可调极距式稀土电解槽内磁场分布的研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 可调极距式稀土电解槽内磁场分布的研究 石红梅1 ，胡定军1 ，王莉1 ，刘中兴2 ，贺友多2 1 ，镇江船艇学院，江苏镇江2 1 2 0 0 3 ；2 ．内蒙古科技大学，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要对可调极距式稀土电解槽内的磁场进行了三维模拟计算，通过分析结果得出，电解槽内的磁场主 要由阴极电流产生。 美键词稀土电解槽；磁场；数学模拟 中围分类号T F 8 4 5文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 5 0 6 0 0 2 9 0 3 S t u d yo nt h eM a g n e t i cF i e l dD i s t r i b u t i o ni nR a r eE a r t hE l e c t r o l y t i cC e l l S H IH o n g m e i l ，H UD i n g - j u n l ，W A N GL i l ，L 1 UZ h o n g x i n g 。2 ，H EY o u d u J 1Z h e n j i a n gW a t e r c r a f tc D U e g e ，Z h e n j i a n g ，J i a n g s u2 1 2 0 0 3 ，C h i n a ；2 ．I M U S T ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nr a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l li sc a l c u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n T h r o u g ht h ea n a l y s i s ，t h em a g n e t i cf i e l di sp r o d u c em o s t l yb yc a t h o d a le l e c t r o d ec u r r e n t ． K e y w 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 ；M a g n e t i cf i e l d ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n 随着稀土电解槽规模的不断扩大，电解槽内的 磁场也将会增大，而磁场对电解过程的影响 主要是 电解质的循环流动 也将会加深，所以准确的计算电 解槽内磁场大小及分布，对研究电解生产过程及如 何提高电解槽电流效率是相当必要的。可调极距式 稀土电解槽的磁场是在熔体电流、阳极电流和阴极 电流共同作用下产生的。电解槽中的电流分布极不 规则，具有三个方向的分量，所以磁场的计算较为复 杂。本文参考相关文献【1 ‘3J ，用B i o t S a v a r t 定律将 三维分布电流划分为若干电流元近似求解，这种方 法的精度与电流元的数量有关。 1 熔体电流产生的磁场 由于熔体中每一点处的电流方向和大小都不相 同，所以本文将熔体电流分成若干个小微元体。在 计算微元体电流元产生的磁场时，将电流元分解成 轴向、径向和圆周分量，再分别计算每个分量电流元 在轴向、径向和圆周方向产生的磁场，然后对应量相 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 0 6 4 0 0 1 作者简介石红梅 1 9 7 7 一 ，女。甘肃嘉峪关人，硕士研究生，讲师 互叠加即为微元体电流元在各个方向产生的磁场。 分别计算每一个微元体电流元产生的磁场，即得熔 体电流产生的磁场。 如图l 所示，在熔体中任取一微元体电流元，其 中心点为A 点。将其分解为径向分量，R 、圆周分量 J Y 和轴向分量J z 。A 点处径向、圆周、轴向的电流 密度分别为JR 、JY 、J z 。微元体中心距熔池液面距 图1熔体中微元体电流元产生磁场的示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fm a g n e t i cf i e l d b yt i n yb o d yc u r r e n tu n i t 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 离为z K ，距中心线距离为r l ，场点P 位于X O Z 面上， 距液面距离为Z N ，距中心线距离为r 。则此微元体 在场点P 处产生的磁感应强度可计算如下。 A 点径向电流分量k 、圆周方向电流I y ．轴向 电流J 在P 点产生的磁感应强度为 d B 1 R Ⅳ叭删z ．打、厅瓦 瓦严丽 4 ” d i 3 1 Y , u e d r 石d z 一．r l d O ∥■玎乏二l 蓊j 3 正丐砸i 弦≯孺j ∥五币i 研 3 舢z 2 学’而赢 2 阳极电流产生的磁场 阳极磁场的计算采用用若干线电流来代替三维 分布电流的方法来近似求解，这种方法的精度与线 电流元的数量有关。阳极上流过的电流自上而下逐 渐减小，假设电极表面上的电流密度相同，则沿轴向 上电流的递减即为线性分布。设流八阳极的总电流 为，，流出阳极底面电流为，。。将阳极电流产生的磁 场分成两部分计算，一部分为流出阳极底面的电流 』。恒定的流过阳极而产生的磁场，另一部分为从阳 极侧面流过的电流 I J 。 以线性变化的规律流过 阳极而产生的磁场。 2 ．1 线性变化的线电流产生的磁场 任意在阳极上取一线电流元A B ，如图2 ，计算 其在场点P 上产生的磁感应强度。其中，A B 距中 心线的距离为r ，，A B 的长度为L ，P 位于X O Z 面上， P 距中心线的距离为r ，P 距熔池液面的距离为z N ， 电极的截面积为s ，由A 点流人的电流为 I I 。 ， 由B 点流出的电流为0 。由A 点到B 点，电流线性 递减。 L ≮ 图2 线性变化线黾流兀严生磁场的不蕙圈 F i g ．2 S k e t c hm a po fm a g n e t i cf i e l db yl i n e a rc h a n g ec u r r e n tu n i t 扭 彘．掣∽“刑一 学卜乜“n m 盘掣Ⅵ删． c 。s 铲c 娟 L Z N a B 盘．≮掣∽删． 学卜纩s i n ＆ 彘掣Ⅵd 趔⋯c 邵z c 。s f l l I ， Z Ⅳ d B 怨∽d r d O s i n p l s i n f l 2 L Z N 3阴极电流产生的磁场 阴极电流产生的磁场的计算方法与阳极电流产 生磁场的计算方法类似。计算时仍采用前面的图和 方法即可，只是电流方向相反。 4电解槽内磁场计算结果及分析 采用以上计算方法，对3k A 阳极侧壁开槽可调 极距式氧化物电解槽的磁场进行了计算，结果见图 3 ～4 。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年6 期 图3 熔体电流、阳极电流和阴极电流产生的磁场 F i g ．3M a g n e t i cf i e l dp r o d u c e db ym o l t e ns a l tc u r r e n t ，a n o d ec u r r e n ta n dc a t h o d ec u r r e n t 5 电解槽内电磁力计算结果及分析 图5 图4 电解槽内磁场分布 F i g ．4M a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nr a e e e a r t he l e c t r o l y t i cc e l l 由图3 ～4 可知，电解槽内的磁场主要受阴极电 流的影响，磁感应强度的方向主要为圆周方向，轴向 和径向的分量非常小。而电解槽阳极侧壁未开槽之 前，整个电解槽内的磁场分布只有圆周方向分量，轴 向和径向分量为零。由此可知，电解槽阳极侧壁开 槽不会对整个电解槽的磁场分布产生大的影响。 从前面的分析可知，熔体电流产生的磁感应强 度最小，阳极电流产生的磁感应强度稍大，阴极电流 产生的磁感应强度比前两者大的多。电解槽电极之 间的磁感应强度最大，而阳极以外的区域，磁感应强 度显著减弱，这主要是由于阴极与阳极电流产生的 磁场方向相反，相互抵消。 图5 电解槽内不同纵截面上电磁力分布情况 F i g ．5 V e r t i c a ls e c t i o n ’se l e c t r o m a g n e t i cf o r c e d i s t r i b u t i o ni nr a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l l 图5 体现的是阳极侧壁开槽时，未开槽部位与 开槽部位的电磁力分布情况。由图5 知，阳极未开 槽部位的纵截面电磁力分布与开槽截面的大体相 同，电磁力主要集中在电极之问的区域，越靠近阴极 电磁力越大，这主要是由于阴极附近电流密度与磁 感应强度都很大。 6 结语 1 对3k A 阳极侧壁开槽可调极距式氧化物 电解槽的磁场进行了研究，推导并得出了电解槽内 线电流元和体电流元在径向、圆周及轴向的磁场计 算公式； 2 3k A 阳极侧壁开槽可调极距式氧化物电 解槽的磁场分布情况是圆周方向的磁感应强度最 大，径向和轴向的磁感应强度较小； 3 电解槽磁场主要是由阴极电流产生，阳极 电流的作用次之，而熔体电流的作用最小； 4 电解槽电极之间的磁感应强度最大，阳极与 槽壁之间的区域，磁感应强度显著减弱，已接近于零； 5 电解槽中的电磁力主要分布在电极之间的 区域，这主要是因为在电极附近，电流强度和磁场强 度都很大，因而电磁力也较大。电磁力的分布形态 有利于电解质的循环流动。 参考文献 [ 1 ] 许孙曲，陈文，陈芳华3 0 k A 铝电解槽的磁场计算[ J ] 有色金属 冶炼部分 ，1 9 9 8 5 3 1 4 0 [ 2 ] 曾水平，蔡棋风，梅炽，等铝电解槽内磁场的三维数值 分析[ J ] 中南工业大学学报，1 9 9 5 ，2 6 5 6 1 8 6 2 2 [ 3 ] 孙阳，冯乃祥，崔建忠1 8 6k A 大型预焙阳极铝电解槽 磁场的三维数值计算[ J ] ．金属学报，2 0 0 1 ，3 7 3 3 3 2 3 3 6 万方数据