稀土氧化物电解槽内阴极产生金属钕的研究.pdf

2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年6 期 稀土氧化物电解槽内阴极产生金属钕的研究 刘中兴1 ，张宏光1 ，伍永福1 ，周国治2 1 ．内蒙古科技大学材料与冶金学院，包头0 1 4 0 1 0 } 2 ．北京科技大学冶叠与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要钕氧化枷电解槽内金属故在电解质中的下沉情况属于典型的两相流动．因此，采用多相沭范畴的 混合物模型，着重研究随着槽底部钕液面上升丽发生的金属钕的扩散情况。模拟过程中没加A 电磁场， 在电解槽的优化设计过程中，母线和电极产生的磁场可以在一定程度上抑制钕的扩散。研究槽内单纯 的流体流动．对母线和电极的排列方式可以提供一定的理论依据．以3k A 钕电解槽为模型，模拟计算 了电解槽正常工作情况下．阴极表面产生的金属钕在电解槽内的分布情况，井对得到结果进行了分析． 关键词电解槽；阴极；钕；数值模拟 中图分类号T F 8 4 5立献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 } 0 6 0 0 2 8 - - 0 3 S t u d yo nC a t h o d eM e t a lN e o d y m i u mi nR a r eE a r t hO x i d eE l e c t r o l y s i sC e l l L l UZ k o n 肾x l n 9 1 ，Z H A N GH o n g _ g u a n 9 1 ，W UY o n g ．f u l ，Z H O UG u o z h 一 LS c h o o lo fM a t e r i a la n dm e t a l i u f g y ．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 ∞0 1 4 0 1 0 ，C h i n a } 2M a t e l l u r g l c n i 眦dE c n i o g i q lE n g i n e e r i n gs c h ∞f ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e e h a n i o g yB e i i i n g ，B e ／r i n g1 0 0 0 8 3 C h i n a A b s t r a c t M e t a ln e o d y m i u mi nn e o d y m i u mo x i d ee l e e t r o b a t hs i n k si nt h ee l e c t r o l y t eb e l o n g st ot y p i c a lt w o m e d i u m sf l o w i n g ．T h e r e f o r e ．i ti sf e a s i b l et or e s e a r c ht h ed i f f u s i o no fm e t a lw i t ht h er i s i n go ft h en e o d y m i u ml i q u i ds u r f a c ea tt h ee l e c t r o b a t hb o t t o mw i t ht h ep l e n t y - m e d i u m sm i x t u r em o d e l ．T h ei m p a c to fe l e c t r i cm a g n e t i cf i e l dt ot h ef l u i di sn o tc o n s i d e r e di nt h es i m u l a t i o nc o u r s e ．I nt h ecourseo fd e s i g n i n gt h e e l e c t r o b a t h ，t h em a g n e t i cf i e l da r i s e db yg e n e r a t r l xa n de l e c t r o d ec a nr e s t r a i nt h ed i f f u s i o no ft h en e o d y m i u mt oac e r t a i ne x t e n t ．R e s e a r c h i n gt h es i n g l ef l u i df l o w i n gc a no f f e rc e r t a i nt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt ot h e a r r a n g e m e n to fg e n e r a t r i xa n de l e c t r o d e ．3k An e o d y m i u me l e c t r o b a t hi su s e da sm o d e lt or e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o no fm e t a ln e o d y m i u mi nt h ee l e c t r o b a t hg e n e r a t e df r o mt h es u r f a c eo fc a t h o d ew h e nt h ee l e c t r o b a t h i su n d e rt h en o r m a lc o n d i t i o n ，a n dt h er e s u l t sarea n a l y z e d ． K e y w o r d s E l e c t r o b a t hc a t h o d e ；N e o d y m i u m ；N u m e r i c a Is i m u l a t i o n 稀土钕氧化物融盐电解法是生产钕金属的重要 手段。在电解过程中，钕离子在阴极得到电子，生成 金属。因为金属钕的密度比电解质的密度大，因此 钕在阴极表面形成后，会下沉到电解槽的底部，在一 定的时间内，槽底部区域在一定的高度上- 会有单一 的金属钕存在。同时阴极与阳极包围的区域内，因 为槽内液体的流动，也会导致金属钕的进人。对电 解槽内金属钕分布的研究，对提高电流效率、更深人 基金项目国家自然科学基金资助项目 8 0 6 8 4 0 0 7 作者简介刘中兴 1 9 6 3 - - ．男，河北赵县 ．博士，教授 的研究电解槽内的两相分布的情况，有着重要的影 响，尤其对金属收集的时机把握，影响更为重要。本 论文以3k A 圆形稀土钕电解槽为例，通过建立更 加贴近实际生产的多相流数学模型，用数值计算的 方法，对金属钕在电解槽内的体积分布情况进行了 计算，并对计算结果进行分析。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年6 期 - 2 9 1 数值计算 电解槽工作的时候，金属钕产生于阴极表面，钕 产生量程太程度上决定于电流密度，阴极电流密度 基本上是均匀的．因此，理论计算中，我们假设金属 钕均匀产生于萌极外表面。 电解槽为圆柱形状的轴对称结构，本论文选取 二维非稳态的液一液两相流数学模型，因此，取纵截 面的一半作为计算分析的区域。 1 ．1 数学模型 电解槽内阴极金属钕在电解质中下沉运动。是 典型的液一液两相流动。通过查阅文献悟“] ，本文 决定采用两相流范畴的混台模型对电解槽内的液一 液两相流动进行数值计算。金属钕在阴极表面形 成，根据金属钕在单位时问内生成的体积大小o ] ．给 定其速度A 口进A 电解质。 1 ．1 ．1 控制方程 数值计算采用的方程包括连续性方程、每一相 的动量方程、允许每一相以不同速度运动的滑流速 度方程、第二相体积分布方程，以及混合物的湍流方 程等㈨] 。 1 ．1 ．2 边界条件 根据钕在单位时间内的生成量m 3 ．给定钕措阴 极表面的速度人口，上表面设置为自由边界，轴线为 对称边界，其他为壁面边界。公式中其他参数均来 源于文献F { - n ] 。 2 计算结果及分析 图1 是随着电解槽工作时间的不同，金属钕在 槽内的分布情况．考察的时间分别为电解开始后的 4 ．8h 、5 ．4h 和6 ．0h 。可看出，随着时问的变化，底 部金属钕液面的升高，金属钕在槽内的扩散区域也 越大。扩散区域的钕浓度也不断的随着液面的升高 而升高。电解槽内，阴极阳极之间的区域是电解发 生的区域，也是电解产生的气体存在的区域。尤其 靠近阳极一侧，在钕氧化物电解过程中，阳极产生的 氧气除与阳极碳发生反应外，必然有一部分脱离阳 极进入电解质，由图1 也可以清楚看出随着液面的 升高，钕的扩散在两极之间的区域也越来越大，并且 也越来越靠近阳极．在电解槽工作条件下，可能会发 生液态钕与游离氧的反应，重新生成氧化钕。这显 然会导致重复电解，电能的浪费，电流效率的下降。 图1 不同时刻钕在电解槽内的分布情j 兄 F i g ．1 T h ed i s t r i b u t i o no fn e o d y m i u mi nt h ee l e c t r o l y s i sc e l l 为进一步分析金属钕扩散，进入两极区域的程行到6h 的时候，液态钕沿线分布已经基本都在 度，做图2 。图2 是随着金属液面的升高，在两极底 1 0 ％以上。 部连线上的钕的分布，v 表示在该连线上随着横坐 标x 的不同，钕在电解质中的体积含率 总体积设为 1 。由图2 明显可以看出液面的升高，导致这条线 上钕的浓度越来越大。这条线上钕的浓度大小直接 可以反映出进入两极区域液态钕的多少，在电解进 图1 ～2 对电解过程出金属时机有着理论指导 意义．合理的金属钕收集间隔对提高电解槽的工作 效率和电流效率有着重要的影响。对金属收集时间 的选择上，应该既考虑钕在电解槽内的液面高度．又 要考虑电解槽生产的稳定性，以及金属钕在电解槽 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年6 期 图2 两极底部连线上的钕随横坐标的分布 F i g ．2 T h ed i s t r i b u t i o no fn e o d y m i u mt h a t o l lt h el i n eo ft h et o wp o l e sb o t t o m w i t ht h ea b s c i s s a 内的扩散程度。由图l ～2 自然可以看出，金属钕收 集的时间越早越好，基本可以避免电解槽内发生被 电解后的液态钕与游离氧的反应，从而导致电能的 浪费。但是．我们必须意识到．维持电解槽工作的稳 定性也是相当的重要，频繁的钕的收集，不但造成电 解槽工作的不稳定，显然也会损失掉电解槽的一部 分热能。 3 结论 收集金属钕的时候电解槽内液体的流动方式会 重新分布．合理的金属收集时机应该考虑对电解槽 流场的影响。对3k A 稀土钕氧化物电解槽来说， 5 ．4h 左右收集一次金属钕是合理的。 参考文献 [ 1 J 刘忠燕，刘中兴，贸友多．计算稀土电解槽中陌援气体发 生量的数学模型口] ．稀土，2 0 0 2 ，2 3 6 6 5 - - 6 6 ． [ 2 ] 周力行．湍流两相流与燃烧的数值模拟[ M ] ．北京清华 大学出版社，1 9 9 1 ． C 3 3 连桂森．当相流动基础[ - Ⅵ] ．杭州浙江大学出版社， 1 9 8 9 ． [ 4 3 P o z a m i kM ．S k e r g e tLB o u n d a r ye l e m e n tm e t h o dn U m e r i c a lm o d e lb a s e do Ⅱm i x t u r et h e o r yo ft W O p h a s e f l o w [ J ] A d v a n c e si nF l u i dM e c h a n i c s ．V3 7 ．C o m p u t a d o n a lM e t h o d so nM u l t i p h a s eF l o wI I 。2 0 0 4 3 1 2 ． [ 5 ] O h t aM i t s u h i r o ．S h i n d oJ u n ．A k i y o s h iM a k o t o ，e t8 1 ． C o n s i d e r a t i o no fe v a l u a t i o nm o d e lo fm i x t u r ep h y s i c a l p r o p e r t i e si nl i q u i d l i q u i df l u i ds y s t e r a s [ j ] ．H e a ta n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ．2 0 2 ；6 1 9 6 ． [ 6 ] H a s a n AR ．K a b i rc SN e w m o d e l f o r t w o p h a s eo I l ／ w a t e rf l o w , p r o d u c t i o nl o gi n t e r p r e t a t i o na n dt u b u l a re a l e u l a t i n n s E M ] ．S o c i e t yo fP e t r o l e u mE n g i n e e r so fA I M E ， P a p e r S P E vP I 1 9 8 8 ；3 6 9 3 8 2 ． [ 7 ] s o n i z z iM ．I s s aRL ．O nt h es i m u l a t i o no ft h r e e p h a s e s l u gf l o wi nn e a r l yh o r i z o n t a lp i p e su s i n gt h em u h i - f l u i d m o d e l [ J ] ．I n t e r n a t l o n a iJ o u r n a lo fM u h i p h a s eF l o w ， 2 0 0 3 ，2 9 1 1 1 7 1 9 1 7 4 7 ． [ 8 ] K o n i gCS ，S u t h e r l a n dIA ．N u m e r i c a lm o d e l i n go fl i q u i d l i q u i df l o wr e l a t e dt oc o u n t e r c u r r e n tc h r o m a t o g r a p h y C C C [ J ] ．A d v a n c e si nF l u i dM e c h a n i c s ．v3 7 ，C o m p u r a t i o n a lM e t h o d so nM u h i p h a s eF l o wI I ．2 0 0 4 6 3 7 3 ． [ 9 ] F a i r u z o vY u f iV ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft r a n s i e n tf l o w o fI W Oi m m i s c i b l el i q u i d si ap i p e l l n e C 5 ] A I C h EJ o u r n a l ， 2 0 0 0 ，4 6 7 1 3 3 2 1 3 3 9 ． [ 1 0 ] N u n e z - s o l i sR ．F a i r u z o vY u r iV ．M o d e l i n go it r a n s i e n t t w o - p h a s el i q u i d l i q u i dn o w i np i p e l i n e s E J ] A m e r i c a n S o c i e t y o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r s ．F l u i d sE n g i n e e r i n gD i v i s i o n P u b l i c a t i o n F E D ．v2 5 6 。F l u i d sE n g i n e e r i n g D 1 v i s i o n2 0 0 1 ，2 0 0 1 2 5 1 2 5 5 ． [ 1 1 ] A r a u zG r i g o r yL ，S a nA n d r e sL u i s ．A n a l y s i so ft w o - p h a s ef l o wi ne r y o g e n i cd a m p e rs e a l s P a r tI T h e o r e t i c a lm o d e l [ J ] ．A m e r i c a nS o c i e t yo fM e c h a n i c a lE n g i ㈣s P a p e r ，1 9 9 7 7 ． [ 1 2 3 刘中兴，曹锋．钕电解槽阳极气泡的数值模拟[ J ] ．有色 金属 冶炼部分 ．2 0 0 4 6 3 5 3 7 ． 万方数据