多因素对稀土电解槽电解效率影响研究

1、多因素对稀土电解槽电解效率影响研究龚姚腾，李玉泽，逄启寿，王海辉，冯羽生（江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000）摘 要：为解决稀土电解槽生产过程中电解效率不高的问题，以10kA稀土电解槽为研究对象，根据实际生产过程中的情况，确定了对电解效率影响较大的4个因素：阴极直径、阴极插入深度、纵向极间距、横向极间距。通过正交试验找出最佳因素组合：在阴极直径为70mm、阴极插入深度为370mm、纵向极间距为95mm、横向极间距为75mm条件下电解效率最高，并在实践中验证了按所得结论的工艺参数生产的电解槽电解产率有了明显提高。关键词：稀土；电解槽；电流密度；电解效率中图分类号：TF845 文献

2、标识码：AEffect of multiple factors on electrolysis efficiency of rare earth electrolyzerGONG Yao-teng, LI Yu-ze, PANG Qi-shou, WANG Hai-hui, FENG Yu-sheng(School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)Abstract: In order to solve the pr

3、oblem of low electrolytic efficiency in the production of rare earth electrolytic cell, the 10kA rare earth electrolytic cell was taken as the research object. According to the actual production process, four factors influencing the electrolytic efficiency were determined: cathode diameter, cathode

4、insertion depth, longitudinal electrode spacing and transverse electrode spacing. Finding the best combination of factors by orthogonal test, the results showed that the electrolytic efficiency was the highest under the conditions of cathode diameter 70 mm, cathode insertion depth 370 mm, longitudin

5、al electrode spacing 95 mm and transverse electrode spacing 75 mm. It has been proved the electrolytic yield of the electrolyzer manufactured according to the technological parameters obtained has been greatly improved.Key words: rare earth; electrolyzer; current density; electrolysis efficiency我国稀土

6、电解槽的研究大都是由铝电解槽发展而来 1。已有研究对稀土电解槽内各物理场分布进行了模拟分析，对电解槽结构的优化主要集中在阴极直径与极距等参数的选取 2-7。赣州冶金研究所最早提出了一种新型万安级稀土电解槽结构，该电解槽阳极石墨槽采用跑道型结构，阴极采用四根并行插入的圆柱形钼棒，华园东8以15kA钕电解槽为研究对象建立相应的模型，并通过仿真得到电解槽内部的二维电场与流场分布。郜飘飘9等通过仿真模拟得到该种结构的电解槽工作时槽内三维电热场的分布情况，并通过仿真实验分析了电极底部到槽底距离及极间距对槽内电场分布的影响，为大电流电解槽的开发与设计提供了一定的理论基础，但已有研究往往考虑单一因素对电解效

7、率的影响，本文在对10kA稀土电解槽的研究基础上，选取电解过程中的四个工艺参数：阴极直径、阴极插入深度、纵向极间距、横向极间距。围绕这些因素进行正交分析，找出影响电解生产的最佳因素组合，根据仿真结果优化稀土电解槽结构，提高稀土电解槽的生产效率。1 模型的建立1.1 电解槽槽体结构以江西省赣州市某企业10kA稀土电解槽为研究对象，其电解槽模型及电解槽内部尺寸如图1所示，单位为mm。1-钨阴极；2-石墨阳极；3-石英垫圈；4-炉盖板；5-石墨坩埚；6-保温层；7-金属收集器图1 10kA稀土电解槽槽型尺寸图Fig.1 Size chart of 10kA rare earth electrolyt

8、ic cell1.2几何模型选择电解槽四分之一结构模型作为研究对象，实体模型与网格划分后模型如图2所示。 (a) 实体模型 (b) 网格划分后模型图2 电解槽四分之一模型Fig.2 1/4 models of electrolyzer1.3 边界条件及模型假设流场边界条件及模型假设：熔盐的上表面设为压力出口；四分之一的电解槽模型的横纵切面设为对称面；忽略熔盐电解质内升力和虚拟质量力对气泡的影响；忽略阳极气泡的滑移速度。电场边界条件及模型假设：电解槽电解工作时，阳极通入10000A电流；钨阴极为基础电位；坩埚表面电流密度为0；将石墨坩埚、石墨阳极、钨阴极视为等势体。 1.4 控制方程本文选用的多

9、相流模型为欧拉模型。其数学表达式为： (1)稀土电解槽内熔盐电解质为一个静电场，其微分方程为: (2)2 计算结果与分析2.1稀土电解槽三维流场分布数值模拟对稀土电解槽的三维流场进行分析研究，仿真得到电解槽阳极气体三维流场的分布如图3所示。图3 阳极气体三维流场的分布云图Fig.3 Distribution of three-dimensional flow field in anodic gas从图3中可以看出外端阳极周围产生的气体速度其它区域气体的速度大，气体的分布范围也更加广泛。这是因为电解槽在工作时，外端阳极与阴极相对的面积更大，阳极与阴极之间的熔盐更多，电解过程更剧烈。阳极气体三维流

10、场的分布状况为以后的横向极间距的优化提供了参考依据。当纵向极间距增大，熔盐电解质可流动区域也随之增大,这将会导致稀土金属单质快要沉降到金属收集器时在底部熔盐电解质运动的作用下部分被重新带回到熔盐电解质中的电解区域中，与熔盐电解质中的气体反应造成二次氧化，降低电解效率。因此纵向极间距过大也会使得电解槽的电解效率降低。从图3还可以看出气体产生在阳极和阴极之间，并且阳极壁面附近所产生的气体速度更大，阴极周围的气泡的速度较小，阳极与阴极中间区域的气泡速度逐渐减小，说明气泡是在石墨阳极上产生的，并且在张力和浮力的作用下，气体从阳极向阴极扩散，然后上升到电解质表面溢出。2.2 多因素对电解槽电解效率影响的

11、模拟分析电流密度指的是单位时间内通过单位截面的电流，其值与电流的大小和截面面积的大小有关。在极间距变大时，电流密度也会增大，但是过大的电流密度会导致阳极效应，阳极产生的气泡增多，从而影响电解反应无法正常进行，电流密度过小时电解反应太慢，从而影响生产效率，因此电流密度不宜过大或过小。过大的极间距会使槽内熔体电压变大，从而使电解质产生过多热量，从而降低电解效率。通过数值模拟得出最合适的电解条件，此时电解槽内的电流密度和熔体电压都处于合理的范围，既能满足电解过程所必须的条件，又能有较高的电流效率。本文选用四因素三水平的正交试验设计方法来确定何种条件下达到最佳电解效率。多因素对电解效率影响试验因素水平

12、表如表1所示，试验方案如表2所示。表1 多因素对电解效率影响试验因素水平表Table 1 Factors affecting the efficiency of electrolysis 因素Factor水平level阴极直径/ mmcathode diameter/mm阴极插入深度/ mmcathode insertion depth/ mm纵向极间距/mmlongitudinal electrode spacing/mm横向极间距/mmtransverse electrode spacing/mm150350757527037085853904009595表2 试验方案表 Table 2

13、Test plan table 因素 Factor试验号Test number 阴极直径/ mmcathode diameter/mm阴极插入深度/ mmcathode insertion depth/ mm纵向极间距/mmlongitudinal electrode spacing/mm横向极间距/mmtransverse electrode spacing/mm11（50）1（350）1（75）1（75）21（50）2（370）2（85）2（85）31（50）3（400）3（95）3（95）42（70）1（350）2（85）3（95）52（70）2（370）3（95）1（75）62（70）

14、3（400）1（75）2（85）73（90）1（350）3（95）2（85）83（90）2（370）1（75） 3（95）93（90）3（400）2（85） 1（75）不同阴极直径、阴极插入深度、纵向极间距、横向极间距下电解槽内电流密度分布图如图4所示。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)(g) (h) (i)图4 不同条件下电流密度分布图Fig.4 Distribution of current density under different conditions从图4（a）（b）（c）中可以看出当阴极直径为50mm时，随着阴极插入深度和极间距的增加，电解槽内最大电流密度先减小再

15、增大。金属收集器区域没有电解过程的进行，所以电流密度值较小，这有利于稀土金属单质的沉降。两阴极之间的区域电势较低，这主要是因为电解主要发生在阴阳极之间的区域，带电离子在两阴极之间的区域受到的电场力较小，所以该区域电势低，电解反应慢。从图4（d）（e）（f）中可以看出当阴极直径为70mm时，随着阴极插入深度和极间距的变化，电解槽内最大电流密度逐渐减小。当阴极插入深度增大时，收集器区域电流密度逐渐变大，说明阴极距离底部过低会导致收集器区域也发生电解从而导致金属单质无法沉降收集，降低了电解效率，所以阴极插入深度不宜过大。从图4（g）（h）（i）中可以看出当阴极直径为90mm、纵向极间距为85mm、横

16、向极间距为75mm时，电流密度急剧减小，阴极壁面电流密度减小，底部金属收集器区域电流密度增大，这是因为电解槽槽内电压下降严重，槽内热量过低导致电解效率下降，此时熔盐电解质出现粘稠状，造成金属单质收集困难并且造成阳极气体无法脱离阳极表面，进而出现阳极效应和熄炉，这也从电流密度角度说明，极间距不宜过大或者过小。在电流密度的极大值附近选择合适的极间距，不仅能够保证电解反应高效地进行，还能适当的减小阳极效应对电解过程的影响，增加金属产量。综上所述，当阴极直径为70mm、阴极插入深度为370mm、纵向极间距为95mm、横向极间距为75mm时电解槽电解效率最高。2.3 实验过程及结果分析严格按各号试验的条

17、件进行试验，并认真测定试验结果和记录下所得数据及有关情况，除阴极直径、阴极插入深度、纵向极间距、横向极间距外的其他试验条件相同。不同条件下稀土电解槽产率如图5所示。从图5可以看出在阴极直径为70mm、阴极插入深度为370mm、纵向极间距为95mm、横向极间距为75mm条件下稀土电解产率最高，说明试验结果与模拟结果一致。图5 不同条件下稀土电解槽产率 Fig.5 Yield of rare earth electrolyzer under different conditions3 结 论（1）电解槽工作时电流密度不宜过大或过小，过大的电流密度会导致阳极效应，阳极产生的气泡增多，从而影响电解反应

18、无法正常进行；电流密度过小时电解反应太慢，从而影响生产效率。（2）极间距不宜过大或者过小，过大的极间距会使槽内熔体电压变大，从而使电解质产生过多热量。选择合适的极间距不仅能够保证电解反应高效地进行，还能适当的减小阳极效应对电解过程的影响，增加金属产量。（3）阴极距离电解槽底部过低时，会导致收集器区域发生电解，不利于稀土金属的收集，所以阴极插入深度不能过大。（4）在阴极直径为70mm、阴极插入深度为370mm、纵向极间距为95mm、横向极间距为75mm条件下，电解效率最高，稀土电解产率最高。参考文献：1 李劼,张红亮,徐宇杰.现代大型铝电解槽内复杂物理场的仿真计算与优化J.中国有色金属学报,20

19、11,21(10):2594-2606.2 冯羽生,逄启寿,许礼刚.不同阴阳极圆心距下稀土电解槽的电解特性分析J.厦门大学学报(自然科学版),2018,57(04):581-586.3 王海辉,逄启寿,郜飘飘.大电流稀土电解槽三维电场的数值仿真J.中国稀土学报,2017,35(04):514-519.4 王亮,逄启寿.稀土电解槽三维电场和温度场的分析研究J.中国有色冶金,2017,46(06):44-47.5 逄启寿,王飞,郜飘飘,徐金.8kA稀土电解槽阴极对电场影响的数值模拟J.机械设计与制造,2016(02):103-105+109. 6 王海辉,逄启寿.大电流稀土电解槽的优化分析J.机械

20、设计与制造,2017(09):77-79.7 王海辉,逄启寿,郜飘飘.稀土电解槽温度场的模拟分析与研究J.稀有金属与硬质合金,2017,45(04):12-15.8 华园东.万安级稀土电解槽电场和流场模拟及开发设计D.江西理工大学,2015.9 郜飘飘.大电流稀土电解槽三维全槽仿真模拟与设计研究D.江西理工大学,2017.参考文献：1 LI Jie, ZHANG Hong-liang, XU Yu-jie. Simulated computation and optimization of comprehensive physical fields in modern large-scale

21、aluminium reduction cells J.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2011,21(10):2594-2606.2 FENG Yu-sheng, PANG Qi-shou, XU Li-gang. Analysis of Electrolysis Characteristics of Rare Earth Electrolysis Cell with Different Center Distance Between Anode and Cathode J. Journal of Xiamen University(Natu

22、ral Science),2018,57(04):581-586.3 WANG Hai-hui, PANG Qi-shou, GAO Piao-piao. Numerical Simulation of Three-Dimensional Electric Field of High Current Rare Earth Electrolytic CellJ. Journal of the Chinese Society of Rare Earths J. Journal of the Chinese Society of Rare Earths,2017,35(04):514-519.4 WANG Liang, PANG Qi-shou. Analysis of 3D Electric Field and Temperature Field in Rare Earth Electrolytic Cell J. China Nonferrous Metallurgy,2017,46(06):44-47.5 PANG Qi-shou, WANG Fei, GAO Piao-piao, XU Jin. Numerical Simulation o