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。根據廣義的牛頓粘性定律，建立了熔體流場數學模型。根據包頭稀土研究院3KA稀土電解槽的相關參數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，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