2.1 不同阴阳极圆心距温度场模拟结果分析
根据文献[5]的结论,在最佳极间距为75 mm、电极与电解槽底部距离为150 mm的基础上,对不同d值下电解槽内部温度场进行模拟.如图3所示,d=0时,高温区位于右侧阴极与阳极之间的区域[14].
在同样大小电流的情况下,原则上电极表面电流密度越大,电解槽发热量越大.适当大小的电流密度有利于电解反应的快速进行; 但过小的电流密度容易导致电解槽达不到电解温度; 过大的电流密度使得电解槽升温迅速,电解产生的金属发生熔解不利于导电,从而降低电解效率.
如图3所示,电解槽的最高温度区位于右侧阴阳极之间,而其周围区域的温度由该区域向各方向逐渐减小.这是因为圆弧状阳极与附近阴极相互作用较大,该部分电解质中电流强度更大,而其他阴极附近,电流强度较弱,发热量也相对较小.从电极底端到电解槽底部,温度呈一定的梯度均匀减小,是由于该区域几乎没有电流通过,而电解质又通过槽底不断地向大地通过导热的方式散热,因此温度均匀递减.
图4 不同圆心距d值下的温度场分布图
Fig.4 Temperature field distribution diagram with different center distance d
为了获得温度分布均匀、高温区尽量扩大且电解质区域尽可能扩展的电解槽,故考虑将阴极1和4向电解槽中间移动,并保证阴极2和3与两侧阳极的最佳距离不变(75 mm),观察温度场分布的变化趋势.
如图4所示,对不同d值(4,10,16,22,28,34,40,43 mm)的稀土熔盐电解槽内的温度场分布进行模拟,得到不同d下的温度场分布模拟结果.从图4中可以看出:
1)随着d值的增大,即最右侧阴极4不断地左移,左侧阴极3附近开始出现高温区,随后高温区继续扩大,与右侧的高温区连在一起; 然后该区域向上下延伸,使电解槽中部形成一个大的等温面,直至等温面几乎水平且延伸至对称轴附近区域.
2)随着d值不断增大,不断有高温等值面从左侧阴极产生,并与右侧等值面相连,在d=28 mm时,左侧阴极出现了与右侧部分相等的等温面; 而后该最高等温面不断向四周扩大,逐渐与右侧最高等温面连接,d=34 mm时,左右两侧高温区大小形状几乎相等; d继续增大,从右侧阳极及对称轴平面可以发现,其他等温面开始向中间部分缩小即电解质高温区域整体开始逐渐减小,且右侧阴极最高温等值面也开始缩小,而左侧最大等温面却开始增加.
3)随着d值的增大,右侧阴极的最高等温面逐渐从阳极表面脱离,慢慢地向电解槽中心移动,直至右侧阴极中心区域.
4)最佳电解槽温度场分布的d值为34 mm和40 mm.
由以上结果可知,当d的变动微小时,电解槽内的电势和电流密度分布变化不明显,因此其对电解槽内的温度场影响较小.耦合前电场分布只与设置的起始电流有关; 耦合后由于电场与温度场的相互作用使得电势梯度增大,再加上电流在该电解槽内的分布特性以及不同材料在导电性上存在差异,导致了电解槽内各部分产热不均匀,致使电解槽内各导电材料在不同温度下具有不同的导电率,其影响也相对较小.因此可得到结论:在最优条件下的各因素的微小变动对温度场的影响也变得相对较小; 高温区的移动变化主要受d值对高温区的牵引作用所致.
2.4 综合分析
影响稀土氧化物电解过程的主要因素之一是电流密度,提高阴极电流密度有利于金属的析出,从而提高电解效率.由此可见,在不改变电解槽其他结构参数,只改变阴阳极圆心距的情况下,需尽量选取高的电流密度以提高电解槽内电解效率[5].另外,耦合高温区合理的温度分布能保证在电解稀土金属时不出现中途凝固的现象,有利于液态金属的流动,也有利于提高金属的生产效率[6].因此,稀土电解槽的最优阴阳极圆心距的确定要综合考虑各种因素.
通过上述不同d值下的电流密度、电场和温度场分析,在不同d值下的电场均满足电解条件时,稀土电解生产效率最佳时应为下列两种状态之一:
1)在d=6 mm取最大电流密度时,此时温度场不是最佳状态.
2)在d=34或40 mm时,电解质温度分布最合理,此时电流密度也在该区域达到极大值,但不是最大值.
通过现场调节阴极棒获取不同d值下的稀土电解生产率见表1,验证了d=34 mm时稀土电解槽的生产效率最佳.
表1 不同d值下稀土电解生产率
Tab.1 Rare earth electrolysis productivity under different d
2.5 模拟结果与前人研究结果对比
为验证耦合后电场、温度场的合理性,将本研究的模拟结果与前人的研究结果进行了对比.对于电场方面的研究,王海辉等[5]以与本研究相同的15 kA 稀土电解槽为模拟原型,以电解槽阴极中心轴右侧1/4为研究对象(槽体以阴极中心轴处左右对称),利用COMSOL多物理场耦合软件建立了流场-电场耦合模型,找出了最优极间距下的电场状态,使该电解槽的结构得到了优化; 其关于电场的计算结果与本文中关于电场的耦合计算结果趋势相同,电场电势波动不太明显.对于温度场方面的研究,王海辉等[2]同样采用与本文中相同的15 kA 稀土电解槽为模拟原型,研究发现稀土熔盐电解槽内最高温度主要存在于两阴极之间及阴阳极之间,说明该区域是电解的主要发生区; 其关于温度场的计算结果与本文中关于温度场的分布趋势基本相同,只是由于阴阳极圆心距的不同,电解槽阴极的最高等温面逐渐从阳极表面脱离,慢慢地向电解槽中心移动,使得温度场分布更加优化,相比之下本研究的模拟结果更加接近生产实际.综上所述,本研究耦合得到的电场、温度场具有较高的精确度,更加贴近实际.