稀土電解槽三維電場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究

劉 雨， 于 兵， 侯 磊， 劉興志

（1.包頭瑞鑫稀土金屬材料股份有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.包頭稀土研究院， 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

因?yàn)橄⊥两饘僖约盎衔镌谖锢砼c化學(xué)性質(zhì)上具備著較為突出的特征，逐漸開始為社會(huì)各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，已經(jīng)成為現(xiàn)在至為關(guān)鍵的化學(xué)原材料之一。近年來(lái)，隨著稀土功能材料、鋼鐵和有色金屬合金材料等領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)稀土金屬及合金的需求量日益增加。稀土金屬及合金已經(jīng)發(fā)展成為社會(huì)日常工作、生活中不可或缺的功能性原材料，特別是釹鐵硼永磁體研發(fā)出來(lái)之后，社會(huì)各行各業(yè)對(duì)金屬釹的需求量也變得龐大起來(lái)，這就推動(dòng)了稀土金屬生產(chǎn)設(shè)施以及工藝流程的不斷完善與進(jìn)步。目前生產(chǎn)稀土金屬、合金的主流方法有熔鹽電解法和還原法，熔鹽電解法適用于生產(chǎn)熔點(diǎn)低、蒸氣壓低的輕稀土金屬或合金[a-d]。而重稀土金屬大多數(shù)情況下會(huì)采取金屬熱還原制取法。相比較而言，熔鹽電解法比金屬熱還原法經(jīng)濟(jì)成本低，時(shí)空產(chǎn)率高、可連續(xù)生產(chǎn)、有利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。所以，有統(tǒng)計(jì)顯示我國(guó)稀土金屬及其合金產(chǎn)品中采用熔鹽電解法生產(chǎn)的產(chǎn)品占95%以上[1-5]。而隨著各種新型稀土材料逐漸研發(fā)和推廣，社會(huì)對(duì)稀土金屬以及其合金產(chǎn)品的需求量會(huì)日益增加，下游客戶對(duì)稀土金屬產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求遂也逐漸提高，期望價(jià)格降低，所以迫切需要完善稀土金屬冶煉的制作技藝與有關(guān)設(shè)施，在降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的前提條件下，降低產(chǎn)品損耗，提高資源使用效率，實(shí)現(xiàn)資源和環(huán)境之間的可持續(xù)性發(fā)展。

1 稀土電解槽三維電場(chǎng)耦合數(shù)值模擬方法

1.1 電場(chǎng)邊界條件以及網(wǎng)格劃分

關(guān)于模擬過(guò)程中電解槽三維電場(chǎng)的邊界條件設(shè)定，需要滿足以下條件：首先，將陰極電位作為基礎(chǔ)電位，定義為0 V，電流設(shè)為-220 A；其次，陽(yáng)極電流初步設(shè)定為220 A（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）；最后，坩堝附近皆視為絕緣體，表面電流密度設(shè)為零；文采取plane290單元格對(duì)稀土電解槽三維電場(chǎng)進(jìn)行綜合模擬，分別將基本屬性電極、熔體材料定位，用基礎(chǔ)四邊形劃分網(wǎng)格，對(duì)于上插式稀土電解槽共設(shè)789 個(gè)單元，2 498個(gè)工作節(jié)點(diǎn)，對(duì)于全埋式稀土電解槽共設(shè)981 個(gè)單元，3 091 個(gè)工作節(jié)點(diǎn)，電解質(zhì)表面溫度度場(chǎng)為第一類邊界條件，換句話說(shuō)，邊界上需要固定溫度值。將電解質(zhì)和坩堝周圍材質(zhì)接觸到的物體，根據(jù)第二類邊界條件，取電解槽表面散熱流基礎(chǔ)密度118.3 W/m2。

1.2 稀土電解槽熱平衡的計(jì)算

稀土電解槽的對(duì)外散熱主要方式就是對(duì)流散熱以及熱輻射，其熱量支出主要有：電解槽外側(cè)鋼板的外部散熱Q側(cè)、電解質(zhì)熔鹽表面散熱Q液、電解原料吸收熱量Q料、電解稀土氧化物需要的熱量Q氧、電解槽上方鋼板散熱Q鋼、電解過(guò)程中產(chǎn)出的氣泡帶走熔鹽需要的熱量Q泡、電解槽下方向外界地面釋放的熱量Q底，其中需要重點(diǎn)計(jì)算的是前兩項(xiàng)，即Q側(cè)與Q液，是物體表的實(shí)際面發(fā)射率，換句話說(shuō)就是黑度，其大小介于0～1 之間，Cb是黑體輻射的基本系數(shù)，取值為Cb=5.67 W（m2·K）。

總支出熱量表達(dá)式為：

計(jì)算Q側(cè)：

側(cè)面鋼板的對(duì)流換能系數(shù)：

計(jì)算Q液：

式中：A液為液體表面積；Δt為溫差；L為長(zhǎng)度；ε側(cè)為物體表面的黑度。

最終根據(jù)上述公式得出Q總，即稀土電解槽熱平衡總需能量。

1.3 不同極間距下電場(chǎng)的耦合

有關(guān)不同極間距對(duì)5kANd 稀土電解槽三維電場(chǎng)的耦合，本文需要選擇極間距分別是50 mm，70 mm，90 mm 這三種情況進(jìn)行耦合數(shù)值的模擬，在明確了Nd 稀土電解槽在不同極間距之下的模型以后，需要采取COMSOLE 軟件進(jìn)行有限元的模擬，伴隨電解槽電場(chǎng)分析過(guò)程的進(jìn)行，陽(yáng)極持續(xù)損耗，其厚度也隨之降低，這就和生產(chǎn)過(guò)程中電解后期陽(yáng)極氧化逐漸稀薄完全一樣。從電解前期至最后，電解槽內(nèi)的電壓持續(xù)升高，其原因大概是由于隨著陽(yáng)極損耗，極間距逐漸增加，陽(yáng)極電流之間的密度隨之加高，遂導(dǎo)致電解槽內(nèi)電壓持續(xù)升高。如此一來(lái)導(dǎo)致在工作電流不改變的狀況之下，單位時(shí)間內(nèi)熔鹽的發(fā)熱量得到持續(xù)增加，在電解后期需要立即降低工作電流以便正常維持電解溫度槽內(nèi)電壓和發(fā)熱量之間的正比例關(guān)系，這樣才會(huì)讓大量的電能繼續(xù)投入到加熱過(guò)程中，這樣不僅僅會(huì)節(jié)約電能，還會(huì)讓電解槽得到降溫，有利于提高電解效率。

2 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)稀土電解槽三維電場(chǎng)耦合數(shù)值模擬進(jìn)行分析，依托稀土電解槽三的工作機(jī)制，根據(jù)電場(chǎng)耦合前后的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)。希望本文的研究能夠?yàn)橄⊥岭娊獠廴S電場(chǎng)耦合數(shù)值模擬的相關(guān)研究提供方法論上的指導(dǎo)。