10KA底部阴极稀土熔盐电解槽槽型设计

论文摘要

随着市场的发展,节能降耗对于稀土冶金行业来说可以增加其市场竞争力。在节能降耗的要求下,急需开发一种新型结构的电解槽。本文借鉴铝电解槽的槽型结构,对10KA底部液态阴极结构的新型稀土电解槽的槽型进行了探索。首先,通过查阅大量文献,拟定了底部液态阴极结构电解槽的物理模型,槽型槽体外轮廓为圆柱形,半径为58厘米的阳极位于电解槽中心位置,液态金属阴极位于电解槽槽底,电解槽内没有接收器。其次,确立了电解槽内电场计算的数学模型,通过MATLAB计算机语言对拟定的多组不同槽半径和不同极距配置下的底部液态阴极结构电解槽进行电场模拟。该结构电解槽阴、阳极之间电位线平行分布,电流强度均匀,可以保证电解稳定进行。不同的槽半径和不同的极距配置下的电解槽对应着不同的熔体电压,当电解槽极距不大于14厘米时,除了半径为60厘米的电解槽外,其他不同槽半径和不同极距配置下的电解槽熔体电压均低于传统结构电解槽的熔体电压,即能达到节能降耗的目的。再次,对各种不同槽半径和不同极距配置下的电解槽进行了热平衡计算,热平衡计算结果显示:电解槽极距为10厘米,槽半径为62厘米、电解槽极距为11厘米,槽半径为63厘米、电解槽极距为12厘米,槽半径为64厘米、电解槽极距为13厘米,槽半径为65厘米时,电解槽内热量收支基本平衡。最后,利用商业软件ANSYS中的电热耦合模块,对满足热平衡的电解槽进行温度场模拟,模拟结果显示,电解槽槽半径为64厘米,极距为12厘米内温度分布最为合理,电解槽内最高温度1072℃出现在阴、阳极之间的电解区,最低温度953℃出现在电解槽上部接近槽壁处的电解液处及槽底边角处。结合气体排放、加料难易程度、电解质的污染等角度的利弊分析,最终确定的电解槽参数为:电解槽槽半径为64厘米,极距为12厘米。本课题作为应用基础研究,具有很强的针对性和实用性,其意义不仅在于理论上的探索,对生产实践的创新,更能为实际生产提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 稀土熔盐电解法的原理及过程
• 1.1.1 稀土熔盐电解法的一般过程及相关原理
• 1.1.2 稀土电解法的分类
• 1.1.3 稀土氧化物熔盐体系电解的电极过程
• 1.1.4 影响稀土电解过程的因素
• 1.2 稀土氧化物电解槽的发展过程及现状
• 1.2.1 上插阴阳极结构电解槽的发展过程及现状
• 1.2.2 上插阴、阳极结构电解槽的缺点分析
• 1.2.3 底部液态阴极结构电解槽的优点分析
• 1.2.4 底部阴极结构电解槽的发展过程及现状
• 1.3 课题的来源、意义、研究内容和创新点
• 1.3.1 选题的来源
• 1.3.2 选题的意义
• 1.3.3 课题的研究内容
• 1.3.4 课题创新
• 2 底部阴极结构电解槽工艺参数的选取
• 2.1 电解槽中电解质组成的确定
• 2.2 拟定的电解槽基本槽型
• 2.3 电解槽阳极半径的确定
• 2.4 电解槽液态阴极半径的确定
• 2.5 电解质水平的确定
• 2.6 电解槽槽体高度的确定
• 3 底部液态阴极结构电解槽电场的数值模拟
• 3.1 电解槽电场的相关理论
• 2O₃- NdF₃-LiF 电解质电导率的确定'>3.1.1 Nd₂O₃- NdF₃-LiF 电解质电导率的确定
• 3.1.2 电极压降的推算
• 3.1.3 电解槽槽电压的计算
• 3.2 电解槽电场的数学模型
• 3.3 电解槽电场计算的假设条件及边界条件
• 3.3.1 电场计算的假设条件
• 3.3.2 电场计算的边界条件
• 3.4 电解槽二维场内的拉普拉斯方程差分方程的推导
• 3.5 电解槽对称面边界条件的差分格式
• 3.6 电场计算流程图
• 3.7 电场计算结果与分析
• 3.7.1 电解槽内电位分布和电流分布
• 3.7.2 阴极半径和极距对槽内电场及熔体压降的影响
• 3.8 小结
• 4 底部液态阴极结构电解槽热平衡计算
• 4.1 电解槽热平衡计算的相关理论
• 4.1.1 对流换热
• 4.1.2 辐射换热
• 4.2 电解槽热平衡计算的相关数据
• 4.2.1 电解槽热收入的计算
• 4.2.2 电解槽热支出的计算
• 4.3 小结
• 5 电解槽物理模型的确定
• 5.1 根据电场计算结果确定
• 5.2 根据热平衡计算结果确定
• 5.3 根据温度场计算结果确定
• 5.3.1 温度场计算的数学模型
• 5.3.2 电解槽温度场中网格的划分
• 5.3.3 温度场计算的边界条件
• 5.3.4 温度场的计算结果及分析
• 5.4 根据生产工艺确定
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢