6+kA方型稀土电解槽电场的研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年6 期3 1 6k A 方型稀土电解槽电场的研究 刘中兴，张海玲，伍永福，高意如 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 摘要研究了阴极阳极变化对于6k A 方型稀土电解槽电场的影响，并在此基础上分析阴极半径的范围， 为电解槽设计改造提供了参考依据。 关键词稀土电解槽；电场；阴极半径 中图分类号T G l 4 6 ．4文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 9 0 6 - - 0 0 3 1 - - 0 4 R e s e a r c ho n6k AS q u a r eE l e c t r i cF i e l di nR a r eE a r t hE l e c t r o l y t i cC e l l I 。l UZ h o n g x i n g ，Z H A N GH a i l i n g ，W UY o n g f u ，G A oY i r u E 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 gI n s t i t u t e ，U S TI n n e rM o n n o l i a ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so ft h ec h a n g ei nt h ec a t h o d ea n dt h ea n o d ei m p a c t so nt h e6k As q u a r ee l e c t r i cf i e l di n r a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l lares t u d i e d ，i nt h eb a s i s ，t h es c o p eo ft h ec a t h o d e ’8r a d i u si sa n a l y z e di no r d e rt o p r o v i d eaf r a m eo fr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n gc e l lt r a n s f o r m a t i o n ． K e y w o r d s R a r ee a r t he l e c t r o l y t i cc e l l ；E l e c t r i cf i e l d ；T h ec a t h o d e ’Sr a d i u s 早在2 0 世纪6 0 年代中，美国的M o r r i c e 和 H e n r i e 就用氟化物体系稀土熔盐电解法在实验室 制备了纯度达9 9 ．9 ％的金属钕和金属镨。我国氟 化物体系氧化物电解制备稀土金属及合金研究始于 2 0 世纪7 0 年代。1 9 8 4 年，包头稀土研究院成功地 将敞开式氟化体系稀土电解应用于电解制备金属钕 和钕铁合金的工业实验[ 1 ] 。通过3 0 多年的努力，目 前我国稀土金属熔盐电解工艺技术和设备研制已达 世界领先水平，产量达到世界的8 0 ％以上。 检索国内外相关文献，对于3k A 稀土电解槽 物理场的研究报道较多，而对于6k A 稀土电解槽 电场、流场的研究尚未见诸报道，6k A 稀土电解槽 在规模方面比3k A 大，存在很多的优点。电解槽 的主要热源是熔体电流产生的焦耳热，其电流分希 影响着槽内的温度分布，同时电场力直接影响熔体 的流动比] ，因此了解6k A 电解槽中的电场分布非 常重要。刘忠杰等利用数值模拟程序研究了在槽电 压不变的情况下熔体电场分布的情况[ 3 ] ，本文参考 前人的一些研究方法，根据实际情况，用A N S Y S 软 件对6k A 方型氟盐体系钕电解槽内的电场进行模 拟计算，并分析了阳极变化和阴极变化对于电解槽 电压的影响，以期应用于电解槽结构和工艺的优化 设计。 1稀土氧化物电解槽的结构 稀土氧化物电解槽的基本结构如图1 所示。槽 体为石墨坩埚，在坩埚顶部为2 个侧壁开槽可调距 离的阳极，该阳极为方型，通过2 根阳极中心放置2 根钼棒作阴极，外围槽体为方型槽型结构。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 6 6 4 0 0 7 ；内蒙古自治区高等学校科学研究项目 N J 0 9 0 8 3 作者简介刘中兴 1 9 6 1 一 ，男，河北赵县人，教授，博士． 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年6 期 图16 k A 电解槽截面图 F i g ．1 T h es e c t i o nm a po f6k Ae l e c t r o l y s i sc e l l 2电场数学模型及其求解 2 ．1 数学模型[ 4 - - 3 电场数学模型是在麦克斯韦电磁场方程组的基 础上得到的。定义电位函数中，得到达朗贝尔电位 方程 ‘ V 2 尹一胆挚一一詈 对于稀土熔盐电解，电解是在恒定电流的情况 下进行的，因此电解质处于静电场的环境当中，即 a 妒／a t o ，达朗贝尔方程可以简化为泊松方程 V 2 9 一一p ／￡ 电解过程中，电解质中离子在电场的作用下，电 解质中的阴、阳离子向相应的电极移动。为了表明 迁移与浓度变化之间的关系，设想进行电解的电解 池可以分为阳极区、中间区和阴极区三部分，电解以 后所有三个区中仍然是电中性的，因此电解质中没 有多余的电荷，即p 一0 ，这时泊松方程可以简化为 拉普拉斯方程 V 2 9 0 2 ．2 电场计算的边界条件与假设条件 2 ．2 ．1 几点假设 1 阴极、阳极以及坩埚均为等势体； 2 电解槽 无漏电现象，电流全部通过阳极和阴极。 2 ．2 ．2 计算的边界条件 1 阴极电位为基础电位，定义为0V ； 2 阳极 电流为22 0 0A ； 3 坩埚周围可视为绝缘体，其表 面电流密度为0 ； 4 电解质主体，可以认为电荷密 度p 0 ，故泊松方程可简化为拉普拉斯方程 V 2 妒 0 5 对称轴和熔体表面，电流法向分量为0 ，即 挈一0 。 d 船 3 电场计算结果及讨论 本文采用以上模型及方法，对6k A 方型稀土 电解槽的电场进行了计算机模拟，得到了不同纵截 面的电位分布，比较阳极消耗和不同阴极半径对电 场分布的影响。 3 ．1 阳极消耗的影响 图2 是6k A 方型电解槽不同极间距的电位云 图纵截面图。 从图2 可以看出 1 阴极附近区域，等电势线 密即电位梯度较大，这主要是由于，一方面，阴极表 面积小，表面电荷密度大，另一方面，阴极附近，电流 流过的面积较小，电流密度较大引起的。阳极区电 位与阳极电位基本相等，该区表现为阳极等势区无 电流向槽壁流动，这主要因为本文槽壁假设无漏电 为绝缘体。电解槽下部金属接收器附近的区域流过 的电流很小，受到的体积力也小，不会引起电解质或 稀土金属的剧烈循环，对于稀土金属的沉降是有利 的； 2 随着电极极距的增加，阳极消耗，厚度也减 少，这跟生产中电解后期阳极氧化变薄一致； 3 从 阳极前期到后期，极间距从6c m 增加到8c m ，槽电 压升高。其原因是随着阳极消耗，极间距增加，阳极 电流密度升高，引起槽电压升高。这样造成在工作 电流不变的情况下，单位时间熔盐的发热量增加，迫 使在阳极后期，不得不降低工作电流以维持正常的 电解温度。这种现象严重时会导致生产后期为了保 证电解的进行不得不减少电流减少生产； 4 随着电 极极距的增加，阴极区向坩埚底部区域延伸扩展，则 电解槽底部电压差值逐渐增大，产生的热量会使析 出的金属在电解质中溶解，降低电解的电流效率。 3 ．2 阴极半径变化对电场的影响 图3 是6k A 方型电解槽阴极半径的电位云图 纵截面图。 图4 为阴极半径与等势线距坩埚底部距离的关 系曲线 在插入深度和阴阳极间距不变的前提下，从图 3 ～4 可以看到 1 随着阴极半径的增加，槽电压降低。这主要 因为阴极半径增大，电极与熔盐反应的表面积增加， 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年6 期 3 3 图2 不同极间距的电位云图 F i g ．2l s o p o t e n t i a li nc e l lw i t hd i f f e r e n ta n o d ed i s t a n c e 图3 不同阴极半径的电位云图 F i g ．3I s o p o t e n t i a li n c e l lw i t hd i f f e r e n tc a t h o d er a d i u s 234 阴极半径，Ⅲ 图4阴极半径与等势线距坩埚 底部距离的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a t h o d e ’S r a d i u sa n dt h ed i s t a n c eo ft h ep o w e r l i n e sa n dt h ec r u c i b l e ’Sb o t t o m 使电极附近的电位梯度减小，所以在阴阳极插入深 度和极间距不变的情况下，槽电压降低； 2 随着阴极半径的增大，阴极区的等电势线向 底部扩散而且等电势线在下部区域变得疏缓。这引 起的阴极区电位梯度降低，槽电压降低； 3 阴极半径的逐渐增大，引起阴极区向坩埚底 部区域延伸扩展，阴极区向坩埚区域延伸扩展过大 就容易在坩埚上形成金属，金属与阳极泥及坩埚接 触将降低金属的纯度对电解生产是十分不利的； 4 增大阴极半径有利于降低槽电压，但是增大 阴极半径是有限度的。影响稀土氧化物电解过程的 主要操作因素之一是电流密度[ 6 ] ，阴极半径的变化 对于阴极电流密度有影响。提高阴极电流密度有利 于金属的析出，提高电流效率1 - 7 1 。但是过高的电流 密度会导致电解槽过热，电解质蒸发加剧。降低阴 极电流密度有利于降低槽电压，能耗降低。但是过 低的阴极电流密度会引起电解不能正常地进行。所 以有必要确定阴极半径的范围。由于阴极区向底部 坩埚等势区延伸的范围不宜过大，根据图3 ～4 分 析，在阴极半径为2 ．7c m 时该延伸区域已经比较 大，等势线距坩埚底部距离为6 ．8c m ，所以阴极半 径应小于2 ．7c m 。 4 ’结论 1 随着电极极间距的增加，阳极消耗，这跟生 产中电解后期阳极氧化变薄一致。从阳极前期到后 期，随着极间距逐渐增加，槽电压逐渐升高； 2 随着电极极距的增加，阴极区向坩埚底部区 域延伸扩展，则电解槽底部电压差值逐渐增大，产生 的热量会使析出的金属在电解质中溶解，降低电解 的电流效率； 3 现有的6k A 方型稀土电解槽，随着阴极半 径的逐渐增加，槽电压逐渐降低； 4 阴极半径的逐渐增加引起了阴极区等电势 9 8 7 6 5 4 3 2 l E3，舞}鹫窖箍世窭鲁捌森瓣 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 9 年6 期 线向底部扩散，等电势线延伸过大对电解不利； 5 根据阴极区向坩埚底部区域延伸的范围，确 定阴极半径应小于2 ．7c m 。 参考文献 [ 1 ] 赵立忠，张志宏，刘文淮．氟化体系熔盐电解制取金属钕 和钕铁合金工艺研究[ J ] ．稀土，1 9 8 0 ，6 2 8 1 ． [ 2 ] 刘中兴，伍永福，张宏光．稀士熔盐电解槽电场的仿真 模拟[ 刀．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 8 1 3 4 3 7 ． [ 3 ] 刘忠杰，刘中兴，贺友多，等．稀土氧化物电解槽电场 的计算机模拟[ J ] ．包头钢铁学院学报．2 0 0 1 2 1 3 7 1 4 0 ． [ 4 ] 邓正栋，关洪军，聂永平，等．稳定地电场三维有限差 分正演模拟F J ] ．石油物探，2 0 0 1 ，4 0 1 1 0 7 1 1 4 ． [ 5 ] 刘良科．电化学修形加工中电场模拟法初探[ J ] ．南华 大学学报 理工版 ，2 0 0 1 ，1 5 3 8 1 8 3 ． [ 6 ] 徐光宪．稀土[ M ] ．第二版，北京冶金工业出版社， 2 0 0 2 1 5 5 1 7 6 ． [ 7 ] 张长鑫，张新．稀土冶金原理与工艺[ M ] ．北京冶金 工业出版社，1 9 9 7 3 1 9 3 3 2 ． 万方数据