10 kA底部陰極稀土電解槽的電場仿真

吳富姬,歐陽健強,楊文龍,羅 璇,伍昕宇

(贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000)

10kA底部陰極稀土電解槽的電場仿真

吳富姬,歐陽健強,楊文龍,羅 璇,伍昕宇

(贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000)

針對上插陰陽極式稀土電解槽存在結(jié)構(gòu)缺陷、耗能大、生產(chǎn)效率低等問題，設(shè)計了一種10 kA底部陰極稀土電解槽，利用ANSYS仿真軟件研究了電解槽陰極半徑和陰陽極距變化對電解槽電場的影響，以及對電解槽熔體電位的影響。結(jié)果表明：電解槽的陰極半徑在65～70 cm之間、極距在14 cm以下時，電位等勢線平行分布，電流線分布均勻，反應(yīng)區(qū)熱量均勻，有利于生產(chǎn)效率提高和能耗降低，電解槽設(shè)計合理。研究結(jié)果可作為此類型電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參考依據(jù)。

稀土電解槽；陰極半徑；極距；電場仿真

稀土電解槽是運用稀土熔鹽電解法制取單一或混合稀土金屬的主要工業(yè)設(shè)備。稀土電解槽的電極距、溫度場、電流密度和耐溫材料等直接影響生產(chǎn)效率、能量消耗及金屬提純度[1]，因此，優(yōu)化稀土電解槽結(jié)構(gòu)有重要意義[2-7]。為改善稀土電解槽的結(jié)構(gòu)性能，針對10 kA底部陰極稀土電解槽，采用ANSYS仿真軟件，研究了電解槽陰極半徑變化和陰陽極距變化對電解槽電場的影響及對熔體電位的影響，以期為該類型電解槽的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 稀土電解槽模型的建立

1.1電解槽的基本結(jié)構(gòu)

10 kA底部陰極稀土電解槽主要由石墨陽極、電解質(zhì)、液態(tài)金屬陰極、鉬導(dǎo)體和絕緣材料等組成，如圖1所示，可進行連續(xù)生產(chǎn)。其陽極布置在上部，陰極布置在底部，稀土金屬可以直接在底部陰極均勻析出，避免了上插式電解槽的稀土金屬溶解損失和氧化反應(yīng)損失；電解槽的電解反應(yīng)主要發(fā)生在陰極和陽極之間的區(qū)域，有利于陰、陽兩極間原料和電解質(zhì)等成分的混合均勻，使得電場和溫度場的分布比較均勻，從而消除了電解槽的結(jié)瘤現(xiàn)象。

試驗采用Nd2O3-NdF3-LiF電解質(zhì)體系，陽極為圓柱形，外圍槽體為長方體，幾何尺寸和工藝參數(shù)見表1。

1—鉬導(dǎo)體；2—液態(tài)金屬陰極；3—電解質(zhì)；4—石墨陽極；5—絕緣材料；6—耐火磚；7—鉬管；8—鋼槽。

槽體內(nèi)壁直徑/mm槽體外壁直徑/mm槽體高度/mm陽極半徑/mm12801580450580石墨電阻率/(×10-6Ω·m)熔鹽黏度/(×103Pa·S)熔鹽密度/(g·cm-3)熔鹽溫度/℃74．93．851030

1.2假設(shè)條件與邊界條件

試驗主要考察陰極半徑變化和陰陽極距變化對稀土電解槽電場分布和電流分布的影響，以及對熔體電位的影響。根據(jù)實際需要，有以下幾點假設(shè)[8]：1)電流全部通過陽極和陰極，電解沒有出現(xiàn)漏電情況；2)陰、陽極均為等勢體，液態(tài)陰極和鉬導(dǎo)體對電場的影響忽略不計，不考慮輔助設(shè)備對電場的影響；3)電流在電極端面分布較為均勻，電解槽陽極在高度方向上均勻消耗。

稀土電解槽計算的邊界條件[9]：1)陰極電位為0 V，為基礎(chǔ)電位；2)陽極電流為10 kA；3)電解槽表面電流密度為0；4)熔體表面和對稱軸的電流法向量等于0。

1.3電解槽的數(shù)學(xué)模型

基于Maxwell電磁場方程，定義電位函數(shù)φ，得到達朗貝爾電位方程表達式[10]為

(1)

式中：ε為電解質(zhì)介電常數(shù)，F(xiàn)/m；μ為磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，H/m；ρ為電解質(zhì)的自由電荷密度，C/cm3；φ為電位，V。

在稀土熔鹽電解過程中，通入的直流電電流恒定，因此電解質(zhì)處于靜電場中，即dφ/dt=0；另外，電解過程中，陰、陽離子向各自對應(yīng)的電極進行遷移，陰、陽離子總是處于平衡狀態(tài)，電解質(zhì)中沒有多余電荷，即電解質(zhì)中ρ=0。所以，式(1)可以簡化為拉普拉斯方程：

▽2φ=0。

(2)

由式(2)可知，電解質(zhì)的介電場數(shù)ε與上式無關(guān)，因此，拉普拉斯方程不僅適用于電解質(zhì)的單相區(qū)，也適用于電解質(zhì)與陽極氣體混合的兩相區(qū)。

試驗采用有限元法對陰極、陽極、熔體電流場進行數(shù)值仿真。由于電解槽的場量與時間無關(guān)，其內(nèi)部電場是靜電場，因此，對于槽內(nèi)導(dǎo)電部分的導(dǎo)電微分方程，結(jié)合式(2)可表示為

(3)

式中：I為電流，A；σ為電導(dǎo)率，Ω·m；φ為標(biāo)量電位，V；R為電阻，Ω。

試驗所研究的10 kA底部陰極稀土電解槽是一個圓柱體，因此二維柱坐標(biāo)下電解槽數(shù)學(xué)模型可以用拉普拉斯方程表示為

(4)

2 稀土電解槽的電場仿真

結(jié)合電解槽數(shù)學(xué)模型，采用ANSYS仿真軟件分析電解槽陰極半徑和陰陽極距變化對電解槽電場的影響及對熔體電位的影響。首先，利用ANSYS軟件分析電解槽槽型結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的正確性，得到的電解槽電位分布如圖2所示,電流分布如圖3所示。

圖2 電解槽電位分布

圖3 電流分布

電解槽可以分為3個區(qū)域，即陽極與陰極之間的區(qū)域、陽極與槽壁之間的區(qū)域和陽極下表面的區(qū)域。如圖2、3可知：1)陽極與陰極之間的區(qū)域是電解反應(yīng)的主要區(qū)域，其電位梯度大，電流強度大，電流線密集。該區(qū)域電位等勢線分布密集，且基本上都相互平行，電流線分布均勻，說明通過該區(qū)域的電流分布均勻，電流沒有出現(xiàn)“扎堆”現(xiàn)象，避免了上插式電解槽陰極電流密度過大的弊端；2)陽極下表面區(qū)域的電位等勢線最為集中，電位向陰極逐漸遞減，該區(qū)域電解反應(yīng)最為劇烈，陽極產(chǎn)生的氣體向上逸出的過程增加了電解質(zhì)的流動性，有利于原料溶解；3)陽極與槽壁之間的區(qū)域電位等勢線和電流線分布稀疏，只有少數(shù)電位等勢線從陰、陽極正對區(qū)域向槽壁延伸，電流從陽極側(cè)面出發(fā)成弧線指向陰極。綜合來看，電解槽的電位分布和電流分布較為合理，表明電解槽的槽型結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型有效。

2.1陰極半徑變化對電場的影響

當(dāng)電解槽極距為12 cm時，利用ANSYS軟件分析陰極半徑為60、65、70 cm的電場分布情況，得到的電流分布如圖4所示。

a—60 cm；b—65 cm；c—70 cm。

由圖4看出：1)極距不變，陰極半徑增大，熔體電位下降，電流分布和電位分布整體趨勢基本保持不變；2)極距不變，陰極半徑增大，陰、陽極之間的區(qū)域等勢線數(shù)值和電流強度基本不變；3)陰極半徑增大，槽壁到陽極側(cè)面的距離增大，電位等勢線分布更加稀疏，電流強度減小。雖然陰極半徑增大有利于電解能耗降低及生成效率提高，但同時析出金屬純度降低，所以陰極半徑以65～70 cm較為適宜。

2.2極距變化對電場的影響

陰極半徑為65 cm時，利用ANSYS軟件分析陰、陽極距為10、12、14 cm的電場分布情況，得到的電流分布如圖5所示。

a—10 cm；b—12 cm；c—14 cm。

由圖5看出：1)陰極半徑不變，極距增大，熔體電位增大，電流和電位整體分布趨勢基本保持不變，陰、陽極之間區(qū)域電位等勢線分布和電流分布基本沒有變化，槽壁與陽極之間的區(qū)域電位等勢線和電流線分布也基本沒有變化。隨極距增大，熔體電壓升高。電壓過高會使槽體內(nèi)溫度升高、能耗增大，而電壓過低會使電解減緩或停止：綜合考慮，陰陽極距以小于14 cm為宜。

2.3極距和陰極半徑對熔體電位的影響

陰極半徑和陰陽極距不僅影響電解槽內(nèi)電位分布和電流分布，也影響熔體電位。利用ANSYS軟件分析陰陽極距和陰極半徑對熔體電位的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 電解槽熔體電位

由圖6看出：1)極距相同時，隨陰極半徑增大，熔體電位下降；陰極半徑相同時，隨極距增大，熔體電位增大；2)極距和半徑的變化會引起熔體電位變化，極距增大1 cm，熔體電壓增大0.3～0.6 V，半徑增大1 cm，熔體電位減小0.05～0.12 V，熔體電位對極距變化的影響程度遠大于半徑變化的影響程度；3)為了實現(xiàn)降耗目的，在滿足熱平衡和電解正常進行前提下，最優(yōu)的熔鹽電位應(yīng)低于4.41 V，則應(yīng)選擇極距小于14 cm的電解槽。

3 結(jié)論

利用ANSYS軟件對10 kA底部陰極稀土電解槽進行電場仿真分析，結(jié)果表明：電解槽陰極半徑、陰陽極距對電解槽電場分布、電流分布及對熔體電位都有影響；極距和陰極半徑都對熔體電位有影響；底部陰極稀土電解槽的電位等勢線平行分布，電流線分布均勻，反應(yīng)區(qū)熱量均勻，電位梯度大，而且電流強度大，電流線密集，可保證電解過程所需熱量；電解槽槽型結(jié)構(gòu)合理，有利于電解過程穩(wěn)定持續(xù)進行。

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ElectricFieldSimulationof10kABottomCathodeRareEarthElectrolyticCell

WU Fuji,OUYANG Jianqiang,YANG Wenlong,LUO Xuan,WU Xinyu

(GanzhouMetallurgicalResearchInstitute,Ganzhou341000,China)

The anode and cathode rare earth electrolytic cell has the disadvantages of structural defects，high energy consumption and low production efficiency,so the 10 kA bottom cathode structure rare earth electrolytic cell are designed.By ANSYS software,the influence of rare earth electrolytic cell’s change of cathode radius and electrode distance on the electric field and the electrolytic cell melt potential were researched.The results show when the cathode radius of electrolytic cell is in range of 65 to 70 cm and the electrode distance is less than 14 cm,the electric potential lines are parallel distributed and the current lines distribution is uniform,and the reaction heat in the reaction region is uniform.The electrolytic cell is beneficial to increase production efficiency and decrease energy consumption.It provides a reference for the optimal design of rare earth electrolytic cell.

rare earth electrolytic cell;cathode radius;electrode distance;electric field;simulation

TF845.3;TQ151.1

A

1009-2617(2017)05-0430-04

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.05.018

2017-03-02

吳富姬(1979-),女，福建順昌人，碩士，高級工程師，主要研究方向為機械工程及自動化。