稀土電解槽的仿真模擬及優(yōu)化設計.pdf

1、稀土電解槽是熔鹽電解法生產稀土金屬及其合金的主要設備。隨著市場的發(fā)展，急需開發(fā)一種新型結構的電解槽，以適應大規(guī)模的工業(yè)生產。本文借鑒鋁電解槽的開發(fā)過程，首次利用商用仿真軟件對稀土電解槽進行仿真模擬優(yōu)化設計，并利用它對新型稀土電解槽槽型的設計進行了有益的探索。 稀土電解槽中存在著復雜的物理場，而電場是其他物理場的根源，熱場、流場是決定稀土電解槽的電解是否能進行的重要因素。怎么樣設計合理的電場、熱場、流場是決定電解槽設計好壞的關鍵因

2、素，所以，有關電場、熱場、流場的研究顯得十分重要。到目前為止，由于電極與熔體接觸面的邊界不好確定，前人研究大多數(shù)停留在熔體本身的電場、熱場、流場的研究上。為實現(xiàn)稀土電解槽的全息仿真模擬，本文提出了一種新的構想：即采用有限元軟件ANSYS具有的多重單元、多重屬性及其能耦合求解電場、熱場、流場的特點，建立稀土電解槽陽極一熔體一陰極有限元模型，對陽極、熔體和陰極的電場、熱場、流場進行整體計算。其優(yōu)點是不僅可以避免確定電極與熔體接觸面的電流邊界

3、條件，而且可以通過計算結果分析該接觸面的電流密度，提高了計算結果的準確性。 本文首先根據(jù)傅立葉傳熱定律和基爾霍夫導電定律，建立了稀土電解槽傳熱、導電的數(shù)學模型。采用加權余量的伽遼金法推導了稀土電解槽電場、熱場計算的有限元方程。根據(jù)廣義的牛頓粘性定律，建立了熔體流場數(shù)學模型。根據(jù)包頭稀土研究院3KA稀土電解槽的相關參數(shù)以及在合理的邊界條件的假定下，對不同生產時期的電場進行了仿真計算，其結果與該槽實際生產情況吻合較好，驗證了應用該模

4、型對稀土電解槽陽極一熔體一陰極整體進行數(shù)值模擬的可行性和準確性。在電場研究的基礎上，以電極的插入深度和電極間距為設計變量，以槽電壓，熔體電流密度為設計的狀態(tài)變量，以電極、熔體焦耳熱生成量最少為設計目標函數(shù)，利用ANSYS的優(yōu)化模塊對3KA稀土氟鹽體系氧化物電解槽進行優(yōu)化設計，設計結果參數(shù)跟實際電解槽吻合，驗證了優(yōu)化設計的結果可靠性。 其次，再利用ANSYS多場耦合的特性對優(yōu)化的3KA稀土氟鹽體系氧化物電解槽的電場、流場和溫度場進