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大电流稀土电解槽三维全槽仿真模拟与设计研究

发布时间:2020-07-20 17:40
【摘要】:稀土熔盐电解槽主要用于制备稀土单一金属和合金,而传统的稀土电解槽因容量小产量低不能满足大规模生产要求,因此本文所设计的15KA稀土电解槽不仅能满足单一稀土金属的市场需求,也可解决小型电解槽分布散乱、电解性能不好等问题。本文以国家离子型稀土资源高效开发利用工程技术研究中心所需15KA稀土电解槽为设计研究目标,结合部分已知参数,通过辅助仿真设计软件对电解槽进行槽型的设计与结构参数的修正,具体内容如下:(1)根据设计需求对15KA电解槽槽型进行研究,确定该15KA电解槽的结构形状,并由已知总电流、电流密度等参数计算电解槽内阴极与阳极的尺寸范围。运用SolidWorks,建立该电解槽各部位的三维模型图。(2)采用有限元分析法,对稀土电解槽内部电场进行三维仿真模拟。电场分布大致可以分为3个区:阴极区、阳极区、坩埚收集金属区,阳极附近电势几乎相等,阴极附近电位等势线最为密集,电流集中由阳极流向阴极,而电解槽底部坩埚收集区域电位差较小,电势线相对稀疏,与前人二维横向、纵向的电场分布对比,证实了三维电场仿真结果的正确性。后研究稀土电解槽内部阴阳极距电解槽底部的距离a和极间距b对槽内电场分布的影响,根据模拟得出固定参数极间距b时熔体电压V、电流密度D关于参数a的关系表达式。以电解过程阴极表面最大电流密度为优选目标,电解槽运行所需槽电压为参考目标,得出最佳电极距电解槽底部的距离a和极间距b。(3)首先运用COMSOL Multiphysics电热耦合模块,施加所需的电场和热场边界,模拟得出电解槽内热场分布,高温区只位于圆弧状阳极与正对的阴极之间,分布不合理。其次模拟了相同条件下布置3根阴极的各物理场分布并与4根阴极进行对比,验证4根阴极的合理性。后改变半圆弧阳极与对应阴极的圆心距d,得出最佳热场分布以满足电解要求时的最佳d值,此时高温区分布于每根阴极的中间部分,其它区域温度呈一定梯度由高温区向四周均匀减小。最后分析了电解过程中由于大电流密度的作用导致阴极形状的改变,阴极呈锥形从底部圆周开始腐蚀,随着阴极被侵蚀,电解槽内最大电流密度增大,与实际生产相符。(4)根据项目要求,完成15KA稀土电解槽的外型参数设计,后简述电解槽的生产步骤,包括炉底保温层的制作,横梁与支撑柱、炉外壳的安装,炉外壳内侧保温砖的砌筑,内外保护套、石墨槽、炉盖板、阳极导电板和阴极升降架的安装等,还对部分制作所需材料进行理化指标分析及选择,最终完成该稀土电解槽的整体制作。
【学位授予单位】:江西理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TF845
【图文】:

电解槽,三维模型


图 2.1 电解槽三维模型图2.1.2 电解质稀土熔盐电解质包括两部分[19]:电解质组分以及各组分所占比例,电解质内各组分所占比例不同,熔盐的初晶温度、粘度等物理性质也会千差万别,电解槽的电流效率和金属直收率受其影响,从而影响到稀土电解的整个经济技术指标。该大型电解槽电解质体系选用3 2 3NdF -LiF-Nd O ,选用 NdF3:LiF 的质量百分比为83%:17%。文献[20]利用最小二乘法处理实验数据,得到了 NdF3LiF Nd2O3熔盐在研究区域内电导率的回归方程:1 2 3y 33.9441 0.0212 x 0.6107 x 0.1517x(2.1)式(2.1)中:y 电导率,S/cm;X1温度,℃,有效范围 980~1220℃;X2LiF浓度,%(质量分数,下同),有效范围为 1%~15%;X3Nd2O3浓度

电解槽模型,极间距


(a) 实体模型 (b) 网格划分模型图 2.1 电解槽模型2.4 三维电场的数值模拟稀土熔盐电解槽电场的研究主要考虑电极距电解槽底部的距离 a 和极间距 b,根据文献[18],假设阴阳极底部在同一高度,取电极距电解槽底部的距离 a 范围为 110~190mm,极间距 b 范围为 65~85mm,综合分析两种情况下电解槽内部电场的分布情况,以及不同参数组合下的熔体电压大小。2.4.1 极间距变化对电场分布的影响取极间距为 b 为 65mm,70mm,75mm,80mm,85mm;电极距电解槽底部的距离a 取两个参数为 140mm,150mm。两个变量相互组合。(a).固定电极距电解槽底部的距离 a=140mm,极间距由 65~85mm 逐级递减,极间距

电场分布,电场,模拟结果


(a) 电场分布图 (b) 电场切片图图 2.2 b=65mm 时电场模拟结果从图中 1/4 模型电解槽三维电势的分布可以得出:电解槽电场的分布大体可以分为3 个区域:①阳极区:阳极附近区域包括阳极,该区域电势基本相等,阳极内侧等势线比较稀疏,电位梯度小,因此压降比较小。阳极外侧靠近坩埚壁区域电势没有发生变化,没有电流通过该区域,这与设定的坩埚壁绝缘相符。②阴极区:阴极附近区域包括阴极,阴极内部各位置电位一样,与假设条件中阴极电位为 0 相符,金属镨钕单质主要在该表面析出,并缓慢降落至坩埚收集器;阴极与阳极的中间区域电压呈一定梯度由阴极至阳极递增,该区域电位线相互平行,并且分布比较紧密,电位梯度也大,因此流过该区域的电流相对较大,电流密度最大。③坩埚收集金属区:该区域虽然有电位差,但差值较小,金属的沉降所受的电场力较小,可近似看做等势区。图 2.3 为 a=140mm 时不同极间距下的电场等势面图。设置级别中的定义方法为级数,总级别设为 10,电势等值面按 10 级设置由系统自动分配。

【参考文献】

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本文编号:2763744

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