稀土钕氧化物电解槽内液-液两相流动研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 2 7 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 1 ．0 5 ．0 0 7 稀土钕氧化物电解槽内液一液两相流动研究 刘中兴1 ，张桢1 ，伍永福1 ，洪昌勇2 ，刘宇慧3 ，张惠1 ，王亮亮1 1 ．内蒙古科技大学材料与冶金学院，包头0 1 4 0 1 0 ；2 ．宝钢集团上海梅山有限公司炼铁厂，南京2 1 0 0 4 1 ； 3 ．宝钢集团巴润矿业公司，包头0 1 4 0 8 0 摘要钕氧化物电解槽内金属钕在阴极表面生成后在电解质中的下沉过程属于典型的两相流动。以 3k A 钕电解槽为实物原型，建立了二维非稳态液一液两相流动模型，通过数值模拟的方法得到了不同时 间的流场分布和钕液浓度分布图，并对得到结果进行了分析。 关键词稀土电解槽；数值模拟；流场 中图分类号T G l 4 6 ．4 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 5 一0 0 2 7 一0 4 R e s e a r c ho nT w o - P h a s eL i q u i dF l o wi nN e o d y m i u mO x i d eE l e c t r o l y t i cC e l l L I UZ h o n g x i n 9 1 ，Z H A N GZ h e n l ，W UY o n g f u l ，H O N GC h a n g y o n 9 2 ， L I UY u - h u i 3 ，Z H A N GH u i l 。W A N GL i a n g l i a n 9 1 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y 。I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS 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 l O ，C h i n a I 2 ．B a o s t e e lG r o u p ，S h a n g h a iM e i s h a nI r o nC o ．L t d ．，N a n j i n g2 1 0 0 4 1 ．C h i n a ； 3 ．B a r u nM i n i n gC o ．L t d ．，B a o g a n gS t e e lG r o u p ，B a o t o u0 1 4 0 8 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h es i n k i n gp r o c e s so fn e o d y m i u mf o r m e do nc a t h o d es u r f a c ei ne l e c t r o l y t ew a sat y p i c a lt w O - p h a s ef l o wi nn e o d y m i u mo x i d ee l e c t r o l y t i cc e l l ．T w o - d i m e n s i o n a lu n s t e a d ys t a t es o l u t i o nt w o - p h a s ef l o w m o d e l i n gw a se s t a b l i s h e dw i t h3k An e o d y m i u me l e c t r o l y t i cc e l la sp r o t o t y p e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o w f i e l da n dn e o d y m i u ml i q u i dc o n c e n t r a t i o na td i f f e r e n tt i m ew e r eo b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ea - n a l y s i sw a sc o n d u c t e do nt h er e s u l t s ． K e yw o r d s R a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l l ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；F l u i df i e l d 在3k A 圆形稀土钕电解槽中，钕离子在阴极 被还原成钕单质。因为金属钕密度比电解质密度 大，因此钕在阴极表面生成后，会滴落到电解槽的底 部。金属钕向槽底部流动，对电解槽内的流场分布 有很大的影响。分析这个影响的大小，可以对提高 电流效率、更深入地研究电解槽内电场、温度场及两 相流动和分布情况提供重要的理论基础，同时对金 属钕的收集时机也有一定的指导意义。本文以未开 槽的3k A 圆形稀土电解槽为例，通过建立贴近实 际生产的多相流数学模型，用数值计算的方法u J ，模 拟计算了金属钕下沉时的流场及两相的分布，并对 计算结果进行分析。 1数学模型的建立 电解槽正常工作的时候，金属钕绝大部分在阴 极表面产生，钕的生成量在很大程度上取决于阴极 电流密度，而阴极电流密度基本上是均匀的，因此， 在理论计算中，我们假定钕单质在阴极的表面均匀 生成。由于电解槽为圆柱形轴对称结构，因此本文 选取二维非稳态的液一液两相流数学模型。 由于钕的密度远大于电解质的密度，那么金属 钕在阴极表面形成后，在电解质中向下滴落的过程 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 6 4 0 2 0 ；内蒙占自治区高等学校科学研究项目 N J 0 9 0 8 3 作者简介刘中兴 1 9 6 9 - - ，男，赵县人，教授． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 中不存在扩散运动，是典型的液液两相流动。通 过查阅文献2 “，发现采用眄相流范畴的V O F 模型 能更好地描述钕液滴落时的流场及镘在阴极表面滴 落与在槽底部舡聚的过程。 1 ．1 控制方程 数值计算采用的方程包括re 湍流模型的连 续性方程、每一相的动量方程，允许每一相以小时速 度运动的滑流速度方程、第二相体积分柑方程和* 、 E 方程等“1 1 。 12 边界条件 根摒钕舟单忙肘问内的生成帚”．符’n 馈* 成 _ 雾 斟 F i gl l 塞 巨 - 薹 簇 的质量流量，明扳表面的速度人口给定金属钕的质 量流量．上表面m 口设置为压强边界选择标准大气 压强．轴线为对称边界，萁它为壁面边界。根据文 献“”1 的结果，在实际生产电解质组成比例下，电 解温度为10 5 0 ℃时．电解质的密度为38 5g l c m 3 ， 黏度为49 5 1 0 1 P a ～其它参数参考文献 2 模拟结果覆分析 电解小同时问时熔体谶场蝌、云州拉钕的分布 见罔1 ～6 图3 电解3h 时熔体流场固、云图及钕的分布 F i g - 3T h e m e I tn o w f i e l dp a t t e r n ．n e p h o g r a ma n dN dd i s t d b u f i o aa f t e re l 代t r o l y s i s f o r3h 万方数据 有色盘届 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 昌 ； _ ； - ； 图6 电解5h 时熔体流场图、云图殛钕的分布 F 喀6 T h em e l tf l o wf i e l dp a t t e m ，n e p h o g r a ma n dN dd i s t r i b u t i o na f t e re I 虻t m l ，s i sf o r5h 1 从圈1 ～6 可知．铵的璃落对电解槽上半部 培体流动影响很小j ‘半部熔体几乎不流动，f H 对下 部熔体流动产生很大影响．是下部熔体流动的决定 性因素。 2 随着电解的进行，钕液面不断上浮，熔体流 动不断加剧，流动区域不断扩大．电解进行3 ～4h 时熔体流动最为剧烈．电解进行4h 后熔体流动稍 微醯缓，流动Ⅸ域略有碱小。 3 在整个电解过程巾．钕液受重力影响沿阴极 表面下滑至明楹底端以圆形液滴滴落，向电解槽底 部运动，至最底端时与底部金属接收器碰撞- 运动方 向拉牛变化，向金属接收器两侧运动，随着电解的不 断进行，敛液液面不断升高，在电解槽底部形成只有 钕液存在的区域，这将有利于钕的收集。 4 j 从电解过程中熔体流动情况可以看出．电解 j 』} { r 到定时间后，随着镟液面的升高．有部分滴落 敛液会随着电解质回流至阴阳极区域- 在3 ～4h 时 最为明娃．H 流的钕渡有町能与阳极周围游离氧反 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年5 期 应，重新生成氧化钕。这显然会导致重复电解，降低 电流效率，浪费电能，但若频繁的收集金属钕，也会 影响电解槽电解的稳定性，也会损失很多热量，因此 在合适的时间收集金属对提高电流效率有很大作 用。 3结论 在液一液两相流情况下，对3k A 稀土钕氧化 物电解槽来说，钕的滴落对下部熔体流动产生很大 影响，是下部熔体流动的决定性因素。在综合考虑 电解槽稳定性、热损失及电流效率情况下，3 ．5h 左 右收集一次金属钕是较合理的。 参考文献 E 1 ] 刘中兴，张宏光，伍永福，等．稀土氧化物电解槽内阴极 产生金属钕的研究C J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 7 6 2 8 3 0 ． [ 2 ] 贺友多。刘中兴。刘忠杰．稀土氧化物电解槽流场的研究 [ J ] ．中国稀土学报，2 0 0 3 ，2 1 s 1 1 7 5 ． [ 3 3 刘中兴，齐素慈．3k A 钕电解槽流场的数值模拟[ J ] ．稀 有金属材料与工程，2 0 0 7 2 1 9 4 1 9 6 ． [ 4 ] 周力行．湍流两相流与燃烧的数值模拟[ M ] ．北京清 华大学出版社。1 9 9 1 l O 一6 8 ． [ 5 ] 连桂森．多相流动基础[ M ] ．杭州浙江大学出版社， 1 9 8 9 7 3 9 5 ． [ 6 ] P o z a r n i kM ，S k e r g e tL ．B o u n d a r ye l e m e n tm e t h o dn o - m e r i c a lm o d e lb a s e do nm i x t u r et h e o r yo ft w o - p h a s e f l o w [ J1 ．A d v a n c e si nF l u i dM e c h a n i c s ，2 0 0 4 ，3 7 3 1 2 ． [ 7 3S p i c k aP ，D i a sMM ．G a s - L i q u i dF l o wi na2 DC o l u m n C o m p a r i s o nb e t w e e nE x p e r i m e n t a lD a t aa n dC F DM o d e l i n g C J ] ．C h e m ．E n g ．S c i ．，2 0 0 1 ，5 6 6 3 6 7 6 3 8 3 ． [ 8 ] L a u n d e rBE ．S e c o n d - m o m e n tC l o s u r ea n dI t sU s ei n M o d e l i n gT u r b u l e n tI n d u s t r i a lF l o w s [ J ] ．I n t ．J ．N u m - e r ．M e t h o d sF l u i d s ，1 9 8 9 9 9 6 3 9 8 5 ． [ 9 3N u n e z - s o l i sR ，F a i r u z o vY u r iV ．M o d e l i n go ft r a n s i e n t t w o - p h a s el i q u i d - l i q u i df l o wi np i p e l i n e s [ J ] ．A m e r i c a n S o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r sF l u i d sE n g i n e e r i n gD i v i s i o n P u b l i c a t i o n F E D 。V2 5 6 。F l u i d sE n g i n e e r i n gD i v i s i o n2 0 0 1 ，2 0 0 1 2 5 1 2 5 5 ． [ 1 0 ] 刘忠杰，刘中兴，贺有多．计算稀土电解槽中阳极气体 发生量的数学模型[ J ] ．稀土，2 0 0 2 ，2 3 6 6 5 6 6 ． [ 1 1 3 刘奎仁．N d F 。一L i F - N d O ，系熔盐密度的研究[ J ] ．稀 有金属与硬质合金，2 0 0 0 ，1 2 1 4 3 7 1 0 ． [ 1 2 ] 郑天仓．N d F 。一L i F - N d 0 3 体系黏度的研究[ J ] ．稀土； 2 0 0 0 ，2 1 6 3 3 3 5 ． [ 1 3 1 中山大学金属系．稀土物理化学常数[ M ] ．北京冶金 工业出版社，1 9 7 8 9 3 9 6 ． 万方数据