非均一極距對(duì)稀土電解多相流影響的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

劉慶生， 程華金， 談成亮， 邱建民， 李華杰

（1.江西理工大學(xué)材料冶金化工學(xué)部，江西 贛州341000；2.贛州嘉通新材料有限公司，江西 贛州341000；3.江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司，江西 贛州341000）

稀土電解槽內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)屬于電場(chǎng)、熱場(chǎng)、陽(yáng)極氣泡等多因素作用下的多相流運(yùn)動(dòng)，且不同的因素之間不僅相互作用，還各自對(duì)電解槽的正常運(yùn)行有著不同程度的影響。稀土電解槽內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的最主要原因是電解過(guò)程中在陽(yáng)極炭塊上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)逐漸消耗并持續(xù)產(chǎn)生陽(yáng)極氣泡，陽(yáng)極氣泡從陽(yáng)極的內(nèi)表面反應(yīng)生成和逸出過(guò)程對(duì)陰陽(yáng)兩極間的電解質(zhì)起到強(qiáng)烈的攪拌作用。同時(shí)，槽內(nèi)濃度梯度和溫度梯度受極距的影響，使各相流體在槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)，體現(xiàn)為渦運(yùn)動(dòng)特征，其也與電極電流密度、稀土氧化物的溶解速度等指標(biāo)有關(guān)。因此，研究電解槽內(nèi)電解過(guò)程中各個(gè)物理場(chǎng)以及電化學(xué)參數(shù)的變化顯得十分重要。Solheim等通過(guò)求解連續(xù)方程模擬計(jì)算，并且探索了陽(yáng)極表面氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)槽內(nèi)電解質(zhì)的影響情況[1]，劉慶生等通過(guò)fluent模擬研究了稀土電解槽內(nèi)不同時(shí)間、電流密度、極距的陽(yáng)極氣泡對(duì)流場(chǎng)的影響及氣含率分布[2]，Bilek等利用Fluent對(duì)電磁力和陽(yáng)極氣體對(duì)電解槽內(nèi)流體的影響進(jìn)行了相關(guān)的仿真工作[3]。

對(duì)于稀土電解槽，極距是決定稀土電解槽運(yùn)行過(guò)程中槽況穩(wěn)定的核心參數(shù)之一。由于電解質(zhì)的電阻率很大，極間電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大功耗，如果過(guò)分地增大或降低極距則會(huì)引起電解過(guò)程的波動(dòng)，也會(huì)對(duì)電流效率產(chǎn)生不同幅度的影響，所以對(duì)極距的優(yōu)化是研究的關(guān)鍵。因陽(yáng)極消耗速度與電流有關(guān)，導(dǎo)致陽(yáng)極消耗的“自平衡性”，即極間距較大一側(cè)的陽(yáng)極經(jīng)過(guò)的電流較小，消耗較慢；反之極間距較大一側(cè)具有較大的電流，消耗速度快。且隨著電解進(jìn)行，所有的極距的差異性會(huì)逐漸減小直到極距相同。但實(shí)際上，因換極、陽(yáng)極效應(yīng)等原因，導(dǎo)致陽(yáng)極電流并不能均勻分布。姜艷麗等通過(guò)仿真模擬計(jì)算了恒壓狀態(tài)下電解槽內(nèi)電場(chǎng)的分布[4]，劉中興等進(jìn)行了在電極插入不同深度下對(duì)稀土電解槽電熱場(chǎng)的影響做了相關(guān)模擬研究[5]，丁培林等建立鋁電解槽電解質(zhì)濃度-熱場(chǎng)瞬態(tài)模型，研究了鋁電解槽下料過(guò)程對(duì)電解質(zhì)溫度場(chǎng)的影響[6]。上述研究雖然從各個(gè)因素對(duì)電解過(guò)程的影響程度做了一定的工作，但卻假定電解槽極距分布是均一且對(duì)稱的，而忽略了實(shí)際生產(chǎn)中陽(yáng)極炭塊在電解過(guò)程中往往不是均勻消耗，且極距分布是不均一的。到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)有學(xué)者對(duì)非均一極距下稀土電解槽內(nèi)的各物理場(chǎng)和電化學(xué)參數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行研究。

本文對(duì)3 500 A稀土電解槽進(jìn)行研究，在作者提出的稀土金屬液-電解質(zhì)-陽(yáng)極氣泡模型和非均一分布模型的基礎(chǔ)上，開展了非均一極距下的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、陽(yáng)極氣泡、電解質(zhì)流場(chǎng)和稀土金屬液滴的數(shù)學(xué)建模和仿真工作，并利用等距壓降法[7]測(cè)陽(yáng)極電流，與Fluent計(jì)算的電流值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬的主要內(nèi)容包括非均一極距下稀土電解槽內(nèi)的電場(chǎng)、熱場(chǎng)的分布規(guī)律以及非均一極距下的陽(yáng)極氣泡、電解質(zhì)流場(chǎng)和稀土金屬液滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析了不同非均一性極距下槽內(nèi)各物理場(chǎng)以及電化學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)優(yōu)化電解槽的整體操作，提高電解效率以及降低能耗等方面提供了一定程度的指導(dǎo)作用[8]。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 數(shù)學(xué)物理方程

1.1.1 電場(chǎng)控制方程

式中：V為標(biāo)量電位，V；ρ為自由電荷密度，c/m3；I為電流，A；R為電阻，Ω；σ為電導(dǎo)率，Ω-1·m-1；J為電流密度，A/m2。

1.1.2 溫度場(chǎng)控制方程

根據(jù)熱傳導(dǎo)的定律，得出電解的溫度場(chǎng)基本方程，溫度場(chǎng)控制方程為[12-13]：

式中：a為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；φ為單位時(shí)間內(nèi)的生成熱，W/m3；ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/（kg·K）。

1.1.3 流場(chǎng)控制方程

基于歐拉—?dú)W拉法建立的多相流非均相穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)于電解槽內(nèi)的氣體、電解質(zhì)流體和液相稀土金屬，控制方程表示如下[14]：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

氣泡體積浮力為：

式中：ρg與ρb為氣體和電解質(zhì)密度，邊界條件為：

這里Uα、rα與ρα為流速、體積分?jǐn)?shù)和密度；μαeff為α相的有效黏度，即分子黏度μα和湍流黏度μT之和；Mα表示其它對(duì)α的作用力；SMα為α的體積力；n為流體相的數(shù)量[15-16]。

1.1.4 湍動(dòng)能及耗散率方程

k與ε為動(dòng)能和耗散[17]，cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

1.2 非均一性模型

新?lián)Q陽(yáng)極的影響，使得各陽(yáng)極炭塊與陰極的距離不同，這是造成極距分布非均一性的主要原因，極距的非均一性會(huì)造成4塊陰陽(yáng)極間的電阻的非均一性，導(dǎo)致陽(yáng)極電流分布的非均一性，使得電解效率有所下降，因此極間間距的均勻分布很大程度上保障了槽體運(yùn)行的不必要的能耗損失。依據(jù)本文所建立的二維數(shù)學(xué)模型，稀土電解槽左邊的陽(yáng)極一直處于消耗狀態(tài)，而在模擬時(shí)槽體右邊極距始終保持不變，因此建立槽體兩邊極距非均一性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，極距非均一性：

式 中，r1為 左 方 極 距，r2為 右 方 極 距，r1=82.5、102.5、122.5、14.5 mm；r2=82.5 mm， 則D∈[1，1.24，1.48，1.72]。

1.3 模型假設(shè)

1）除槽內(nèi)導(dǎo)電部分的電場(chǎng)之外，忽略其他額外設(shè)備的影響，且電場(chǎng)的分布不受磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、流場(chǎng)等物理場(chǎng)的影響；

2）電磁力較與氣泡對(duì)電解質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力可忽略不計(jì)；

3）熔體流動(dòng)與析出的液態(tài)金屬的流動(dòng)對(duì)電場(chǎng)的影響，忽略不計(jì)。

2 幾何模型及邊界條件

2.1 幾何模型

本文在電場(chǎng)和溫度場(chǎng)部分的計(jì)算使用ANSYS，流體計(jì)算使用FLUENT，以3 500 A上掛陰陽(yáng)極式稀土電解槽的二維模型來(lái)模擬稀土電解過(guò)程。圖1所示為非均一極距下的幾何模型。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometrical Model

2.2 模型主要參數(shù)

電解槽模型規(guī)格的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要尺寸Table 1 Main dimension

2.3 邊界條件

1）設(shè)陰極出口位置為零電勢(shì)；

2）電極與外界環(huán)境的接觸表面，設(shè)為第2類邊界條件；電極與電解質(zhì)的接觸表面，設(shè)為第3類邊界條件；

3）陽(yáng)極表面定為速度入口，電解質(zhì)上液面定為氣體出口；

4）對(duì)于熔體而言，其他均為不可滑移壁面；其他流體邊界對(duì)所有相界定為不可滑移壁面；

5）陽(yáng)極表面釋放的氣泡主要成分為CO2和CO，假定CO2和CO的摩爾分?jǐn)?shù)分別為a%和b%，氣泡局部質(zhì)量生成率[18-20]mloc（kgs-1m-2）可表示為：

其中Ja為陽(yáng)極電流密度（A/m2），F(xiàn)為法拉第常數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同非均一極距下電場(chǎng)分析

圖2 中可以看到4組不同D下的電位分布，圖2（a）中D值為1時(shí)，電位分布左右對(duì)稱，陽(yáng)極炭塊和陰極金屬棒各處電位相等，在陰極和陽(yáng)極之間電位呈梯狀分布；圖2（b）中隨著左陽(yáng)極半徑的減小，左側(cè)極間距增大使得D值增大，導(dǎo)致陰極左邊區(qū)域電位分布梯度變小，兩側(cè)分布開始不對(duì)稱；隨著D值增大，圖2（c）、圖2（d）中陰極區(qū)電位向坩堝等勢(shì)區(qū)左下方擴(kuò)展，陰極下部區(qū)域電位變化幅度較大，容易增大電解質(zhì)或金屬的流動(dòng)幅度，使陰極表面析出的金屬液滴被沖刷回電解質(zhì)中而被重新氧化，且電位向左下方偏移也會(huì)使金屬滴落方向向左側(cè)偏移，金屬不能穩(wěn)定落入槽底的坩堝中，使得稀土金屬的收得率降低，影響實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)的效率。

圖2 不同非均一性D下的電位分布Fig.2 The potential distribution of four different polar distance of D

通過(guò)圖3的電流強(qiáng)度圖知，在D=1時(shí)，圖3（a）中陰極兩側(cè)區(qū)域電流強(qiáng)度左右對(duì)稱分布，且陰極區(qū)域的電流密度最大，往兩側(cè)逐漸減小，主要電流分布在雙陽(yáng)極間區(qū)域，在其他區(qū)域電流較小。隨著左陽(yáng)極厚度減??；圖3（b）中，D值增大，左側(cè)極間距增大，右側(cè)電流強(qiáng)度分布梯度較左側(cè)更大，這與圖2（b）中D值增大，左側(cè)電位梯度分布減小的的趨勢(shì)一致；且隨著D的增加，圖3（c）、圖3（d）中左側(cè)極間電流持續(xù)減小，右側(cè)陽(yáng)極電流相應(yīng)增大。使得右側(cè)陰陽(yáng)極間電解質(zhì)區(qū)域的氣泡含量增多，一定程度上降低了電流傳輸?shù)男?。由于電解質(zhì)自身的電阻率很大，在恒壓的槽況中，D值增大導(dǎo)致了左側(cè)極間距變大，極距部分的電阻隨之變大，消耗了大量的電能，導(dǎo)致了一部分能耗的損失。

圖3 不同非均一性D下的電流強(qiáng)度Fig.3 Current intensity of four different polar distance of D

從圖4中可以觀察到由于總電壓不變，在電解槽極距非均一性D逐漸變大的過(guò)程中，左右兩邊的陽(yáng)極表面電流密度需要重新分配以達(dá)到平衡，因此陰極左側(cè)區(qū)域的電阻值也有所增大。反之，電解槽右邊的電阻減小，左方陽(yáng)極電流密度逐漸降低，而右方陽(yáng)極電流密度逐漸增大。且對(duì)比圖3中不同極距非均一性程度D下的不同電流強(qiáng)度的分布情況也不難看出，隨著D的增大，左右極間的電流密度的差距也在增大，在圖4（d）中D=1.73時(shí)則達(dá)到了最大，此時(shí)對(duì)右側(cè)陽(yáng)極炭塊的消耗速率也達(dá)到了最大，極大地影響了電解效率以及槽況的穩(wěn)定。因此電解槽在此狀況下需要停槽更換左方陽(yáng)極，以穩(wěn)定槽況，使電解槽繼續(xù)穩(wěn)定高效地電解生產(chǎn)。

3.2 不同非均一極距下溫度場(chǎng)分析

圖4 不同非均一性D下的電流密度Fig.4 Four different current density of D

圖5 不同非均一性D下的溫度分布Fig.5 Different temperature of four different polar distance of D

通過(guò)圖5的溫度分布圖可知，在D=1的模型中，高溫集中在陰極附近，最高溫度達(dá)到1 208℃，陰極陽(yáng)極之間的溫度呈遞減趨勢(shì)，由陰極向陽(yáng)極區(qū)域形成均勻溫度梯度，且陰極左右兩邊分布規(guī)律對(duì)稱。隨著左陽(yáng)極半徑減小，D值增大，陰極左邊區(qū)域溫度有所降低，D=1.24時(shí)最高溫度降到1 120℃，D=1.48時(shí)最高溫度為1 056℃，而D=1.73時(shí)最高溫度僅為1 010℃，這與圖3中隨著D值的增加，陰極左側(cè)電流強(qiáng)度逐漸減小的分布規(guī)律相似。且高溫區(qū)域向右方平移，且溫度梯度變緩，從陰極區(qū)向坩堝區(qū)域擴(kuò)散。說(shuō)明D值的增大，變相增加了左側(cè)極間的電阻率，在恒壓電流的作用下，電阻率的增大，減少了溫度的上升。

3.3 不同非均一極距下氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異

從圖6不同極距非均一性D下氣泡運(yùn)動(dòng)分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著D的增大，左邊陽(yáng)極表面生成的氣泡量逐漸減少，而右邊新陽(yáng)極表面的氣泡量逐漸增多，這是因?yàn)閮啥岁?yáng)極為了平衡總電流，右側(cè)陽(yáng)極電流密度將會(huì)比D值為1時(shí)的電流密度大，導(dǎo)致氣泡的生成量增大，因此陰極右側(cè)極間的湍流強(qiáng)度變得更加劇烈，當(dāng)非均一性D在1~1.48范圍內(nèi)增加時(shí)，右側(cè)陽(yáng)極表面的氣泡尺寸逐漸增大，此狀態(tài)下的氣泡運(yùn)動(dòng)會(huì)影響陰極上析出的稀土，甚者將使陰極生成的稀土金屬?zèng)_刷回電解質(zhì)中再次氧化，降低收得率，如圖6（c）中D=1.48時(shí)，右側(cè)極間電解質(zhì)區(qū)域產(chǎn)生的大量氣泡已經(jīng)開始對(duì)陰極生成的金屬進(jìn)行擾動(dòng)，將一部分金屬液滴沖散，無(wú)法順利回落入底部的坩堝中，造成一定程度的損失。但當(dāng)極距非均一性D=1.73時(shí)，右邊新陽(yáng)極表面的氣泡含量明顯減少，原因是此時(shí)右邊陽(yáng)極表面產(chǎn)生的氣泡積聚在陽(yáng)極底部，導(dǎo)致陽(yáng)極表面的氣泡量也較少[21]。

圖6 不同非均一性D下的氣泡分布Fig.6 The distribution of bubble of four different D

從圖7觀察到當(dāng)極距非均一性D在1~1.48范圍內(nèi)增加時(shí)，右邊新陽(yáng)極表面的氣泡含量明顯增多，當(dāng)D值增大到1.73時(shí)，氣泡含量有所減少，這是由于氣泡生成速度過(guò)快，使得部分氣泡在陰極下方開始堆積，同時(shí)增大了電解槽底部區(qū)域的湍流強(qiáng)度。從實(shí)際稀土電解過(guò)程中也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩邊的極距不相等時(shí)，右側(cè)陽(yáng)極與陰極間的氣泡量明顯大于左方陰陽(yáng)極之間的氣泡量，并且D值更大的陰陽(yáng)兩極間的氣泡翻滾現(xiàn)象更嚴(yán)重，這種情況的出現(xiàn)不僅會(huì)影響槽內(nèi)流體的流場(chǎng)分布，而且還會(huì)影響對(duì)生成的液相稀土金屬的回收。

圖7 不同非均一性D下的徑向極距氣含率分布曲線Fig.7 The distribution curve of radial gas volume fraction of four different D

3.4 不同非均一極距下流場(chǎng)的分布差異

從圖8不同極距下的流場(chǎng)分布圖可以觀察到，電解質(zhì)的流動(dòng)區(qū)域大部分處于陰陽(yáng)極間以及陰極下端的區(qū)域，主要是由于氣泡生成并逸出時(shí)的湍流，以及金屬液滴生成后的緩慢流動(dòng)，而氣泡的流動(dòng)速度較流動(dòng)金屬更大，體現(xiàn)為氣泡的運(yùn)動(dòng)更為劇烈。而隨著左邊陰陽(yáng)兩極間的距離的增大，電解槽左方底部的紊流強(qiáng)度在極距非均一性D在1~1.48范圍內(nèi)增加時(shí)，是逐漸增強(qiáng)的，這與圖7不同非均一性D下徑向極距氣含率分布曲線圖也是一致，即隨著非均一性D的增加，新陽(yáng)極表面的氣泡量逐漸增多，將會(huì)促進(jìn)槽內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)，表現(xiàn)為槽內(nèi)的紊流強(qiáng)度將會(huì)隨非均一性D的增加而逐漸增強(qiáng)；但當(dāng)極距非均一性D=1.73時(shí)，電解槽左方底部的流動(dòng)強(qiáng)度降低，原因是此時(shí)新陽(yáng)極表面電解產(chǎn)生的氣泡部分積聚在陽(yáng)極底部，導(dǎo)致陰陽(yáng)極之間的湍流強(qiáng)度下降，從圖7中可以觀察到當(dāng)極距非均一性D=1.73時(shí)，槽內(nèi)徑向氣含率降低到很低的值，表現(xiàn)為槽內(nèi)流體的流動(dòng)狀況變得很差，這就表明當(dāng)陽(yáng)極反應(yīng)到一定厚度時(shí)，即當(dāng)非均一性D=1.73時(shí)，電流效率會(huì)迅速降低，此時(shí)不適合繼續(xù)進(jìn)行電解生產(chǎn)，需要停槽更換陽(yáng)極，以穩(wěn)定槽況，否則會(huì)增加電耗，降低稀土電解效率。

圖8 不同非均一性D下的流場(chǎng)分布Fig.8 The distribution of flow field of four different D

圖9 不同極距非均一性D下的徑向湍流強(qiáng)度分布曲線表明，當(dāng)極距非均一性D=1時(shí)電解槽內(nèi)徑向的湍流強(qiáng)度處于波動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)電解槽內(nèi)的流體大部分處于靜止?fàn)顟B(tài)。流動(dòng)狀況較差，槽內(nèi)各點(diǎn)還未穩(wěn)定。當(dāng)D=1.24~1.48時(shí)，槽內(nèi)的徑向湍流強(qiáng)度分布比較均勻，并且極距在此范圍內(nèi)時(shí)，湍流強(qiáng)度的值逐漸增大，這對(duì)應(yīng)圖7不同非均一性D下徑向極距氣含率分布曲線中D在1.24~1.48下氣含率在逐漸增大的現(xiàn)象是一致的，說(shuō)明電解槽在此參數(shù)下的電解過(guò)程較穩(wěn)定；但當(dāng)極距非均一性D=1.73時(shí)，電解槽徑向湍流強(qiáng)度小于極距非均一性D=1.24以下，這也與圖7不同極距下的徑向氣含率分布曲線圖中出現(xiàn)氣泡含量反而下降的規(guī)律一致，這說(shuō)明電解槽極距非均一性D=1.73時(shí)，電流效率顯著降低，使得陽(yáng)極表面的電流密度降低到較低值，這表現(xiàn)為陽(yáng)極表面的氣泡量減少，導(dǎo)致槽內(nèi)徑向湍流強(qiáng)度降低。所以不同非均一性D下徑向湍流強(qiáng)度的分布特征曲線圖也表明當(dāng)電解槽極距非均一性D=1.73時(shí)，需要立即更換陽(yáng)極，避免槽況惡化。

圖9 不同非均一性D下的徑向湍流強(qiáng)度分布曲線Fig.9 The distribution curve of radial turbulence intensity of four different D

3.5 不同非均一極距下金屬液滴的分布差異

從圖10中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)極距非均一性D在1.24~1.48范圍內(nèi)增加時(shí)，稀土金屬相對(duì)于中心線偏移25°~30°，但對(duì)應(yīng)圖6中稀土液相金屬的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)看，極距在此范圍內(nèi)的稀土金屬還是能夠順利的滴落在坩堝里，所以在稀土電解生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)陽(yáng)極消耗至此范圍時(shí)，還可以繼續(xù)生產(chǎn)；但當(dāng)非均一性D=1.73時(shí)，陰陽(yáng)兩極間的湍流強(qiáng)度下降較低值，導(dǎo)致稀土金屬黏附在陰極表面而不能快速地向電解槽底部下落，而積聚在陰極表面，所以此時(shí)的電流效率急劇下降，右方陽(yáng)極的底部積聚了大量的氣泡導(dǎo)致電解槽右方陽(yáng)極底部的局部區(qū)域的流場(chǎng)過(guò)大，使得從陰極表面滴落的稀土金屬與中心線呈43°向左方偏離，在圖6中也是表現(xiàn)出較大的偏角，此時(shí)電解出的稀土金屬不能完全落入槽底的坩堝中，使得稀土金屬的收得率降低，因此需要更換左方陽(yáng)極，防止槽況的進(jìn)一步惡化。

圖10 不同非均一性D下的稀土金屬液偏離中心線角度分布曲線Fig.10 The distribution curve of the rare earth metals liquid offset from the centerline angle of four different D

3.6 模型可靠性檢驗(yàn)

等距壓降法是電流通過(guò)陽(yáng)極時(shí)，會(huì)有電壓降的產(chǎn)生，對(duì)各陽(yáng)極導(dǎo)桿進(jìn)行固定長(zhǎng)度區(qū)域壓降的測(cè)量方法。在稀土電解槽電解過(guò)程中，各陽(yáng)極導(dǎo)桿的橫截面積是相等的，若溫度條件保持不變，則可以認(rèn)為陽(yáng)極導(dǎo)桿等距壓降是陽(yáng)極電流的單值函數(shù)。因此陽(yáng)極導(dǎo)桿等距電壓降能反映出槽陽(yáng)極的電流分布，通過(guò)對(duì)槽各陽(yáng)極導(dǎo)桿的等距壓降的測(cè)量，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖11 給出了稀土電解槽電解過(guò)程中4組不同D值對(duì)應(yīng)的槽況下各陽(yáng)極實(shí)際電流測(cè)量值與模擬電流值的對(duì)比情況，發(fā)現(xiàn)左陽(yáng)極電流值隨極距非均一性增大而減小，右陽(yáng)極電流值隨極距非均一性增大而增大。由于影響陽(yáng)極電流大小的主要原因是新?lián)Q陽(yáng)極和極距，因?yàn)樵谛聯(lián)Q陽(yáng)極處，其陰陽(yáng)極距大、電阻小，所以電流大；又因?yàn)?塊陽(yáng)極因消耗差異而導(dǎo)致更換時(shí)間不同，所以4塊陽(yáng)極與陰極間的極距不等，而導(dǎo)致陽(yáng)極電流分布的不均勻。從數(shù)值上可以看出，實(shí)際電流測(cè)量值與電流模擬值的計(jì)算誤差范圍為2.7%~5.6%，由此證明了計(jì)算模擬的可靠性。

圖11 電解槽陽(yáng)極電流測(cè)量值與模擬電流值Fig.11 The chart of current measured value and simulated value by FLUENT

4 結(jié) 論

1）與之前的模擬相比，本文模型考慮了極距非均一性對(duì)稀土電解的影響。結(jié)果表明，D值的改變對(duì)稀土電解過(guò)程中的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及氣泡的產(chǎn)生均有一定的影響，其中D=1.00~1.48。

2）隨著D值增大，導(dǎo)致陰極左側(cè)電位梯度、電流強(qiáng)度、電流密度下降，溫度、熱流密度降低，高溫區(qū)向一側(cè)偏移。研究表明，D值的增大使得電流效率下降，不利于稀土的產(chǎn)出。因此當(dāng)D值達(dá)到一定數(shù)值需及時(shí)更換陽(yáng)極，以提高電解槽的穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率。

3）當(dāng)D=1時(shí)，電解槽徑向的湍流強(qiáng)度處于波動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)D=1.24~1.48時(shí)，徑向湍流強(qiáng)度增大；當(dāng)D在1.00~1.48范圍內(nèi)時(shí)，陰極表面析出的稀土金屬液在滴落的過(guò)程中，偏離電解槽中心線角度為0°~30°，此時(shí)可以落入槽底的坩堝內(nèi)；當(dāng)D=1.73，電解槽的徑向氣含率和徑向湍流強(qiáng)度降低到較低的水平，并且稀土金屬滴落時(shí)偏離中心線角度為43°，此時(shí)稀土金屬便不能落入坩堝內(nèi)。

4）利用等壓極距法對(duì)稀土電解槽電流進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，實(shí)際電流測(cè)量值與模擬電流值大體一致，因此通過(guò)數(shù)值模擬可以反映出極距非均一性對(duì)陽(yáng)極電流分布不均的影響，為優(yōu)化實(shí)際生產(chǎn)中的流程操作，提高電解效率，降低能耗提供保障。