（钢铁冶金专业论文）钕电解阳极气泡和熔体流场的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 从2 0 0 多年前稀土的发现到今天，稀土及其合金正得到广泛的应用，使人们对稀土 重要性的认识提到了空前的高度。特别是近些年来，开发的新材料几乎都离不开稀土金 属。所以迫切的要求提高稀土及其合金的产量和品质。这也就急切要求我们改进稀土及 其合金生产的设备和工艺等。而任何重大的改进和革新是离不开理论的指导的。本文即 是通过数值模拟的方法，对3 k a 钕电解槽的气泡分布和熔体流场进行了研究，以期对 该型及类似电解槽的结构和工艺改进提出理论性指导，以便探索出更好的槽型和生产工 艺。文中具体所做的工作如下： 1 简要评述了稀土熔盐电解的发展现状和趋势。简单分析了气液两相流研究的发展 状况。 2 回顾和评价7 一些数学模型，较详细地介绍了湍流模式的一些方案。比较各类模 型，结合实际情况，选用k 一模型作为本文模型。 3 采用b o u s s i n e s q 近似和边界层流假设来改进k 一双方程模型，建立了描述钕电 解过程中熔体流动及气泡浓度的二维数学模型，确立了合理的边界条件，成功地解决了 熔体流动及气泡在熔体中分布的定量描述问题。 4 利用有限差分法对所建立的数学模型的控制方程实行离散化，完成了由微分方程 向代数方程转化的工作，在此基础上，结合半隐式s i m p l e 计算方法，设计了计算区域 和计算网格，完成了二维程序计算框图。 5 编制了浓度子程，并通过对已有程序的修正，使得浓度子程和速度等子程耦合在 一起，得到了计算精度更高，收敛性更好的程序。 6 评估了气泡的平均粒径，计算了气泡的上浮速度，推算了气泡占熔体总的体积份 数。 7 利用程序，模拟计算了3 k a 钕电解槽不同电极插入深度，不同阳极内径以及阳 极侧壁开孔时电解槽中气泡浓度分布和熔体流场。 内蒙古科技大学硕士学位论文 8 ，根据计算结果，结合已有研究成果，并参照现场操作数据，通过比较和深入分 析，总结出了气泡浓度，熔体流动等因素对电解过程的作用规律，为钕电解的设备和工 艺流程等设计，提供了必要的依据。 关键词：稀土：钕电解；电解槽；阳极气泡；浓度分布：熔体流场：数值模拟 一2 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 s t u d y o na n o d i cb u b b l e sa n dm e l tf l o wf i e l d i nn e o d y m i u m e l e c t r o l y s i s b e f o r ea b o u t2 0 0 y e a r s r a r ee a r t hi sd i s c o v e r e d t o d a yr e a n dt h e i ra l l o ya r eb e i n g u s e du n i v e r s a l l y t h ep e o p l em o r ea n dm o r er e a l i z ei ti ss oi m p o r t a n tf o rr e e s p e c i a l l y r e c e n ty e a r s t h en e wm a t e r i a lw h i c hi se x p l o i t e da l la l m o s tc o n t a i nr e 1 1 1 ei n c r e a s i n g d e m a n da n ds t r i c t l yq u a l i t yc o n t r o lo fr a r ee a r t hp r o d u c te f f e c t i v e l yd r i v et h ec a m p a i g no f d e v e l o p m e n to f r a r ee a r t hp r o d u c t i o nt e c h n o l o 西e sa n df a c i l i t i e s b u tt h et h e o r e t i c a l d i r e c t i o ni si n d i s p e n s a b l ei ne v e r yg r e a ti m p r o v e m e n ta n dr e f o r m a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no f g a sb u b b l e sa n dt h em e l tf l o wf i e l da l r e a d ya r es t u d i e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i n3 k a n e o d y m i u me l e c t r o l y s i sc e l l t h e s er e s u l t sw i l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n c o a s i s ) f o rt h ed e s i g no fs t r u c t u r ea n dt e c h n 0 1 0 9 yo ft h ee l e c t r o l y s i sc e l la n dt h es i m i l a r e l e c t r o l y s i s c e l ls ot h a tan o v e l e l e c t r o l y s i s c e l la n dt h em u c hb e t t e r p r o d u c t i o n t e c h n o l o g i e sa r er e v e a l e d t h ea r t i c l eh a sm a i n l y ( c o n c r e t e l na c e o m p l i s h e dt h ef o l l o w i n g w o r k s ： 1 - n e d e v e i o p m e n ta c t u a l i t i e sa n dt e n d e n c yo fr a r e e a r t h e l e c t r o l y s i s a r es i m p l y c o m m e n t e d t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fg a s 1 i q u i dt w o p h a s ef l o w sr e s e a r c hi ss i m p l y r e m a r k e d 2 t 1 l ev a r i o u sm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r er e v i e w e da n da p p r a i s e d t h ed i f f e r e n t p r o j e c t so ft u r b u l e n c em o d e la r ei n t r o d u c e dr e l a t i v e l yd e t a i l e d l y c o m p a r i n gm u l t i f a r i o u s m o d e l sa n d c o m b i n i n gp r a c t i c a li n s t a n c e w ec h o o s e k 一占m o d e la st h ep a p e r sm o d e l 3 n et w od i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hd e s c r i b e sm e l tf l o wa n dg a s b u b b l et h i c k n e s si nc o u r s eo fn e o d y m i u me l e c t r o l y s i sh a sb e e ne s t a b l i s h e db ya p p l y i n g k p t w i - e q u a t i o a sm o d e lw h i c hi s m e n tb ya d o p t i n gb o u s s i n e s qa p p r o x i m a t i o na n d b o u n d a r y l a m i n a rf l o w h y p o t h e s i s t h e n w ed e f i n et h e b o u n d a r y c o n d i t i o n sa n d s u c c e s s f u l l yr e s o l v et h eq u a n t i t a t i v ed e p i c t i n gp r o b l e mo fm e l tf l o wa n dg a sb u b b l e s d i s t r i b u t i o ni nm e l t i n gb a t h 4 t h ec o n t r o l l i n ge q u a t i o n sa r e d i s p e r s e db yf i n i t e d i f f e r e n t i a lm e t h o d w eh a v e t r a n s f e r r e dd i f i e r e n t i a l e q u a t i o n st oa l g e b r a i ce q u a t i o n s o nt h eb a s i so ft h ef r o n t ，w e d e s i g nc a l c u l a t i o n a la r e aa n d 鲥d d i n ga n dc o m p l e t et w od i m e n s i o n a lp r o g r a mf l o wc h a r t w i t hs i m p l em e t h o d 5 w ec o m p i l et h es u b r o u t i n eo ft h i c k n e s sa n dm a k ei t ，t h es u b r o u t i n eo fv e l o c i t ya n d s oo nc o u p l eb ym o d i f y i gi nb e i n gp r o g r a m w eu l t i m a t e l yg a i nt h ep r o g r a mw i t hh i g h e r c a l c u l a t i o n a lp r e c i s i o na n db e t t e ra s t r i n g e n c y 6 w je v a l u a t et h ea v e r a g ed i a m e t e ro fg a sb u b b l e s c a l c u l a t et h ea s c e n d i n gv e l o c i t y o fg a sb u b b l e sa n dr e c k o nt h ev o l u m ep e r c e n t a g eo fg a sb u b b l e si nm e l t i n gb a t h ( m e l t i n g c o m p a r t m e n t ，m e l t i n gc h a r g e ) 7 t h r o u g ht h ep r o g r a m ，t h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no fg a sb u b b l e sa n dm e l tf l o wf i e l d w i t hd i f i e r e n tt h ed e p t ho ft h ep o l e si n s e r t e d ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ep o l e sa n do p e n i n g 3 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 h o l e so np o s i t i v ep o l eh a v eb e e ns i m u l a t e da n dc a l c u l a t e di n3 k a n e o d y m i u me l e c t r o l y s i s c e l l 8 i nt e r m so f c a l c u l a t i n gr e s u l t s w i t l le x i s t i n gr e s e a r c h f u lf r u i t sa n do ns p o to p e r a t i o n a l d a t ab a s i s ，w ec o n c l u d et h el a ww h i c ht h ee l e c t r o l y s i sc o u r s ei sa f f e c t e db yt h et h i c k n e s so f g a s b u b b l e sa n dm e l tf l o w t h r o u g hc o m p a r i n ga n dt h o r o u g h l ya n a l y z i n g t h e s ew o r k s w i l lo f f e rt h e n e c e s s a r yb a s e ( b a s i s ) f o rt h ed e s i g no fn e o d y m i u me l e c t r o l y s i sf a c i l i t ya n dt e c h n o l o g y f l o w k e yw o r d s ：i a l ee a r t h ；n e o d y m i u me l e c t r o l y s i s ；e l e c t r o l y s i sc e l l ；a n o d i cb u b b l e s ；t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n ；m e l tf l o wf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名：日期： 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 稀土金属是稀土功能材料的主要原料之一。八十年代以来，稀土金属生产技术的发 展与功能材料技术发展及相关高新技术产业发展密切相关。进入九十年代，随着电子信 息产业的迅速崛起，稀土功能材料生产企业在对稀土金属需求量迅速增加的同时对稀土 产品质量的一致性要求也更加严格。1 9 8 4 年我国3 k a 氧化物电解工艺技术开发成功并 应用于工业生产。由于3 k a 氟化物熔盐电解稀土氧化物生产轻稀土金属工艺技术存在 一些问题，并且为了实现熔盐电解轻稀土金属生产可持续发展。从1 9 9 7 年开始，包钢 稀土研究院与我校建立长期的合作关系，较系统地开展了有关基础理论的研究工作。 稀土氧化物电解制备稀土金属以氟化物熔盐为电解质体系，由于高温氟化物熔盐的 腐蚀性极强，给氟化物熔盐体系氧化物电解的研究带来较大的困难，许多研究工作难度 较大，甚至无法进行。另一方面，在进行“电解槽放大”研究过程中，对电解槽的设计 方案进行优化选择时，若对每一个可行设计方案均进行试验，既浪费人力和财力又浪费 时间。这是长期困扰氟化物熔盐体系氧化物电解工艺技术研究工作的难题。为此，在稀 土院提供一定氟盐体系熔盐物化性质数据的基础上，我们采用了一种新的更为科学的研 究方法，即进行了氟化物体系熔盐电解过程数值仿真技术的开发研究。并首次在国内采 用数值仿真方法就氟化物体系熔盐电解稀土氧化物制备稀土金属过程进行研究，建立了 单阴极原形电解槽、双阴极长方形电解槽、三阴极长方形电解槽的电场、温度场、流场 的数值仿真模拟。采用这种研究方法对氟化物熔盐体系电解稀土氧化物过程的电场、流 场、温度场及电解规律进行研究，利用研究结果指导和调整电解槽设计参数，对电解槽 的设计方案进行分析和预报取得了可喜的成果。 事实上，电解过程中阳极表面上产生的大量气泡对电解过程电解的稳定，电流效 率，金属的收集，电解质的循环等有重大的影响，造成这些影响的根源又集中体现在气 泡分布及其影响下的熔体运动上。而现有的研究是在给定阳极附近的一定区域内气体浓 度的基础上，进行的熔体运动的研究，没能很好地反映气泡的分布及其对熔体运动的作 用。本文在对电解过程中气泡的一些性态作探讨后，运用数值模拟的方法对单阴极原形 电解槽不同工况下气泡在熔体中的分布及其影响下的熔体的运动作了较为深入的研究。 结合前人的研究成果、实际生产过程中积累的经验和我们的研究结果，以期深入了解稀 土会属的电解过程，探讨电解槽设计的新思路，进行稀土熔盐电解槽电解过程工艺技术 参数的优化研究。为大型电解槽工艺及设备的开发奠定坚实的技术基础。 一1 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 稀土熔盐电解的发展状况 1 1 1 稀土概述 稀土就是化学元素周期表中镧系元素镧( l 丑) 、铈( c e ) 、镨or ) 、钕( n d ) 、钷 ( p m ) 、钐( s m ) 、铕( e u ) 、钆( g d ) 、铽f i b ) 、镝y ) 、钬( h 0 ) 、铒、铥( t i n ) 、镱( y b ) 、 镥f h l ，以及与镧系的1 5 个元素密切相关的两个元素钪( s c ) 和钇( y ) 共1 7 种元 素，称为稀土元素( r a r ee a r t h ) 。简称稀土( r e 或r ) 。 根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中 共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通 常分为二组。 轻稀土( 又称铈组) 包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。 重稀土( 又称钇组) 包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥i 钪、钇。 铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势而得名。 稀土元素的主要物理化学性质： 稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，而 比其他金属元素活泼。在1 7 个稀土元素当中，按金属的活泼次序排列，由钪，钇、镧 递增，由镧到镥递减，即镧元素最活泼。稀土元素能形成化学稳定的氧化物、卤化物、 硫化物。稀土元素可以和氮、氢、碳、磷发生反应，易溶于盐酸、硫酸和硝酸中。 稀土易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物，因此在钢水 中加入稀土，可以起到净化钢的效果。由于稀土元素的金属原子半径比 铁的原子半径大，很容易填补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒继 续生长的膜，从而使晶粒细化而提高钢的性能。 稀土元素具有未充满的4 f 电子层结构，并由此而产生多种多样的电子能级。因 此，稀土可以作为优良的荧光，激光和电光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。 稀土离子与羟基、偶氮基或磺酸基等形成结合物，使稀土广泛用于 印染行业。而某些稀土元素具有中子俘获截面积大的特性，如钐、铕、 钆、镝和铒，可用作原子能反应堆的控制材料和减速剂。而铈、钇的中 子俘获截面积小，则可作为反应堆燃料的稀释剂。 稀土具有类似微量元素的性质，可以促进农作物的种子萌发，促进根系生长，促进 植物的光合作用。 稀土金属的某些物理特性( 见表1 1 ) ： 内蒙古科技大学硕士学位论文 表1 1 稀土金属物性 原于 元素原于量 离子半衽密度熔度沸点呲物熔点比电阻r 。离子碰矩 热中子 俘获截而 序数( 埃) ( 克恒( )( )( )欧姆厘米1 竹( 波尔磁于) ( 靶) 0 5 o 肿 895 7h1 3 8 9 21 2 26 1 94 2 3 02 3 1 55 6 月 8 0 4 5 2 9 3 0l 7 5 3 2 j 6 075 8c e1 4 0 1 31 1 86 7 6 8 9 3 5 巧 姗2 5 0 06 8 m 3 圮 l l 工5 9p r1 4 0 9 21 1 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- 5 1 。 例如：稀土永磁材料，稀土储氢材料，稀土激光材料，稀土超导材料，稀土发光材料， 稀土电子导体材料等等。近年一些新型功能材料的研制和应用，稀土元素已成为不可缺 少的材料，稀土新材料的发掘、开发和产业化，必将成为推动稀土生产发展的动力，同 时也将对整个社会的发展产生深远的影响附1 。随着对稀土金属和稀土合金的需要量与 日俱增，同时对稀土金属的质量要求也愈来愈高，这些因素极大地刺激了稀土金属生产 工艺和设备的改进。 1 1 2 稀土熔盐电解的发展概况 熔盐电解制取稀土金属起始于十九世初期，n - 十世纪三十年代末期，逐步发展为 稀土卤化物的金属热还原法和熔盐电解技术两大类。轻稀土金属制取的主要方法之一是 熔盐电解法，稀土熔盐电解技术按熔盐体系选择的不同可分为两大类【8 】：氯化物熔盐体 系，氯化物稀土电解法和氟化物熔盐体系，氧化物稀土电解法。由于熔盐电解法比较经 济方便，可连续生产等，被广泛用于制取大量混合稀土金属、单一稀土金属和稀土合 余。 一3 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 8 7 5 年，w 希尔布兰德( h i l l e b r a n d ) 和t 诺顿( n o a o n ) 1 9 1 首次进行电解熔融 氯化物制取稀土金属的研究，获得了镧、铈金属和错钕合金。w 姆斯曼 ( m u n t h m a n ) 于1 9 0 2 年提出，用稀土氧化物溶于熔融氟化盐作为电解稀土的熔体。 1 9 4 0 年前后，奥地利特赖巴赫( t r e i b a c h e r ) 公司实现电解r e m 的工业化生产。6 0 年 代前g r a y 较成功的制取了纯度为9 9 7 9 9 8 的金属c e , 后来美国矿物局下属的雷诺研 究中心采用将稀土氧化物加入到氟化盐内，温度控制在稀土熔点以下5 0 6 0 。c 电解， 得到纯度较高的镧、铈。1 9 6 0 年以后e 莫里斯( m o r r i c e ) 等对氟盐体系氧化物作了 大量工作，制得了r e m 和镧、铈、钕、钇以及它们分别与铁、钻、镍等形成的一系列 合金。1 9 6 7 年，德国哥德斯密特( g o l d s c h m i d ta - g ) 公司开始采用氟碳铈矿加碳高温 氯化制出的r e c | 3 为电解原料制取r e m ，于1 9 7 3 年实现5 0 0 0 0 a 密闭槽工业生产。 1 9 7 5 年美国曾采用稀土氧化物氟化物体系进行2 0 k a 槽生产稀土合金的工业实验，后 来停止运行。7 0 年代末，日本三德金属工业公司在同样的2 0 k a 电解槽上实现了正常生 产稀土合金，后来又用于生产金属钕。 早在十九世纪五、六十年代，美国矿物局的研究者们就着手开发新的稀土熔盐电解 体系，旨在克服氯化物体系的缺点。六、七十年代美国矿物局对氟化物氧化物体系制 取稀土金属进行了大量的研究。1 9 6 0 年，美国矿物局报道了在溶有c e 0 2 的氟化物熔盐 中，电解制取了纯度为9 9 8 的金属铈。1 9 6 2 年，m o r d c e 等人在溶有l a 2 0 3 的氟化物 熔盐中，电解制备出了金属镧。到了七十年代末，日本宣布氧化物电解法应用于工业生 产，1 9 8 4 又报道了氧化物电解法生产金属钕。 我国从1 9 5 6 年起研究稀土氯化物的电解。杨倩志等完成了电解制取混合稀土金属 的任务【1 0 l ：唐定骧等首先进行单一稀土金属镧、铈、镨的制各f l l j 。八十年代，我国主要 是采用氯化物熔盐电解技术制取单一稀土金属、混合稀土金属及某些稀土合金等。1 9 8 3 年，钕铁硼永磁合金的问世，需要大量而又廉价的金属钕为原料，这就大大的促进了电 解法生产金属钕的发展。国内的研究者在这方面进行了许多试验研究1 1 m 3 1 。我国氧化物 电解制备稀土金属及合金的研究工作始于2 0 世纪7 0 年代。包头稀土研究院、长春应用 化学研究所和北京有色金属研究总院较早开展该方面的研究工作。由于电解槽材料、电 解槽型结构等问题未能得到解决，一直未能用于工业生产。直到1 9 8 4 年，包头稀土研 究院率先解决了电解槽材料及槽型结构等问题，研究成功了整体圆形敞开式上插阴极氧 化物电解槽，并首次在我国进行了氧化物电解制取金属钕和钕铁合金的工业试验。自此 我国在氧化物电解制备单一轻稀土金属及其合金方面取得了重大突破，该项技术的研究 成功，使我国氧化物电解生产轻稀土金属及合金进入了实用化阶段。在此基础上，1 9 8 5 4 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 年稀土院又成功地进行了氧化物电解法制取镧、铈、镨单一稀土金属的工业试验。此 后，赣州冶金研究所和湖南金属材料研究所相继报道了用该方法制备稀土金属。这一技 术从8 0 年代末期开始被国内氧化物电解生产厂家所广泛应用至今。目前，该工艺已在 国内许多稀土生产厂家应用于工业生产。从七、八十年代，某些氟赫体系的电解技术实 现了工业化生产后，该体系的电解正朝着越来越大规模化的方向发展。始于包头稀土研 究院张志宏等人首先开发出稀土氧化物氟化物电解体系钕电解槽生产金属钕。1 9 8 7 年 起，稀土研究院在3 k a 熔盐电解的技术基础上，开始了大型熔盐电解槽的前期研究开 发工作。1 9 9 7 年完成了3 k a 砌筑型试验电解槽的运行，同年启动了6 k a 砌筑型试验电 解槽运行。1 9 9 9 年启动了6 k a 稀土熔盐电解槽进行工业运行，电解槽使用寿命超过一 年。2 0 0 0 年稀土院启动三台6 k a 电解槽投入工业生产，当年又启动了1 0 k a 砌筑型电 解槽运行，月产金属钕1 0 吨，这一年稀土院建立大型电解槽钕生产车间，年生产金属 钕能力为1 0 0 0 吨，并停止了采用3 k a 电解槽生产金属钕。2 0 0 2 年初1 0 k a 规模电解槽 完成工业试验，使我国稀土熔盐电解技术上了一个新台阶。现在1 0 k a 规模电解槽已经 工业化生产。2 0 0 2 年8 月包头稀土研究院开始了2 5 k a 氟化物体系熔盐电解氧化钕工艺 及设备的研究开发，目前，他们正致力于此项工作。与此同时国内几个较大的稀土厂家 如赣州冶金研究所，西骏稀土材料公司等也先后进行了大槽型的研究和开发工作。 1 1 3 氟盐体系熔盐电解制取金属钕及其合金的研究现状 1 9 8 3 年钕铁硼永磁体开发成功，从而掀起了稀土永磁体钕铁硼研究的热，近几 年，国内外普遍开展了金属钕及其合金制备工艺的研究。熔盐电解法是金属钕的主要生 产方法。氟盐体系电解n d 2 0 3 生产金属钕具有电流效率高、金属直收率高等优点，是近 年来受到重视的钕的生产方法。此外，研究者对熔盐电解制备钕铁等合金的技术开发也 极为重视，进行了广泛研究。 十九世纪六十年代初，e m o r r i c e 等人在r e 2 0 3 - r e f 3 熔体中用钴阴极电解，制得了 钕钴合金。在六十年代，美国的研究者还就提出了在氟化物熔体中加入氧化钕和铁的化 合物，用钼或钨电极电沉积出钕铁合金，即所谓“非自耗电极电解法”。到了七十年 代，他们将该法改为氟盐中用铁阴极电解溶于其中的n d 2 0 3 ，以制备钕铁合金的所谓 “自耗阴极电解法”，使用的氟化盐体系主要为l i f - b a f 2 - n d f 3 或l i f - c a w 2 - n d w 3 。在日 本，住友金属公司的研究者们提出了不用n d 2 0 3 的电解法，该法以n d f 3 为原料，在 n d f 3 一l i f - b a f 2 c a f 2 熔盐体系进行电解，阴极为铁棒或铁管，阳极为石墨，温度为8 5 0 度，电流效率为7 0 ，合金中含n d 为8 5 ，类似地，以n a f + d y f 3 为原料，用该技术 可生产n d d 哼f e 合金，用以生产n d d v f e b 永磁体。 内蒙古科技大学硕士学位论文 国内，包头稀土研究院是我国唯一的专业稀土研究单位，在我匡| 率先开发了从氟化 物一氧化物电解制取稀土金属的技术。如积极研究开发了从n d f 3 一l i f b a f 2 等氟盐体系 电解n d 2 0 3 以制备金属n m 及钕铁合金的技术【1 4 i 。中国科学院长春应用化学研究所在7 0 年代曾用自耗阴极法制取n d - f e 合金。1 9 8 4 年稀土院在我国首次将氟盐体系氧化物电 解制备稀土金属及合金技术应用于工业生产，并于1 9 8 5 年获得国家发明专利，同年在 德庆稀土冶炼厂建成了氟盐体系电解氧化钕以制备金属钕的生产线，年产2 0 吨金属 钕，1 9 8 7 年3 月3 1 日至4 月1 日通过了金属钕产品质量鉴定，纯度达9 9 以上，金属 直收率为9 7 6 ，电流效率大于5 3 。我国现行3 k a 氟化物熔盐体系氧化物电解生产 稀土金属工艺技术的开发研究是与钕铁硼永磁材料的开发和商品化密不可分的，且偏重 于工艺技术的开发研究。稀土院在1 9 8 7 年开始进行氟化物熔盐体系氧化物电解制备稀 土金属及合金大型电解槽的前期开发研究工作。1 9 9 7 年率先启动了我国第一台6 k a 砌 筑型氟化物熔盐体系氧化物电解制备稀土金属及合金的电解槽。这台6 k a 砌筑型氟化 物体系氧化物电解槽运行试验技术经济指标初步显示出了大电流砌筑型电解槽的技术先 进性，也表明了砌筑型电解槽的技术可行性。自此，稀土院项目组重点进行了敞开式砌 筑型电解槽的研究工作。1 9 9 9 年启动了6 k a 稀土熔盐电解槽进行工业运行，电解槽为 长方形双阴极多阳极结构。该电解槽在试验运行过程中，运行稳定、可靠，技术经济及 产品质量指标先进。其连续运行时间3 8 6 天。在试验工作基础上，为了进一步提高我国 稀土熔盐电解生产轻稀土金属的的技术、装备水平，实现轻稀土金属大规模工业化生 产，刚氐轻稀土金属电解生产综合消耗、成本及提高稀土金属产品质量的一致性和稳定 性。稀土研究院于1 9 9 8 年1 0 月开始了“万安培稀土熔盐电解槽”的研制。2 0 0 0 年9 月底启动了1 0 k a 试验电解槽运行，其槽型为长方形三阴极多阳极结构。电解槽运行稳 定，技术经济及产品质量指标先进：电流效率等于8 0 1 3 ，稀土金属直收率大于9 4 9 9 ，直流电耗小于等于1 0 5 k w l l 门【g r e ，碳含量小于等于0 0 3 。现1 0 k a 电解槽已经 q - , r l , 化生产，万安培稀土金属熔盐电解工程化技术是目前世界上最先进的稀土金属电解 技术。国外仅有日本、美国和俄罗斯拥有该项产业化技术，垄断性很强。国内开展这项 研究的单位寥寥无几，稀土研究院是开展该项技术最早的单位，拥有一项国家专利。目 前，稀土院正致力于更大规模槽型的研究。 1 2 两相流研究综述 两相流是人类日常生活和工程技术中常见的物质流动。两相流包括气体液滴、气 体固体、液体固体、液体液滴、液体一气泡等多种不同体系。各体系由于受两相物 性、操作条件和过程环境等的影响，其流型又是多种多样。而不同的流型有完全不同的 6 一 内蒙古科投大学硕士学位论文 流动规律和相间阻力、壁面阻力规律。一般说来，在一种流型下得到的流动规律不能随 意推广到别的流型。可见两相流动非常复杂。气液两相流是两相流中的一种，广泛用于 动力、化工、石油、冶金等领域。其学科的形成和发展与工程技术的进展密切相关。人 们对两相流的研究已有7 0 多年的历史，但两相流体力学作为一门独立学科的形成才只 是近3 0 年的事【1 5 1 。两相流( t w o p h a s ef l o w ) 名词1 9 4 9 年在文献中首次出现。1 9 5 2 年 t o o m e y 和j o h n s t o n e 第一次较系统地总结和归纳了两相流理论。国际多相流杂志( h a tj m u l t i p h a s el q o w ) 5 ：1 9 7 4 创刊。近年来，对两相流的研究开始增多。单日本就有专门研 究气液两相流的机构8 4 家。 传统研究两相流的方法包括实验和理论方法。就实验方法雨论，由于受测试手段和 测试条件的限制，多数工作还仅限于对宏观流体力学特性的观察和测定，比如不同流体 速度下粗略的流型变化图、某一流型下的平均压降、平均流体相及固相速度等。毫无疑 问，这些结果对于人们了解在特定设备、特定条件下的多相流流动规律十分有用。但要 迸一步深入研究更基本的多相流流动规律，如流体间相互作用力和各相流体运动速度分 布，现今的基本测试手段都很难鳃决，特别在分散相浓度较高时就更豳难了。就理论工 作而言，多相流的绝大多数计算公式都是用准数关联式来表达的，即它建立在相似理论 基本上成立的假设条件下，其可适用范围很有限，而建立在基本流体力学方程基础上的 纯理论方法只能适用于一些很简单的工况。 国外许多学者对气液两相流作了大量理论和实验工作，国内在这方面的工作尚处在 刚刚起步阶段，由于此问题的复杂性，研究进展很小，系统的实验研究还没有进行，气 液两相湍流理论模型还没能建立。 1 2 1 气液两相流实验研究的发展情况 在实验方面1 1 5 l 。s e r i z a w a ( 1 9 7 5 ) 、w 锄g s k & l e e s j ( 1 9 8 7 ) 、 s o k o h c h i n a , e i g e n b e r g e i g - ( 1 9 9 4 ) 等分别测量了鼓泡塔内气含率分布、气泡尺寸和上升速度。 r r a n z k ( 1 9 8 4 ) 测量了塔内液相流动速度和湍流强度。y o s k i _ f u s a s a t o ( 1 9 9 3 ) 测量了雷诺应力 分布，提出了计算湍流强度的经验公式。 近年来f 1 6 】，光导纤维探头技术被用于测定三相流化床轴向和径向上的气泡特性。 蔡志鹏、魏伟盛1 1 _ 7 】用热膜探针、自制电位探针和微机控制组成的在线测量系统对底 吹过程喷射区的气率分布及气液上升速度分布迸行模型实验研究。 高正明【1 8 】等用自制的双探头电导探针法，对搅拌槽内不同区域内的气泡尺寸分布进 行了测试研究。而g r e w e s 、张志斌采用光电毛细管探针法对搅拌槽内的气泡尺寸进行 了钡 f 量。 7 一 内蒙古科技大学硕士学垃论文 谢中、张永健【1 圳用海鸥d f - i 型相机拍摄了用透明石英电解槽对镁电解过程中，电 极上的气泡状态，从而对气泡的运动特征进行了观察和测定。 j z o r i c 和a s o e i m 例在对预培阳极工业铝电解槽中的气泡和气泡对电流分布 的影响研究中运用了摄像法。 陈祖茂【1 6 1 等，利用照相机在1 s 内连续摄3 张照片，每张照片的曝光时间伟 1 1 0 0 0 s ，之后将拍摄到的底片送到i b a s 型图像分析仪上进行处理，从而研究了三维气 液一固三相流化床中气泡的大小及上升速度。 文献1 2 1 l 用快速摄像机拍摄两相流的流动，并将摄像机与大屏幕电视机和电脑相连 接，放映拍摄结果，研究与气泡有关的各个因素之间的关系。 顾伯勤阎为了确定毛细管端气泡形成的大小和形成频率，采用高速摄像机摄像，并 在专用电视制作设备上进行分析评定。整个系统对气泡直径的测量误差为0 0 2 5 m m ， 气泡形成频率的测量误差约为百分之0 8 。 另利用非线性声学测量方法可估计含气泡液体中的气泡浓度与分布。 夏国栋i z 3 1 等在空气水实验系统上。用高速动态分析仪测量了液体流动为流时， t a y l o r 气泡的上升速度。 王树立f 1 5 l 等用激光多普勒测速仪( l d v ) 详细测量了气液鼓泡塔内气液并流和气 液逆流时的流速分布。 朱友益i 驯等采用p d a 两相流测速技术，对i b j 浮选柱下导管内液一气两相流中气 泡的流速进行了测定，获得了浮选柱内液气两相流中气泡沿径向和轴向的湍流速度分布 规律。 相关资料显示1 2 4 1 ，目前世界上只有两种最先进的流速测试方法能精确地测出两相流 中粒子的流速：一种是粒子动态分析仪( p a r t i c l ed y n a m i c sa n a l y z e rs y s t e m ，简称 p d a ) ，另一种是粒子图像测速技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，简称l l v ) ，p i v 测速技 术在国内尚处于研究阶段，p d a 是在激光测速r ( l d v ) 的基础上发展而成，其测速原理 任采用激光测速的基本方法。 并且我们也发现，气泡行为研究的测定方法主要有：摄相法、电导探头法、电容 法、光导纤维法等。其中摄相法由于可以直观地显示出气泡地形状及其大小分布，因此 通常被用于研究气泡的行为。 1 2 1 2 气液两相流数值计算的发展 除了实验研究工作外，2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机的普及以及计算能力的不 断提高，加上近似计算方法的发展，基于数值计算的流体力学方法正在冲击并改变着传 一8 内蒙古科技大学硕士学位论文 统的工业过程设计方法。人们越来越多地采用数学模型加强和深化流体运动的研究，湍 流数学模型在研究各种流动现象中得到了较为充分的发展和应用，因而采用湍流模型研 究气液两相流日益引起人们的兴趣。到目前为止，在各种湍流模型中，k e 模型是应 用得最广泛的一种模型。对于气液两相湍流，许多学者建立了以单相流七一f 双方程模 型为基础的两相流七一s 模型。 s o o 等人( 1 9 6 7 ) 提出了小滑移连续介质模型，s p a l d i n g ( 1 9 7 2 ) 提出了两相流无 滑移模型。这些模型与实际情况差别较大，因而预测效果不佳口】。 e l g h o b a s h i 等人( 1 9 8 3 ) 【2 6 捌考虑了相间阻力，建立了双流体k 一双方程模型，并 应用此模型对气一固两相圆形射流进行预测，其预测结果与试验资料符合较好。 m o s t a f a 和e l g h o b a s h i ( 1 9 8 5 ) 【冽扩展了该模型，进一步考虑了相间变化的影响。 j t k u o 等人( 1 9 8 8 ) 【捌分析了矩形竖直管中的气泡射流气液两相间的作用力， 建立起相间作用力以阻力、表面力为主的两相流k 一双方程模型，预测结果与实验结 果符合很好。 l e e 等人( 1 9 8 9 ) 例第一次应用k s 双方程模型对竖直管中的气泡流进行了c f d 预测。 m l o p e zd cb e r t o d a n o 等人( 1 9 9 4 ) 【3