稀土電解過程中氧化釹顆粒在不同工況下運動軌跡分析研究

高鈺奇，劉中興，李揚磊，董蕓芳

（1.內蒙古科技大學材料與冶金學院，內蒙古包頭 014010；2.內蒙古科技大學內蒙古科技大學白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室,內蒙古包頭 014010）

在電解過程中形成結瘤的因素主要包括以下幾點：（1）爐內溫度：溫度越高，越易熔解；（2）加料速度：當電解質處于熔鹽狀態(tài)時，氧化釹在其中的溶解度約為4%[1]；（3）槽型結構:不同的槽型會使電解效率產(chǎn)生差異；（4）原料粒徑:粒徑越小，越易熔解，反應越易進行；（5）隨著電解過程的進行，難免會有有些非稀土雜質的混入。電解中的非稀土雜質的混入方式各異，其中電解槽的防護蓋板上鐵屑的脫落、攪拌器在攪拌過程中鐵屑的脫落以及隨著電解的進行陽極上的導電環(huán)中含鐵元素的脫落，除此之外，由于電解槽槽壁所裝的耐火保溫材料在電解過程中也會脫落，這些都是非鐵雜質的混入方式[2]。雜質的存在十分不利于電解，不僅會引起短路打弧現(xiàn)象，還會造成電解質中碳含量的上升，進而使得電解槽中廢渣含量上升，最終導致電解釹的純度不夠和質量不達標[3]。在稀土釹的制取中，包頭稀土研究院率先研制了3kA氟氧化物混合體系稀土電解槽[4]。但是一直以來困擾學者和生產(chǎn)廠家的問題是稀土電解槽槽體底部容易堆積結瘤，而且在電解過程中稀土釹的電解效率并不高。

稀土電解事業(yè)發(fā)展至今關于結瘤物的報道不少，但是關于在電解過程中結瘤物的形成過程以及存在狀態(tài)，并無太多報道，相比之下研究更多的是關于對鋁、鎂等輕金屬在電解中的結瘤，這方面的報道也較多一些，對我們研究稀土電解過程中的結瘤現(xiàn)象有一定參考價值。方曉春[5]等在實驗室中對氯化鎂的電解進行了研究，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)O、Ti等的混入會對電解過程產(chǎn)生影響，他們在實驗中得出的一些指標對實際工業(yè)生產(chǎn)具有很好的參考意義；楊海蘭[6]等人在實驗中做了有關銅的電解實驗，通過一系列的對比實驗探究了在混雜質在銅的電解過程中的來源以及分布情況，從中發(fā)現(xiàn)在整個電解過程中，雜質鐵是一直存在的，并分布于各種產(chǎn)物中，此外混入的還有雜質砷，其主要存在于砷和銻的雜質物中，另外他們的實驗為解決電解銅過程中雜質元素的分離具有很好的參考價值；沈陽市的鋁鎂設計研究院的王玉彬[7]等人對鋁的電解過程進行了實驗探究，他們的實驗主要研究了隨電解過程的進行陽極棒是否會產(chǎn)生雜質，發(fā)現(xiàn)在電解過程中陽極棒的脫落會摻混一定的雜質物，創(chuàng)新性的提出在制作陽極棒時必須控制好雜質含量，使其處于一個合理可控的范圍之內，并且在制取過程中需要盡量降低陽極棒中鈉元素的量；張雪嬌[8]等人利用數(shù)字模擬的方法研究了陽極棒上的脫落物碳顆粒的行為，并探究了其在隨電解過程進行中的運動規(guī)律，提出了新的電解槽除雜方法以及控制結瘤產(chǎn)生的新思路，為實際工業(yè)生產(chǎn)提供了合理并有價值的指導，但是他們的研究沒有考慮電解前所加原料氧化釹對電解過程的影響。郭海濤[9]等人對3kA釹電解槽電解進行中所產(chǎn)生的爐底結瘤物進行了測試，測試指標及表征手段主要為：巖相分析、X射線衍射以及化學成分測定。分析實驗數(shù)據(jù)得到結瘤物成分為氧化釹、氟氧化釹、氟化釹，以及少量的金屬釹，并發(fā)現(xiàn)結瘤物的主要成分為氧化釹。在研究稀土電解過程仍然存在一些缺陷比如由于電解過程中的溫度比較高，實驗所需原料均為稀土成本過于昂貴，因此會使得實驗的次數(shù)不是很多，實驗直接得出的結果具有一定的誤差和偶然性。因此在實驗的基礎之上通過數(shù)值模擬的方式研究了稀土電解槽底部結瘤的形成問題，既能彌補實驗次數(shù)少所帶來的偶然性和誤差，也能抑制爐底結瘤物、提升原料利用率、進一步提高電解效率，二者可謂相輔相成。

1 模型的建立

1.1 電解槽及參數(shù)設置

本文對3kA釹電解槽進行仿真模擬，這種電解槽為陰極上插式稀土電解槽，陰極插入電解槽中間做主軸，使槽型呈對稱分布，陰陽極套筒所環(huán)繞在陰極周圍。距離陰極下部一定距離的收集器用來收集稀土金屬。電解質為Nd2O3-NdF3-LiF熔鹽體系，電解過程主要控制LiF加入量在11%～17%之間[10]。電解過程通直流電，所需溫度由直流電產(chǎn)生電場來維持，此次電解過程并無保護氣體參與。圖1為電解槽的槽型結構示意圖。表1和表2為電解槽槽型參數(shù)設置。

圖1 電解槽示意圖

表1 槽體的尺寸參數(shù)

表2 工藝參數(shù)

本次仿真模擬所用軟件主要為Fluent商業(yè)模擬軟件，主要使用的是其中內嵌的多相流模型，該模型具體又包括VOF、歐拉和混合模型三種最基本模型[11，12]。由于本次模擬需要研究顆粒在電解槽中的運動情況，需要對模型進行離散化處理，常用的處理方法為歐拉-拉格朗日法，用到的模型為DPM模型[13，14]。

1.2 幾點假設

為了使仿真模擬更好進行下去，需對本次電解過程作如下假設:

（1）使用歐拉多相流模型研究氣液兩相中顆粒的分布；

（2）將陽極氣體等效為粒徑一致的標準剛性球體分子；

（3）電解過程中流場不受顆粒運動的影響；

（4）電解過程中所有固體顆粒均等效為光滑均勻小球并且隨電解進行不會在流場中發(fā)生任何反應；

（5）此電解過程中，由于時間較短，可忽略電解過程中陽極棒的消耗。

1.3 數(shù)學模型

流場運算過程中需要使用物理公式，本次模擬計算需要用到的物理公式主要有連續(xù)性方程、動量方程、k-ε湍流雙方程，將前面三個方程經(jīng)推導整合為一個通用方程:

式中，ρ為密度；x為橫坐標；u為速度。

當電解開始時，電解質顆粒在電解槽中運動，主要受重力、浮力、曳力。其次在電解過程中還會受巴塞特力、壓力梯度力、薩夫曼升力等一些附加作用力[15]。在本次模擬中，下料過程中顆粒的主要作用力為：重力、曳力、浮力，由于其他附加作用力與主要作用力相比，不在一個數(shù)量級別，故可以忽略。為了便于研究，把氧化釹顆粒等效為粒徑一致的光滑小球，受力分析如下圖。

根據(jù)受力分析圖結合平衡條件，列出顆粒的運動方程：

式中，ρ為流體密度，用來表征流體的分子粘性系數(shù)；CD為曳力系數(shù)；Fx表示顆粒x軸向上受到的合力。

1.4 邊界條件

模擬過程對邊界設定如下幾個條件：

（1）將氣體的進氣口和速度進口設在陽極內表面，大小為0.0035m/s，進口氣體為一氧化碳；出口位于槽體頂部，輸出一氧化碳、二氧化碳的混合氣；

（2）在對近壁面參數(shù)及方程的設置中采用標準壁面函數(shù)法；

（3）規(guī)定對稱邊界變量梯度為零；

（4）在整個過程中假設固體壁面無邊界滑移現(xiàn)象。

自由表面邊界：

對稱軸邊界：

固體邊界：

2 改變電極插入深度時顆粒運動軌跡的模擬

通過改變電極插入深度，模擬隨電解槽中不同情況下流場的運動情況。隨模擬進行流場會趨于穩(wěn)定，接著對不同粒徑顆粒在下料過程中的運動軌跡進行模擬。然后，研究改變陽極套筒的半徑來模擬電解槽流場運動。待流場穩(wěn)定后采取同樣的辦法模擬顆粒的運動軌跡。

2.1 電極插入不同深度時的流場分布情況

保持極間距不變，通過對電極插入深度為150mm、185mm、220mm、255mm、280mm五種插入深度的模擬，研究了流場和顆粒運動的情況。

圖3 不同電極插入深度時Z軸截面流場云圖

分析圖3的流場云圖可知，在電解過程中當電極的插入深度由150mm不斷增加時，相應的會有陽極氣體不斷產(chǎn)生并冒出，具體表現(xiàn)為在橫向表面上相應延長，兩極之間的旋渦下移。氣體的運動也會導致電解槽內電解質的流動區(qū)域相應變廣，表現(xiàn)在流場里就是使得流場的擾動不斷增強，隨著電解的進行，相應的變化可加速顆粒熔解，這樣就可使得氧化釹顆粒在電解質中及時熔解，避免了其來不及熔解就沉入電解槽底部形成渣，很好的解決了過程中的造渣難題，進一步提高原料利用率和電解效率。不斷下插陰極致其深度超過220mm時，兩極之間的漩渦不斷下降，此時流場運動不斷增強，導致金屬釹的純度降低。綜上，電極最優(yōu)插入深度為220mm，此時原料利用率和電解效率最高。

2.2 顆粒軌跡的模擬研究

從圖4可知，電解開始后，不斷增加電極在電解槽中的插入深度，等粒徑顆粒的運動距離相應的逐漸變遠，但是運動軌跡都相同（半弧形）。當電極進入液面很淺時，會有流體旋渦形成，并且此時的旋渦處在液面附近。隨下料過程的不斷進行，氧化釹顆粒不斷熔于熔融的電解質中，這就會在電解槽中不斷發(fā)生強烈的流體回流運動，這對大顆粒氧化釹顆粒的熔解是非常不利的。

圖4 不同電極插入深度時的顆粒運動軌跡圖

由圖4五幅圖可知，隨著電極的插入深度不斷增加，顆粒的粒徑會由于熔解消耗逐漸變小，由電極插入深度150mm時的熔解消耗量0.3mm逐漸增大，最終增大到電極插入深度280mm時熔解消耗量2.5mm。隨著電極插入深度的不斷增加，陰陽兩極的縱向界面之間不斷加大，所以顆粒的運動空間不斷增大，此時對顆粒的熔解消耗是有利的，使氧化釹顆粒電解更加完全，更好的提高原料利用率和電解效率。但是當電極插入深度達到一定值時，陰陽極底端會不斷靠近金屬收集器，流場旋渦也會向下運動從而對金屬釹的收集產(chǎn)生不利影響，使得電解完全的金屬釹和電解不完全的原料參混在一起，降低了金屬釹的純度。綜上，通過對以上五種不同工況的仿真模擬，得到電極插入深度為220mm、臨界粒徑為0.8mm時，為電解進行的最優(yōu)條件，此時原料利用率和電解效率是最高的。同時，這個條件下對控制槽體底部結瘤物的形成是最有利的。

圖5 粒徑0.05mm和0.3mm在x方向的偏移距離

電極的插入深度為150mm和280mm時本次仿真模擬的極值工況條件，為了更好研究合理條件，故本次選取剩下三個工況條件來研究顆粒在x方向運動上運動時的偏移距離。由圖5可知，當電極插入深度相同時，顆粒的運動軌跡是大致相同，只是其中粒徑較大顆粒會運動的更遠一些。當顆粒的粒徑相同時，顆粒運動距離隨電極插入深度的增加而增加。粒徑越大，顆粒的運動距離越遠。當顆粒粒徑超過臨界值以后，顆粒在重力作用下會運動到電解槽底部。當氧化釹顆粒的粒徑超過一定值后，重力的影響更為明顯，致使氧化釹顆粒近乎垂直落入金屬收集器。

3 結論

（1）采用3kA電解槽槽型，通過模擬氧化釹顆粒在流場中的運動情況，得到當顆粒粒徑處于臨界粒徑范圍內時，氧化釹顆粒的粒徑不斷增大時，顆粒的運動距離相應的逐漸變遠，但是不同粒徑顆粒的運動軌跡基本相似。

（2）其次進一步模擬了電極不同插入深度下顆粒的運動情況及影響。通過五種不同插入深度的模擬，分別為電極插入深度150mm、185mm、220mm、255mm、280mm，發(fā)現(xiàn)隨著電極插入深度的不斷增加，顆粒的臨界粒徑也不斷增大，并且運動距離也會相應的變得越遠，但每種工況下的運動軌跡基本相似。通過上述模擬，得出最優(yōu)條件為電極深度220mm、臨界粒徑0.8mm，此時原料利用率和電解效率都最高，此條件也是降低槽體底部結瘤物的形成的最優(yōu)條件。

（3）在電解過程中，隨電極插入深度的不斷增加，臨界粒徑值也相應的增大。當粒徑小于臨界粒徑時，顆粒物的運動軌跡大體相似。當電極插入深度不超過220mm時，隨著電極插入深度的增加電解效率相應增大，當電極插入深度超過220mm時，反倒會影響電解生成物釹的純度。