龔姚騰,陳澤斌,呂招東,逄啟壽,萬福興,劉 勝

(江西理工大學 機電工程學院,江西 贛州 341000)

關于稀土電解槽的研究是由鋁電解槽發(fā)展而來,目前對稀土電解槽內各物理場的仿真模擬研究已較成熟,對于如何提高電解槽生產效率中結構參數(shù)的選取均有較合理的結果。但對于提高電解槽的壽命方面的研究還較少。葉楠[1]通過對8 kA 稀土電解槽陽極腐蝕的模擬研究得到改變陽極傾角可提高陽極壽命;張恒星[2]通過對陰極結構優(yōu)化的模擬研究來提高電解槽的壽命。保證合理的電熱場環(huán)境對于提高稀土電解槽壽命有著重要意義,但是已有研究僅只是針對稀土電解槽的陽極或陰極優(yōu)化來考慮,本文以8 kA 稀土電解槽為研究對象,建立了8 kA 稀土電解槽的三維模型,同時考察陰、陽極結構變化對電熱場分布的影響,以期為稀土電解企業(yè)優(yōu)化工藝提供參考。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

選擇8 kA 稀土電解槽的一半作為研究對象,三維模型及網(wǎng)格劃分后模型如圖1 所示。

圖1 二分之一電解槽模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Half cell model and grid division

1.2 邊界條件和模型假設

1)電場邊界條件和模型假設。電解槽工作時,陽極通入8 kA 直流電;陰極設為基礎電位,電勢為0 V;坩堝表面電流密度為0。假設電解槽中的陽極、陰極和石墨坩堝為等勢體[3],可認為電流全部從陽極流向陰極;忽略陽極氣泡的產生及稀土金屬在陰極析出沉積在槽底對電場的影響;忽略陽極隨著時間的消耗所產生的陽極間空隙。

2)熱場邊界條件和模型假設。與外界接觸的電解質液面為第一類邊界條件,溫度值固定為1 323 K;與坩堝接觸的電解質表面按第二類邊界條件,槽壁面散熱熱流密度為118.5 W/m2;與電極所接觸的電解質表面按第三類邊界條件,取經驗對流換熱系數(shù)4.29 W·(m2·K)-1;底部的液態(tài)金屬流動性差,呈現(xiàn)為穩(wěn)態(tài),所以按第一類邊界條件,溫度取為1 308 K;對稱面以及熔鹽表面設為熱絕緣,電流的法向分量為0。

1.3 控制方程

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論,稀土電解槽的電場微分方程可以表述為式(1)。

式中:A為標量電位,V;σ為電導率,S/m,x、y、z為電解槽內溫度場三維空間坐標。

稀土電解槽的熱場屬于內部熱源的常物性三維分布,根據(jù)傅里葉熱傳導定律,得到三維熱場控制方程,見式(2)。

式中:φ為單位時間內單位體積中熱源的生成熱,W/m3;ρ為微元體密度,kg/m3;C為微元體比熱容,J/(kg·K);a=λ/(ρC)為擴散系數(shù),m2/s,λ為導熱系數(shù),W/(m·k);T為電解槽內溫度,K;x、y、z為電解槽內溫度場三維空間坐標。

2 8 kA 稀土電解槽的陰、陽極結構優(yōu)化

文獻[4]研究表明,陽極消耗后陰陽極距離增加,陽極插入深度減小使得兩極中間區(qū)域的電場分布范圍明顯擴大,并且處于陰極正下方的電場向金屬接收區(qū)擴散。所以,面對陽極下部分被腐蝕消耗形成傾角的問題,通過增加陽極底部的厚度從而改變陽極傾角,陽極厚度的增加,可以使電場在電解槽中下部分更集中,能增強陽極的耐消耗性并延長陽極更換時間;現(xiàn)行陰極圓柱棒的底部電流密度過大,使得底部電場分布密集,進一步影響熱場分布,針對此問題將陰極底部改為半球形,以增加底部面積,減弱電場分布。

本文運用COSMOL 軟件,在陰極底部結構半球形優(yōu)化條件下,對陽極傾角(小角度梯度)分別取0°、2°,4°、6°、8°、10°及陽極插入深度進行電熱場耦合模擬分析,以求得電解槽陰、陽極結構優(yōu)化的最佳參數(shù)。

2.1 陰極底部優(yōu)化后的電流密度分布

圖2(a)與圖2(b)分別表示在不改變陽極結構下的陰極底部半球形化前、后的電流密度分布情況,可以看出,電解槽內的電流密度分布基本一致,而圖2(a)陰極底部圓周處的電流密度高于圖2(b),圖2(b)陰極底部的電流密度更低,且分布更為均勻。這是因為優(yōu)化前陰極底部的相對接觸面積較小,而優(yōu)化后的陰極半球形底部有效擴大了陰極與熔鹽電解質的接觸面積,所以能夠有效降低電流密度,減少陰極的損耗并提高陰極壽命。

2.2 陽極傾角對電解槽電熱場分布的影響

2.2.1 對電流密度分布的影響

圖3 為在陰極底部半球形化前提下,陽極底部不同傾角對電解槽電流密度分布的影響。從圖可以看出,陽極底部傾角增大,陽極下部分與陰極之間的電流密度更加密集,電流密度增大。

圖3 陽極優(yōu)化后各角度電流密度分布Fig.3 Current density distribution at various angles after anode optimization

圖3 中,當陽極傾角為0°～10°時,電流密度平穩(wěn)增加,在正常電解過程中,電解槽電流密度越大,金屬析出的速度就越快,生產效率也就越高。當陽極傾角為10°時,電流密度急劇增加,相比8°傾角,10°傾角更有可能產生陽極效應,造成陽極表面生成過多氣泡,陽極電阻增加,使電解反應無法正常進行,陰極表面不再析出金屬,電解過程終止。所以電流密度在合理范圍內越高越好,但不能過大,需要考慮陽極消耗后槽內電壓以及電流密度的大小變化情況。對于本文研究電解槽,陽極傾角為8°較為合適。

圖4 為陽極底部不同傾角對電解槽電壓分布的影響。從圖中可以看出,隨著傾角的不斷增大,電解槽內的電壓呈現(xiàn)下降的趨勢,這是因為當陰極和陽極之間的距離變小時,兩極之間的電解質減少,電解質的總電阻變小,槽內電壓降低。而適當降低電解槽電壓,可以更好維持電解槽溫度,還可以降低電能損耗并提高電解槽壽命。

圖4 陽極優(yōu)化后各角度電壓分布Fig.4 Voltage distribution at various angles after anode optimization

在圖4 中可以看出,陽極外表面與坩堝內壁之間沒有電勢分布,電解槽內的電勢分布可以分為2個區(qū)域:兩極之間和金屬接受區(qū)。在陽極結構不改變的情況下,陰極底部半球形化后電解槽電壓普遍上升,原因是陰極優(yōu)化后兩極間距離增加,電解質增加,導致電阻上升,所以在電流不變的情況下電壓也隨著上升[5]。但當陽極傾角發(fā)生改變,且當陽極傾角增加時,電壓在不斷減小,這是因為當陽極的傾角增加,兩極之間距離減小,電解質減少,電解質的總電阻也隨著減小。相比于傾角6°,當陽極傾角為8°時,電流密度相對較高,電解效率也會隨之提高,在保證電解槽內電場分布合理的情況下,能夠獲得更好的電解性能。另外,隨著陽極傾角的不斷增大,陽極和陰極之間區(qū)域上、下部分的電場分布發(fā)生了不均勻變化,因為傾角增大時,陽極底部離陰極表面之間的距離越來越小,因此電極下部之間的區(qū)域電場分布更加密集,上部之間電場分布較為稀疏。當陽極傾角為8°時,電極之間下部分的距離已經明顯減小,該區(qū)域電場分布最為密集,陽極底部的電場分布范圍也有所減小,此時金屬接收區(qū)域的電場分布范圍也有所減小。為了保證稀土金屬能夠順利沉積到電解槽底部,槽底部分電場變化不能過大。在傾角為8°時電場分布最為合理,且電流密度最適應電解過程。

2.2.2 對電解槽內溫度分布的影響

圖5 為陽極底部不同傾角對電解槽內溫度分布的影響。從圖中可以看出,當傾角為0°時,電解槽內的高溫區(qū)域在陰極的中間部分附近,因為該處的陽極與陰極的正對面積最大,電解反應最為集中,所以該區(qū)域發(fā)熱量最大,高溫由此區(qū)域向四周擴散并且逐漸降低。隨著陽極傾角的增加,陽極區(qū)域的高溫分布范圍更加集中,同時槽內的高溫區(qū)域也逐漸向電解槽底部偏移,即高溫區(qū)域逐漸偏離電解質液面,同時使得電解槽內的熱量不容易通過電解質液面與空氣進行對流,減少了對流換熱導致的熱量損失,這是電解槽內溫度升高的一個重要因素。

圖5 陰陽極優(yōu)化后各傾角下熱場等值面分布圖Fig.5 Isosurface distribution of thermal field at each dip Angle after optimization of anode and cathode

由于陰極底部球形化能夠改善電解槽底部局部過熱現(xiàn)象[6],因此可以通過適當增大陽極傾角來獲得適宜電解的最高溫度。表1 為不同陽極傾角下的電解槽最高溫度,從圖5、表1 可以看出,不同陽極傾角的電解槽最低溫度為1 310 K,而隨著陽極傾角的增加,電解槽內的低溫區(qū)域在逐步減小。當陽極傾角為10°時,可以清楚看到最高溫已經達到1 340 K,雖然此溫度在最佳電解溫度區(qū)間內,但是過高的電解溫度會加快陽極的消耗速率,從而降低電解效率;陽極傾角為8°時,槽內最低溫度為1 310 K,最高溫度為1 334 K,該溫度能夠有效保證槽內正常電解溫度,同時槽底的金屬收集區(qū)域溫度也維持在1 325 K(高于稀土金屬的熔點),能夠減少“結瘤”[7],為本文研究電解槽的較佳電解溫度。

表1 不同陽極傾角下的最高溫度Table 1 Highest temperature at different anode angles

2.3 不同陽極插入深度的電熱場分析

文獻[8]對陽極消耗進行分析,發(fā)現(xiàn)陽極在消耗后會變短變薄,因此在優(yōu)化陽極結構時,還需要考慮陽極插入深度對電熱場的影響。

上文分析了陰、陽極同時優(yōu)化后傾角為8°時電熱場分布最為合理,在這一基礎上對不同陽極插入深度進行電熱場模擬分析。根據(jù)前人研究成果[8-10]和實際生產經驗,陽極插入深度范圍取300～360 mm,每10 mm 為一個變化梯度,進行三維模擬,得到了陽極傾角為8°時不同插入深度下電流密度等值圖,如圖6 所示。

圖6 不同陽極插入深度電流密度等值線分布圖Fig.6 Contours of current density at different insertion depths

從圖6 中可以看出,在傾角為8°時,不同插入深度電流密度分布基本一致,發(fā)生主要變化的是陰極底部電流密度分布和電流密度大小變化。隨著陽極插入深度不斷變化,陽極與陰極之間的電流密度分布逐漸均勻,金屬接受區(qū)的電流密度變化不明顯。從圖6 中可以看出,插入深度為300～320 mm 時,電流密度逐步上升,320 mm 時到達頂點,隨后一直下降。因此,在陽極傾角為8°和陽極插入深度為320 mm 時,電流效率相對較高。

圖7 為陽極傾角為8°時不同插入深度下的溫度等值面分布圖,表2 為不同陽極插入深度對應的電解槽最高溫度。從圖7 可以看出,陽極插入深度不同時,電解槽溫度分布基本沒有變化,陰極中間部位和陽極之間的區(qū)域電解溫度最高,陽極下半部分的等值面比上半部分更加密集,說明下半部分的溫度相對于上半部分更高。隨著陽極插入深度的逐漸增大,電解槽內兩極間的溫度等值面越加密集,高溫區(qū)域也隨著陽極插入深度的增加而下移,溫度逐漸穩(wěn)定,高溫區(qū)域溫度也接近最佳電解溫度;陰極下部分的溫度逐漸降低,因為此區(qū)域的電流密度密集程度較低[11],電解反應的發(fā)生概率低,電解質熱量通過傳熱不斷傳遞到外界之中。表2 表明,插入深度為320 mm 時,最高溫度為1 334 K,最低溫度為1 308 K,金屬收集區(qū)溫度為1 324 K,溫度分布符合電解槽電解溫度區(qū)間要求[12]。

表2 不同陽極插入深度對應的電解槽最高溫度Table 2 Highest temperature of electrolytic cell different anode insertion depth

圖7 陽極不同插入深度熱場等值面分布圖Fig.7 Thermal field isosurface distribution of anode with different insertion depths

3 結論

本文以8 kA 稀土電解槽為研究對象,建立了8 kA 稀土電解槽的三維模型,考察陰極底部形狀及陽極結構變化對電熱場分布的影響,得到以下結論。

1)陰極結構優(yōu)化為半球型結構,能夠有效消除電場強度分布中出現(xiàn)的“凸點”,并改善了電解槽下部的電流密度分布,避免了電解槽局部過熱,有利于提高電解槽的效率和使用壽命。

2)通過增加陽極底部厚度改變陽極傾角,從而改變陽極與陰極之間的距離,使得陰陽極之間下半部分的電流分布更加密集,高溫區(qū)域不斷下移,改善電解槽的溫度分布情況。

3)陰極底部半球形化后,陽極半傾角為8°且插入深度為320 mm 時電熱場分布最為合理,此時最高溫度為1 334 K,最低溫度為1 310 K,槽底的金屬收集區(qū)域溫度維持在1 325 K,符合電解槽電解溫度要求,而且達到了電解槽的最高電解效率。