稀土电解过程中氧化钕颗粒在不同工况下运动轨迹分析研究

1、稀土电解过程中氧化钕颗粒在不同工况下运动轨迹分析研究高鈺奇1，刘中兴1，李扬磊2，董芸芳2（1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010;2.内蒙古科技大学 内蒙古自内蒙古科技大学治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室,内蒙古 包头 014010）摘要：本文借助3kA稀土电解槽，通过搭建稀土电解槽电解过程的流场分布模型和DPM离散相模型。仿真模拟了氧化钕的下料,通过改变电极插入的深度来探究颗粒的运动过程。研究发现：当临界粒径处于合理范围内时，随电极插入深度的增大，氧化钕颗粒临界粒径也相应增大，颗粒的运动距离也会相应增大，但在这个范围内颗粒的运动轨迹相似；当电极插入深度为2

2、20mm、且控制临界粒径为0.8mm，最有利于电解的进行，且此时为控制结瘤物的生成的最优条件；同时，还发现在两电极中间位置下料最佳。进行此研究可为电解槽内减少杂质形成提供很好建议，进而为控制结瘤提供理论指导和技术帮助。关键词：3kA稀土电解槽；DPM离散相模型；氧化钕颗粒；控制结瘤；杂质 中分类号：TF845.6 文献标识码： AStudy on the movement track of neodymium oxide particles under different working conditions in rare earth electrolysisLiu Zhongxing1，G

3、ao Yuqi1,Li YangLei2，Dong Yunfang2(1.School of materials and metallurgy, Inner Mongolia University of science and technology, Baotou, 014010,China;2.Key laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources, IMUST, Baotou 014010,China)Abstract: In this paper, with the help of a 3k

4、A rare earth electrolytic cell, the flow field distribution model and DPM discrete phase model of the electrolytic process of the rare earth electrolytic cell are built. The simulation simulates the feeding of neodymium oxide, and explores the movement process of particles by changing the depth of e

5、lectrode insertion. The study found that when the critical particle size is within a reasonable range, with the increase of the electrode insertion depth, the critical particle size of neodymium oxide particles increases correspondingly, and the movement distance of the particles also increases, but

6、 the movement of the particles within this range The trajectory is similar; when the electrode insertion depth is 220mm and the critical particle size is 0.8mm, it is most conducive to the progress of electrolysis, and at this time is the optimal condition for controlling the formation of nodules; a

7、t the same time, it is also found in the middle of the two electrodes Best cutting. Carrying out this research can provide good suggestions for reducing the formation of impurities in the electrolytic cell, and then provide theoretical guidance and technical assistance for controlling nodules.Key wo

8、rds: 3KA cell type; DPM discrete phase model; neodymium oxide particles; control of nodulation; impurities在电解过程中形成结瘤的因素主要包括以下几点：（1）炉内温度。温度越高，越易熔解。（2）加料速度。当电解质处于熔盐状态时，氧化钕在其中的溶解度约为4%1。（3）槽型结构，不同的槽型会使电解效率产生差异。（4）原料粒径。粒径越小，越易熔解，反应越易进行。（5）随着电解过程的进行，难免会有有些非稀土杂质的混入。电解中的非稀土杂质的混入方式各异，其中电解槽的防护盖板上铁屑的脱落、搅拌器在搅拌过

9、程中铁屑的脱落以及随着电解的进行阳极上的导电环中含铁元素的脱落，除此之外，由于电解槽槽壁所装的耐火保温材料在电解过程中也会脱落，这些都是非铁杂质的混入方式2。杂质的存在十分不利于电解，不仅会引起短路打弧现象，还会造成电解质中碳含量的上升，进而使得电解槽中废渣含量上升，最终导致电解钕的纯度不够和质量不达标3。在稀土钕的制取中，包头稀土研究院率先研制了3kA 氟氧化物混合体系稀土电解槽4。但是一直以来困扰学者和生产厂家的问题是稀土电解槽槽体底部容易堆积结瘤，而且在电解过程中稀土钕的电解效率并不高。稀土电解事业发展至今关于结瘤物的报道不少，但是关于在电解过程中结瘤物的形成过程以及存在状态，并无太多报

10、道，相比之下研究更多的是关于对铝、镁等轻金属在电解中的结瘤，这方面的报道也较多一些，对我们研究稀土电解过程中的结瘤现象有一定参考价值。方晓春5等在实验室中对氯化镁的电解进行了研究，通过实验研究发现O、Ti等的混入会对电解过程产生影响，他们在实验中得出的一些指标对实际工业生产具有很好的参考意义；杨海兰6等人在实验中做了有关铜的电解实验，通过一系列的对比实验探究了在混杂质在铜的电解过程中的来源以及分布情况，从中发现在整个电解过程中，杂质铁是一直存在的，并分布于各种产物中，此外混入的还有杂质砷，其主要存在于砷和锑的杂质物中，另外他们的实验为解决电解铜过程中杂质元素的分离具有很好的参考价值；沈阳市的铝

11、镁设计研究院的王玉彬7等人对铝的电解过程进行了实验探究，他们的实验主要研究了随电解过程的进行阳极棒是否会产生杂质，发现在电解过程中阳极棒的脱落会掺混一定的杂志物，创新性的提出在制作阳极棒的时必须控制好杂质含量，使其处于一个合理可控的范围之内，并且在制取过程中需要尽量降低阳极棒中钠元素的量；张雪娇8等人利用数字模拟的方法研究了阳极棒上的脱落物碳颗粒的行为，并探究了其在随电解过程进行中的运动规律，提出了新的电解槽除杂方法以及控制结瘤的产生的新思路，为实际工业生产提供了合理并有价值的指导，但是他们的研究没有考虑电解前所加原料氧化钕对电解过程的影响。郭海涛9等人对3kA钕电解槽电解进行中所产生的炉底结

12、瘤物进行了测试，测试指标及表征手段主要为：岩相分析、X 射线衍射以及化学成分测定。分析实验数据得到结瘤物成分为氧化钕、氟氧化钕、氟化钕，以及少量的金属钕，并发现结瘤物的主要成分为氧化钕。在研究稀土电解过程任然存在一些缺陷比如由于电解过程中的温度比较高，实验所需原料均为稀土成本过于昂贵，因此会使得实验的次数不是很多，实验直接得出的结果具有一定的误差和偶然性。因此在实验的基础之上通过数值模拟的方式研究了稀土电解槽底部结瘤的形成问题，既能弥补实验次数少所带来的偶然性和误差，也能在抑制炉底结瘤物、提升原料利用率、进一步提高电解效率，二者可谓相辅相成。1模型的建立11电解槽及参数设置本文对3kA钕电解槽

13、进行仿真模拟，这种电解槽为阴极上插式稀土电解槽，阴极插入电解槽中间做主轴，使槽型呈对称分布，阴阳极套筒所环绕在阴极周围。距离阴极下部一定距离的收集器用来收集稀土金属。电解质为Nd2O3-NdF3-LiF熔盐体系，电解过程主要控制LiF加入量在11-17%之间10。电解过程通直流电，所需温度由直流电产生电场来维持，此次电解过程并无保护气体参与。下图1为电解槽的槽型结构示意图。 1电解质 2金属收集器 3稀土金属 4阴极 5阳极筒 6杂质物 7石墨坩埚图1电解槽示意图电解槽槽型参数设置：表1 槽体的尺寸参数表2 工艺参数电流效率温度电压成份密度粘度张力3KA80%105010VNdF3-LiF-N

14、d2O33.85103Kg/m34.9510-3PaS2.651N/m本次仿真模拟所用软件主要为Fluent商业模拟软件，主要使用的是其中内嵌的多相流模型，该模型具体又包括VOF、欧拉和混合模型三种最基本模型11-12。由于本次模拟需要研究颗粒在电解槽中的运动情况，需要对模型进行离散化处理，常用的处理方法为欧拉-拉格朗日法，用到的模型为DPM模型13-14。1.2几点假设为了使仿真模拟更好进行下去，需对本次电解过程作如下假设:（1）使用欧拉多相流模型研气液两相中颗粒的分布；（2）将阳极气体等效为粒径一致的标准刚性球体分子；（3）电解过程中流场不受颗粒运动的影响；（4）电解过程中所有固体颗粒均等

15、效为光滑均匀小球并且随电解进行不会在流场中发生任何反应；（5）此电解过程中，由于时间较短，可忽略电解过程中阳极棒的消耗。1.3数学模型流场运算过程中需要使用物理公式，本次模拟计算需要用到的物理公式主要有连续性方程、动量方程、k-湍流双方程，将前面三个方程经推导整合为一个通用方程: （式1）（1）式中，为密度， 为横坐标，为速度。当电解开始时，电解质颗粒在电解槽中运动，主要受重力、浮力、曳力。其次在电解过程中还会受重力、巴塞特力、压力梯度力、萨夫曼升力等一些附加作用力15。在本次模拟中，下料过程中颗粒的主要作用力为：重力、曳力、浮力，由于其他附加作用力与主要作用力相比，不在一个数量级别，故可以忽

16、略。为了便于研究，把氧化钕颗粒等效为粒径一致的光滑小球，受力分析如下图。图2氧化钕颗粒受力分析图根据受力分析图结合平衡条件，列出颗粒的运动方程：（式2）2式中，为流体密度，用来表征流体的分子粘性系数，CD为曳力系数，Fx表示颗粒x轴向上受到的合力。1.4边界条件模拟过程对边界设定如下几个条件：（1）将气体的进气口和速度进口设在阳极内表面，大小为0.0035m/s，进口气体为一氧化碳；出口位于槽体顶部，输出一氧化碳、二氧化碳的混合气；（2）在对近壁面参数及方程的设置中采用标准壁面函数法。（3）规定对称边界变量梯度为零；（4）在整个过程中假设固体壁面无边界滑移现象。自由表面边界： （式3）对称轴边

17、界： （式4）固体边界：u=0，v=0，=0，=0 （式5）2 改变电极插入深度时颗粒运动轨迹的模拟通过改变电极插入深度，模拟随电解槽中不同情况下流场的运动情况。随模拟进行流场会趋于稳定，接着对不同粒径颗粒在下料过程中的运动轨迹进行模拟。然后，研究改变阳极套筒的半径来模拟电解槽流场运动。待流场稳定后采取同样的办法模拟颗粒的运动轨迹。2.1电极插入不同深度时的流场分布情况保持极间距不变，通过对电极插入深度为 150mm，185mm，220mm，255mm，280mm 五种插入深度的模拟，研究了流场和颗粒运动的情况。(a) （b）(c) (d)(e)图3 电极插入深度150(a),185(b),2

18、20(c),255(d),280(e) mm Z轴截面流场云图分析上述图3的流场云图可知，在电解过程中当电极的插入深度由150mm不断增加时，相应的会有阳极气体不断产生并冒出，具体表现为在横向表面上相应延长，两极之间的旋涡下移。气体的运动也会导致电解槽内电解质的流动区域相应变广，表现在流场里就是使得流场的扰动不断增强，随着电解的进行，相应的变化可加速颗粒熔解，这样就可使得氧化钕颗粒在电解质中及时熔解，避免了其来不及熔解就沉入电解槽底部形成渣，很好的解决了过程中的造渣难题，进一步提高原料利用率不高和电解效率。不断下插阴极致其深度超过220mm时，两极之间的漩涡不断下降，此时流场运动不断增强，导致

19、金属钕的纯度降低。综上，电极最优插入深度为220mm，此时原料利用率和电解效率最高。2.2颗粒轨迹的模拟研究(a) (b) (c) (d) (e) 图4电极插入深度为150(a),185(b),220(c),255(d),280(e) mm颗粒运动轨迹图从图4可知，电解开始后，不断增加电极在电解槽中的插入深度，等粒径颗粒的运动距离相应的逐渐变远，但是运动轨迹都相同为半弧形。当电极进入液面很浅时，会有流体旋涡形成，并且此时的旋涡处在液面附近。随下料过程的不断进行，氧化钕颗粒不断熔于熔融的电解质中，这就会在电解槽中不断发生强烈的流体回流运动，这对大颗粒氧化钕颗粒的熔解是非常不利的。由图4五幅图可知

20、，随着电极的插入深度不断增加，颗粒的粒径会由于熔解消耗逐渐变小，由电极插入深度150mm时的熔解消耗量0.3mm逐渐增大，最终增大到电极插入深度280mm时熔解消耗量2.5mm。随着电极插入深度的不断增加，阴阳两极颗的纵向界面之间不断加大，所以颗粒的运动空间不断增大，此时对颗粒的熔解消耗是有利的，使氧化钕颗粒电解更加完全，更好的提高原料利用率和电解效率。但是当电极插入深度达到一定值时，阴阳极底端会不断靠近金属收集器，流场旋涡也会向下运动从而对金属钕的收集产生不利影响，使得电解完全的金属钕和电解不完全的原料参混在一起，降低了金属钕的纯度。综上，通过对以上五种不同工况的仿真模拟，得到电极插入深度为

21、220mm、临界粒径为0.8mm时，为电解进行的最优条件，此时原料利用率和电解效率是最高的。同时，这个条件下对控制槽体底部结瘤物的形成是最有利的。图5 粒径0.05mm和0.3mm在X方向的偏移距离电极的插入深度为150mm和280mm时本次仿真模拟的极值工况条件，为了更好研究合理条件，故本次选取剩下三个工况条件来研究颗粒在x方向运动上运动时的偏移距离。由图5可知，当电极插入深度相同时，颗粒的运动轨迹是大致相同，只是其中粒径较大颗粒会运动的更远一些。当颗粒的粒径相同时，颗粒运动距离随电极插入深度的增加而增加。粒径越大，颗粒的运动距离越远。当颗粒粒径超过临界值以后，颗粒在重力作用下会运动到电解槽

22、底部。当氧化钕颗粒的粒径超过一定值后，重力的影响更为明显，致使氧化钕颗粒近乎垂直落入金属收集器。3结论采用3kA电解槽槽型，通过模拟氧化钕颗粒在流场中的运动情况，得到当颗粒粒径处于临界粒径范围内时，氧化钕颗粒的粒径不断增大时，颗粒的运动距离相应的逐渐变远，但时不同粒径颗粒的运动轨迹基本相似。其次进一步模拟了电极不同插入深度下颗粒的运动情况及影响。通过五种不同插入深度的模拟，分别为电极插入深度150mm，185mm，220mm，255mm，280mm，发现随着电极插入深度的不断增加，颗粒的临界粒径也不断增大，并且运动距离也会相应的变得越远，但每种工况下的运动轨迹基本相似。通过上述模拟，得出最优条

23、件为电极深度220mm、临界粒径0.8mm，此时原料利用率和电解效率都最高，此条件也是降低槽体底部结瘤物的形成的最优条件。（3）在电解过程中，随电极插入深度的不断增加，临界粒径值也相应的增大。当粒径小于临界粒径时，颗粒物的运动轨迹大体相似。当电极插入深度不超过220mm时，随着电极插入深度的增加电解效率相应增大，当电极插入深度超过220mm时，反倒会影响电解生成物钕的纯度。通讯作者：刘中兴( 1963-) ，男，河北石家庄市赵县人，教授，博士，冶金过程的数值模拟，传输过程数值模拟，稀土火法冶金过程优化。参考文献1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，2015.2张选旭.电解法生产金属钕中非稀土杂质分析J.江西有色金属,1998（3）:3-53郭海涛,高俊梅,张小琴.3 kA钕电解槽炉底结瘤分析J.包头钢铁学院学报,2003（4）：310-3124张志宏,梁行方,琚建勇.我国氟盐体系氧化钕电解制备金属钕技术现状及进展J.有色冶炼,2001（2