閆光禮，馮羽生，徐水太

（江西理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院；江西 贛州341000）

中國離子型重稀土占世界同類資源的比重高達(dá)90%，而江西贛南地區(qū)是中國該類稀土資源的重要資源地和供應(yīng)地，也是稀土開采技術(shù)的發(fā)祥地；隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，稀土元素作為不可再生重要資源，因其獨(dú)特優(yōu)異的磁、光、電等多種物理特性，被廣泛應(yīng)用到航天工程、冶金工程、化工工程、電子工程、生物工程、新能源和新材料等領(lǐng)域[1-3].現(xiàn)階段我國稀土生產(chǎn)主要有濕法工藝和干法工藝；而鹽體系電解稀土氧化物是十分重要的干法工藝，稀土電解槽是其所用到的主要電解設(shè)備[4-6].目前，對于稀土電解槽的研究，文獻(xiàn) [7-9]研究和分析了電解槽內(nèi)部的氣體流速分布、溫度場、流場分布；文獻(xiàn)[10-14]對不同陰極直徑、極間距、插入深度等不同條件下電解槽內(nèi)部的電解參數(shù)分布進(jìn)行了研究和優(yōu)化；綜上研究發(fā)現(xiàn)，陰極電蝕對電解槽內(nèi)電解特性的影響尚未被研究.

本課題的研究內(nèi)容以越南某企業(yè)的鏑鐵稀土電解槽為重點(diǎn)研究對象，鏑鐵稀土電解槽結(jié)構(gòu)示意如圖1，利用COMSOL多物理場耦合軟件，對不同電解階段的陰極形狀進(jìn)行取樣，建立不同的陰極形狀模型，然后對不同形狀陰極的稀土電解槽內(nèi)部電解特性進(jìn)行模擬研究，重點(diǎn)分析了不同陰極形狀對稀土電解槽內(nèi)電流密度的影響，為后續(xù)的稀土電解槽維護(hù)使用提供理論指導(dǎo)依據(jù).

圖1 鏑鐵稀土電解槽結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of dysprosium iron rare earth electrolyzer

1 模型構(gòu)建

1.1 電解槽幾何模型重構(gòu)和網(wǎng)格劃分

電解槽結(jié)構(gòu)如圖1鏑鐵稀土電解槽結(jié)構(gòu)示意所示，因其完全對稱性，因此，以其四分之一為重點(diǎn)研究對象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見文獻(xiàn)[13]，劃分好的網(wǎng)格即三維電解槽網(wǎng)格圖，如圖2所示.

圖2 三維電解槽網(wǎng)格Fig.2 Three-dimensional grid

1.2 陰極幾何模型

根據(jù)文獻(xiàn)[10-14]模擬結(jié)果與結(jié)論顯示，稀土熔鹽電解槽中最大電流密度值出現(xiàn)的位置與陰陽極間距、電極距槽底距離等無關(guān)，最大參數(shù)值均出現(xiàn)在陰極底部端面圓周區(qū)域；在稀土合金自耗陰極電解過程中，由于電流作用，該區(qū)域的陰極損耗也比較厲害.針對自耗陰極稀土合金電解實(shí)際情況，根據(jù)不同時期定期檢查電解槽內(nèi)的陰極形狀，建立了如圖3不同時期的電解陰極形狀所示的不同陰極形狀模型.然后參考了文獻(xiàn)[15-22]，主要依據(jù)文獻(xiàn)[13-15]建立了熱場、電流、電位等邊界條件.

圖3 不同時期的電解鏑鐵陰極形狀Fig.3 The cathode shape of Electrodeposited dysprosium iron in different periods

2 電解槽電流密度等值面模擬結(jié)果分析

原則上，在電流大小相同的情況下，電解槽產(chǎn)生熱量與電極表面區(qū)域電流密度具有一定相關(guān)性，電流密度越大其電解槽產(chǎn)生的熱量也會相對變大；保持合適的電流密度不僅對稀土電解反應(yīng)有利，而且也使得電解速度更迅速，但如果其電流密度數(shù)值過小，則電解槽內(nèi)部電解所需要的溫度達(dá)不到要求，而如果其電流密度過大，則會使得電解槽升溫相對較為快速，其電解所得到的稀土金屬容易發(fā)生溶解，不利于電解，反而大大降低了稀土電解效率[15].

文章依據(jù)稀土電解槽中不同時期的陰極損耗模型，對電解槽不同階段的稀土電解過程進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)，獲得了不同時期的各物理場的變化結(jié)果.通過對各物理場的比對發(fā)現(xiàn)，陰極損耗對電流密度分布的影響最為明顯，也是變化最大的，而對其他物理場的影響則變化不大，因此，本研究僅對不同α?xí)r的電流密度分布圖進(jìn)行了重點(diǎn)分析，見圖4.

文章中陰極損耗模型分為6個時間段，分別對應(yīng)著陰極棒的錐角 α=2o、6o、10o、13o、17o、21o時的陰極棒形狀，依次對應(yīng)著不同的使用時間長度.

圖4 不同錐角α?xí)r電流密度等值面Fig.4 Current density equivalent surface at different cone angles α

2.1 不同α?xí)r電流密度等值面模擬結(jié)果分析

陰極棒損耗趨勢分析：觀察圖4電流密度不同α?xí)r的等值面分布情況發(fā)現(xiàn)：隨著電解槽內(nèi)部稀土電解過程的持續(xù)，陰極棒的錐角α值逐漸增大，這將導(dǎo)致電流密度最大值分布空間逐漸變小，這時其最大值仍處于陰極底部的端面圓周區(qū)域；此時陰極棒受端面圓周區(qū)域最大電流密度作用，其圓周處的陰極棒被持續(xù)地消耗，從而形成新端面，而在新端面區(qū)域處，此時又出現(xiàn)最大電流密度，如此循環(huán)往復(fù)，其損耗最大的區(qū)域始終出現(xiàn)在陰極底部端面位置處，因而，隨著電腐蝕的不斷進(jìn)行，底部陰極棒形狀也持續(xù)改變，其呈錐形趨勢被損耗.

電流密度分布趨勢分析：隨著陰極棒的錐角α的增大，陰極棒之間的稀土電解質(zhì)內(nèi)部的電流密度分布的層數(shù)也在不斷發(fā)生變化，由原來的3層不斷減少，在陰極棒的錐角α=17o時，此處的電流密度等值面分布僅僅只有一層，而且其數(shù)值非常小，致使在該區(qū)域內(nèi)的電流密度數(shù)值幾乎一致；再從其分布情況來看，幾乎僅存在于陰陽極所正對的稀土電解質(zhì)內(nèi)部區(qū)域，而其他區(qū)域的數(shù)值也非常小，諸如陰極與陰極之間的區(qū)域，幾乎可以忽略.受最大電流密度分布因素的影響，在陰極棒損耗的高度范圍內(nèi)，其對應(yīng)的稀土電解質(zhì)內(nèi)部的電流密度等值面分布角度與陰極棒的錐角基本一致，其電流密度分布方向和陰極損耗后的形狀基本一致.

陰極棒損耗的后續(xù)影響：伴隨著陰極棒的錐角α的增加，紅色區(qū)域最小電流密度等值面分布范圍也將會變得越來越大，即隨著陰極的持續(xù)耗損，在稀土電解槽內(nèi)部，出現(xiàn)的小電流密度區(qū)域范圍所占空間比重也將變得越來越大，導(dǎo)致稀土電解槽內(nèi)部的稀土電解強(qiáng)度將會相對會變小，不利于稀土電解槽的后期電解進(jìn)程.隨著陰極棒的錐角α的增大，大電流電解槽的內(nèi)部稀土金屬收集區(qū)域內(nèi)，其電流密度等值面也在不斷地上移，加速了小電流密度區(qū)域范圍的不斷擴(kuò)大.因此，為了電解需要，需保證足夠大的電流密度數(shù)值，實(shí)際稀土電解生產(chǎn)操作過程中需要定時定量地不斷下放陰極.

2.2 不同α值與最大電流密度關(guān)系

從圖5可以看出，隨著稀土電解過程的進(jìn)行，陰極棒的錐角α不斷增大，導(dǎo)致稀土電解槽內(nèi)部的最大電流密度也持續(xù)增大，其原因?yàn)椋弘S著稀土電解過程的不斷進(jìn)行，陰極持續(xù)被不間斷地消耗，致使陰極的表面積減小，在同等電流條件下，此時陰極棒的表面處最大電流密度數(shù)值也將同步增加，再者，伴隨陰極底部尖端“避雷針”式放電效應(yīng)疊加，在稀土電解槽中致使坩堝區(qū)域內(nèi)部的電流密度也將持續(xù)增大.除此之外，隨著陰極消耗，其對應(yīng)部分相對也將變得越來越細(xì)，這樣使陰陽極之間的電解質(zhì)也會相應(yīng)增加，使得稀土電解槽內(nèi)部的電阻增大，相應(yīng)的電流強(qiáng)度將會變小.總之，隨著稀土電解過程的進(jìn)行，其電解槽內(nèi)部的電流強(qiáng)度將不斷變?nèi)?，即稀土電解能力相?yīng)的減小，但電流密度反而不斷增大，這使得稀土電解槽的產(chǎn)熱能力增加，導(dǎo)致內(nèi)部稀土電解槽發(fā)熱嚴(yán)重，這不僅加劇了稀土金屬電解質(zhì)的蒸發(fā)，也加劇了槽體的腐蝕，最終整體降低了稀土電解效率，這對稀土電解生產(chǎn)是極其不利的.在稀土電解后期的實(shí)際操作過程中，可根據(jù)具體的陰極損耗程度，將其適當(dāng)?shù)南蛏咸岣撸@樣做既可以滿足電流密度要求，同時也增大了電流強(qiáng)度，進(jìn)一步加快了稀土電解生產(chǎn)反應(yīng)，充分提高了稀土陰極材料的電解利用率，最終提高稀土后期此區(qū)域內(nèi)的電解電流效率.

圖5 最大電流密度與不同階段α值關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between the different α values and the maximum current density

2.3 相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果對比分析

為了驗(yàn)證稀土電解槽內(nèi)電場、溫度場的耦合合理性，現(xiàn)將本研究模擬結(jié)果與前人研究結(jié)果進(jìn)行對比.

稀土電解槽電場研究方面：葉楠，等[23]利用多物理場COMSOL仿真軟件對15 kA大電流稀土電解槽陽極的實(shí)際消耗問題進(jìn)行了研究，建立了流場-電場耦合模型并進(jìn)行了模擬分析，隨著陽極的消耗，電解槽內(nèi)上部電場分布逐漸變得比下部更加密集；因同屬一個課題組成員，研究對象也相同，因此電場計(jì)算結(jié)果與文章研究的電場分布趨勢、數(shù)量級基本相同，電場、電勢、電流密度等數(shù)據(jù)波動不大.

稀土電解槽溫度場研究方面：王海輝，等[4]也研究了15 kA稀土電解槽，主要對溫度場進(jìn)行了研究分析，溫度場的最高溫度主要分布在稀土熔鹽電解槽內(nèi)兩陰極之間及陰極與陽極之間的區(qū)域，電解的主要發(fā)生區(qū)存在于該區(qū)域；葉楠，等[23]研究的陽極消耗變形后的高溫區(qū)域向液面偏移；以上的溫度場計(jì)算結(jié)果與文中的溫度場分布趨勢也基本相同，只是由于陰極的消耗，陰極的高溫區(qū)域也向液面偏移[15].

因模擬結(jié)論具有很大的相似性，由于文章篇幅限制，具體的電場、溫度場圖等數(shù)據(jù)參見相關(guān)文獻(xiàn).

2.4 不同α值時稀土電解生產(chǎn)率實(shí)證分析

在較優(yōu)工作狀態(tài)下，根據(jù)6個時間段的陰極損耗模型，獲得一線生產(chǎn)現(xiàn)場對應(yīng)時間段的稀土電解生產(chǎn)率，具體數(shù)據(jù)見表1.驗(yàn)證了不同α值與最大電流密度關(guān)系曲線一致性.

表1 不同陰極電解下稀土電解生產(chǎn)率Table 1 Rare earth electrolysis productivity under different cathode electrolysis

根據(jù)陰極具體的損耗程度，將其適度向上提高，獲得一線生產(chǎn)現(xiàn)場對應(yīng)時間段的稀土電解生產(chǎn)率，具體數(shù)據(jù)見表2.驗(yàn)證了上述分析內(nèi)容.

表2 實(shí)險(xiǎn)條件下不同陰極電解下稀土電解生產(chǎn)率Table 2 Rare earth electrolysis productivity under different cathode electrolysis

3 結(jié) 論

在最佳電解工況條件下，對陰極棒的錐角α=2o、6o、10o、13o、17o、21o時不同陰極損耗模型進(jìn)行的模擬研究，得到如下的結(jié)論：

1）隨著陰極棒的錐角α值的逐漸增大，最大電流密度分布區(qū)域逐漸減小且總處于陰極底部端面圓周處.

2）稀土電解質(zhì)區(qū)域內(nèi)，電流密度等值面分布變化趨勢和損耗陰極形狀變化趨勢基本一致，其電流密度等值面分布方向和損耗的陰極形狀也基本一致.

3）依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)稀土電解后期階段的陰極棒的具體損耗程度，將其進(jìn)行適度下落，可提高稀土電解產(chǎn)量，陰極電解材料能夠得到充分利用.