3kA稀土电解槽颗粒运动轨迹数值模拟

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1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015.05.0123kA稀土电解槽颗粒运动轨迹的数值模拟刘中兴a，张雪娇a，伍永福a，董云芳a，徐子谦b（内蒙古科技大学，a能源与环境学院，b材料与冶金学院，内蒙古包头014010)摘要：对稀土电解槽内颗粒的运动轨迹进行模拟。对电解槽的流场采用欧拉方法进行模拟，在流场收敛后加入不同直径的颗粒，采用拉格朗日方法对颗粒的轨迹进行模拟。结果表明，颗粒均做弯曲向上的运动，到达电解槽溶液上表面，漂浮于液面上，粒径不同运动的轨迹和到达液面的时间也不相同。关键词：3kA稀土电解槽；数值模拟；颗粒

2、轨迹中图分类号：TF845文献标识码：A文章编号：1007-7545（2015）05-0000-00NumericalSimulationofParticlesTrajectoryin3kARareEarthElectrolyticCellLIUZhong-xinga,ZHANGXue-jiaoa,WUYong-fua,DONGYun-fanga,XUZi-qianb(a.SchoolofEnergyandEnvironmentalEngineering,b.SchoolofMaterialandMetallurgy,InnerMongoli

3、aUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,InnerMongolia,China）Abstract：Trajectoriesofparticlesinrareearthelectrolyticcellweresimulated.FlowfieldofelectrolyzerwassimulatedbyEulerMethod.Particleswithdifferentsizeswereaddedintoflowfieldafteritsconvergence.Trajectoriesofpa

4、rticlesweresimulatedbyLagrangeMethod.Theresultsofparticletrajectoriesshowthatparticlesmovetouppersurfaceofelectrolytesolutionandfloatinliquidsurface.Particleswithdifferentsizeshavedifferentmotiontrajectoriesanddifferenttimespenttoreachuppersurface.Keywords：3kArareearthelect

5、rolyzer;numericalsimulation;particletrajectory通过熔盐电解法生产的稀土金属已经达到总量的95%以上。刘中兴等[1]采用数值模拟软件模拟研究了3kA上插式电解槽的流场分布，通过比较分析，得到了在模拟状态下的最佳运行工艺参数，有效提高了电解过程的电解效率。在实际生产中，电解槽阳极套筒会因为电解时间的增加，会有一些杂质碳颗粒从阳极上脱落，其中的一部分未来得及和气泡反应便进入到电解槽溶液内，这样不仅影响了电解槽的生产效率，而且还缩短了电解槽的使用寿命[2]。采用DPM模型对颗粒的轨迹进行模拟，在追踪污染物

6、[3]、钢包除杂[4]等方面均有应用。本文用Gambit建立三维电解槽模型，采用Fluent模拟软件进行模拟，首先对电解槽的流场进行模拟，在流场收敛后加入颗粒，通过对碳颗粒的运动轨迹进行模拟[5]，得出不同半径情况下的运动情况。1模型的建立1.13kA稀土电解槽的模型建立3kA钕电解槽[6-8]主要由钨（钼）阴极棒、石墨阳极套筒和石墨坩埚组成[9]。由于电解槽几何对称，因此我们只取电解槽的1/4进行研究，底部中心点为坐标原点。在Gambit中建立1/4熔盐的模型如图1所示。图11/4槽体熔盐的模型Fig.1Modelof1/4moltensa

7、lt收稿日期：2014-12-09基金项目：国家自然科学基金资助项目（51164025，51464041）；内蒙古自然科学基金项目（2011MS0703)作者简介：刘中兴（1963-），男，河北赵县人，博士，教授.1.2几点假设1）气泡运动是电解质循环运动的主要驱动力[1]；2）所研究的碳颗粒均为光滑的球形，不发生旋转，忽略质量力；3）气液两相区采用欧拉多相流模型，固体颗粒采用DPM模型。计算所需的主要尺寸（mm）：电解槽内半径200；阳极筒内半径100；阳极筒外半径150；阴极半径25；电极插入深度220；电解槽深度395。熔盐的主要参数及

8、物性指标：工作电压10V；工作电流2200A；电流效率80%；电解温度1050℃；电解质组成NdF3-LiF-Nd2O3；熔盐密度3.85×103kg/m3；熔盐黏