万安级稀土电解槽阳极结构优化

稀土电解槽阳极存在有效寿命短、残余阳极浪费量大和阳极成本占比高等不足,且随着阳极消耗,槽内各物理场分布会受到影响,导致电解槽电解效率降低.针对上述问题,以万安级电解槽为研究对象,仿真模拟阳极消耗过程中槽内电热场分布和阳极结构的变化情况;分析阳极消耗对槽内电热场分布影响,得到阳极消耗规律、槽内三维电热场变化规律.提出两种阳极加厚的倾斜角优化方式,取阳极优化角度在0°至10°范围之间变化,建立阳极结构优化后电解槽的电热耦合模型.观察槽内电热场随优化角度的变化,分析结构优化与槽内电热场分布的关系.仿真结果表明:优化阳极结构的阳极有效使用时间大幅提升,较未优化前最高可以延长43%,降低了阳极更换频率,缓解了因频繁更换阳极导致槽内温度降低影响电解效率的问题;同时残余阳极浪费也有所减少,较未优化前浪费比例最高减少14个百分点.

稀土电解槽电化学三维时变流场数值模拟

目前对电解槽流场分析建立在气体或金属溶体定量单一流动的假设上,为更真实地表现电解槽在电解过程的流场变化,利用ANSYS Fluent软件对稀土电解槽进行电化学三维时变流场数值模拟研究。以加料镨钕氧化物时刻为初始时间的12 min槽内电化学瞬态三维模拟分析。仿真结果与生产实际相符。得出流场主要流动方式为阳极内侧区域生成气体向上流动,流速常居于最大值;阴极区域生成金属溶体向下流动,流速次之;阳极与阴极之间区域以此形成纵向涡流,流速小于前两者;阳极外侧区域为流动死区,流速最小,坩埚收集区域整体趋于稳定,流速远小于阳极内侧及阴极区域;电解至10 min镨钕氧化物被消耗殆尽,流场速度逐渐减小。

8 kA稀土电解槽电磁搅拌数值模拟

稀土电解槽内流场速度不稳定,阳极外侧流动过于缓慢,不利于电解反应的充分进行和电解效率的提高。现有研究表明可通过外加磁场对电解质进行搅拌以控制稀土电解槽内的流动情况。对8 kA稀土电解槽进行电磁搅拌模拟,设计在电解质外侧和底部安装不同安匝数铜线圈,然后利用Ansoft Maxwell以及Ansys Fluent软件对电解质部分生成的磁场以及电磁搅拌下的流场进行有限元模拟分析,得到以下主要结论:侧面下方增设线圈在一定安匝数下无法产生电磁搅拌力;侧面上方增设线圈为正弦波,所需线圈安匝数小于底部,而且流场稳定性也更好;底部增设线圈所需安匝数远大于侧面上方,且相比侧面上方位置电磁搅拌的槽内流动情况更为复杂混乱。

辅热式15 kA稀土电解槽电场和热场的仿真分析

市面上中、小型稀土电解槽存在效率低、底部金属易凝结、产量小等不足。以15 kA稀土电解槽为研究对象,先探究外部铺设辅热装置能否改善电流密度分布和提升温度,再探究辅热位置和辅热温度对电解槽的电场和热场的影响,建立辅热前后电解槽的电热场三维仿真模型,观察电热场分布情况。结果表明,电解槽外部铺设辅热装置能有效改善电流密度分布,阴极底部最大电流密度有效提升,同时槽内温度有所提升,高温面积增大,有利于电解反应高效持续进行。在电解槽下部铺设辅热设备,并设置辅热温度为1310 K时,阴阳极间电流密度最大,且分布均匀;有利于提升电解效率;同时底部坩埚保持较高温度,可减少稀土金属在坩埚内凝结沉积。