稀土熔盐电解槽电场的仿真模拟.pdf

3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 稀土熔盐电解槽电场的仿真模拟 刘中兴，伍永福，张宏光 内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要利用有限元软件A N S Y S 具有的多重单元、多重属性的特点，建立了稀土电解槽的电极及熔体整 体电场数学模型。对电解槽的电极插入不同深度及不同极间距的电场进行了仿真模拟，得出了槽电压 及电位分布与电极插入不同深度及不同极间距的关系． 关键词稀土电解槽；电场；仿真模拟 中图分类号T G1 4 6 ．4 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 0 1 一0 0 3 4 0 4 A n a l o gS i m u l a t i o no ft h eE 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 l L I UZ h o n g - x i n g ，W UY o n g - f u ，Z H A N GH o n g - g u a n g E 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 gI n s t i t u t e 。U S TI n n e rM o n n o l i a ，B i a o t o u0 1 4 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t B yu s i n gt h em u l t i p l ee l e m e n t sa n dm u l t i p l ep r o p e r t i e so fA N S Y Ss o f t w a r e ，a ne l e c t r i cf i e l dm o d e lo fa n o d ea n dm o l t e ne l e c t r o l y t ea saw h o l ei nr a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l lw a sb u i l ta n dc o m p u t e d ．T h e b o d yv o l t a g ei np r a c t i c a lr a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l li ss i m u l a t e dw i t hr e l a t i o nt od i f f e r e n ta n o d ed i s t a n c ea n d d i f f e r e n ta n o d ed e e p n e s s ． ． 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 ；E l e c t r i cf i e l d ；A n a l o gs i m u l a t i o n 现阶段金属钕的生产通常采用氟化物熔盐体系 氧化物电解法。而电解槽的规模从1 9 9 9 年的6k A 到2 0 0 2 年的1 0k A ，甚至2 0 0 5 年通过的国家重点 项目2 5k A 氟化物体系熔盐电解氧化钕工艺设备 的研究开发的2 5k A 的稀土电解槽都是沿用2 0 世 纪8 0 年代设计的3k A 上插阴阳极电解槽模式[ 1 ] 如图1 ，目前这些大型电解槽由于保密的需要不 便于公开发表，因此通过对3k A 稀土电解槽的仿 真模拟仍具有现实参考意义。 ，近年来随着计算机技术的应用与发展，为热工 设备的仿真模拟提供了可能，同时通过对热工设备 的仿真模拟可加快热工设备的开发和研制，为设备 的生产提供理论指导[ 2 ] 。因此通过对氧化物电解法 生产金属钕的3k A 规模电解槽进行仿真模拟可为 进一步提高稀土电解技术指标提供理论参考。电解 槽的主要热源是熔体电流产生的焦耳热，其电流分 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 6 6 4 0 0 7 作者简介刘中, - , - , - 兴 1 9 6 3 - - ，男，河北赵县人，教授 布影响着槽内的温度分布，同时电场力直接影响熔 体的流动，因此了解电解槽中的电场分布非常重要。 刘忠杰等利用数值模拟程序研究了在槽电压不变的 情况下熔体电场分布的情况F 引，刘中兴等利用数值 模拟程序研究了在槽电压不变的情况下可调极距熔 体电场分布的情况“] ，他们为稀土电解槽的仿真模 拟及设计提供了一定的参考，但是电解生产时槽电 压一般随生产工况而发生变化，为维持生产率一般 保持电流不变，因此要实现电解时的仿真模拟需保 持电解时电流不变的情况。本文利用A N S Y S 仿真 模拟软件以电流边界耦合电压自由度对阳极、熔体 电解质和钕液 、阴极整体电流场采用有限元法进 行数值仿真模拟计算。 1 数学模型的建立 1 ．1 几点假设 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 3 5 石墨坩埚 石墨阳极筒 金埘接收器 钨阴极 电解质 土会属熔盐 图13k A 金属钕电解槽示意图 F i g ．1 T h es k e t c hm a po f3k AN de I e c t m l y s i sc e l l 1 电解槽无漏电现象，电流全部通过阳极和阴 极； 2 电场分布是完全几何对称。 1 ．2 计算的边界条件 1 阴极电位为基础电位，定义为0V ；电流为 一22 0 0A ； 2 阳极电流为22 0 0A ； 3 坩埚周围可 视为绝缘体，其表面电流密度为0 ； 4 电解质主体， 可以认为电荷密度p O ，故泊松方程可简化为拉普 拉斯方程v 2 夺 0 ； 5 对称轴和熔体表面，电流法 向分量为0 ，即2 o 。 1 ．3 阳极、阴极与熔体电流数学模型 对于阳极、熔体 电解质和钕液 、阴极电流场采 用有限元法进行数值计算。由于稀土电解槽的电流 场属于静态电场，场量与时间无关，因此稀土电解槽 内导电部分的导电微分方程可表示为拉普拉斯方 程，即式 1 口。警h 雾h 署 o 1 口x 孬十口7 万十a z 虿2 u L 1 ， ∑V ∑I R 2 式中V 为标量电位，V ；I 为电流，A ；R 为电 阻，Q ；a 为电导率，Q - 1 m 一。 求解稀土电解槽阳极、阴极与熔体电流场的有限 元基本方程可以从泛函出发经变分求得，也可从微分 方程出发用加权余量法求得。本文采用加权余曼的 伽辽金法建立电流场有限元问题求解的一般格式。 根据文献I S ] 推导得到合成的总体方程为 羔一重熹_ o ’l - 1 2 ，⋯n 3 方程 3 有n 个，相应可求得n 个结点的电位。 最后得到矩阵方程式 4 F k ] ‘ V 1 。 [ f p ] 。 4 迭代并求解，即可得求解域内各点的标量电位 V ，并求解出各点的电流密度J 、电场强度E 及电流 I 等量。 ’ 2 模拟结果及分析 2 ．1 不同阴阳极插入深度电场的分布及影响 从图2 - - , 4 的不同电极插入深度的等电位云图 我们可以看出 图2 电极插入0 ．1 7 5m 时电位云图 F i g ．2I s o p o t e n t i a li nc e l lw i t ha n o d e a td e p t h0 ．1 7 5m 图3 电极插入0 ．2 1 5m 时电位云图 F i g ．3I s o p o t e n t i a li nc e l lw i t ha n o d e a td e p t h0 ．2 1 5m 1 阴极、阳极各处电位基本相等，可视为等势 体； 2 槽内熔体电流场明显分为三区即阴极区、阳 极区、坩埚等势区。阴极区附近，等电势线最为密 集，电位梯度最大，该区为电解金属形成；阳极区电 位与阳极电位基本相等，该区表显为阳极等势区无 电流向槽壁流动。这主要有二个原因一是因为电 解槽具有圆筒形的几何形状，阳极与阴极之间的电 位差大；二是因为本文槽壁假设无漏电为绝缘体。 电解槽下部金属接收器坩埚附近的区域可近似视为 等电势区； 3 随着电极插入深度的变化，槽内熔体电流场 万方数据 3 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年i 期 图4电极插入0 ．2 5 5m 时电位云图 F i g ．4I s o p o t e n t i a li nc e l lw i t ha n o d e a td e p t h0 ．2 5 5n l 三区范围也发生变化。电极插入深度越长，阴极区 向坩埚等势区延伸扩展，原因是电极下端面与电解 槽甘锅金属接受器上缘的距离越小，它们之间的电 位梯度就较大。阴极区向甘锅等势区延伸扩展过大 就容易在坩埚上形成金属，金属与阳极泥及坩埚接 触将降低金属的纯度对电解生产是十分不利的； 4 从三图可以看出，随着电极插入深度的减 少，槽电压越来越高，这样电解时电流发热量就会增 加，电解电流效率就会减少。其中原因就是随着电 极的插入深度越深，电极表面参与电解的面积就越 大，这样电解阴极电流密度就越小。这跟电解原理 的电流密度小槽电压低一致； 5 从三图我们可以看出，在坩埚的台阶处电位 分布基本上是等势体，这从电流密度分布图也可看 出该处电流密度也很小，因此该处的内热源就小，这 就很好的解析了生产中为什么在此处容易结瘤的原 因； 6 从图3 的最大电位即槽电压9 ．7 0 7V 跟实 际生产用相同条件下的3k A 稀土电解槽的1 0V 槽电压F I ] 略有偏低，这说明槽体绝缘可降低生产时 的槽电压。 2 ．2 不同阴阳极极间距离电场的分布及影响 从图5 ～7 的不同电极极距的等电位云图我们 可以看出 1 从不同的电极极距可以看出，随着电极极距 的增加，阳极厚度也相应的减少，这跟生产中电解后 期阳极氧化变薄一致； 2 阴极、阳极各处电位基本相等，可视为等势 体。槽内熔体电流场也明显分为三区即阴极区、阳 图5 电极极间距为0 ．0 6 5m 时电位云图 F i g ．5I s o p o t e n t i a li nc e l lw i t ha n o d e a td i s t a n c e0 ．0 6 5m 图6 电极极间距为0 ．0 7 5n l 时电位云图 F i g ．6I s o p o t e n t i a li nc e l lw i t ha n o d e a td i s t a n c e0 ．0 7 5m 图7 电极极间距为0 ．0 8 5m 时电位云图 F i g ．7 I s o p o t e n t i a li nc e l lw i t ha n o d e a td i s t a n c e0 ．0 8 5m 极区、坩埚等势区。三区等电势线及电位分布与上 述不同电极插入深度的等电位云图基本相似； 3 随着电极极距的变化，槽内熔体电流场三区 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 3 7 范围也发生变化。随着电极极距的增加，阴极区向 坩埚等势区延伸扩展，原因是随着电极极距的增加， 槽电压升高，阴极区电位差增大。阴极区向坩埚等 势区延伸扩展过大就容易在坩埚上形成金属，金属 与阳极泥及坩埚接触将降低金属的纯度对电解生产 是十分不利的； ． 4 随着电极极距的增加，阳极厚度的减少槽电 压升高。这跟生产中发生的电解槽电解生产后期阳 极氧化消耗变薄槽电压升高的现象一致。这种现象 严重时会导致生产后期为了保证电解的进行不得不 减少电流减少生产。 ’ 3结论 通过利用A N S Y S 电场模块建立的阳极、熔体 电解质和钕液 、阴极电流场有限元模型仿真模拟 电解生产时电流场变化情况，能很好的解释稀土电 解生产发生的问题，符合生产实际。同时我们还发 现随着电极插入深度越长槽电压会降低、熔体阴极 区增大，这有利于电解生产，但插入过深容易在坩埚 上形成金属，金属与阳极泥及坩埚接触将降低金属 的纯度对电解生产是十分不利的。随着电极极距的 增加电解时槽电压会增加，这不利于电解生产。但熔 体阴极区增大，这有利于电解金属的产生。因此在 稀土电解生产时，调整电极合适的插入深度及电极 极间距是优化生产的重要前提。 参考文靛 [ 1 3 任永红．底部阴极式稀土氟盐体系电解槽的计算机模 拟[ D ] ．包头内蒙古科技大学硕士论文，2 0 0 4 l 一1 0 ． 亡2 ] 梅炽．有色冶金炉窑仿真与优化[ M ] ．北京冶金工业 出版社，2 0 0 1 2 1 5 ． F 3 ] 刘忠杰，刘中兴，贺友多，等．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 1 3 7 一 ，1 4 0 ． [ 4 ] 刘中兴，石红梅，贺友多，等．可调极距式稀土电解槽电 场的计算机模拟[ J ] ．包头钢铁学院学报，2 0 0 3 I 2 9 3 5 ． [ 5 ] 张榴晨，徐松．有限元法在电磁计算中的应用[ M ] ．北 京中国铁道出版社，1 9 9 6 2 4 3 6 ． 万方数据