電極插入不同深度下稀土電解槽電熱場(chǎng)耦合模擬

1、電極插入不同深度下稀土電解槽電熱場(chǎng)耦合模擬電極插入不同深度下稀土電解槽電熱場(chǎng)耦合模擬劉中興1，李揚(yáng)磊1，伍永福2，董云芳1，官卜瑞2，李言欽3(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古包頭014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；3.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，鄭州450001)摘要：摘要：運(yùn)用數(shù)值模擬軟件COMSOL研究了不同電極插入深度下3kA釹電解槽的電熱場(chǎng)。結(jié)果表明，

2、電解槽槽電壓隨著陰陽(yáng)極插入深度的遞增而降低，槽體的整體溫度隨著陰陽(yáng)極插入深度的增加而下降。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與本研究結(jié)果，認(rèn)為電極插入深度220mm比較適宜，且整個(gè)電解過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，能夠達(dá)到槽體電壓、溫度分布等方面的要求。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：COMSOL；稀土電解槽；電場(chǎng)；熱場(chǎng)；電極；插入深度中圖分類(lèi)號(hào)：中圖分類(lèi)號(hào)：TF845文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：文章編號(hào)：10077545（2019）01000000NumericalSimul

3、ationofElectricthermalFieldsCouplinginRareEarthElectrolyticCellwithDifferentionDepthofElectrodeLIUZhongxing1LIYanglei1WUYongfu2DONGYunfang1GUANBorui2LIYanqin3(1.KeyLabatyofIntegratedExploitationofBayanOboMultiMetalResour

4、cesInnerMongoliaUniversityofScienceTechnologyBaotou014010InnerMongoliaChina2.SchoolofEnergyEnvironmentInnerMongoliaUniversityofScienceTechnologyBaotou014010InnerMongoliaChina3.ChemicalEnergyCollegeZhengzhouUniversityZhen

5、gzhou450001China)Abstract：Electricthermalfieldof3kAneodymiumelectrolyticcellwasnumericalsimulatedwithsoftwareCOMSOLunderdifferentiondepthofelectrode.Theresultsshowthatbothcellvoltageoveralltemperatureofcellwithincreaseof

6、electrodeiondepth.Withactualproductionexperienceresultsofthisresearchintoconsiderationthesuitableelectrodeiondepthis220mm.Theconditionofwholeelectrolysisprocessisrelativelystablemeetsrequirementsofvoltagetemperaturedistr

7、ibution.Keywds：COMSOLrareearthelectrolyticcellelectricfieldthermalfieldelectrodeiondepth我國(guó)是世界第一稀土生產(chǎn)大國(guó)，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市白云鄂博礦的稀土資源居全國(guó)首位。稀土作為國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域[1]。由于熔鹽電解法生產(chǎn)稀土具有生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單和快捷的優(yōu)點(diǎn)，目前我國(guó)大多采用熔鹽電解法來(lái)制備稀土。釹的應(yīng)用范圍廣泛，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)

8、的迅速發(fā)展，對(duì)金屬釹的需求量不斷增加，也刺激了我國(guó)稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。因此，迫切需要研究清楚電解槽制取釹過(guò)程中各個(gè)物理場(chǎng)之間的關(guān)系及其對(duì)電解的影響。電解槽中存在很多物理場(chǎng)，它們之間關(guān)系很復(fù)雜。物理場(chǎng)包括電場(chǎng)、熱場(chǎng)、流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、雙電層效應(yīng)等，其中電場(chǎng)和熱場(chǎng)是其它各個(gè)物理場(chǎng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)[3]。迪普伊等[45]對(duì)電熱場(chǎng)進(jìn)行了模擬，但由于早期理論上的不足，因此模型不能很好地模擬出電流產(chǎn)生的熱量，熔體中的電化學(xué)熱效應(yīng)也不能反映出來(lái)，主要原因在于

9、沒(méi)有研究的熔體結(jié)構(gòu)。伍永福等[6]利用COSMOL軟件研究6kA新型鈰電解槽內(nèi)電場(chǎng)的分布，模擬了在極間距一定的情況下，同時(shí)改變兩極的插入深度，從而分析電解槽內(nèi)電場(chǎng)的變化情況，發(fā)現(xiàn)最佳的陰極插入深度約為0.290m，陽(yáng)極高度約為0.250m。徐宇杰等[7]對(duì)鋁電解槽進(jìn)行了耦合分析，為了便于模擬，他創(chuàng)造性地利用強(qiáng)耦合模型和弱耦合模型來(lái)計(jì)算。伍永福等[8]利用COSMOL軟件研究3kA電解槽不同極間距下稀土電解槽內(nèi)電熱場(chǎng)的耦合，通過(guò)對(duì)比極間距

10、分別為55、75、95mm三種不同工況，發(fā)現(xiàn)極間距在75mm時(shí)，整個(gè)電解過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定。劉中興等[9]在氣液兩相流和氣泡運(yùn)動(dòng)方面做了大量模擬。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界在耦合數(shù)值模擬方面進(jìn)行了許多研究，但是仍不夠系統(tǒng)、充分。因此，有必要研究多物理場(chǎng)對(duì)電解槽工作的影響及物理場(chǎng)耦合所帶來(lái)的變化。本次研究采用稀土研究院3kA釹電解槽槽型，運(yùn)用COMSOL建模，用現(xiàn)場(chǎng)記錄的參數(shù)來(lái)設(shè)定槽體邊界，通過(guò)改變陰陽(yáng)極插入的深度探究電熱場(chǎng)的分布變化。收稿日期收稿日期

11、：20180910基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目項(xiàng)目（51164025）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018LH05027）doi：10.3969j.issn.10077545.2019.01.008參考文獻(xiàn)[16]，由無(wú)量綱計(jì)算式：（5）32rrrgltGpp??????根據(jù)式（5）與式（4）可計(jì)算出熔體與壁面的換熱系數(shù)。2電熱場(chǎng)耦合模擬電熱場(chǎng)耦合模擬2.1耦合前后比較耦合前后比較通過(guò)圖1電場(chǎng)耦合前后分布云圖能清楚看出，電場(chǎng)

12、耦合后較耦合前的波動(dòng)增大。電場(chǎng)在耦合前兩極之間的分布是比較規(guī)則的，各部分電勢(shì)都均勻穩(wěn)定，但是耦合后電場(chǎng)在兩極之間的分布狀況是雜亂、無(wú)條理的。這主要是因?yàn)轳詈锨半妶?chǎng)只受初始電流大小的影響，在這一階段電流對(duì)電場(chǎng)分布起主導(dǎo)作用；而耦合后電場(chǎng)和熱場(chǎng)是一個(gè)相互作用的過(guò)程，電場(chǎng)和熱場(chǎng)相互影響、交織在一起，因此電場(chǎng)耦合前后就會(huì)有一定的差異。但是電場(chǎng)分布形態(tài)基本一致，分布數(shù)值僅分別存在0.03V的差別。(a)耦合前(b)耦合后圖1耦合前后電場(chǎng)耦合前后電

13、場(chǎng)Fig.1Fielddistributionbefeaftercoupling通過(guò)圖2耦合前后溫度場(chǎng)的分布可以發(fā)現(xiàn)，耦合前后溫度場(chǎng)分布形態(tài)基本一致。從圖2很明顯得到陰陽(yáng)極之間是電解的主要區(qū)域，溫度分布也在陰陽(yáng)極之間達(dá)到最高，但是通過(guò)圖3熔體溫度縱截面圖的比較，可以明顯觀察到耦合后高溫區(qū)是向上移動(dòng)的，促使下部溫度沒(méi)有耦合前的高。(a)耦合前(b)耦合后圖2耦合前后溫度場(chǎng)分布耦合前后溫度場(chǎng)分布Fig.2Distributionoftemp