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氟盐体系Al-Cu-Y合金制备电解槽电场—流场模拟

冷欣伟  
【摘要】:熔盐电解法是生产稀土金属及其合金最常用的方法之一,研究与实践证明,电解槽内物理场,如流场、电场等对于实际工艺生产的稳定性、产品的质量及生产效率都至关重要。为此,本论文使仿真计算软件Comsol,模拟稀土电解槽内的电场、温度场以及流场,寻找合适的物理场耦合方法,计算物理场之间的相互影响,得出更加符合实际生产的物理场分布情况,最后对实际生产中的电解槽进行温度测量,以此来验证本文对温度场仿真计算的准确性。首先对电场分布进行研究,研究表明:当电极插入深度和阳极厚度的增加时,电解槽电压随之下降,阴极和阳极内部电流密度也随之下降,初步选定阳极厚度为70mm,阳极和阴极插入深度由360mm、440mm到440mm、520mm,此时槽电压从11.136V降低至9.345V,阳极电流密度大小为0.025A/cm~2~0.16A/cm~2,阴极电流密度大小为0.25A/cm~2~1.75A/cm~2。基于传热学的基本原理,建立了稀土熔盐电解槽温度场模型,计算结果表明:当电极插入深度和阳极厚度的增加,电解槽的整体温度随之下降;当控制阳极厚度为70mm,阳极和阴极极插入深度由360mm、440mm到440mm、520mm,电解槽内整体温度由1057℃下降至967℃;结合电场的分布情况,得出最佳电解槽电极结构为:阳极厚度70mm,阳极和阴极插入深度分别为400mm、480mm。此时电解槽的最高温度为997℃,最低温度为897℃,平均温度为935℃,且温度分布均匀合理,经电解槽热平衡计算,此时电解槽Q_(in)≈Q_(out),达到热平衡。对比计算了电解质液面是否为自由表面两种情况,计算结果表明:当不考虑电解质表面波动时,流场最后趋于稳定,阳极气体运动到电解质表面后速度达到最大4.293m/s,电解质在电极之间的区域流动最为剧烈;考虑电解质表面的波动时,电解槽内流场是一个动态的物理场,其分布状态随时间的推移而变化。使用Comsol软件的物理场耦合功能,模拟计算了流场对电场分布的影响,温度场对流场的影响,计算结果表明:电解槽内电压从10.1V变化至10.8V,槽电压升高0.7V,电解槽内等势线分布发生变化,电极上端电势略大于电极下端电势,电解槽内电势从9.85V上升至10.55V;电解质由于非等温流动的最大流速仅为0.03m/s,因此温度场对流场的影响可忽略不计。对实际生产中的稀土电解槽内部温度进行测量,与温度场的计算结果相对比发现其分布规律几乎一致,仿真计算出的温度场具有一定的真实性。


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