6kA新型铈电解槽内电磁场的数值模拟.pdf

2 0 1 6 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．1 0 ．0 0 7 6k A 新型铈电解槽内电磁场的数值模拟 伍永福1 ，李亮亮1 ，刘中兴1 ，李言钦2 ，官卜瑞 1 ．内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 ；2 ．郑州大学化工与能源学院，郑州4 5 0 0 0 1 摘要针对6k A 新型铈电解槽结构，建立数学模型与物理模型，根据M a x w e l l 电磁场方程和B i o t S a v a r t 定律，运用C O M S O L 模拟软件进行电场和磁场的有限元模拟，考察电解槽内电场和磁场的分布情况。 研究表明，阴阳极之间是电解的主要区域，也是电流产生的磁场的主要分布区域，并且磁场分布在圆周 方向上，径向和轴向的分量为零。 关键词熔盐；电解槽；铈；电场；磁场 中图分类号T F 8 4 5 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 1 0 0 0 2 5 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fE l e c t r o m a g n e t i cF i e l di n6k AN o v e l C e r i u mE l e c t r o l y t i cC e l l W UY o n g f u l ，L IL i a n g l i a n 9 1 ，L I UZ h o n g x i n 9 1 ，L IY a n q i n 2 ，G U A NB o r u i l 1 ．S c h o o lo fE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， B a o t o u0 1 4 0 1 0 ．I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a ；2 ．I n s t i t u t eo fC h e m i c a lI n d u s t r ya n dE n e r g y 。Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t M a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do ns t r u c t u r eo fn o v e l6k Ac e r i u m e l e c t r o l y t i cc e l l ．D i s t r i b u t i o no fe l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l d si ne l e c t r o l y t i cc e l lw a si n v e s t i g a t e db yf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nw i t hC O M S O Ls o f t w a r ea c c o r d i n gt oM a x w e l le l e c t r o m a g n e t i ce q u a t i o n sa n dB i o t S a v a r tl a w ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta r e ab e t w e e nc a t h o d ea n da n o d ei St h em a i na r e af o re l e c t r o l y s i sa n d m a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db yc u r r e n t ．M a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t e so n l yi nc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o nw i t hz e r oi n d i r e c t i o no fa x i a la n dr a d i a l ． K e yw o r d s m o l t e ns a l t ；e l e c t r o l y t i cc e l l ；c e r i u m ；e l e c t r i cf i e l d ；m a g n e t i cf i e l d 对于稀土电解槽的数值模拟研究我国已经有相 当丰富的经验，首先在铝、钠电解槽上已经相当成 熟，但是我们仍然有必要模拟在不同复杂条件的新 型稀土电解槽，以达到节能高产的目的。铈的应用 广泛[ 1 q ] ，在钢铁及有色金属中有广泛的用途[ 4 ] ，在 炼钢时通过添加微量铈进行微合金化，可以改善I F 钢的热变形[ 5 ] 。铈具有变价的特性，使得铈在相同 条件下优于其他电解槽。对于铈的氧化还原离子对 C e ”／C e ，C e O 容易发生氧化还原反应[ 6 ] ，铈 电解槽中，在不同电流密度时，C e 抖、C e 4 存在的形 式也不同，而在阳极电流密度越大时，C e 3 氧化为 C e 4 的速度越快，这对于提高产量是有利的。对于 原来的稀土电解槽阴阳极平齐时计算出阳极电流密 度为2 ．8 9A ／c m 2 。本次6k A 铈电解槽中阴极电流 密度按插入深度最大的计算阳极电流密度为3 ．4 3 A ／c m 2 ，新型槽型阳极的电流密度高于原来的电解 槽，阳极电流密度还与C e O 。通人阳极附近的质量流 量有关，同时为了抑制C e 4 在阴极表面还原，增大 收稿日期2 0 1 6 0 4 2 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 6 4 0 2 5 ；内蒙古自然科学基金项目 2 0 1 1 M S 0 7 0 3 作者简介伍永福 1 9 7 4 一 ，男，湖南祁阳人，博士，副教授． 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第1 0 期 阳极与阴极表面的比值，因此阴极电流密度比阳极 电流密度高出好多，在这些情况下，就限定了电解过 程中只有C e 4 的存在。本文直接对C e O 。进行电 解，电解质受到磁场与熔体中的电流相互作用产生 的电磁力驱动。因此，在电解过程中，了解新型铈电 解槽内电场及磁场的分布情况，对掌握电解槽实际 运行工况、降低能耗、提高电流效率有很大的作用。 张惠等口1 分析了制钠电解槽中电磁场及流场的分 布；陈宇昕等凹1 对1 0k A 底部阴极稀土电解槽电一 磁一流多物理场进行耦合仿真，得到了电解槽中电 场、磁场、流场之间的相互作用；伍永福等[ 9 ] 对不同 电极插入深度及不同极间距时稀土熔盐电解槽的电 场进行了数值模拟；王军等[ 1 叩通过模拟得到了不同 极间距时1 0k A 底部阴极稀土熔盐电解槽电场的 电位分布和电场强度分布。本文对新型6k A 稀土 铈电解槽进行模拟，侧重于对新型电解槽内的物理 场模拟。相比于传统旧槽型阴阳极底部平齐的特 点，新型稀土电解槽的阴极在下方突出一段，了解新 型铈电解槽内各物理场的分布情况，对实际生产有 很大的帮助。因此本文研究了不同插入深度时铈电 解槽电场的分布情况，首次运用新型稀土电解槽对 C e O 的电解制取，为实际生产提供理论依据。 1 模型的建立 1 ．1 新型稀土电解槽物理模型的建立 铈电解槽主要由石墨坩埚、阳极片、阴极棒和金 属接收器4 部分组成。阳极由4 个弧形的阳极片组 成，行成一个圆形轴对称结构。阴极棒置于槽正中 心，金属接收器放置在阴阳极正下方。电解质为 C e F 。一I ，i F C e O 。体系，其中L i F 的质量百分含量～ 2 0 ％，氧化铈粉料由阴阳极之间加入。新型铈电解 槽的槽型示意图和模型如图1 所示。 ㈣㈡酽 阴极棒 鏊篡『； 1 ．2 ◇二 、镳‰ I l 4 糕 ，聊 r 1 受 』 { ， 图1稀土铈电解槽示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc e r i u me l e c t r o l y t i cc e l l 电解槽尺寸阳极内经2 1 8m m 、阳极外径4 1 0 m m 、阴极直径8 0m m 、阳极插入深度2 9 0m m 、阴极 插入深度2 5 0m m 、电解质深度4 9 0m m 、坩埚内径 4 3 0m m 。 熔盐工艺参数电流60 0 0A 、电流效率8 0 ％、 电解温度10 0 0 ℃、电压1 0V 、电解质组成C e F 。一 L i F C e O 。、熔盐密度32 0 0k g ／m 3 、磁导率1H ／m 、 电导率8 1 4S ／m 。 上述部分参数为现场生产数据，其中，熔盐密度 来自于现场的取样测量，不同取样位置计算出的密 度也不同，但都在32 0 0k g ／m 3 上下波动，本次计算 取32 0 0k g ／m 3 来进行计算。 1 ．2 边界条件与控制方程 本文中假设与边界条件参见文献[ 1 1 ] ，主要采 用M a x w e l l 电磁场和基本矢量关系方程[ 12 1 与电解 槽内磁场分布计算方程[ 13 | 。 2 模拟结果及分析 基于以上数学模型，结合C O M S O L 软件进行 有限元模拟，图2 为C O M S O L 软件有限元模拟得 到的阴、阳极插人深度分别为2 9 0m m 、2 5 0m m 时 的电流分布图。 从图2 可知 1 电解槽的电极是圆形轴对称分布的，这种情 况下产生的电流也是圆形轴对称分布。 2 电流由阳极流人阴极流出，电解主要发生在 阴阳极之间的区域，阴阳极之间的电位梯度变化大， 而底部与电解槽槽壁部分的电位处于稳定状态，主 要是由于阳极等势区，没有电流向槽壁流动，由于槽 壁假设为无漏电绝缘体，电解槽下部金属接收器坩 鬻霾∥蔫， 万方数据 2 0 1 6 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 7 埚附近的区域可近似视为等电势区。 电位～ 2 2 ▲23 8 2 1H T ⋯ 电流密度 H l A ／m ；l l 2 l l H 2 I 剐 2 l H 5 5 一* b 5 H l ， H l8 { H ll 嘎H 2 I H H x ／m m 训电流密度 A ，m f H l 么霞愁 ／7 ．※※※※譬惑 攀鹱翁三黻誊戋 } 黎蘸勃 ＼弋j ＼≮S 兰兰兰岁夕 f ，l l { }j l I I Il 一 1 { l1 ‘j l l { } { } I l l lH 22 1 I t ．“l I I一 { H }一l I I I I 1 12 1H { l l { l x ／m m．q m m a 电位云图； b 中心截面电位云图； c 电流密度矢量图； d 横截面电流密度图 图2阴、阳极插入深度分别为2 9 0m m 、2 5 0m m 时的电流分布图 F i g ．2 C u r r e n td i s t r i b u t i o nw h e ni n s e r t i o nd e p t ho fc a t h o d ea n da n o d ei s2 9 0m ma n d2 5 0m mr e s p e c t i v e l y 3 这种电解槽的设计使得底部区域相对稳定， 方便从底部收集金属，符合实际电解过程。 a 2 I 5 ． I ．4 I3 1 ．2 磁通密度厂r b ▲30 l E lS f l 卜 图3 为阴、阳极插入深度分别为2 9 0m m 、2 5 0 m m 时的磁场分布图。 2 拶 7 磁感应强度厂r H 2 I H l3 { H 一曩．场j 至 复j rn 】【。I ．1 ，，龟感『，j 虽1 望j ，n 】’、l 【笃t 。。f i ，戎⋯I 经r 匹f l i 强f 望j ，nJ { 纠 图3阴、阳极插入深度分别为2 9 0m m 、2 5 0m m 时的磁场分布图 F i g ．3M a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nw h e ni n s e r t i o nd e p t ho fc a t h o d ea n da n o d ei s2 9 0m m a n d2 5 0m m r e s p e c t i v e l y n m 2 啦列■●●爨 o▲ 翱 州 绷 Ⅲ 嬲 删 ㈣ Ⅲ ㈣ ∈E 、， 5 2 ■■■■豳丽㈨㈡㈠㈡㈠㈠ 一1 4 3 ， 固㈣湖■∥_-凹 冈 洲 P c P c 、， 可HⅥH胡H甜『至训蜩圳胴川鲴 r c 量，， C H ● 剐 Ⅲ㈣㈣蜩州稠洲确洲 2 2 2 1 i E r 、- ■ 4 3 2 m i 褂 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ；／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第1 0 期 由图3 可以看出 1 由于电解主要发生在阴阳极之间，其电势也 主要分布于两极之间，故由电流产生的磁场也分布 在阴阳极之间，遵循左手定则，在阴阳极之间呈逆时 针分布。 2 由于电解过程中电流由阳极流人阴极流出， 电流产生的磁场也分布在阴阳极之间，但由这种电 流产生的磁场只在圆周方向上分布，而在轴向和径 向上的分布为零。 3 底部的电流密度很小，那么由电场和磁场在 底部产生的电磁力很小，从而使得底部的熔盐流动 很小，有利于金属的收集。 由图4 的电解槽中磁场分布图也可以看出，磁 场是在阴阳极之间分布的，阴阳极是电解的主要区 域，电位梯度变化很快，因此由电流产生的磁场的变 化也很快，变化的梯度也很大，而在阳极以外的区 域，磁场的变化很慢，主要是由于在这部分区域的电 流很少，因此产生的磁场也很小。 图4 铈电解槽中的磁场分布图 F i g ．4M a g n e t i ci n d u c t i o nd i s t r i b u t i o ni n c e r i u me l e c t r o l y t i cc e l l 3结论 1 电解槽内部电势及电流产生的磁场都主要分 布在阴阳极之间的区域，这里也是电解的主要区域。 2 这种圆形轴对称结构分布的电流只在圆周方 向上分布，由其产生的磁场的分布也只在圆周方向 上，而轴向和径向上的分量为零。 3 通过模拟分析得到，当阴、阳极插人深度分别 为2 9 0I T l I n 、2 5 0m m 时的分布更合理。 参考文献 [ 1 ] 张红松，朱涛，魏媛．钙钛矿及A 。B 2 0 ，型热障涂层用陶 瓷材料研究进展[ J ] ．稀土，2 0 1 0 ，3 1 4 7 5 8 0 ． [ 2 ] 杨吉春，杨昌桥，刘香军，等．微量稀土铈对1 F 钢再结晶 行为的影响[ J ] ．锻压技术，2 0 1 4 ，3 9 1 1 9 1 - 9 5 ． [ 3 ] S U D H AP R I Y A N G AG ，R A J E S W A R A P A L A N I C H A M Y R ．I Y A K U T T IK ．F i r s tp r i n c i p l e ss t u d yo fs t r u c t u r a l ， e l e c t r o n i c ，e l a s t i ca n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fc e r i u ma n d p r a s e o d y m i u mh y d r o g e ns y s t e mR E H ， R E C e ，P ra n dz 一2 ，3 [ J ] ．J o u r n a lo fR a r eE a r t h s ，2 0 1 5 ，3 3 3 2 8 9 3 0 3 ． [ 4 ] 林成河．金属铈的生产及应用[ J ] 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