谶@些障礙，任何能減少電流、電解質(zhì)厚度、或使兩者同時降低的改進(jìn)都會真正帶來能量消耗上的減少，這與那些當(dāng)今沒有改進(jìn)卻需要改進(jìn)的工藝相比，其效果無疑是顯著的。
當(dāng)然，已經(jīng)有人做出努力來克服這個問題，但主要的限制因素是，如果電解質(zhì)厚度的減小超過某一臨界極限時，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。對這些不穩(wěn)定主要表現(xiàn)在它們自身槽內(nèi)液體的晃動，對其深入研究的課題已經(jīng)進(jìn)行了20年或更長時間。實際上，這些是界面重力波，受充滿電池的外磁場的影響，當(dāng)超過某一穩(wěn)定下限時，這些波能依靠從周圍的電磁場吸收能量而逐漸生長。
值得慶幸的是可按分鐘和它的小時生長率測出波動周期，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●在鋁中放置擋板來分解長波長的波，同時依靠摩擦來消耗短波長的分量。
●設(shè)置傾斜的陰極塊以便鋁不斷地排去。
●通過在電解槽邊緣放置液壓能量吸收體來消滅駐波。
●使陽極與波協(xié)調(diào)一致地進(jìn)行搖動，以便電解質(zhì)層幾乎保持均勻并因此消除電流中的擾動。
這些方法中的第一種仍然保留簡單易行的好處，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困難在于薄鋁層將不適合潤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)為與本申請相關(guān)，因為它定義了不穩(wěn)定機(jī)理的一般背景。然而本申請的一個目標(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)討論了很長一段時間，對于工業(yè)化社會的發(fā)展，現(xiàn)代鋁生產(chǎn)總體上說很重要。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
申請人提出對現(xiàn)有的電流-驅(qū)動的液態(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。
實質(zhì)上，我們對這樣的系統(tǒng)施加附加的外部磁場，該磁場的設(shè)計和運(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，我們恰恰是針對導(dǎo)致不穩(wěn)定的原因，其發(fā)生的原因歸于由外磁場界面運(yùn)動誘發(fā)電流的交互作用。
基于我們對控制不穩(wěn)定性的基本機(jī)理的理解，我們相信用圍繞電解槽設(shè)計的適當(dāng)?shù)木€圈環(huán)形電流誘發(fā)自動磁場來使電解槽明顯穩(wěn)定化是可行的，即使這種穩(wěn)定不是完全程度上的。
因此，我們通過圍繞槽施加適當(dāng)功率和依賴于時間的磁場而有效地抑制波動，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)動電流的規(guī)模就使試圖對電解槽運(yùn)轉(zhuǎn)的任何一方面做相對小的調(diào)整都幾乎變得不切實際，例如前述的第四個方法中的“陽極搖動”法-沒有任何甚至是部分成功的實際保障。
相反我們持有這樣的觀點(diǎn)并相信，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計并結(jié)合調(diào)節(jié)控制參數(shù)(即場的振幅、頻率和穩(wěn)定的背景)的能力，我們更可能在可預(yù)見的將來之內(nèi)，以一種可實施的方式取得對不穩(wěn)定性的真正抑制。
在一個輔助的方面，施加的磁場實質(zhì)上是垂直磁場。在這一方向上所產(chǎn)生的對液態(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出現(xiàn)不穩(wěn)定情況的水平。
在進(jìn)一步的輔助方面，磁場依賴于幅度和頻率，它們的值可通過對無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，因為它允許迅速確定適合的磁場而不是依賴于熟練的技術(shù)人員通過更廣泛的分析來確定。


所附附圖圖1用圖解法顯示現(xiàn)代的Hall-Héroult槽的一個例子；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實施本發(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)不施加交變磁場時代表兩電解質(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時代表減少的電解質(zhì)厚度的界面波振幅。
對方案的概括描述圖1所示為一個通常以附圖標(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)過任何創(chuàng)造性勞動就可實現(xiàn)的。
電解所用的電流通過陽極垂直進(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某臨界值時，電解槽會變得不穩(wěn)定。換句話說，在兩液體界面之間的交界處的波開始生長。所導(dǎo)致的不穩(wěn)定的增長量如圖3(曲線1)所示。
我們建議施加外部的交變磁場，并調(diào)節(jié)由此磁場誘發(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。在實踐中，例如，可通過在槽周圍環(huán)繞線圈或由本領(lǐng)域技術(shù)人員精選的其它方法來建立交變磁場。對于圓形電解槽模擬實驗的結(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。更多的實際分析長方形電解槽表明該方法在這種情況下(圖8)同樣會成功運(yùn)行。我們相信本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對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，展示了通過交變磁場使流體穩(wěn)定化，用矩形幾何形狀的雙層系統(tǒng)來表征對不穩(wěn)定性的抑制效果。
A)在閉合磁疇中通過MHD改進(jìn)的界面重力波動力學(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際槽中)的界面偏差會誘發(fā)電流的再分布(因而具有磁場)。雙層液體系統(tǒng)波運(yùn)動伴隨這個過程。在沒有電流的情況下，體系是穩(wěn)定的(在波的傳播過程中界面的初始擾動振幅不會生長)。最終，由于系統(tǒng)自然損耗，波會逐漸消失。相反，當(dāng)有電流持續(xù)時，電流擾動與外磁場持續(xù)交互作用能夠增強(qiáng)波運(yùn)動并導(dǎo)致界面波振幅的不受控生長。
雙層系統(tǒng)動力學(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；ρi是場強(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)動誘發(fā)的變化)，B是總磁場強(qiáng)度(其中包括由外部環(huán)流誘發(fā)的磁場)，t是時間，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。
在下文中，將討論來自平衡狀態(tài)z＝0的界面的偏差z＝h(x，y，t)。正如由鋁電解槽中實際物理和工程條件顯示的那樣，如果引進(jìn)兩個小的參數(shù)，可有效簡化控制方程組(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。那就是說我們對小振幅擾動動力學(xué)感興趣，其對于穩(wěn)定分析這些是極有利的。
這兩種參數(shù)的應(yīng)用意味著對于在δ界面運(yùn)動的第一次指令實質(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)的分析表明通過在δ第一次指令能夠得出下面的結(jié)論●由界面運(yùn)動誘發(fā)的電流擾動是水平的，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，我們能推斷通過控制磁場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)動的力。有一種這樣的可能就是把一定的交變磁場疊加在外部駐波場上。
因此，認(rèn)為場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)假定磁場是駐波(例如不依賴于時間)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，(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。在這種情況中無量綱參數(shù)β的一般值是～20。無損耗的條件下穩(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 各自代表對于Γ＝0正交和切向?qū)?shù)。
在最簡單的情況中本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對方程組(6)-(8)的分析，當(dāng)b≡1(均勻、連續(xù)的磁場)時，已經(jīng)揭示了潛在的界面不穩(wěn)定性機(jī)理。實質(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這個不穩(wěn)定機(jī)制要點(diǎn)。對于這種類型的場方程式(6)右面的第一期限消失，方程式(6)實質(zhì)上是從方程式(7)中分離出來的。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)上是在這個臨界條件下的外加磁場。
根據(jù)這個先進(jìn)理論推導(dǎo)能夠找到優(yōu)選發(fā)明的外磁場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的最簡單情況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的初始相。
對于電解槽的實際幾何形狀，由方程式(6)-(8)定義的問題必須以數(shù)學(xué)法解決。對于象此后給出的長方形電解槽的具體情況的計算，可能全部要使用二級中心差分。使用直接圖解法可能對方程式(6)產(chǎn)生懷疑。可以使用快捷的泊松求解程序求解方程式(7)。
為了進(jìn)行計算，可以使每單位長度分為32點(diǎn)。該方案已經(jīng)成功的在幾個基準(zhǔn)問題上試驗過以確保高準(zhǔn)確度和無數(shù)值分散。也可以采用其它方法確定有利的磁場類型，這將由本領(lǐng)域技術(shù)人員從已知的備選方案中選擇。
從無限制平面(見B部分)反射的對應(yīng)問題中可能方便地獲得參數(shù)b0和ω0的近似值。增加或減少來自這些初始估計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)外磁場的振幅與頻率的近似確定來自無限平面層的反射本節(jié)中提供一個來自無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，使用最簡單的從無窮遠(yuǎn)邊界處的平面波反射模型估計外磁場的兩個控制參數(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，發(fā)現(xiàn)對于一定的入射角來說反射系數(shù)μ遠(yuǎn)大于1。換句話說，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b(t)條件下我們得到μ0＝μ(b0，ω0)?，F(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。為了完成這個適宜于用傅里葉分量η(x，y，t)積分方程形式來表現(xiàn)來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，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b(t)而得到必要的時間，而不用假定前面式(9)中的任何參數(shù)形式。
C)長方形電解槽中不穩(wěn)定性的控制長方形電解槽中交變磁場的穩(wěn)定效應(yīng)將在下面的實施例中得到證明。使電解槽的幾何參數(shù)為長L1＝9.8m，寬L2＝3.4m，電解質(zhì)層厚度H2＝5cm和鋁層厚度H1＝25cm。通過槽的總電流強(qiáng)度是Ic＝175KA。已經(jīng)得到持續(xù)的外部磁場B0＝3.10-3T。這些條件符合鋁的生產(chǎn)穩(wěn)定過程，其通過計算機(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，槽會變得非常不穩(wěn)定。圖7的生長曲線顯示這樣帶來的不穩(wěn)定。由此看出，生長率是相當(dāng)迅速的并且在30分鐘后發(fā)生短路。
圖8顯示的是通過交變磁場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，這里b0＝0.66，ω0＝20弧度/秒，θ0＝0。
根據(jù)我們在B)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，這個結(jié)果對于實際能量的節(jié)約有特別的促進(jìn)。
D)能量消耗的減少讓我們在上面所列參數(shù)之內(nèi)計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，我們所需耗費(fèi)量僅是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，用于控制磁場的產(chǎn)生所需的能量花費(fèi)與最終節(jié)省的相比是非常小的。
在有磁場存在的條件下傳送電流的雙層系統(tǒng)能通過施加外部交變磁場而穩(wěn)定化。對工業(yè)鋁電解槽的一般幾何形狀的計算表明，在有均勻場存在的條件下用于穩(wěn)定化所需的能量損耗是最小的。
可以對各種形狀和甚至有不均勻空間磁場的槽進(jìn)行相似的計算。本領(lǐng)域技術(shù)人員對于每種具體情況將會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)動的液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)，其特征在于對該系統(tǒng)施加附加的、外部的、隨時間變化的和/或交變的磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所施加的磁場其實是垂直磁場。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中磁場取決于振幅和頻率，振幅和頻率的值近似于對無限壁上的波反射分析值。
4.一種電流驅(qū)動的液態(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)動的液態(tài)金屬電解質(zhì)系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)施加附加的、外部的、隨時間改變的和/或交變的磁場。優(yōu)選的是，施加的磁場實際上可以是垂直的磁場。
文檔編號C25C3/00GK1615378SQ03802163
公開日2005年5月11日 申請日期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 申請人:考文垂大學(xué)