万安级稀土电解槽电场和流场模拟及开发设计

摘要

随着稀土行业的发展，传统的稀土电解槽已经不能满足大规模工业生产，对大功率稀土电解槽的需求越来越迫切，基于这一背景，本文通过商用仿真软件对15KA稀土电解槽电场和流场进行模拟分析，并结合分析结果对新型稀土电解槽进行开发设计。
　　本文结合实践经验，参考部分研究资料，确定了电解槽的工艺参数，包括电解槽的结构和阴、阳极的尺寸以及电解质的组成。
　　稀土电解槽中存在着复杂的物理场，包括电场、磁场、流场等，而电场则是其他物理场的根源。本文建立了电场的数学模型，利用ANSYS有限元软件，模拟仿真了阴极和阳极离电解槽底部不同距离的电场以及阴极和阳极之间不同距离的电场分布。通过对电场的模拟，发现电解槽电场大体上可以分为阴极区、阳极区和金属接受器区等三个区域。阳极与阴极之间的电位等势线最为密集，而且电位梯最大，电场强度也较大，是电流集中通过的区域，而电极插入深度越小，槽电压会越来越高，电解的电流效率就会越低。同时，得到了电场分布比较合理、熔体电压也比较理想的阴、阳极距电解槽底部的距离以及阴阳极之间的距离。
　　在电场模拟的基础上，建立了气电解质、气体流场以及金属沉降的数学模型，利用模拟分析软件Fluent对稀土电解槽的电解质流场、气体流场以及稀土金属的沉降过程进行模拟分析。研究了稀土电解槽的电解过程，即电解产生气体的析出过程和产生金属的沉降过程，电解质的主要流动区域、流速的分布以及漩涡的形成过程，以及气体流场对电解质流场产生的影响。为废气的收集和金属的取出提供参考依据，同时也可以进一步验证用电场模拟确定电解槽参数的正确性和合理性。
　　本文最后对稀土电解槽进行研发设计，并介绍了电解槽的加工过程，列举了电解槽加工过程中需要注意的问题。稀土电解槽制造完成后投入生产实践，经现场生产测试，其电耗比较合理、产品回收率也相对较好，这对于初次设计的万安电解槽来说，已经取得相当好的成效。但是，其在生产过程中仍然存在很多问题，本文对影响比较大的结瘤问题进行了分析研究。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 稀土电解槽电解的研究现状

1.3 稀土电解槽的开发方向

1.4 研究内容

1.5 研究目的和意义

第二章 万安级稀土电解槽工艺参数的选取

2.1 电解槽槽型的确定

2.2 电解槽阴极半径的确定

2.3 电解槽阳极结构的确定

2.4 电解槽中电解质组成的确定

第三章 万安级稀土电解槽电场的模拟

3.1 控制方程

3.2 电解质电导率的确定

3.3 稀土电解槽电场的模拟

第四章 万安稀土电解槽流场的模拟

4.1 湍动模型的确定

4.2 流体计算的前提条件

4.3 电解质及气体流场的模拟

4.4 阴极棒金属产生的过程

第五章 万安级稀土电解槽的开发

5.1 万安稀土电解槽的开发过程

5.2 万安电解槽实践中急需解决的问题

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果