稀土电解槽电场及流场的模拟研究

论文摘要

稀土电解槽中存在着复杂的物理场,而电场是其他物理场的根源,热场、流场是决定稀土电解槽的电解是否能进行的重要因素。怎么样设计合理的电场、流场、热场是决定电解槽设计好坏的关键因素,所以,有关电场、流场、热场的研究显得十分重要。本文采用有限元软件ANSYS具有的多重单元、多重属性及其能耦合求解电场、热场、流场的特点,建立稀土电解槽阳极——熔体——阴极有限元模型,对阳极、熔体和阴极的电场进行整体计算,通过得到的结果分析得到阳极气体的生成量,计算出阳极气体的含气率,利用FLUENT软件计算流场结果。本文具体作了以下工作:(1)对现有上插式3KA电解槽做了改进而成为全埋阳极非贴壁式电解槽和假设了全埋阳极贴壁式电解槽,通过电场的计算对它们进行对比研究发现无论阳极是否贴壁全埋式电解槽的熔体电压都比同等条件下的上插式电解槽的熔体电压小1.3V左右。(2)分析了全埋阳极非贴壁式电解槽的电场在不同阳极内径和不同电极长度对它的影响。阳极内径的增加会使槽电压增加,同时电流强度会减小,模拟得到最佳的的阳极内径为22cm;电极长度的变化对于槽电压影响较大,模拟得出最佳的电极长度为22cm。以电极长度22cm、阳极内径为22cm的全埋式电解槽为物理模型计算得到流场,得出全埋阳极非贴壁式电解槽的流场的效果要好于全埋阳极贴壁式电解槽。(3)利用同样的方法对上插式10KA电解槽的电场进行了模拟,并分析了在不同插入深度、不同极间距及阳极消耗对电场的影响。得出插入深度每增加2cm,熔体电压要减小0.6V左右。(4)通过模拟得到的阴极电流密度得出阳极表面不同高度处的的气体速度及气体体积函数,把计算得到的结果作为流场的初始条件,利用FLUENT软件得出只在气泡作用下的流场模拟结果。并分析不同极间距和不同插入深度对流场的影响,发现两个阳极中间位置形成的双涡直径随着极间距的增加而增加;随着插入深度的增加阳极附近形成的涡会越来越靠近阳极。(5)对上插式10KA电解槽进行了热平衡分析得出可以采用减少电解槽敞口面积和降低电解槽表面温度来减少电解槽热损失。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 稀土氟盐体系电解技术发展现状及电解原理
• 1.1.1 熔盐电解技术的发展历史和趋势
• 1.1.2 现有电解槽存在的问题
• 1.1.3 稀土电解槽电解原理
• 1.1.3.1 氯化物体系电解原理
• 1.1.3.2 氧化物体系电解原理
• 1.2 两相流研究综述
• 1.2.1 气液两相流实验研究的发展情况
• 1.2.2 两相流数值计算的发展
• 1.2.3 多相模型分类
• 1.2.3.1 欧拉多相模型
• 1.2.3.2 流体体积模型
• 1.2.3.3 代数滑移混合模型
• 1.2.4 两相湍动模型
• 1.2.4.1 k-ε模型
• 1.2.4.2 雷诺应力模型
• 1.2.4.3 直接数值模拟模型
• 1.2.4.4 大涡模拟模型
• 1.3 现代商业软件及CFD 在电解槽物理场设计中的应用
• 1.4 课题研究的内容
• 2 稀土电解槽电场及流场的数学模型
• 2.1 稀土电解槽阳极、阴极与熔体电流场数学模型
• 2.2 稀土电解槽流场数学模型
• 3 3KA 稀土电解槽电场及流场的模拟研究
• 3.1 研究对象
• 3.2 3KA 电解槽不同槽型及全埋式阳极非贴壁不同时期电场仿真模拟
• 3.2.1 模型假设
• 3.2.2 边界条件及网格划分
• 3.2.3 模拟结果及分析
• 3.2.3.1 上插式与全埋式电解槽的对比
• 3.2.3.2 全埋式电解槽阳极半径变化对电场的影响
• 3.2.3.3 电极长度对电场的影响
• 3.3 阳极贴壁电解槽的电场模拟
• 3.4 3KA 电解槽流场的模拟研究
• 3.4.1 气泡停留时间的推导
• 3.4.2 电解槽内阳极气泡速度的计算
• 3.4.3 计算气液两相流动的数学模型
• 3.4.4 基本假设及计算网格
• 3.4.5 计算结果与分析
• 3.5 本章小结
• 4 10KA 上插式稀土电解槽电场及流场的模拟计算
• 4.1 对象描述
• 4.2 10KA 电场模拟
• 4.2.1 模型假设
• 4.2.2 边界条件及网格划分
• 4.2.3 模拟结果及分析
• 4.2.3.1 极间距对电场的影响
• 4.2.3.2 阳极消耗对电场的影响
• 4.2.3.3 插入深度对电场的影响
• 4.3 10KA 流场模拟分析
• 4.3.1 气泡停留时间的推导及阳极气泡速度的计算
• 4.3.2 阳极插入深度与气体体积关系
• 4.3.3 结果分析与讨论
• 4.3.3.1 流场的计算结果及分析
• 4.3.3.2 极间距对流场的影响
• 4.3.3.3 插入深度对流场的影响
• 4.4 本章小结
• 5 10KA 电解槽热平衡计算
• 5.1 热量收支计算
• 5.1.1 电解槽的热收入
• 5.1.2 电解槽的热支出
• 5.2 热量分布分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢