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稀土电解槽的仿真模拟及优化设计

伍永福  
【摘要】: 稀土电解槽是熔盐电解法生产稀土金属及其合金的主要设备。随着市场的发展,急需开发一种新型结构的电解槽,以适应大规模的工业生产。本文借鉴铝电解槽的开发过程,首次利用商用仿真软件对稀土电解槽进行仿真模拟优化设计,并利用它对新型稀土电解槽槽型的设计进行了有益的探索。 稀土电解槽中存在着复杂的物理场,而电场是其他物理场的根源,热场、流场是决定稀土电解槽的电解是否能进行的重要因素。怎么样设计合理的电场、热场、流场是决定电解槽设计好坏的关键因素,所以,有关电场、热场、流场的研究显得十分重要。到目前为止,由于电极与熔体接触面的边界不好确定,前人研究大多数停留在熔体本身的电场、热场、流场的研究上。为实现稀土电解槽的全息仿真模拟,本文提出了一种新的构想:即采用有限元软件ANSYS具有的多重单元、多重属性及其能耦合求解电场、热场、流场的特点,建立稀土电解槽阳极一熔体一阴极有限元模型,对阳极、熔体和阴极的电场、热场、流场进行整体计算。其优点是不仅可以避免确定电极与熔体接触面的电流边界条件,而且可以通过计算结果分析该接触面的电流密度,提高了计算结果的准确性。 本文首先根据傅立叶传热定律和基尔霍夫导电定律,建立了稀土电解槽传热、导电的数学模型。采用加权余量的伽辽金法推导了稀土电解槽电场、热场计算的有限元方程。根据广义的牛顿粘性定律,建立了熔体流场数学模型。根据包头稀土研究院3KA稀土电解槽的相关参数以及在合理的边界条件的假定下,对不同生产时期的电场进行了仿真计算,其结果与该槽实际生产情况吻合较好,验证了应用该模型对稀土电解槽阳极一熔体一阴极整体进行数值模拟的可行性和准确性。在电场研究的基础上,以电极的插入深度和电极间距为设计变量,以槽电压,熔体电流密度为设计的状态变量,以电极、熔体焦耳热生成量最少为设计目标函数,利用ANSYS的优化模块对3KA稀土氟盐体系氧化物电解槽进行优化设计,设计结果参数跟实际电解槽吻合,验证了优化设计的结果可靠性。 其次,再利用ANSYS多场耦合的特性对优化的3KA稀土氟盐体系氧化物电解槽的电场、流场和温度场进行二维耦合仿真模拟,模拟结果与实际吻合,进一步确定了模拟优化电解槽设计的正确性,验证了耦合模型的正确性。 最后,本文利用ANSYS电热耦合模块对自行设计的10KA底部阴极导流稀土电解槽的电热场进行了三维耦合仿真模拟优化设计。从仿真优化结果分析,该槽型可以用于稀土电解的工业试生产,这为新型稀土电解结构的研究开辟了新方向。


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