大电流稀土电解槽三维全槽仿真模拟与设计研究

摘要

稀土熔盐电解槽主要用于制备稀土单一金属和合金，而传统的稀土电解槽因容量小产量低不能满足大规模生产要求，因此本文所设计的15KA稀土电解槽不仅能满足单一稀土金属的市场需求，也可解决小型电解槽分布散乱、电解性能不好等问题。本文以国家离子型稀土资源高效开发利用工程技术研究中心所需15KA稀土电解槽为设计研究目标，结合部分已知参数，通过辅助仿真设计软件对电解槽进行槽型的设计与结构参数的修正，具体内容如下：
　　（1）根据设计需求对15KA电解槽槽型进行研究，确定该15KA电解槽的结构形状，并由已知总电流、电流密度等参数计算电解槽内阴极与阳极的尺寸范围。运用SolidWorks，建立该电解槽各部位的三维模型图。
　　（2）采用有限元分析法，对稀土电解槽内部电场进行三维仿真模拟。电场分布大致可以分为3个区：阴极区、阳极区、坩埚收集金属区，阳极附近电势几乎相等，阴极附近电位等势线最为密集，电流集中由阳极流向阴极，而电解槽底部坩埚收集区域电位差较小，电势线相对稀疏，与前人二维横向、纵向的电场分布对比，证实了三维电场仿真结果的正确性。后研究稀土电解槽内部阴阳极距电解槽底部的距离a和极间距b对槽内电场分布的影响，根据模拟得出固定参数极间距b时熔体电压V、电流密度D关于参数a的关系表达式。以电解过程阴极表面最大电流密度为优选目标，电解槽运行所需槽电压为参考目标，得出最佳电极距电解槽底部的距离a和极间距b。
　　（3）首先运用COMSOL Multiphysics电热耦合模块，施加所需的电场和热场边界，模拟得出电解槽内热场分布，高温区只位于圆弧状阳极与正对的阴极之间，分布不合理。其次模拟了相同条件下布置3根阴极的各物理场分布并与4根阴极进行对比，验证4根阴极的合理性。后改变半圆弧阳极与对应阴极的圆心距d，得出最佳热场分布以满足电解要求时的最佳d值，此时高温区分布于每根阴极的中间部分，其它区域温度呈一定梯度由高温区向四周均匀减小。最后分析了电解过程中由于大电流密度的作用导致阴极形状的改变，阴极呈锥形从底部圆周开始腐蚀，随着阴极被侵蚀，电解槽内最大电流密度增大，与实际生产相符。
　　（4）根据项目要求，完成15KA稀土电解槽的外型参数设计，后简述电解槽的生产步骤，包括炉底保温层的制作，横梁与支撑柱、炉外壳的安装，炉外壳内侧保温砖的砌筑，内外保护套、石墨槽、炉盖板、阳极导电板和阴极升降架的安装等，还对部分制作所需材料进行理化指标分析及选择，最终完成该稀土电解槽的整体制作。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 稀土电解的发展及研究现状

1.3 稀土熔盐电解槽电解原理

1.4 课题的意义、研究内容和创新点

1.5 COMSOL Multiphysics简介

第二章 15KA稀土电解槽电场数值模拟

2.1电解槽模型及部分参数

2.2 电场计算的控制模型

2.3 电场模型假设与边界条件

2.4 三维电场的数值模拟

第三章 15KA稀土电解槽热场的数值模拟

3.1 传热问题概述

3.2 稀土电解槽热平衡的计算

3.3 热场与电场的耦合仿真

3.4 三根阴极与四根阴极的模拟

3.5 阴阳极圆心距对热场的影响

3.6 电解过程中阴极形状的变化

3.7 小结

第四章 15KA稀土电解槽的设计研制

4.1 电解槽外型参数

4.2 耐火及保温材料

4.3 电解炉底部保温层的制作

4.4 万安级电解槽的制作

4.5 电解槽导电部分的安装

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果