稀土熔盐电解槽内温度场数值模拟.pdf

2 0 1 2 年1 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 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 2 ．0 1 ．0 0 8 稀土熔盐电解槽内温度场数值模拟 伍永福1 ，刘中兴1 ，李曙阳2 ，任永红3 1 ．内蒙古科技大学能源与环境学院，包头0 1 4 0 1 0 ； 2 ．呼和浩特中燃城市燃气发展有限公司，呼和浩特0 1 0 0 1 0 ； 3 ．包头钢铁集团，包头0 1 4 0 1 0 摘要在前人电场及流场的研究基础上，考虑电热场及电解质流动对温度场分布的影响，利用差分法建 立柱坐标下的能量传输方程的上风差分离散格式，采用F o R T R A N 9 7 编程，对3k A 钕电解槽的温度场 进行了数值模拟。结果表明，电极之间的发热强度最大，但并不是电解槽的最高温区，高温区在接收器 内部 11 0 0 ℃ ，模拟结果与实测结果比较吻合。 关键词稀土电解槽；温度场；钕；数值模拟 中图分类号T G1 4 6 ．4 5文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 1 一0 0 2 7 一0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fT e m p e r a t u r eF i e l di nR a r eE a r t hE l e c t r o l y t i cC e W UY o n g F u l ，L I UZ h o n g X i n 9 1 ，L IS h u Y a n 9 2 ，R E NY o n g H o n 9 3 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 er i n gI 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 d T e c h n o l o g y ，B B o t o u0 1 4 0 1 0 ，l n n e rM o n g o l i a ，C h i n a I 2 ．H o h h o tZ h o n g r a nC i t yG a sD e v e l o p m e n tC o m p a n yL t d ．，H o h h o t0 1 0 0 1 0 ，C h i n a } 3 ．B a o t o uS t e e lG r o u p ，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 A b s t r a c t B a s e do nt h ee l e c t r i cf i e l da n df l o wf i e l di np r e v i o u sr e s e a r c h ，c o n s i d e r i n ge l e c t r i cf i e l da n de l e c t r o l y t ef l o w so nt h ei m p a c to ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h e3k AN de l e c t r o l y z e rt e m p e r a t u r ef i e l dw a s s i m u l a t e du s i n gF O R T R A N 9 7p r o g r a m ，t h eu p p e rh a n dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa b o u tt h ee n e r g yt r a n s f e r d i s c r e t ef o r m a tu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di nc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t ew a se s t a b l i s h e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a th i g ht e m p e r a t u r ez o n ei si nt h ei n t e r n a lr e c e i v e r 11 0 0 ℃ ，t h eg r e a t e s ts t r e n g t ho fh e a te m i t t i n gi s a m o n gt h ee l e c t r o d e s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o i n c i d ew i t hm e a s u r e dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nr e a lr a r e - e a r t he l e c t r o I y z er ． K e yw o r d s r a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e U ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n e o d y m i u m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 在氟化物体系稀土电解槽电解过程中，槽内熔 体的温度分布直接关系到稀土熔盐电解的电流效率 和电能消耗，同时也制约槽体的使用寿命。若电解 质温度过低，则熔体黏度大，电导率下降，表面张力 也增大，使析出的稀土金属形成较多的金属雾，难于 聚结在阴极上，金属雾移到阳极区会遭到氧化，降低 电流效率。但温度过高，金属与电解质作用加强，金 属溶解度增加，电解质循环及扩散加强，金属氧化损 失增加，导致电流效率降低．同时加剧了熔体对槽衬 和电极的侵蚀。因而必须控制电解过程在一个比较 适宜的温度下进行，保证电解槽内热平衡，是电解槽 设计和操作中必须要考虑的问题。 电解槽内温度分布由槽体内部结构、工艺条件 以及熔盐自身性质所决定。在铝电解行业，国内外 基金项目国家自然科学基仓资助项目 5 1 1 6 4 0 2 5 ，5 1 0 6 4 0 2 0 I 内蒙古自治区高等学校科学研究项目 N J 0 9 0 8 3 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 - 。男，湖南祁阳县人。硕士。讲师． 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 2 年1 期 研究人员通过对槽体温度场及热场模拟分析[ 1 。4 ] ，为 铝电解槽的优化设计和运行提供准确的工艺参数条 件，其方法和理论进一步趋向成熟。而对于稀土金 属电解槽，目前主要集中在电解过程的电场和流场 研究[ 5 ‘1 引，对电解槽的热场的研究仅限于热平衡的 分析‘1 3 ] ，而温度场研究甚少。张小联等[ 1 4 3 利用有限 元方法对稀土电解槽的温度场的分布做了有益的探 索，为大型稀土电解槽的开发提供了合理的温度结 构参考，但是他们假定了电解质的热场分布只是导 热的关系，这与实际电解槽电解过程有一定差别。 本文以包头稀土院3k A 钕电解槽为实际原 型[ 1 引，在前人电场及流场的研究基础上，考虑电热 场及电解质流动对温度场分布的影响，利用差分法 建立柱坐标下的能量传输方程的上风差分离散格 式，采用F O R T R A N 9 7 编程，对3k A 钕电解槽的 温度场进行了数值模拟，得到了与实测结果比较吻 合温度场分布结果，为大型稀土电解槽的开发提供 理论支持。 1 数学模型的建立 稀土电解槽相关材料的物性参数主要参考文献 的试验所得。电解槽为圆柱形完全轴对称结构，因 此，可以将此问题简化为二维问题进行分析。 1 ．1 边界条件 1 电解质表面经实测约为10 3 0 ℃，按第一类 边界条件。 2 下部金属熔体下部的稀土金属基本处于静 止状态，其温度相对较稳定，此处取其温度恒为 10 3 5 ℃ N d 的熔点为10 2 4 ℃ 。 3 与坩埚壁接触的表面由电解质传到坩埚壁 上的热量应等于槽壁面直接向外所散失的热量，故 按第二类边界条件处理。 1 ．1 ．1 外壁面热损失的计算 热量由外槽壁以对流和辐射2 种形式散失，热 损失应为对流传热和辐射传热之和 Q Q 对t Q 辐射 动 T 2 _ T 1 F c o e 『 盎 一 蛊 ] F 1 式中口一壁面与空气的对流换热系数；T 2 一槽壁面 温度，4 3 3K ；T 。一空气温度，3 0 3K ；C ；D 一黑体辐射 系数，5 ．6 7W ／ m 2 K 4 ；F 一槽壁面积，1 ．4 6 8m 2 ； r 壁面黑度系数，0 ．7 5 。 1 ．1 ．2 对淹换热系数的确定 对于槽壁面的对流换热，可视为垂直圆筒的散 热，其定性温度为壁面温度和空气温度，定性尺寸为 电解槽高度 o ．5 5m 。 由文献‘1 5 3 查得空气的热物性参数为 入一2 ．7 1 0 一2 W ／ m ℃ ；u 一1 6 1 0 - 6 m 2 ／s ； A O ．7 0 1 G r ．A 一包学．p ， 一高嚣轰褊o ．7 0 2 7 3 9 5 1 6 1 0 。6 ∥⋯⋯ 一1 ．5 7 9 1 0 9 8 1 0 6 属于湍流，查得c O ．1 5 ，n 1 ／3 。 N 。一O ．1 5 G ，- p ， 言 1 7 4 ．6 7 对流换热系数 N 。A 1 7 4 6 7 2 ．7 1 0 一2 口一了一一O ．O 一5 ．2 4W ／ m 2 ℃ ， 代入式 1 ，则单位时间槽壁向外的散热损失 为Q 一26 6 8 ．2W 。 即电解质向坩埚侧壁传热功率为26 6 8 ．2W 。 则坩埚壁上的热通量为 g Q ／F 坩埚内璧一50 7 2 ．7W ／m 2 1 ．2 源项的处理 本文源项只考虑熔体电流产生的焦耳热，其热 量可表示为 Q J 2 居W ／m 3 式中J 一熔体某点处的电流密度，A ／m 2 ；广熔体电 导率，在本文研究体系N d F 。L i F 一8 7 1 3 情况 下，口 一5 ．3 1 9 1 0 ．6 1 1 0 _ 3t 3 ％ 根据0 h m 法则‘16 | J 口E ，上式还可以写 成Q d PW ／m 3 ，其中E 一电场强度，V ／m 。 1 ．3 能量方程离散 对于有恒定热物性的通道内不可压缩流动，用 柱坐标表示的能量传递方程可以写成[ 1 7 。 麦c 口T ， 亭导c ，- 牡T ，一手杀 r 等 口磐 舂／P c 户 2 因为它可以直接根据能量守恒方程导出，故有 时也称为守恒型方程，借助连续性方程 挈 土昙 九‘ 一o 3 也可以将上式写成另一种形式 v 要 M 雾一手未 r 雾 口警 毒／P c ，V 瓦十M 万一7 万 r 石 十口万十q ／P ‘c ’ 4 其中d 为微原体内由电场产生的热量，相关材 万方数据 2 0 1 2 年1 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 9 一个均匀的△2 和△r 湖稻甲’z z △z 和r 2 - 『△r ，于是在节点 i ，．『 处可以用中心差分导出 磊。T _ 赤。f l 』T m 厂让ⅥT H ≯ 5 吾募 ，．“T 一及未再‘“巾‰川L 计- 一 r i ．卜1 诎．』一1t ．』一1 6 手导 r 雾 一口 等 吾雾 一击[ 一去 T 州- 1 ， 丢 丁一2 L ] 7 口等一万‰ t ，．j t 1 ．j 一2 L ≯ 8 口万一西了‘』川j 十1 H j z ‰ 8 将以上式子代人式 2 ，整理后得到 何2 2 瓦一 1 一警 ‰。 仁芋 n 。 [ 尸 去 峄卜 [ 尸 ，一去 ￡学] T q 一， a ／P 。。 9 式中厂一△z ／△r ，对于本论文，， 1 ，上式可以简化 为 4 L 一 一警 ‰ ， 警 ‰J [ H 专 半卜 [ 一去 警卜_ l 毒／P ．“㈣ 但流动速度％ 1 ．J 和勘 l 大到使T i 1 ．』和T l 的系数都为负数时，上式就会产生数值的不稳定性。 一种保证稳定性的方法是采用上风差分格式，用下 式代替式 5 ； 熹 口T _ f 圭 帅，z ．丑厂亿 “∥”当口 o 时 1 圭 口⋯亿正忆，一q 叫纠T 州 ．．．当口 O 时总是负的，这 样就保证了数值的稳定性。 2 模拟结果及分析 2 ．1 发热场分布 在计算温度场之前，先根据O h m 法则，将文 献[ 1 幻电场计算所得到的电场分布数据，绘制不同结 构槽体的发热场分布图。典型的上部阴极结构的发 热场分布如图1 所示，从图1 可看出，电极之间发热 强度特别大，主要是由于流过极间的电流密度大，故 产生的焦耳热多。发热强度沿半径方向逐渐递减。 总的来说，极间区是电解槽最主要的发热区，这些热 量除了供给电解槽维持正常的电解温度外，可能还 会有一些剩余，这些剩余的热量会使极间电解质温 度升高，所以应及时将这部分热量传递到其它区域 或散失到外界，以维持电解槽的热平衡。 2 ．2 电解槽温度场分布 现有3k A 电解槽的温度场分布如图2 所示。 由图2 可看出，3k A 电解槽的温度分布的主要 特点有t 1 电极之间的反应区域，由于电解质流动剧烈， 温度分布比较均匀，基本形成一等温区。尽管电极 之间的发热强度最大，但并不是电解槽的最高温区， 这是由于电解质向外辐射散热的强度非常大以及电 解质的流动所至。这与我们的一般认识一致。 2 槽壁与阳极后部的夹缝间的温度比反应区的 温度低大约1 0 ℃，这是由于该区域自身发热很小， 同时熔体循环也很弱。这与实际情况相符。 3 接收器中部温度较高，在上部温度为10 3 0 ℃时，接收器内部的温度达到11 0 0 ℃。这是由于 槽体砌筑于地坑内，在整个槽体的温度达到平衡后， 万方数据 3 0 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 2 年1 期 图l 3k A 电解槽发热场分布 F i g ．1 T h e r m o e l e c t r i cd i s t r i b u t i o no b t a i n e d b ym o d e If o r3k Ac e l I 1 1 4 5 1 ．4 t l } ．3 5 【l3 { 1 { n 2 5 ．2 1 1 I l l S 0 1 ．0 5 【，m 图23I 溶电解槽的温度场分布 №2l s 0 I 蛔璐删b y 咖捌斯3k A o e I I 槽体底部的热量传输量很小，同时有金属液滴以较 大的流速汇集于接收器中，因此导致该区域的温度 较高。 4 接收器侧壁及底部台阶附近为一个低温区。 在液面为10 3 0 ℃时，该区域的温度甚至不到 1o o o ℃。这是由于区域为流动循环死角，且在砌筑 过程中钨坩埚与石墨槽体之间使用绝缘材料所致。 这样我们更容易理解，在槽体运行过程中，台阶容易 上涨和接收器逐渐变小的原因。 5 由于强的旋涡流经台阶低温区，使阳极下部 的一小部分区域温度比反应区略低。 3结论 1 根据现有3k A 电解槽的实际工艺技术参 数，用温度场计算程序对电解槽的温度分布进行了 模拟，所得结果与实际情况吻合较好。 2 电极之间的发热强度最大，但并不是电解槽 的最高温区，这与热平衡测试结果一致。 3 接收器内部的温度达到11 0 0 ℃，为电解槽 最高温度区，说明该电解槽体系电解金属液滴温度 过高，还有节能空间。 参考文献 [ 1 ] 肖忠良，刘丹，湛雪辉．不同电解工艺条件对铝电解槽 温度场分布影响的计算机模拟口] ．矿冶工程，2 0 0 9 2 6 6 6 9 ． [ 2 ] 郝大卫，李冰，李平，等．镁电解槽热场二维有限体积解 析方法计算模拟[ J ] ．轻金属，2 0 0 8 3 4 3 4 6 ． [ 3 ] 李贺松，梅炽．铝电解槽热电场的有限元分析[ J ] ．中国 ‘有色金属学报，2 0 0 4 5 8 5 4 8 5 9 ． [ 4 ] S h e r b i n i nSA ，P i n g i nVV ，B a r a n t s e vAG ．3 DT h e r e t o r E l e c t r i cF i e l dM o d e l i n gT o o la n dI t sA p p l i c a t i o nf o r E n e r g y R e g i m eS i m u l a t i o n si nA l u m i n u mR e d u c t i o n C e l l s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，2 0 0 0 3 2 3 3 2 9 ． [ 5 ] 刘中兴，刘宇新，伍永福，等．稀土电解槽电极的优化模 拟[ J ] ．有色冶金 冶炼部分 ，2 0 1 0 6 3 0 一3 2 ． [ 6 ] 伍永福。刘中兴，李姝婷．稀土熔盐电解槽电场的数值 模拟[ J ] ．有色冶金 冶炼部分 ，2 0 1 0 3 2 7 3 0 ． [ 7 ] 刘宇新，刘中兴，杨立军．稀土电解槽气液两相流动数 值模拟口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 0 2 7 3 0 ． [ 8 ] 伍永福，李署阳，郎景丽，等．熔盐制钠电解槽电场的数 值模拟口] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 1 2 6 2 9 ． [ 9 ] 刘中兴，伍永福，张宏光．稀土熔盐电解槽电场的仿真 模拟[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 8 1 3 4 3 7 ． [ 1 0 ] 刘中兴，石红梅。贺友多。等．可调极距式稀土电解槽 电场的计算机模拟[ J ] ．包头钢铁学院学报，2 0 0 3 1 2 9 3 5 ． [ 1 1 ] 刘中兴，齐素慈．3k A 钕电解槽流场的数值模拟[ 刀． 稀有金属材料与工程，2 0 0 7 2 1 9 4 1 9 6 ． [ 1 2 ] 伍永福，刘中兴，李妹婷，等．稀土熔盐电解槽内多相 流动数值模拟[ J ] ．过程工程学报．2 0 0 9 S 1 1 4 0 1 4 4 ． [ 1 3 ] 刘中兴，米兰，王春慧，等．1 0k A 氧化钕电解槽热平衡 计算[ J ] ．内蒙古科技大学学报，2 0 0 8 1 8 7 8 9 ． [ 1 4 ] 张小联，胡珊玲，邓左民，等．应用有限元研究稀土电 解槽温度场[ J ] ．计算机与应用化学，2 0 0 6 6 5 3 5 5 3 7 ． [ 1 5 ] 张先棹．冶金传输原理[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 9 1 [ 1 6 ] 全泽松．电磁场理论[ M ] ．成都成都电讯工程学院出 版社，1 9 8 7 ． [ 1 7 ] [ 美] 施天谟．计算传热学[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 8 7 3 6 7 3 7 0 ． 万方数据 2 0 1 2 年1 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 3 1 [ 1 8 ] 甘肃师范大学化学系．简明化学手册[ M ] ．兰州甘肃人民出版社，1 9 8 0 ；2 9 3 2 ． 万方数据