6kA 稀土電解槽電極位置對電場影響的模擬分析

逄啟壽，葉 楠，張 浩，周宏杰

（江西理工大學機電工程學院，江西，江西 贛州 341000）

1 引言

稀土電解槽是采用熔鹽電解法提煉稀土金屬的主要設備[1]。稀土電解槽內電場分布將直接影響槽內流場、磁場和熱場分布，對電解槽的電解性能有決定性作用[2-3]。文獻[4-7]對稀土電解槽陰極半徑和極間距等結構參數優化后，槽內電場分布更加均勻。文獻[8]對陽極結構進行了調整，克服了正交切割陽極片在電解過程中消耗過快導致電解效率較低的問題。文獻[9]對全封閉底部陰極結構的稀土電解槽進行了電場和溫度場的模擬研究，提出的陽極固定方式降低了陽極的殘極消耗率。由于3kA 稀土電解槽電流效率低，產量不能滿足市場需求，而萬安級電解槽生產工藝尚不成熟，故工業生產中6kA 電解槽使用最為普遍。目前關于6kA 稀土電解槽電場的研究都是基于二維模型，而三維模型下得到的電場分布相對二維更加直觀和接近于實際，且對該槽型下極間距和電極離底高度的研究較少。據此，以贛州某企業6kA 稀土電解槽為研究對象，建立了稀土電解槽三維電場模型，研究極間距和電極離底高度的變化對電解槽內電場分布的影響。通過多次模擬計算得到不同電極位置下的電場分布圖，經研究和分析找到優化后的電極位置參數，以期對該電解槽的結構優化提供依據。

2 模型的建立

2.1 幾何模型及網格劃分

由于電解槽為圓柱形對稱結構，為了簡化計算及直觀展示內部電場，取電解槽1/2 部分作為三維電場的研究模型，其三維幾何模型，如圖1（a）所示。通過改變陽極內徑的大小來實現極間距的變化，改變電極的插入深度來實現離底高度的變化。電解槽模型采用四面體網格劃分，并對電極表面附近區域進行網格加密來提高計算精度，三維電場模型的網格劃分結果，如圖1（b）所示。

圖1 電解槽1/2 三維模型及網格劃分Fig.1 1/2 Geometric Model of Electrolytic Cell and its Mesh Partition

2.2 控制方程

稀土電解槽內電場分布控制方程采用微分形式的麥克斯韋電磁場方程組[10]：

式中：H—磁場強度，A/m；E—電場強度，V/m；D—電位移通量，C/m2；B—磁感應強度，T；ρ—自由電荷密度，C/m3。

2.3 邊界條件及假設

（1）陰極電位為基礎電位，電壓定義為0V；（2）陽極電流為6000A；（3）坩堝內表面視為絕緣面，表面無電流密度；（4）對稱軸和熔體的法向表面無電流；（5）電解槽槽體無漏電現象，電流全部由陽極流向陰極；（6）槽內電場分布對稱。

3 電解槽電場模擬結果及分析

3.1 不同極間距下電場模擬結果分析

結合文獻[11]和實際工業生產，分別對a=60mm，65mm，70mm，75mm，80mm，85mm 等常用極間距下的電場進行數值模擬，得到不同極間距下的三維電場分布結果，如圖2 所示。

圖2 不同極間距下三維電場等勢面分布圖Fig.2 Distribution of Three-Dimensional Electric Field Equipotential Surface Under Different Distance Between Anode and Cathode

從圖2 中可看出，陽極外表面與坩堝內壁之間沒有電場分布，電解槽內電場可以劃分成兩個主要區域：兩極中間區和金屬接收區。兩極中間區域電位分布均勻，電勢由陽極向陰極逐漸降低，電位梯度大，等電勢面更加密集，稀土電解反應主要集中在該區域。金屬接收區域等勢面分布稀疏，電位梯度小，該區域電解質幾乎不參與電解反應。極間距a=60，65，70mm 時處于電解槽下部的金屬接收區域基本沒有電場分布，陰極底部的等勢面圓滑，電位梯度小，更加有利于稀土金屬的沉積和收集。當極間距大于70mm 時金屬接收區等勢面逐漸擴大并不再圓滑，說明此時有少量電流通過并存在一定的電位差，由此產生的電場力會影響稀土金屬的沉降和收集，為了保證稀土金屬的順利收集和提高金屬純度，應盡量減少電場在金屬接收區域的分布。不同極間距下電勢分布趨勢，如圖3 所示。由圖3 可以看出，熔體電壓隨極間距的增大而升高，在a=85mm 處達到最高電壓9.8V，原因是極間距增大的同時兩極之間的熔鹽厚度增加，熔鹽電阻隨之增大，根據歐姆定律，當電流不變時電阻增大熔體電壓也會隨之升高。當極間距過大時，通過熔體的電流將產生大量的焦耳熱使熔體溫度升高，加速熔體對電極和電解槽槽體的腐蝕，縮短電解槽壽命，因此設計電解槽時極間距不宜過大。

圖3 電極之間電勢變化圖Fig.3 Potential Change Between Electrodes

3.2 不同電極離底高度下電場模擬結果分析

通過調節電極的插入深度來實現電極離底高度的變化，離底高度為電極底端面與坩堝端面之間的距離，陰極和陽極的插入深度相同。參考文獻[11]和已有槽型結構分別取電極離底高度b=110mm，120mm，130mm，140mm，150mm，160mm，b 的取值越大表示電極插入深度越小，電極與電解質的接觸面積也越小。不同電極離底高度下三維電場數值模擬結果，如圖4 所示。由圖4 可以看出，電流密度分布主要集中在兩極中間區域，只有少量分布于金屬接收區，其中在陰極的底端面圓周處電流密度達到最大，金屬接收區電流密度最小。相對于研究[12]中二維電場的數值模擬，三維電場中電流密度的主要分布區域與二維電場基本吻合，但是由于二維電場邊界條件設置較單一，沒有考慮電極底部電場的分布，且得到陰極棒上的電流密度分布均勻，而三維電場中顯示陰極底部圓周處電流密度最大。實際生產中陰極棒底部隨著電解時間的增加逐漸消耗成圓錐形，腐蝕最為嚴重，這與三維電場的數值模擬結果相互吻合。陰極表面的電流密度要高于陽極表面的電流密度，因為通入電解槽的電流是穩定不變的，而陽極的內表面積要遠大于陰極的外表面積。當電流通過熔體時會產生一定的電場力，該電場力將促進熔體的運動，因此金屬接收區的電流密度越小，產生的電場力越小，越有利于稀土金屬的收集。在兩極中間區域的電流密度分布較為均勻，稀土金屬陽離子在陰極表面附近獲得電子還原成金屬單質，均勻穩定的電流密度能夠使稀土金屬沿著陰極棒順利沉積。

圖4 不同離底高度時電流密度分布圖Fig.4 Current Density Distribution at Different Distance from Electrode to Bottom

電極離底高度越小，電極越靠近金屬接收區，由于電極底端面電流密度較大，導致金屬接收區的電場分布范圍也越大。隨著電極離底高度的增大，金屬接收區的電流密度分布范圍先減小后增大，在b=140mm 時達到最小值，其中b=110，120，130mm 時金屬接收區電流密度分布范圍較大，由此產生的電場力將會影響稀土金屬的沉積；b=150mm 或160mm 時電極底部的熔體較多，且陽極底部電場分布范圍較大，此時該區域部分電解質會發生電解反應，生成的稀土金屬與陽極泥混合，大大降低稀土金屬純度。極間距和離底高度與電流密度之間的關系，如圖5 所示。

圖5 電極位置與電流密度關系圖Fig.5 Relationship Between Electrode Position and Current Density

從圖5 可以看出，極間距a=65，70，75，80，85mm 時，電流密度隨著電極離底高度的增加逐漸增大，并在b=140mm 處達到最大。a=60mm 時在b=160mm 處電流密度最大，是因為極間距過小和電極離底高度過大，導致電極與熔體的接觸面積太小，強烈的電解反應會在短時間內生成較多的陽極氣體并附著在陽極表面，導致電流密度過高而發生陽極效應，因此該組電極位置參數不是最佳選擇。根據文獻[12]可知，在一定范圍內，電流密度越大，電解槽的電解效率越高，稀土金屬的產量越高。取a=70mm，b=140mm時，不會因為極間距過小而發生陽極效應，也不會因為極間距過大導致槽內電壓過高，且電流密度達到9.23A/m2，金屬的析出速率較快，金屬接收區的電場分布范圍較小，有利于提高稀土金屬的產量和純度。隨著電解過程的進行，由于石墨陽極會被腐蝕變薄，極間距會在電解過程中逐漸變大，因此選擇合適的極間距和電極離底高度也能夠有效地增加石墨陽極的使用周期，并使電解過程保持穩定，提高電解效率。

4 結論

（1）電解槽內兩極中間區域電位分布均勻，電勢由陽極向陰極逐漸降低，電位梯度大，等電勢面更加密集，在陰極底端面圓周處電流密度達到最大。金屬接收區域基本沒有電場分布，電位梯度小，電流密度接近于零，該區域電解質幾乎不參與電解反應，更加有利于稀土金屬的沉積和收集。（2）電極離底高度過小時，在金屬接收區存在較大范圍的電場分布，影響稀土金屬的收集；離底高度過大時，陽極底部有較強的電場分布，該區域電解質發生電解反應后與陽極泥混合，導致金屬純度降低。（3）取a=70mm，b=140mm 時，兩極中間區域電場分布均勻，金屬接收區幾乎無電場分布，熔體電壓符合實際生產，電流密度達到9.23A/m2，有利于提高稀土金屬的產量和純度。