稀土电解槽流场数值模拟研究及熔盐导热系数计算

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强其市场竞争力。而对于稀土电解槽来说，降低电解过程中能源消耗能显著降低产品的成本。在电解过程中，存在很多变化的物理场，对熔体流动变化规律的研究是研究其它场的基础，导热系数的确定又是研究温度场的前提。本文通过数值模拟的方法，以3KA稀土电解槽为实物原型，对槽内多相流动、自由表面液面波动、钕下沉及扩散进行数值模拟研究，从而确定最佳金属收集时间；另外通过理论推导计算得出不同温度下电解质熔盐的导热系数，以期为电解槽的改进和节能降耗提供理论上的依据。首先，利用CFD软件模拟计算了三种不同作用下流场分布及液面波动的情况，通过对阳极气体生成后上浮、阴极金属生成后下沉及两项同时作用时槽内流场分析，得出阳极气体主要分布在阴阳极之间靠近阳极内表面0.03m的区域，越靠近阳极上表面，熔体液面波动越剧烈，坡高为0.015m，阳极气泡上浮是阴阳极之间电解质流动的主要推动力，也是电解质液面波动的主要原因；钕液下沉是电解槽下半部电解质运动的主要推动力。这个结论符合实际生产中电解槽内流体流动的情况，为理论上研究电解槽内流体流动奠定了基础。其次，模拟计算了钕液在阴极生成后下沉及在槽内的扩散规律。发现钕液首先在阴极下端聚集，聚集到一定程度以后以圆形小液滴向下滴落，至电解槽底部后并不是在阴极的正下方汇聚，而是洒向坩埚四周，由坩埚四周逐渐向中心汇聚。随着电解时间的延长，钕在两极之间的扩散区域及浓度越来越大，也越来越靠近阳极，进一步分析其流场情况从而确定电解进行3.5小时收集金属较合理。最后，根据混合熔盐导热系数计算原则，通过计算稀土电解槽内电解质单组份熔盐导热系数，从而计算出稀土电解槽内三元系电解质熔盐导热系数，发现利用混合物导热系数修正幂律关系式计算三元系电解质熔盐的导热系数准确性更高。在温度为9731373K时，对于85.8%NdF310.7%LiF3.5%Nd2O3的熔盐体系，导热系数随温度变化范围在0.7-0.85W/（m K）之间，为稀土电解槽内温度场的研究提供了一个重要物性参数。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和对生产实践的创新，更能为实际生产提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 稀土电解槽研究背景综述
• 1.1.1 稀土及稀土电解槽的发展历史和国内外发展状况
• 1.1.2 有色冶金行业电解槽流场研究的现状
• 1.1.3 现有稀土氟盐体系电解槽存在的问题
• 1.1.4 电解槽的研究开发方向
• 1.2 电解槽的电解原理
• 1.2.1 电解原理及过程
• 1.2.2 稀土氧化物熔盐体系电解的电极过程
• 1.3 两相流研究综述
• 1.3.1 欧拉多相模型
• 1.3.2 流体体积模型
• 1.3.3 代数滑移混合模型
• 1.4 湍流模型简介
• 1.4.1 k ε模型
• 1.4.2 雷诺应力模型
• 1.4.3 大涡模拟模型
• 2 研究目的、内容和创新点
• 2.1 本项目开发的目的和意义
• 2.2 研究内容
• 2.3 课题的创新点
• 3 3 KA 稀土电解槽流场和液面波动模拟研究
• 3.1 对象描述
• 3.2 流场计算的前提条件
• 3.2.1 气泡停留时间的推导、阴极金属质量流量及气泡速度的计算
• 3.2.2 基本假设
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 气泡上浮对熔体流动的影响研究
• 3.3.1 计算气液两相流动的数学模型
• 3.3.2 槽内气体流场分析
• 3.3.3 槽内气体浓度分布
• 3.3.4 槽内熔体流场分布
• 3.3.5 本节小结
• 3.4 钕液下沉对熔体流动的影响研究
• 3.4.1 计算液液两相流动的数学模型
• 3.4.2 槽内两相流场分析
• 3.4.3 本节小结
• 3.5 两相共同作用时对熔体流动的影响研究
• 3.5.1 计算多相流动的数学模型
• 3.5.2 槽内三相流场分析
• 3.5.3 三种不同作用下的流场对比分析
• 3.5.4 本节小结
• 3.6 熔体自由表面液面波动模拟研究
• 3.6.1 模拟计算自由表面液面波动的数学模型
• 3.6.2 计算结果和分析
• 3.6.3 本节小结
• 3.7 本章小结
• 4 阴极产生金属的模拟研究
• 4.1 钕下沉规律的研究
• 4.2 钕在槽内的扩散情况
• 4.3 最佳取金属时间的研究
• 4.4 本章小结
• 5 稀土电解槽内电解质导热系数的计算
• 5.1 单组份纯物质电解质熔盐导热系数的计算
• 5.1.1 类晶模型
• 5.1.2 晶格模型
• 5.1.3 硬球模型
• 5.2 混合熔盐导热系数的计算
• 5.2.1 Arrhenius 混合规则
• 5.2.2 混合物导热系数预测计算方法
• 5.2.3 混合物导热系数的修正幂律关系式
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 计算结果
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢