60+kA沉浸式稀土电解槽电场的数值模拟.pdf

2 0 1 5 年第2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 8 6 0k A 沉浸式稀土电解槽电场的数值模拟 伍永福1 ，张雪娇1 ，陈思琪1 ’2 ，刘中兴1 ，董云芳1 1 ．内蒙古科技大学能源与环境工程学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 ； 2 ．大唐科技产业集团有限公司安徽分公司，合肥2 3 0 0 7 1 摘要通过计算设计开发新型6 0k A 沉浸式稀土电解槽的基本尺寸结构，并采用数值模拟软件建立了 该电解槽的三维电场计算模型。对6 0 ～1 0 0m m 几种不同极距工况下电解槽电场分布情况进行模拟。 通过对电场电压的分析可以发现最佳电极间距为7 0m m ，为该槽型的推广应用提供了理论基础。 关键词6 0k A 稀土电解槽；数值模拟；电场；优化 中图分类号T G l 4 6 ．4文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 2 一0 0 3 1 一0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no f E l e c t r i cF i e l di n6 0k AI m m e r s i o n R a r eE a r t hE l e c t r O l y t i cC e l l W UY o n g - f u l ，Z H A N GX u e _ j i a 0 1 ，C H E NS i q i l ”，L I UZ h o n g x i n 9 1 ，D O N GY u n - f a n 9 1 1 ．S c h o o lo fE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a ； 2 ．D a t a n gT e c h n o l o g yI n d u s t r yG r o u pL i m i t e dC o m p a n yA n h u iB r a n c h ，H e f e i2 3 0 0 7 l ，C h i n a A b s t r a c t B a s i cs i z es t r u c t u r eo fn e w6 0k Ai m m e r s i o nr a r ee a r t he l e c t r 0 1 y t i cc e l lw a sd e s i g n e da n d d e v e l o p e db yc a l c u l a t i o n ． T h r e ed i m e n s i o n a le l e c t r i cf i e l dc a l c u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r o l y z e rw a se s t a b l i s h e d w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ．D i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l di nr a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l lw i t hp o l a r d i s t a n c eo f6 0 ～1O Om mw a ss i m u l a t e d ． A n a l y s i sr e s u l t so fe l e c t r i cf i e l dv o l t a g es h o wt h a tt h eo p t i m u m e l e c t r o d es p a c i n gi s7 0m m ．T h i ss i m u l a t i o nr e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rc o m m e r c i a l i z a t i o na n d a p p l i c a t i o no ft h i st y p eo fe l e c t r o l y z e r ． K e yw o r d s 6 0k Ar a r ee a r t he l e c t r o l y z e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e l e c t r i cf i l e d ；o p t i m i z a t i o n 稀土熔盐电解法已经广泛应用于工业化生产稀 土金属和稀土金属合金，稀土金属中通过熔盐电解 法生产出来的产品已经达到9 5 ％以上[ 1 。3 ] 。传统的 上插式稀土氟盐体系电解槽由于电流效率低、熔盐 挥发损失严重、槽体和石墨阳极腐蚀严重、金属收集 率低等问题，已不能满足节能减排的需要。本文针 对发明专利Z L 2 0 0 9 1 0 2 1 5 5 8 6 ．2 沉浸式稀土电解槽 槽型的结构，研发的新型6 0k A 沉浸式稀土电解槽 采用侧进电沉浸方式布置阳极，具有结构简单、能耗 少、电流效率高、环保效益好、布线结构合理、维护容 易等优点，可以有效解决在电解槽大型化过程中出 现的上部敞口较大、热量流失的现象。 刘中兴等[ 4 ‘7 ] 采用数值计算软件模拟研究3k A 上插式电解槽不同电极插入深度、不同极距时的电 场分布情况，比较分析了不同使用工况时的电场、流 场、温度场以及磁场等物理场，从而得到了在模拟状 态下的最佳运行工艺参数，有效提高了电解过程的 电解效率。但有关大型稀土熔盐电解槽工艺参数优 收稿日期2 0 1 4 一0 8 2 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 6 4 0 2 5 ；内蒙古自然科学基金资助项目 2 0 1 1 M S 0 7 0 3 作者简介伍永福 1 9 7 4 一 ，男，湖南祁阳人，硕士，副教授；通信作者刘中兴 1 9 6 3 一 ，男，河北赵县人，博士，教授． 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y I ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第2 期 化的研究依然很少。本文查阅文献口。9 ] ，经计算得到 新型6 0k A 沉浸式稀土电解槽槽型的基本结构数 据，采用A N S Y S 软件对六阳极沉浸式稀土电解槽 的电场进行三维数值模拟，重点研究极间距对稀土 电解槽的电场影响，以期降低能耗，实现其结构和工 艺的优化。 1 模型的建立 1 ．1 沉浸式稀土电解槽的模型建立 以文献[ 4 ] 中的电解槽为原型，由于电解槽几何 对称，因此我们可以只取电解槽的1 ／4 对其三维电 场进行研究，其结构简图如图1 所示，在A N S Y S w R K B E N C H 中的D M 界面建立1 ／4 熔盐的模型 如图2 所示。 图1 6 0k A 沉浸式稀土电解槽示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po f6 0k Ai m m e r s i o n r a r ee a r t he l e c t r O l y z e r 1 ．2 几点假设 1 电流全部通过阳极和阴极，电解槽无漏电现 象，6 0k A 总电流均匀分布在6 个阳极上，每个阳极 的电流都是1 0k A ； 2 电场分布几何对称，槽壁为绝缘体； 3 不考虑电解槽的辅助设备如阳极支架对电场 的影响； 4 不考虑电解过程产生的气泡及其流动对电场 分布的影响。 电解槽的工艺参数阳极电流密度O ．9A ／c m 2 、 阴极电流密度2 ．oA ／c m 2 、体电流密度o ．0 4 A ／c m 3 、阴极个数6 个、阳极个数6 个、阳极内径3 5 0 m m 、阳极外径4 7 0m m 、阴极半径1 5 0m m 、电极高 度9 6 0m m 、槽膛长度9 7 0m m 、槽膛宽带l4 5 0m m 、 槽膛深度11 8 0m m 、阳极至大面距离l om m 、阳极 至小面距离1 0m m 、阳极外壁之间距离1 0m m 、工 r jfJ f 4 S J 叭】 1 I If I n n l 2 2 5 川n S 图21 ／4 槽体熔盐的模型 F i g ．2 M o l t e ns a l tm o d e lo f1 ／4c e l lb o d y 作电流6 0k A 、熔盐电阻率4 ．6m n m 、电解温度 10 5 0 ℃。 1 ．3 计算的边界条件 1 每个阳极上表面通人1 0k A 大小的电流； 2 阴极电位为基础电位，定义为0V ； 3 电解槽体周围视为绝对绝缘体。 1 ．4 控制方程 熔盐电解槽的电流场是静态电场，场量与时间 无关。电解质主体可以认为电荷密度为o ，故泊松 方程可简化为用拉普拉斯方程来表示稀土熔盐电解 槽导电部分的导电微分方程㈨ d 。筹h 努h 等一。 ㈩ d 1 永十d 7 万十巧z 再一u ⋯ ∑V 一∑I R 2 式中，V 为标量电位 V ；J 为电流 A ；R 为电 阻 n ；仃为电导率 Q _ 1 m _ 1 。 2 模拟结果及分析 本文对不同极距的6 0k A 沉浸式稀土电解槽 的电场进行模拟，图3 为y 一7 2 5m m 截面的电位分 布云图。 从图3 可以看出 1 电解槽内部阴极和阳极各处的电位值基本相 等，这样就可以将其看作等势体来处理。 2 电解槽内的熔体电位场可以明显地分为3 个 区域，即阴极区、阳极区和熔盐电解质区。在阴极区 万方数据 2 0 1 5 年第2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 3 上，熔体电位值大致处于oV ；在阳极区域及阳极区 域附近的一定范围内，熔体电位值也是大体相等的， 该区的主要现象是阳极等势区没有电流朝着槽壁流 动。电解槽下方的金属接收器石墨坩埚周围的区域 可以近似地看作等势区域。 统计得出熔体压降如图4 所示，图4 表明，熔体 压降与极间距的大小成线性关系。 图3 不同极距条件下y 7 2 5m m 截面的电位分布云图 F i g ．3 P o t e n t i a ld i s t r i b u t i O n0 fj ， 7 2 5m ms e c t i o na td i f f e r e n tp O l a rd i s t a n c e 图4 不同极距处的熔体电压 F i g ．4V o l t a g eo fs a l ta td i f f e r e n tp o l a rd i s t a n c e 根据模拟结果的熔体电压值，可以计算出此时 电解槽的槽电压 槽电压一熔体电压 分解电压 1 ．6 9V 结 构电压 2 ．9 0V 极距6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0m m 对应的电解槽槽电 压计算结果分别为7 ．6 0 6 、8 ．1 0 1 、8 ．6 0 8 、9 ．1 2 6 、 9 ．6 6 9V 。如果极距过大，槽电压过高，会造成槽内 温度快速上升，将造成大量的电能、热能浪费，加剧 熔盐对槽体的热腐蚀，不利于提高稀土电解槽的电 解效率。因此，1 0 0m m 极距的槽电压相对较大，不 是合适的选择。 随着极距的减小，电压逐渐降低，熔盐区电位等 势线分布更加密集，电场强度大，槽内发热量降低， 电解过程更加迅速。但是考虑到实际生产过程中气 泡生成及其运动的影响，过小的极距会使得气泡在 短时间内大量生成并覆盖阳极面、电流密度急剧增 大，从而导致阳极效应，破坏槽内稳定电解过程，这 是生产上应极力避免的[ 1 ””] 。因此6 0m m 极距也 不是合适的选择。 7 0m m 、8 0m m 和9 0m m 极距相比较，前者在 电耗和热耗方面优于后两者，9 0m m 极距的槽内电 压相对较高，从运行的经济性方面考虑，7 0m m 极 距可以降低成本，提高经济效益，更加符合实际生产 过程中高效节能的要求。 图5 为不同极距条件下z 一5 9 0m m 截面的电 位分布图。 图5 不同极距条件下互 5 9 0m m 截面的电位分布图 F i g ．5 P o t e n t i a ld i s t r i b u t i o no fz 5 9 0m m s e c t i o na td i f f e r e n tp o l a rd i s t a n c e 从图5 可以看出 1 随着极间距的增加阳极电位相应增大，但同 一阳极截面位置电位基本不变并呈直线分布，因此 阳极厚度大小不会影响整体电场分布。 下转第3 8 页 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第2 期 践[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 6 1 4 1 6 ． [ 8 ] 刘美林，刘国梁，武彪，等．低品位氧化铜矿堆浸工业试 验[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 7 1 5 ． [ 9 ] 付绸林，钟雄，付高明．仙人岩地表金矿石氰化浸出试 验口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 6 3 7 3 9 ． [ 1 0 ] 黄志华，杨政国，苏秀珠．低品位金矿石直接堆浸工艺 研究口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 5 5 2 5 5 ． [ 1 1 ] M 阿达姆斯，罗伟，李长根．在含金铜矿石选矿中使用 由生物产生的硫化物来回收氰化物和铜[ J ] ．国外金属 矿选矿，2 0 0 8 ，4 5 1 0 3 8 4 3 ． 上接第3 3 页 2 阴阳极之间的熔体压降呈抛物线分布，越靠 近阴极表面压降变化越快，这与阴阳极圆形结构，以 及靠近阴极电流密度增大有关。随着极间距的增 加，熔体压降在阴阳极之间的变化率越来越小，这有 利于熔体的电场梯度均匀，有利于电解质匀速运动。 3结论 1 采用A N S Y SW O R K B E N C H 软件模拟不同 极距的电场分布，可直观地观察电解过程中熔体电 位的变化趋势，为该电解槽的建立提供可行方案。 2 根据不同极距工况下稀土电解槽电场分布情 况的模拟结果，最佳电极间距为7 0m m 。 参考文献 口] D e p a r t m e n to fI n d u s t r y ，N a t i o n a lD e v e l o p m e n ta n dR e f o r mC o m m i s s i o n ．C h i n e s eR a r eE a r t h s 一2 0 0 9 [ J ] ．R a r e E a r t hI n f o r m a t i o n ，2 0 1 0 3 4 ． [ 2 ] 刘中兴，胡永胜，伍永福，等．稀土电解槽阳极炭块表面 腐蚀研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 5 4 5 4 8 ． [ 3 ] 刘中兴，徐子娟，王伟，等．稀土电解槽石墨阳极的研究 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 1 4 5 4 9 ． [ 4 ] 刘中兴，石红梅，贺友多，等．熔盐制钠电解槽电场的数 值模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 2 6 2 9 ． [ 5 ] 刘忠杰．稀土氧化物电解槽电场的计算机模拟[ J ] ．包 头钢铁学院学报，2 0 0 1 ，2 0 2 1 3 7 1 4 0 ． [ 6 ] 王军，张作良．1 0k A 底部阴极稀土熔盐电解槽电场的 模拟[ J ] ．稀土，2 0 1 0 ，3 1 4 3 6 3 9 ． [ 7 ] 刘中兴，张惠，伍永福，等．4 0k A 制钠电解槽流场的模 拟研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 9 2 4 2 7 ． [ 8 ] 伍永福，刘中兴，李保卫，等．底部阴极导流式稀土电解 槽中国，C N 2 0 1 7 2 2 4 3 2 U [ P ] ．2 0 1 l o 卜2 6 ． [ 9 ] 梅炽．有色冶金炉设计手册[ M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 0 9 2 1 9 4 8 ． [ 1 0 ] 杨玲，王智堂．铝电解阳极效应的分析及控制[ J ] ．有 色金属 冶炼部分 ，2 0 0 7 3 2 8 3 0 ． [ 1 1 ] 董云芳，刘中兴．6 0k A 底部阴极稀土电解槽阳极倾角 对流场影响的数值模拟[ J ] ．稀土，2 0 1 3 ，3 4 4 3 2 3 5 ． [ 1 2 ] 董云芳，刘中兴，伍永福，等．6 0k A 底部阴极稀土电解 槽极距的模拟优化[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 0 3 2 3 5 ． 万方数据