8 kA稀土电解槽单侧电导及阴极优化数值模拟

稀土电解槽导电板的分布位置对稀土电解槽的物理场会有影响,为探究稀土电解槽中导电板分布的最优位置,在本次仿真实验中为该导电板的分布引入一个等差数列的分布梯度,通过对不同分布梯度下的槽内物理场仿真数值进行比较,进而得到稀土电解槽导电板最优分布模型。在仿真过程中观察到阴极底部的尖角对实验结果影响较大,在其他条件保持不变的基础上将阴极底部由圆柱优化为半球形,通过与未优化的结构进行对比,验证新型电解槽结构的合理性。仿真结果显示:随着导电板由侧边位置向中间偏移,电解反应时槽内的温度与阳极电势基本保持不变,槽盖板与阳极间的电势差逐渐减小,槽内电流密度缓慢增大。当将阴极钼棒底部由柱状结构改为球状结构后,槽内电势分布更为均匀,电流密度相较于之前的结构也有所增加,优化后的结构能改善局部过热问题,同时也使得电解效率增大。

稀土电解过程阳极壁面气泡聚并研究

稀土电解过程中阳极侧壁产生的气泡会改变阴阳极极间电场分布,引起极间电阻增大、电压升高、电解效率降低,从而影响电解槽的稳定运行。所以,系统分析阳极侧壁气泡的成核、长大、聚并及脱离等生长行为和规律对稀土金属的提取具有十分重要的意义。本文根据相似原理,进行水电解低温实验,按照与稀土电解槽1∶2的几何比例设计,通过铂丝嵌入环氧树脂的方法制备微电极。实验结果表明,垂直微电极侧壁面气泡成核、生长和脱离过程符合经典的气泡生长规律公式D(t)=βt^(1/3);为观察气泡之间的聚并、脱离行为,在微电极表面设计三个间距为500μm的成核点位,通过高速摄像机拍摄发现,微电极表面下方和中间的两个气泡率先发生聚并变为一个气泡,聚并时间为0.05 s,随后吸引上方的气泡与之发生聚并,最终三个气泡合并为一个大气泡脱离微电极,气泡的脱离时间为5.06 s,脱离直径约为1352.03μm。结合数值模拟的方法,进一步解释气泡之间的聚并过程,结果表明,电极表面的缺陷大小会影响气泡的脱离时间,气泡下侧与电极表面的三相接触位置会产生一个向上的涡旋,加速气泡的脱离,正确利用气泡的聚并行为可以减小稀土电解槽的槽电压,从而提高电解效率。

稀土电解槽数值模拟研究现状及发展趋势

稀土电解槽是熔盐电解法制备稀土金属的核心设备,优化槽型结构对制备稀土的电解工艺向着高效化、大型化方向发展具有重要意义。为了全面深入了解现有稀土电解槽流场、电场、温度场等研究现状,从上插式稀土电解槽流场、上插式稀土电解槽电热耦合场、大型稀土电解槽和底部阴极式稀土电解槽的仿真现状四个方面进行概述。总结基于数值模拟方法对稀土电解槽开发设计及结构优化,提出仍需改进或补充的仿真工作,并展望稀土电解槽未来的发展方向。

稀土电解机器人热结构耦合分析

稀土电解机器人是一种在高温、粉尘、强腐蚀的工作环境下,可以实现电解槽的坩埚提取和倾倒铸模工序的自动化设备。由于该机器人需要长时间在高温环境中工作,自身温度会在高温环境的影响下发生变化,而由温度变化引起的热变形会导致机器人连杆尺寸的变化,这种变化会影响机器人的运动精度,甚至有可能导致运动副膨胀卡死,使机器人不能正常工作。因此,对稀土电解机器人进行了热分析,首先根据传热学知识对稀土电解车间中的热源进行分析;然后基于ANSYS Workbench软件和APDL语言,对等待位状态下的稀土电解机器人进行稳态热分析,研究机器人各部位的温度分布,确保机器人各部件自身温度没有超过设计时的工作温度。

不同保温层厚度下稀土电解槽电热场分析

目前,稀土熔盐电解法是制取稀土金属的主要工业生产方法之一,其中电解槽保温层是影响电解温度的重要条件之一。以赣州某企业8 kA稀土电解槽为研究对象,利用COMSOL软件进行模拟仿真,研究电解槽保温层厚度不同的情况下电解槽的温度场和电场参数,得到不同保温层厚度下电解槽温度场与电场的分布情况。结果表明:电解槽在电解过程中保温层壁面的温度差要远大于石墨坩埚壁面温度差,表明保温层在电解槽电解过程中起着主要的保温作用;随着保温层厚度的增大,电解区域的温度逐渐增加,温度梯度逐渐减小,温度场分布更均匀;电解槽的阴极表面电流密度先增大后减小,在保温层厚度为78 mm时,阴极表面电流密度达到最大值,即3.568×10^(4)A/m^(2),阴极表面电流密度越大则电解槽电解效率越高。结合电场和温度场分布结果得出,当电解槽保温层的厚度为78 mm时,电解槽的电解效率最高。

阴、阳极结构优化对稀土电解槽电热场的影响

针对稀土电解槽中阳极消耗后变形及阴极棒底部电流密度过大导致电热场分布不合理的现象,本文以某企业8 kA稀土电解槽为研究对象,运用COMSOL多物理场耦合软件对阳极倾角和阴极结构同时优化后的模型进行了三维电热场的模拟,并对电解槽的电热场分布进行分析研究。结果表明:在阴极棒底部优化成半球形结构后,阴极底部电流密度降低,且电解槽的下半部分电场分布更为均匀,改善了电解槽的局部过热的情况;阳极倾角适当增大,可以使槽内电压降低,高温区域向槽底转移;在阴极底部半球形结构条件下,当阳极倾角为8°、插入深度为320 mm时,电热场分布最为合理。

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.

稀土电解电源LLC谐振变换器的研究

由于传统稀土电解电源DC/DC变换器存在不易实现软开关、体积大、效率低等缺点,因此提出了一种原边全桥副边采用同步整流的LLC谐振变换器用于稀土电解电源,并详细分析了该变换器的工作原理和特性,同时在运用基波近似法(FHA)对变换器增益分析的基础上对谐振网络参数进行计算。仿真实验证明了该理论分析的正确性,该电路拓扑结构能在宽范围输入内实现软开关,有效提高了电源的效率。

稀土电解槽流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(RSM)对上插式阴极结构稀土熔盐电解槽内部流场进行模拟研究,得到电解槽内部含气率和流场分布规律。计算结果表明:电解产生的气体主要集中在阳极内表面附近,且在电解槽上端靠近阳极处,含气率达到最大值;阳极内表面附近的最大上升流速为0.9 m/s;电解槽底部大部分区域电解质的流动速度均小于0.01 m/s,基本上属于流动死区;在底吹气体搅拌模型下,电解槽底部出现逆时针涡流,该区域电解质的流动速度较未通气体时的相比增加10倍以上,这能够在一定程度上改善电解槽底部的流动性,减轻底部"结瘤"现象。

60kA底部阴极稀土电解槽极距的模拟优化

以60kA底部阴极稀土电解槽为模型,利用CFD软件模拟极距分别为80、90、100、110和120mm时,阳极表面气体的运动速度和阴阳极之间气体的分布,并对模拟结果进行分析。结果表明,最佳极距为110mm。

不同阴阳极圆心距下稀土电解槽的电解特性分析

为了研究稀土熔盐电解槽的电解效率与温度场分布的关系,以15kA大电流稀土电解槽为研究对象,利用COMSOL多物理场耦合软件,计算了不同的阴阳极圆心距的稀土电解槽的温度场分布和电场等参数.得出了电解槽温度场分布随阴阳极圆心距位置变化关系图,并分析了电解槽内温度场分布对整个电解反应过程的影响,为电解槽的结构优化和安装提供了参考依据.

稀土电解槽气液两相流动数值模拟

利用CFD软件,建立了稀土电解槽的阳极气泡及熔体整体流场数学模型。对稀土电解槽的阳极表面化学反应自动生成气体的流场进行了数值模拟,得出了电解槽的熔体整体流场分布图及在不同位置气体浓度分布曲线图,使之更贴近于电解槽的实际工况,为熔盐稀土电解槽的槽型优化提供依据。

稀土电解槽石墨阳极的研究

从实际生产所用的3kA稀土电解槽石墨阳极进行采样,采用多孔介质模型模拟不同插入深度和阳极内径对电解过程的影响,并综合分析石墨阳极在槽体内部对电解过程的影响。

稀土电解槽电解效率优化数值模拟

建立了考虑阳极表面气体存在的稀土电解槽流场—电场双向耦合模型,根据阳极气体作用下的电场分布情况来调节阳极下半部倾角,从而使电场分布相对平衡。结果表明,电场受阳极气体影响呈斜型分布,调节阳极下半部倾角为3°~6°,阳极下端电压降主要区域向坩埚一侧偏移,当倾角达到5°时,槽体内部电场分布相对均匀,有效改善了电解效率。

稀土电解槽电极的优化模拟

利用流体软件FLUENT,建立了稀土电解槽的阳极气泡及熔体整体流场数学模型。对电解槽的电极插入不同深度的流场进行了数值模拟,得出了电解槽的熔体整体流场分布图及在不同位置气体浓度分布曲线图。

全封闭底部液态阴极结构稀土电解槽的模拟与设计

利用ANSYS10.0软件对20kA底部液态阴极结构的电解槽进行温度场、电场的模拟计算,并结合计算结果设计出一种极距为10cm、半径为92cm的20kA全封闭底部液态阴极结构电解槽。该电解槽采用阳极切分方式来减轻阳极质量,且不会对电解槽的电场造成影响,同时设计钢爪+石墨的阳极固定方式,以降低阳极残极消耗。槽盖的设计可提高电解槽的电流效率,降低能耗;N2进气口的设计可防止石墨阳极侧面被氧化消耗。

6kA方型稀土电解槽电场的研究

研究了阴极阳极变化对于6 kA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。

8kA稀土电解槽阴极对电场影响的数值模拟

针对电解过程中稀土电解槽的电能消耗大以及电极腐蚀严重等问题,利用商业软件ANSYS对8kA稀土电解槽不同阴极直径和和不同插入坩埚内的深度的电场进行数值模拟,发现当阴极直径增大时电解槽内收集器附近电压随之降低而阴极表面的电流密度随之增大,随着阴极插入坩埚深度的增加阴极表面的电流密度分布更加均匀,结合实际生产经验,阴极直径控制在70mm左右阴极插入深度控制在410mm左右对降低电能消耗提高生产效率最为有利。根据研究结论能够帮助确定8kA稀土电解槽合理的阴极直径尺寸和位置,为该型电解槽结构优化提供参考依据。

10kA底部阴极稀土电解槽的电场仿真

针对上插阴阳极式稀土电解槽存在结构缺陷、耗能大、生产效率低等问题,设计了一种10kA底部阴极稀土电解槽,利用ANSYS仿真软件研究了电解槽阴极半径和阴阳极距变化对电解槽电场的影响,以及对电解槽熔体电位的影响。结果表明:电解槽的阴极半径在65~70cm之间、极距在14cm以下时,电位等势线平行分布,电流线分布均匀,反应区热量均匀,有利于生产效率提高和能耗降低,电解槽设计合理。研究结果可作为此类型电解槽结构优化设计参考依据。

稀土电解槽阳极气体表观速度对其流场影响的数值模拟

利用CFD软件建立了3kA稀土电解槽气-液两相流数学模型,通过阴极金属生成量计算阳极表面不同深度的气体表观速度,首次提出将阳极气体表观速度的计算与稀土电解槽流场的数值模拟相结合。对比阳极深度分别为0.250、0.300、0.350、0.395m的有无加载表观速度的阳极气体流场的分布情况,结果表明,在同坐标下优化后的加载表观速度的阳极气体速度均大于未加载表观速度的阳极气体速度,且前者槽内熔体扰动大于后者。此结果为稀土电解槽流场实际运行情况提供了理论依据。