阴极对稀土电解槽电场影响的数值模拟

2019-03-28

制造业自动化 2019年3期

（江西理工大学机电工程学院，赣州 341000）

0 引言

稀土元素因其优异的特性被广泛应用，目前稀土金属及其合金的生产主要靠小型稀土电解槽电解生产，但生产量少且品质较低，已不能满足大规模的工业生产的要求，稀土电解槽已经由传统的3kA、5kA、6kA、8kA的小型电解槽向着万安级以上的大型电解槽转变。

电解槽中存在较多、复杂的物理场，而且相互影响。电场是整个槽内物理场的基础场，研究[1～10]中对不同工作电流下电解槽进行了二维流场、电场模拟研究，但是对10kA类跑道式稀土电解槽三维电场研究较少。本文以赣州地区某企业10kA稀土电解槽为研究对象，建立1/4电解槽三维模型，运用COMSOL软件对稀土电解槽内不同阴极插入深度和阴极直径下三维电场进行模拟计算得到其分布情况，分析不同情况下的模拟结果，为稀土电解槽进一步的结构优化提供了参考，提高生产效率，降低稀土金属的生产成本。

1 数学模型的建立

1.1 几何模型

本文以江西省赣州市某企业10kA稀土电解槽为实际的研究对象，其槽形结构为类跑道式电解槽，电解槽槽体为方形石墨槽体，最大工作电流10kA。电解槽槽体结构示意图如图1所示。由于电解槽轴对称，为了简化计算，取电解槽的四分之一为研究对象。

图1 10KA稀土电解槽结构示意图

1.2 控制方程

稀土电解槽内熔盐电解质为一个静电场，在整个电解的过程中，熔盐电解质中的阴、阳离子的总数是相对平衡的，稳定进行电解时，电解槽内的阴极区、阳极区以及其他区域都是呈电中性的，其导电部分的微分方程用拉普拉斯方程表示为：

其中：A为自定义的标量单位，V；I为电解槽的工作电流，A；R为熔盐电解质的电阻，Ω；σ为熔盐电解质的电导率，。

1.3 对电场计算前所作的假设

1）稀土电解槽为一个轴对称的结构，固假设其槽内三维电场的分布也是轴对称的；

2）电解槽在制造与工作的时候，均使用了绝缘性较高的绝缘材料，接线处接线良好，电解工作时不会存在漏电现象，固假设其电流完全从石墨阳极与钨阴极中流过，中间过程没有消耗；

3）忽略电解产生的阳极气体在电解质中的上升运动对电场产生的影响；

4）忽略阴极电解产生的稀土金属单质的沉降运动对电场产生的影响；

5）将石墨坩埚、石墨阳极、钨阴极视为等势体。

1.4 电场计算时的边界条件

1）电解槽电解工作时，电流从石墨阳极流入，进行求解计算时设置阳极流入的电流为10000A；

2）电解槽电解工作时，电流从钨阴极接整流器负极，进行求解计算时设置钨阴极为基础电位，电压值为0V；

3）石墨坩埚与导电设施之间已经绝缘，与熔盐电解质相接触的坩埚内壁可视为绝缘体，其表面电流密度为0；

5）熔盐电解质内部呈现电中性，自由电荷密度ρ=0 ，简化泊松方程为拉普拉斯方程，∇2A=0。

2 仿真结果分析

2.1 不同阴极插入深度时三维电场的仿真分析

图2为阴极不同插入深度下的三维电场分布图，从图中可以看出稀土电解槽的电场的分布分为四个区域：阳极高压区域、阴极低压区域、阴阳极之间的电解区域以及收集稀土金属单质的底部收集区域；随着阴极插入深度的增加，其电场分布基本不变。

阴极插入深度为350mm时，电解槽熔体电压为10.345V；插入深度为400mm时，电解槽熔体电压为9.015V。随着阴极插入深度的逐渐增加，稀土电解槽的槽压在逐渐降低。这是因为阴极的插入深度增加，与熔盐电解质相接触的阴极表面积增加，在电解槽输入电流相同的情况下，导致阴极的电流密度减小，使得电解槽内电解反应变缓，使得电解槽内熔体电压降低，使得电解槽内发热量降低，降低电解效率。

从图中还可以看出随着阴极插入深度的增加，底部的金属收集器区域电压在逐渐降低，与槽压的变化一致。底部电压较高，电势线相对来说比较密集，会不利于稀土金属单质的收集，因此较小的阴极插入深度不利于槽内的稀土的电解。

图2 不同阴极插入深度下的电场分布图

图3为稀土电解槽电流密度分布图，从图中可以看出电流密度主要存在于阴阳极之间，在阳极附近较低，阴极较高，其中阴极底部最大，即阳极电流密度小，阴极电流密度大，电流密度从阳极至阴极逐渐增加；在底部收集器区域以及石墨坩埚内壁与阳极之间没有电流密度。这主要是因为电流从阳极流入、从阴极流出，电流没有经过底部收集器区域及其他区域，阴阳极之间的区域为电解的主要发生区，在其他区域发生电解的可能性很小，所以电流密度主要存在于阴阳极之间。

图4为阴极不同插入深度下的电流密度曲线图，从图中可以看出随着阴极插入深度的不断增加，电解槽内的电流密度先增加后减小，在插入深度为380mm时达到最大。在一定的情况下，电流密度值越大，越有利于稀土的电解。综上所述阴极插入深度为380mm时，是稀土电解槽的最佳阴极插入深度。

图3 稀土电解槽电流密度分布图

图4 阴极不同插入深度下的电流密度曲线图

2.2 不同阴极直径时三维电场的仿真分析

图5为稀土电解槽不同阴极直径下的三维电场等值面图，从图中可以看出阴阳极间电势等势面的层数较多、较为密集，阳极电势高，阴极电势低，而阳极至阴极与阴极中间的区域电势等势面较少，且较为稀疏，阴极与阴极中间的电势不为0V，阴极与阴极中间相对的阳极至两侧阴极间电势等势面齐全。这说明阴极与阳极之间为电解的主要发生区，电解反应剧烈；阳极与两侧的阴极之间也发生电解，由于其距离较远，所以该区域电解反应较为平缓。

从图中可以看出随着阴极直径的增加，电解槽阴阳极之间的电场没有太大变化，而阴极处的低压区域增大，底部的金属收集器区域出现一些扰动，阴极底部的电场向金属收集器区域延伸。电解槽内低压区域过大，这样会导致电解槽内发热量不足，电解槽温度过低，难以维持电解所需要的温度，会使得熔盐电解质呈现粘稠状，不利于稀土金属的沉降与阳极气体的逸出，造成电解效率低下，严重者会使得电解停止；阴极底部的电场向金属收集器区域延伸严重，不利于稀土金属单质的沉降。

观察图中左侧阴极向底部金属收集器延伸区域，直径为50mm时，延伸过大，底部电势较高；随着阴极直径增大，该区域先减小后增大；在直径70mm时延伸最小，电势也较低。

图5 不同阴极直径下的三维电场等值面图

图6为不同阴极直径下的电流密度分布曲线图，从图中可以看出电流密度在阴极直径为70mm时达到最大，且电流密度值远大于其他阴极直径的情况。阴极直径在80mm时电解槽电流密度出现急剧下降，说明阴极直径过大，电解槽内稀土电解工作受到了阻碍，槽内电压下降严重，使得槽内的发热量不足以维持现有的稀土电解工作，电解效率下降。综上所述，70mm时是电解槽内最佳的阴极直径。