【摘 要】
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稀土作为我国重要的战略资源,在各个领域都扮演着十分重要的角色。随着我国新材料的发展和应用越来越广泛,对稀土金属的需求量也随之增长。近年来我国稀土行业发展飞快,稀土金属的电解制取工艺愈来愈成熟,单电解槽容量越来越大,如何全面准确了解电解槽内电场分布,对提高电解槽的电解有着重要意义。本文针对单阴极6k A电解槽的实际电解过程,考虑电解槽电极表面双电层、电极生成气泡分布及槽体结构对电场影响,建立了坩埚-
【基金项目】
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国家自然科学基金； 内蒙古自然科学基金；
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稀土作为我国重要的战略资源,在各个领域都扮演着十分重要的角色。随着我国新材料的发展和应用越来越广泛,对稀土金属的需求量也随之增长。近年来我国稀土行业发展飞快,稀土金属的电解制取工艺愈来愈成熟,单电解槽容量越来越大,如何全面准确了解电解槽内电场分布,对提高电解槽的电解有着重要意义。本文针对单阴极6k A电解槽的实际电解过程,考虑电解槽电极表面双电层、电极生成气泡分布及槽体结构对电场影响,建立了坩埚-电极-熔体整体电场全息数学模型,对稀土电解槽的槽型改善很有意义。本文以LaF3-LiF稀土电解质作为研究对象,采用实验与数值模拟相结合的方法,先通过实验测得熔盐电解质体系LaF3-LiF在La2O3添加量为2.0wt%时的双电层电容的大小。利用Comsol有限元软件建立坩埚-电极-熔体整体电场模型,对不同电流工况下熔盐电解槽电场及流场进行仿真计算。揭示了槽体材料等参数的改变对熔盐电解过程中电场分布的影响,为熔盐电解生产优化提供了理论依据。主要研究内容如下:（1）本文以前人文献作参考,将电化学实验测得的LaF3-LiF稀土电解质体系的电容等效为双电层电容,使用交流阻抗法测得熔盐电解质体系LaF3-LiF在La2O3添加量为2.0wt%时的电容的大小为29.4μF;熔盐电解质体系LaF3-LiF的电容大小为27.8μF。（2）以6KA稀土电解槽为研究对象,利用Comsol有限元软件建立稀土电解槽电场模型,分析三种不同的石墨材质作为坩埚时对稀土电解槽的电流效率的影响。首次发现有一部分电流通过石墨坩埚及底部金属接收器回到阴极底部形成回路,这部分电流不参与实际电解,是电流损失的一部分;同时该回路形成,金属接收器间接成为了阳极,这可能是造成金属接收器氧化损耗的主要原因。当坩埚采用半石墨质、半石墨化和石墨化三种材料时,对应的阴极表面的电流分别是5643.2A、5643.9A、5644.6A;电流效率分别是94.0533%、94.065%、94.0767%。通过分析模拟结果,为节能环节做了进一步优化。（3）采用石墨化材料作为坩埚材料,并且模拟出电磁场的分布情况。分析模拟结果得到,熔盐电解主要发生在阴极与阳极之间的区域,所以由电流产生的磁场也主要分布在阴阳两电极之间。再将实验测得的等效的双电层电容代入到稀土电解槽模型中,得到不同电流工况下加入前后阴阳极电势变化曲线,随着电流的增大阳极表面电势也增大,双电层对槽电压的影响越明显。（4）将不同的电流工况下的电场耦合到流场中进行了稀土电解槽流场-电场耦合数值模拟,得到稀土电解槽的槽电压变化情况,当4000A稀土电解槽工况耦合前后槽电压升高0.02V;6000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.03V;8000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.05V;10000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.06V;12000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.07V。之后在阳极表面加入双电层,分析在加入前后流场-电场模型中槽电压的变化情况:在4000A稀土电解槽加入双电层前后槽电压升高0.33V;6000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.49V;8000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.65V;10000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.81V;12000A稀土电解槽耦合前后槽电压升高0.98V。通过电场-流场耦合模拟分析,了解熔盐电解时各因素对电场的影响情况,并且为今后大型稀土电解槽熔盐电解的优化提供参考。
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