電極插入不同深度下稀土電解槽電熱場耦合模擬

1、電極插入不同深度下稀土電解槽電熱場耦合模擬電極插入不同深度下稀土電解槽電熱場耦合模擬劉中興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。結(jié)果表明，

2、電解槽槽電壓隨著陰陽極插入深度的遞增而降低，槽體的整體溫度隨著陰陽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；熱場；電極；插入深度中圖分類號(hào)：中圖分類號(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我國是世界第一稀土生產(chǎn)大國，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首位。稀土作為國家重要的戰(zhàn)略資源，廣泛應(yīng)用于國民經(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)操作簡單和快捷的優(yōu)點(diǎn)，目前我國大多采用熔鹽電解法來制備稀土。釹的應(yīng)用范圍廣泛，隨著我國經(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程中各個(gè)物理場之間的關(guān)系及其對(duì)電解的影響。電解槽中存在很多物理場，它們之間關(guān)系很復(fù)雜。物理場包括電場、熱場、流場、濃度場、雙電層效應(yīng)等，其中電場和熱場是其它各個(gè)物理場產(chǎn)生的基礎(chǔ)[3]。迪普伊等[45]對(duì)電熱場進(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，主要原因在于

9、沒有研究的熔體結(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)電場的變化情況，發(fā)現(xiàn)最佳的陰極插入深度約為0.290m，陽極高度約為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)電熱場的耦合，通過對(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對(duì)電解槽工作的影響及物理場耦合所帶來的變化。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)場記錄的參數(shù)來設(shè)定槽體邊界，通過改變陰陽極插入的深度探究電熱場的分布變化。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電熱場耦合模擬電熱場耦合模擬2.1耦合前后比較耦合前后比較通過圖1電場耦合前后分布云圖能清楚看出，電場

12、耦合后較耦合前的波動(dòng)增大。電場在耦合前兩極之間的分布是比較規(guī)則的，各部分電勢都均勻穩(wěn)定，但是耦合后電場在兩極之間的分布狀況是雜亂、無條理的。這主要是因?yàn)轳詈锨半妶鲋皇艹跏茧娏鞔笮〉挠绊?，在這一階段電流對(duì)電場分布起主導(dǎo)作用；而耦合后電場和熱場是一個(gè)相互作用的過程，電場和熱場相互影響、交織在一起，因此電場耦合前后就會(huì)有一定的差異。但是電場分布形態(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耦合前后電場耦合前后電

13、場Fig.1Fielddistributionbefeaftercoupling通過圖2耦合前后溫度場的分布可以發(fā)現(xiàn)，耦合前后溫度場分布形態(tài)基本一致。從圖2很明顯得到陰陽極之間是電解的主要區(qū)域，溫度分布也在陰陽極之間達(dá)到最高，但是通過圖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，促使下部溫度沒有耦合前的高。(a)耦合前(b)耦合后圖2耦合前后溫度場分布耦合前后溫度場分布Fig.2Distributionoftemp