1、第 卷 第 期 年 月中国有色冶金 不同保温层厚度下稀土电解槽电热场分析逄启寿，刘 胜，万福兴（江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州）摘 要 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 稀土电解槽为研究对象，利用 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
2、，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 时，阴极表面电流密度达到最大值，即.，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 时，电解槽的电解效率最高。关键词 稀土电解槽；保温层；厚度；数值模拟；电场；温度场；电解效率；钕中图分类号 文献标志码 文章编号（）：收稿日期 作者简介 逄启寿（），男，山东潍坊人，教授，主要研究方向为稀土冶金设备。通信作者 刘胜（），男，江西赣州人，硕士研究生，主要研究方向为稀土冶金设备。引用格式 逄启寿，刘胜，万福兴 不同保温层厚度下稀土电解槽电热场分析 中国有色冶金，（）：中国是全球
3、最大的稀土金属生产和消费国家。截至 年底，全国稀土金属需求量已经达到.万。并且，市场对于稀土金属的需求量也在逐年增加，特别是随着电动汽车的快速发展，稀土金属镨、钕、镝的需求量增长最为明显。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，其中电解槽是该方法的主要设备。张恒星等研究了阴极腐蚀及阴极结构对电解槽电流密度的影响，发现采用半球型阴极结构电解槽电场分布更加均匀。伍永福等和逄启寿等 研究了电解槽不同阳极倾角、阴极直径、极间距以及阴阳极插入深度条件下电解槽的三维电热场分布，得到了电解槽电解过程中最佳阳极倾角、阴极直径、极间距以及阴阳极插入深度。龚姚腾等通过正交试验，得到了电解槽电解效
4、率最高时各因数组合条件。冯羽生等和王亮等通过研究温度和电解效率的关系，证明温度是影响电解效率的重要因素，电解温度过高或过低均会对电解效率、电能消耗、槽体使用寿命等产生重要影响。由上述可知，电解槽保温层是影响电解温度的重要条件之一，研究稀土电解槽保温层厚度不同对温度场和电场的影响是非常有必要的。本文是以某企业 稀土电解槽为研究对象，利用 软件，模拟稀土电解槽保温层厚度不同的情况下电解槽的温度场和电场分布，通过分析温度场和电场的分布及变化规律，探索稀土电解保温层的最佳厚度，为稀土电解槽优化设计提供依据。模型构建.稀土电解槽温度作用机理目前，制备稀土金属钕主要采用氧化物氟化物熔盐电解法，电解质熔盐体
5、系由、和等 种化合物组成，熔盐电解质各组分占比不同，熔盐电解质的初晶温度、密度、电导率等物理性质也会千差万别。同时，熔盐电解质的各物理性质还会随电解温度变化而变化，在电解过程中电解温度改变，熔盐电解质的相关物理性质也会发生改变。查阅相关文献，得到熔盐电解质电导率和密度与各组分质量分数和温度之间关系的相关回归方程式（）（），用回归方程定义电解质熔盐的物理参数能够使仿真结果更加准确。.（）式中：为电导率，；为 质量分数，；为 质量分数，；为 质量分数，；为电解温度，。.（）式中：为熔盐密度，；为 质量分数，；为温度，。从上述电导率与密度公式可以看出，随着温度升高，电导率、密度变大，电解槽的电解效率
6、增加，所以研究温度对电解槽电解效率影响是非常有必要的。由于稀土氧化物熔点较高，在电解过程中需要保持较高温度，温度过低容易造成熔盐电解质凝固，破坏稀土电解过程，因此，在电解槽外部区域设置保温层结构，防止电解槽热量散失过快。.稀土电解槽结构 稀土电解槽结构主要组成为槽盖、阳极、阴极、石墨坩埚和保温层 个部分，其结构如图 所示。图 稀土电解槽结构 电解槽在实际生产的过程中，首先使用打弧机起弧，使电解槽内熔盐电解质温度逐步上升，达到所需温度时，在阴阳极两端通入直电流，熔融的稀土氧化物在阴极与阳极之间发生电解反应，生成稀土金属单质，稀土金属密度大于熔盐电解质密度，因而逐渐沉降，最终落入金属收集器中。电解
7、槽阴阳极相关参数如表 所示。由于硅藻土砖具有质量轻、耐高温、保温性能好等特点，经常被用作工业炉窑保温层的材料，稀土电解槽的保温层采用此种材料砌成。硅藻土砖各参数指标如表 所示。表 稀土电解槽阴阳极相关参数 参数常压热容（）热导率（）电导率（）密度（）阴极.阳极 表 硅藻土砖各项指标 型号体积密度（）常温耐压强度 材料最高允许温度 热导率（）.电解槽几何模型构建电解槽二维结构简图如图 所示。由于电解槽结构具有对称性，为简化模型，取其一半为研究对象进行三维模拟仿真，运用 软件，画出电解槽三维结构，如图 所示。电解槽保温层的保温性能主要由其材料和结构决定，在材料不变的情况下，通过改变保温层的厚度，研
8、究在不同厚度 下电解槽的温度场和电场分布。图 电解槽二维结构示意 .电解槽边界条件及假设）阳极通入电流 。）阴极为基础电位，电压定义为 。）熔盐电解质表面温度采用第一类边界条件，即边界温度为固定值 。年 月第 期 逄启寿等：不同保温层厚度下稀土电解槽电热场分析图 电解槽三维结构示意 ）对称轴以及熔盐表面设为热绝缘，电流的法向分量设为。）底部金属液体由阴极缓慢降落至槽底，呈稳定状态，温度相对恒定，设置为第一类边界条件 。）电极与熔盐的接触面采用第三类边界条件，取值为经验对流换热系数。）保温层外部边界条件为自然对流，外部温度设置为.。）电解槽炉体外壳采用薄层边界，层类型取为热薄近似。根据实际的生产
9、经验，可以得到电解槽保温层厚度 的取值范围在 ，取 值分别为、，应用 多物理场耦合软件对 稀土电解槽进行热电耦合仿真，得到在不同 下电解槽温度场和电场的三维分布图。数值模拟及结果分析.温度场分析）稀土电解槽三维温度场分布如图 所示，可以看出：电解槽温度分布由里向外逐渐减小，电解区域温度最高，保温层温度最低，最低温度出现在保温层外壁面。这是由于稀土氧化物在电解区域电解时产生了大量的热量，热量通过石墨坩埚和保温层向四周传导，越往外热量散失越快。从图 可以看出石墨坩埚两壁面温度差为 左右，保温层两壁面温度差为 左右，保温层壁面温度差要远大于石墨坩埚壁面温度差，这表明电解槽在电解过程中石墨坩埚和保温层
10、均具有一定的保温性能，其中保温层结构起主要保温作用。图 电解槽三维温度场分布（）（）不同保温层厚度下稀土电解槽电解区域的温度场分布如图 所示，可以看出电解区域垂直温度分布，由上往下温度值先增大后减小，最高温出现在阴阳极中间偏上区域。这是由于阴阳极之间区域是电解槽的主要电解区域，电流流经该区域，电解稀土氧化物产生大量的焦耳热和电化学热。电解槽采用上插式结构，熔盐电解质上表面与空气接触，散热较快；阴阳极下部为金属接收区，较多的热量传导到金属接收区，再通过槽底将热量传导到地面；总体上来说熔盐电解质上部与空气接触散失的热量要大于下部传导到地面损失的热量。如图 所示，从两边往中间电解槽水平温度逐渐增大，
11、中间温度最高，由于电解产生的热量通过保温结构向四周传递，越往外热量传递越快，温度越低。稀土电解槽模拟温度场分布符合真实温度场分布规律。）从图 可以看出，随着电解槽保温层厚度的中中 国国 有有 色色 冶冶 金金冶炼工艺图 不同保温层厚度 值下电解区域的温度场分布 增大，电解区域温度逐渐升高，最低温度从 上升到 ，最高温度从 上升到 ，表明随着保温层厚度增大电解槽的保温性能得到了显著的提高；同时，随着电解槽保温层厚度的增大，最高温度区域面积逐渐增大，电解区域的温度梯度逐渐减小，熔盐电解质的温度差从 下降到了，电解区域温度场分布更加均匀。这是因为随着保温层厚度增加，电解区域温度随之增大，熔盐电解质黏
12、度减小，在磁场力作用下，熔盐电解质的流速增大，传热加快。.电场分布）改变稀土电解槽保温层厚度，对电解槽电场进行仿真模拟，得到不同保温层厚度下电解区域的电流密度分布，如图 所示。可以看出，电解槽电解区域的电流密度从阳极到阴极逐渐增大，最大电流密度出现在阴极底边。在电解过程中，电流从阳极流向阴极，阳极表面积要远大于阴极表面积，表面积越大电流密度越小。电解槽使用圆柱形钨钼棒作为阴极，其底面存在着圆形边角，圆形边角表面积很小，从而导致阴极底边电流密度很大。稀土电解槽模拟电场分布符合真实电场分布规律。）稀土电解槽不同保温层厚度下的阴极表面电流密度变化曲线如图 所示，由图 可以看出，当保温层厚度在 时，随
13、着保温层厚度的增加阴极表面电流密度先小幅减小后增大，阴极表面电流密度整体呈现快速上升的变化趋势。在保温层厚度 时，阴极表面电流密度达到最大值.。这是由于随着稀土电解槽保温层厚度增大，熔盐电解质温度升高，黏度减小，稀土氧化物在熔盐电解质中的溶解度增大，熔盐电解质离子浓度增加，流速加快，从而导致流经熔盐电解质的电流增大，阴极表面电流密度上升。当保温层厚度在 时，随着保温层厚度增加，阴极表面电流密度整体呈现快速下降的变化趋势，在保温层厚度 时，阴极电流表面电流密度达到最小值。随着稀土电解槽保温层厚度的增大，熔盐电解质的温度快速上升，温度越高，电阻越大，当温度超过一定值时，熔盐电解质电阻快速增大，流经
14、熔盐电解质的电流减小，阴极表面电流密度下降。综合条件验证对温度场分析可以得到，随着保温层厚度增大，熔盐电解质温度持续增加，温度梯度减小，温度场分布更加均匀，有利于稀土氧化物的电解。但温度过 年 月第 期 逄启寿等：不同保温层厚度下稀土电解槽电热场分析图 不同保温层厚度 值下电解区域的电流密度分布 图 不同保温层厚度 值下阴极表面电流密度变化曲线 高会使电解出来的稀土金属重新熔解，产生二次电化学反应，减小电解效率。由实际生产经验可知，稀土氧化物最佳电解温度为 。当保温层厚度为 、时，阴阳极之间电解区域温度分别为 、，接近最佳电解温度。对电场分析可以得到，随着保温层厚度增加，阴极表面电流密度整体变
15、化趋势是先增加后减小。当保温层厚度 时，阴极表面电流密度达到最大值。在电解过程中，电流从阳极流向阴极，阳极为电流输入端，表面电流密度保持不变，阴极表面电流密度越大，阴阳极之间电解区域的电流密度越大，越有利于稀土氧化物的电解。对电解槽温度场和电场综合分析可以得出，稀土电解槽保温层最佳厚度为。为对模拟结果进行验证，采用不同保温层厚度的稀土电解槽进行试验，在试验过程中，选用 作为电解质，各组分质量占比分别为 。为减小试验误差，选用全新且相同的石墨阳极和钨钼阴极，阳极输入电流维持为 。通过试验得到在不同保温层厚度下稀土电解槽的生产率，如表 所示。可以看出当保温层 时，电解槽的生产率最佳。表 不同保温层
16、厚度 值下稀土电解槽的生产率 保温层厚度 生产率（）.结论采用 软件，模拟了 稀土电解槽在保温层厚度不同的情况下温度场和电场的分布，得到如下结论。中中 国国 有有 色色 冶冶 金金冶炼工艺）对稀土电解槽温度场进行分析可知，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。）根据对稀土电解槽电解区域温度场分析可知，电解槽电解区域垂直温度分布由上往下先增大后减小，水平温度分布从两边往中间逐渐增大。并且随着外保温层厚度增大，电解质温度增加，温度梯度减小，电解区域温度场分布更加均匀。）根据对稀土电解槽电解区域电场分析可知，电解槽电解区域的电流密度从阳极到阴极逐渐增大，最大电流密度出现在阴极底边。并且随着保温层厚度增加，阴极表面电流密度先增大后减小，在保温层厚度 时，阴极表面电流密度达到最大值.。）通过对电解槽温度场和电场进行综合分析可知，当电解槽保温层厚度 时，电解槽电解区域温度接近最佳电解温度，阴极表面电流密度达到最大，电解槽电解效率最高。因此，稀土电解槽最佳保温层厚度为 。参考文献 代涛，高天明，文博杰 元素视角下的中国稀土供需
