稀土電解槽的仿真模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、稀土電解槽是熔鹽電解法生產(chǎn)稀土金屬及其合金的主要設(shè)備。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，急需開(kāi)發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)的電解槽，以適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。本文借鑒鋁電解槽的開(kāi)發(fā)過(guò)程，首次利用商用仿真軟件對(duì)稀土電解槽進(jìn)行仿真模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用它對(duì)新型稀土電解槽槽型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探索。 稀土電解槽中存在著復(fù)雜的物理場(chǎng)，而電場(chǎng)是其他物理場(chǎng)的根源，熱場(chǎng)、流場(chǎng)是決定稀土電解槽的電解是否能進(jìn)行的重要因素。怎么樣設(shè)計(jì)合理的電場(chǎng)、熱場(chǎng)、流場(chǎng)是決定電解槽設(shè)計(jì)好壞的關(guān)鍵因

2、素，所以，有關(guān)電場(chǎng)、熱場(chǎng)、流場(chǎng)的研究顯得十分重要。到目前為止，由于電極與熔體接觸面的邊界不好確定，前人研究大多數(shù)停留在熔體本身的電場(chǎng)、熱場(chǎng)、流場(chǎng)的研究上。為實(shí)現(xiàn)稀土電解槽的全息仿真模擬，本文提出了一種新的構(gòu)想：即采用有限元軟件ANSYS具有的多重單元、多重屬性及其能耦合求解電場(chǎng)、熱場(chǎng)、流場(chǎng)的特點(diǎn)，建立稀土電解槽陽(yáng)極一熔體一陰極有限元模型，對(duì)陽(yáng)極、熔體和陰極的電場(chǎng)、熱場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行整體計(jì)算。其優(yōu)點(diǎn)是不僅可以避免確定電極與熔體接觸面的電流邊界

3、條件，而且可以通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析該接觸面的電流密度，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 本文首先根據(jù)傅立葉傳熱定律和基爾霍夫?qū)щ姸?，建立了稀土電解槽傳熱、?dǎo)電的數(shù)學(xué)模型。采用加權(quán)余量的伽遼金法推導(dǎo)了稀土電解槽電場(chǎng)、熱場(chǎng)計(jì)算的有限元方程。根據(jù)廣義的牛頓粘性定律，建立了熔體流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)包頭稀土研究院3KA稀土電解槽的相關(guān)參數(shù)以及在合理的邊界條件的假定下，對(duì)不同生產(chǎn)時(shí)期的電場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，其結(jié)果與該槽實(shí)際生產(chǎn)情況吻合較好，驗(yàn)證了應(yīng)用該模

4、型對(duì)稀土電解槽陽(yáng)極一熔體一陰極整體進(jìn)行數(shù)值模擬的可行性和準(zhǔn)確性。在電場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上，以電極的插入深度和電極間距為設(shè)計(jì)變量，以槽電壓，熔體電流密度為設(shè)計(jì)的狀態(tài)變量，以電極、熔體焦耳熱生成量最少為設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，利用ANSYS的優(yōu)化模塊對(duì)3KA稀土氟鹽體系氧化物電解槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)跟實(shí)際電解槽吻合，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果可靠性。 其次，再利用ANSYS多場(chǎng)耦合的特性對(duì)優(yōu)化的3KA稀土氟鹽體系氧化物電解槽的電場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)