【摘要】：稀土熔鹽電解槽主要用于制備稀土單一金屬和合金,而傳統(tǒng)的稀土電解槽因容量小產(chǎn)量低不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)要求,因此本文所設(shè)計的15KA稀土電解槽不僅能滿足單一稀土金屬的市場需求,也可解決小型電解槽分布散亂、電解性能不好等問題。本文以國家離子型稀土資源高效開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心所需15KA稀土電解槽為設(shè)計研究目標(biāo),結(jié)合部分已知參數(shù),通過輔助仿真設(shè)計軟件對電解槽進(jìn)行槽型的設(shè)計與結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正,具體內(nèi)容如下:(1)根據(jù)設(shè)計需求對15KA電解槽槽型進(jìn)行研究,確定該15KA電解槽的結(jié)構(gòu)形狀,并由已知總電流、電流密度等參數(shù)計算電解槽內(nèi)陰極與陽極的尺寸范圍。運(yùn)用SolidWorks,建立該電解槽各部位的三維模型圖。(2)采用有限元分析法,對稀土電解槽內(nèi)部電場進(jìn)行三維仿真模擬。電場分布大致可以分為3個區(qū):陰極區(qū)、陽極區(qū)、坩堝收集金屬區(qū),陽極附近電勢幾乎相等,陰極附近電位等勢線最為密集,電流集中由陽極流向陰極,而電解槽底部坩堝收集區(qū)域電位差較小,電勢線相對稀疏,與前人二維橫向、縱向的電場分布對比,證實(shí)了三維電場仿真結(jié)果的正確性。后研究稀土電解槽內(nèi)部陰陽極距電解槽底部的距離a和極間距b對槽內(nèi)電場分布的影響,根據(jù)模擬得出固定參數(shù)極間距b時熔體電壓V、電流密度D關(guān)于參數(shù)a的關(guān)系表達(dá)式。以電解過程陰極表面最大電流密度為優(yōu)選目標(biāo),電解槽運(yùn)行所需槽電壓為參考目標(biāo),得出最佳電極距電解槽底部的距離a和極間距b。(3)首先運(yùn)用COMSOL Multiphysics電熱耦合模塊,施加所需的電場和熱場邊界,模擬得出電解槽內(nèi)熱場分布,高溫區(qū)只位于圓弧狀陽極與正對的陰極之間,分布不合理。其次模擬了相同條件下布置3根陰極的各物理場分布并與4根陰極進(jìn)行對比,驗(yàn)證4根陰極的合理性。后改變半圓弧陽極與對應(yīng)陰極的圓心距d,得出最佳熱場分布以滿足電解要求時的最佳d值,此時高溫區(qū)分布于每根陰極的中間部分,其它區(qū)域溫度呈一定梯度由高溫區(qū)向四周均勻減小。最后分析了電解過程中由于大電流密度的作用導(dǎo)致陰極形狀的改變,陰極呈錐形從底部圓周開始腐蝕,隨著陰極被侵蝕,電解槽內(nèi)最大電流密度增大,與實(shí)際生產(chǎn)相符。(4)根據(jù)項(xiàng)目要求,完成15KA稀土電解槽的外型參數(shù)設(shè)計,后簡述電解槽的生產(chǎn)步驟,包括爐底保溫層的制作,橫梁與支撐柱、爐外殼的安裝,爐外殼內(nèi)側(cè)保溫磚的砌筑,內(nèi)外保護(hù)套、石墨槽、爐蓋板、陽極導(dǎo)電板和陰極升降架的安裝等,還對部分制作所需材料進(jìn)行理化指標(biāo)分析及選擇,最終完成該稀土電解槽的整體制作。
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TF845
【圖文】：

圖 2.1 電解槽三維模型圖2.1.2 電解質(zhì)稀土熔鹽電解質(zhì)包括兩部分[19]：電解質(zhì)組分以及各組分所占比例，電解質(zhì)內(nèi)各組分所占比例不同，熔鹽的初晶溫度、粘度等物理性質(zhì)也會千差萬別，電解槽的電流效率和金屬直收率受其影響，從而影響到稀土電解的整個經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。該大型電解槽電解質(zhì)體系選用3 2 3NdF -LiF-Nd O ，選用 NdF3：LiF 的質(zhì)量百分比為83%：17%。文獻(xiàn)[20]利用最小二乘法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了 NdF3LiF Nd2O3熔鹽在研究區(qū)域內(nèi)電導(dǎo)率的回歸方程：1 2 3y 33.9441 0.0212 x 0.6107 x 0.1517x（2.1）式（2.1）中：y 電導(dǎo)率，S/cm；X1溫度，℃，有效范圍 980~1220℃；X2LiF濃度，%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），有效范圍為 1%~15%；X3Nd2O3濃度

（a） 實(shí)體模型 （b） 網(wǎng)格劃分模型圖 2.1 電解槽模型2.4 三維電場的數(shù)值模擬稀土熔鹽電解槽電場的研究主要考慮電極距電解槽底部的距離 a 和極間距 b，根據(jù)文獻(xiàn)[18]，假設(shè)陰陽極底部在同一高度，取電極距電解槽底部的距離 a 范圍為 110~190mm，極間距 b 范圍為 65~85mm，綜合分析兩種情況下電解槽內(nèi)部電場的分布情況，以及不同參數(shù)組合下的熔體電壓大小。2.4.1 極間距變化對電場分布的影響取極間距為 b 為 65mm，70mm，75mm，80mm，85mm；電極距電解槽底部的距離a 取兩個參數(shù)為 140mm，150mm。兩個變量相互組合。(a).固定電極距電解槽底部的距離 a=140mm，極間距由 65~85mm 逐級遞減，極間距

（a） 電場分布圖 （b） 電場切片圖圖 2.2 b=65mm 時電場模擬結(jié)果從圖中 1/4 模型電解槽三維電勢的分布可以得出：電解槽電場的分布大體可以分為3 個區(qū)域：①陽極區(qū)：陽極附近區(qū)域包括陽極，該區(qū)域電勢基本相等，陽極內(nèi)側(cè)等勢線比較稀疏，電位梯度小，因此壓降比較小。陽極外側(cè)靠近坩堝壁區(qū)域電勢沒有發(fā)生變化，沒有電流通過該區(qū)域，這與設(shè)定的坩堝壁絕緣相符。②陰極區(qū)：陰極附近區(qū)域包括陰極，陰極內(nèi)部各位置電位一樣，與假設(shè)條件中陰極電位為 0 相符，金屬鐠釹單質(zhì)主要在該表面析出，并緩慢降落至坩堝收集器；陰極與陽極的中間區(qū)域電壓呈一定梯度由陰極至陽極遞增，該區(qū)域電位線相互平行，并且分布比較緊密，電位梯度也大，因此流過該區(qū)域的電流相對較大，電流密度最大。③坩堝收集金屬區(qū)：該區(qū)域雖然有電位差，但差值較小，金屬的沉降所受的電場力較小，可近似看做等勢區(qū)。圖 2.3 為 a=140mm 時不同極間距下的電場等勢面圖。設(shè)置級別中的定義方法為級數(shù)，總級別設(shè)為 10，電勢等值面按 10 級設(shè)置由系統(tǒng)自動分配。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 徐清海;王軍;;中國稀土出口現(xiàn)狀、問題及對策:以江西贛州為例[J];價格月刊;2015年11期

2 劉釗;李宗安;張小偉;龐思明;陳德宏;王志強(qiáng);;稀土電解槽流場的數(shù)值模擬[J];中國有色金屬學(xué)報;2015年11期

3 陳國華;劉玉寶;;稀土熔鹽電解技術(shù)研究進(jìn)展[J];稀土信息;2015年10期

4 王祥生;王志強(qiáng);陳德宏;龐思明;徐立海;李宗安;顏世宏;;稀土金屬制備技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀[J];稀土;2015年05期

5 伍永福;鞠陽;劉中興;胡永勝;韓文帥;;稀土電解槽流場-電場耦合數(shù)值模擬[J];稀土;2015年05期

6 盧小能;張小增;謝欣榮;溫和瑞;;25kA熔鹽電解法制備稀土鐠釹合金非稀土雜質(zhì)有效控制的研究[J];有色金屬科學(xué)與工程;2015年04期

7 劉中興;張雪嬌;伍永福;董云芳;徐子謙;;3kA稀土電解槽顆粒運(yùn)動軌跡的數(shù)值模擬[J];有色金屬(冶煉部分);2015年05期

8 王亮亮;顏波;劉木根;;陽極結(jié)構(gòu)調(diào)整對稀土電解槽的影響[J];中國稀土學(xué)報;2015年02期

9 伍永福;張雪嬌;陳思琪;劉中興;董云芳;;60kA沉浸式稀土電解槽電場的數(shù)值模擬[J];有色金屬(冶煉部分);2015年02期

10 劉木根;王亮亮;;電解溫度對稀土電解槽技術(shù)指標(biāo)的影響研究[J];稀有金屬與硬質(zhì)合金;2014年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 徐宇杰;大容量節(jié)能鋁電解槽多物理場耦合建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D];中南大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 韓文帥;氣泡形成與運(yùn)動對稀土電解槽內(nèi)流場的影響研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2015年

2 華園東;萬安級稀土電解槽電場和流場模擬及開發(fā)設(shè)計[D];江西理工大學(xué);2015年

3 周雄軍;8KA稀土電解槽溫度場模擬及溫度控制[D];江西理工大學(xué);2014年

4 張桀;液態(tài)陰極稀土熔鹽電解釹工藝設(shè)計研究[D];西安建筑科技大學(xué);2014年

5 董云芳;60kA底部陰極稀土電解槽流場的模擬及優(yōu)化[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2013年

6 陳宇昕;10kA底部陰極稀土電解槽電—磁—流多物理場耦合仿真[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2013年

7 陳楨;低電壓下鋁電解槽電熱場模型及其應(yīng)用研究[D];中南大學(xué);2013年

8 高潔;基于ANSYS的鋁電解槽電場分布計算與電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D];中南大學(xué);2010年

9 劉宇新;稀土電解槽氣液兩相流動對電解過程的影響研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2010年

10 張作良;10KA底部陰極稀土電解槽電場和流場的數(shù)值模擬研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2010年

本文編號：2763744