1、稀土電解過(guò)程中氧化釹顆粒在不同工況下運(yùn)動(dòng)軌跡分析研究高鈺奇1，劉中興1，李揚(yáng)磊2，董蕓芳2（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古自內(nèi)蒙古科技大學(xué)治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 包頭 014010）摘要：本文借助3kA稀土電解槽，通過(guò)搭建稀土電解槽電解過(guò)程的流場(chǎng)分布模型和DPM離散相模型。仿真模擬了氧化釹的下料,通過(guò)改變電極插入的深度來(lái)探究顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)臨界粒徑處于合理范圍內(nèi)時(shí)，隨電極插入深度的增大，氧化釹顆粒臨界粒徑也相應(yīng)增大，顆粒的運(yùn)動(dòng)距離也會(huì)相應(yīng)增大，但在這個(gè)范圍內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡相似；當(dāng)電極插入深度為2

2、20mm、且控制臨界粒徑為0.8mm，最有利于電解的進(jìn)行，且此時(shí)為控制結(jié)瘤物的生成的最優(yōu)條件；同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)在兩電極中間位置下料最佳。進(jìn)行此研究可為電解槽內(nèi)減少雜質(zhì)形成提供很好建議，進(jìn)而為控制結(jié)瘤提供理論指導(dǎo)和技術(shù)幫助。關(guān)鍵詞：3kA稀土電解槽；DPM離散相模型；氧化釹顆粒；控制結(jié)瘤；雜質(zhì) 中分類號(hào)：TF845.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： AStudy on the movement track of neodymium oxide particles under different working conditions in rare earth electrolysisLiu Zhongxing1，G

3、ao Yuqi1,Li YangLei2，Dong Yunfang2(1.School of materials and metallurgy, Inner Mongolia University of science and technology, Baotou, 014010,China;2.Key laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources, IMUST, Baotou 014010,China)Abstract: In this paper, with the help of a 3k

4、A rare earth electrolytic cell, the flow field distribution model and DPM discrete phase model of the electrolytic process of the rare earth electrolytic cell are built. The simulation simulates the feeding of neodymium oxide, and explores the movement process of particles by changing the depth of e

5、lectrode insertion. The study found that when the critical particle size is within a reasonable range, with the increase of the electrode insertion depth, the critical particle size of neodymium oxide particles increases correspondingly, and the movement distance of the particles also increases, but

6、 the movement of the particles within this range The trajectory is similar; when the electrode insertion depth is 220mm and the critical particle size is 0.8mm, it is most conducive to the progress of electrolysis, and at this time is the optimal condition for controlling the formation of nodules; a

7、t the same time, it is also found in the middle of the two electrodes Best cutting. Carrying out this research can provide good suggestions for reducing the formation of impurities in the electrolytic cell, and then provide theoretical guidance and technical assistance for controlling nodules.Key wo

8、rds: 3KA cell type; DPM discrete phase model; neodymium oxide particles; control of nodulation; impurities在電解過(guò)程中形成結(jié)瘤的因素主要包括以下幾點(diǎn)：（1）爐內(nèi)溫度。溫度越高，越易熔解。（2）加料速度。當(dāng)電解質(zhì)處于熔鹽狀態(tài)時(shí)，氧化釹在其中的溶解度約為4%1。（3）槽型結(jié)構(gòu)，不同的槽型會(huì)使電解效率產(chǎn)生差異。（4）原料粒徑。粒徑越小，越易熔解，反應(yīng)越易進(jìn)行。（5）隨著電解過(guò)程的進(jìn)行，難免會(huì)有有些非稀土雜質(zhì)的混入。電解中的非稀土雜質(zhì)的混入方式各異，其中電解槽的防護(hù)蓋板上鐵屑的脫落、攪拌器在攪拌過(guò)

9、程中鐵屑的脫落以及隨著電解的進(jìn)行陽(yáng)極上的導(dǎo)電環(huán)中含鐵元素的脫落，除此之外，由于電解槽槽壁所裝的耐火保溫材料在電解過(guò)程中也會(huì)脫落，這些都是非鐵雜質(zhì)的混入方式2。雜質(zhì)的存在十分不利于電解，不僅會(huì)引起短路打弧現(xiàn)象，還會(huì)造成電解質(zhì)中碳含量的上升，進(jìn)而使得電解槽中廢渣含量上升，最終導(dǎo)致電解釹的純度不夠和質(zhì)量不達(dá)標(biāo)3。在稀土釹的制取中，包頭稀土研究院率先研制了3kA 氟氧化物混合體系稀土電解槽4。但是一直以來(lái)困擾學(xué)者和生產(chǎn)廠家的問(wèn)題是稀土電解槽槽體底部容易堆積結(jié)瘤，而且在電解過(guò)程中稀土釹的電解效率并不高。稀土電解事業(yè)發(fā)展至今關(guān)于結(jié)瘤物的報(bào)道不少，但是關(guān)于在電解過(guò)程中結(jié)瘤物的形成過(guò)程以及存在狀態(tài)，并無(wú)太多報(bào)

10、道，相比之下研究更多的是關(guān)于對(duì)鋁、鎂等輕金屬在電解中的結(jié)瘤，這方面的報(bào)道也較多一些，對(duì)我們研究稀土電解過(guò)程中的結(jié)瘤現(xiàn)象有一定參考價(jià)值。方曉春5等在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)氯化鎂的電解進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)O、Ti等的混入會(huì)對(duì)電解過(guò)程產(chǎn)生影響，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中得出的一些指標(biāo)對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)具有很好的參考意義；楊海蘭6等人在實(shí)驗(yàn)中做了有關(guān)銅的電解實(shí)驗(yàn)，通過(guò)一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究了在混雜質(zhì)在銅的電解過(guò)程中的來(lái)源以及分布情況，從中發(fā)現(xiàn)在整個(gè)電解過(guò)程中，雜質(zhì)鐵是一直存在的，并分布于各種產(chǎn)物中，此外混入的還有雜質(zhì)砷，其主要存在于砷和銻的雜質(zhì)物中，另外他們的實(shí)驗(yàn)為解決電解銅過(guò)程中雜質(zhì)元素的分離具有很好的參考價(jià)值；沈陽(yáng)市的鋁

11、鎂設(shè)計(jì)研究院的王玉彬7等人對(duì)鋁的電解過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，他們的實(shí)驗(yàn)主要研究了隨電解過(guò)程的進(jìn)行陽(yáng)極棒是否會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在電解過(guò)程中陽(yáng)極棒的脫落會(huì)摻混一定的雜志物，創(chuàng)新性的提出在制作陽(yáng)極棒的時(shí)必須控制好雜質(zhì)含量，使其處于一個(gè)合理可控的范圍之內(nèi)，并且在制取過(guò)程中需要盡量降低陽(yáng)極棒中鈉元素的量；張雪嬌8等人利用數(shù)字模擬的方法研究了陽(yáng)極棒上的脫落物碳顆粒的行為，并探究了其在隨電解過(guò)程進(jìn)行中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了新的電解槽除雜方法以及控制結(jié)瘤的產(chǎn)生的新思路，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供了合理并有價(jià)值的指導(dǎo)，但是他們的研究沒(méi)有考慮電解前所加原料氧化釹對(duì)電解過(guò)程的影響。郭海濤9等人對(duì)3kA釹電解槽電解進(jìn)行中所產(chǎn)生的爐底結(jié)

12、瘤物進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)及表征手段主要為：巖相分析、X 射線衍射以及化學(xué)成分測(cè)定。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到結(jié)瘤物成分為氧化釹、氟氧化釹、氟化釹，以及少量的金屬釹，并發(fā)現(xiàn)結(jié)瘤物的主要成分為氧化釹。在研究稀土電解過(guò)程任然存在一些缺陷比如由于電解過(guò)程中的溫度比較高，實(shí)驗(yàn)所需原料均為稀土成本過(guò)于昂貴，因此會(huì)使得實(shí)驗(yàn)的次數(shù)不是很多，實(shí)驗(yàn)直接得出的結(jié)果具有一定的誤差和偶然性。因此在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究了稀土電解槽底部結(jié)瘤的形成問(wèn)題，既能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)次數(shù)少所帶來(lái)的偶然性和誤差，也能在抑制爐底結(jié)瘤物、提升原料利用率、進(jìn)一步提高電解效率，二者可謂相輔相成。1模型的建立11電解槽及參數(shù)設(shè)置本文對(duì)3kA釹電解槽

13、進(jìn)行仿真模擬，這種電解槽為陰極上插式稀土電解槽，陰極插入電解槽中間做主軸，使槽型呈對(duì)稱分布，陰陽(yáng)極套筒所環(huán)繞在陰極周圍。距離陰極下部一定距離的收集器用來(lái)收集稀土金屬。電解質(zhì)為Nd2O3-NdF3-LiF熔鹽體系，電解過(guò)程主要控制LiF加入量在11-17%之間10。電解過(guò)程通直流電，所需溫度由直流電產(chǎn)生電場(chǎng)來(lái)維持，此次電解過(guò)程并無(wú)保護(hù)氣體參與。下圖1為電解槽的槽型結(jié)構(gòu)示意圖。 1電解質(zhì) 2金屬收集器 3稀土金屬 4陰極 5陽(yáng)極筒 6雜質(zhì)物 7石墨坩堝圖1電解槽示意圖電解槽槽型參數(shù)設(shè)置：表1 槽體的尺寸參數(shù)表2 工藝參數(shù)電流效率溫度電壓成份密度粘度張力3KA80%105010VNdF3-LiF-N

14、d2O33.85103Kg/m34.9510-3PaS2.651N/m本次仿真模擬所用軟件主要為Fluent商業(yè)模擬軟件，主要使用的是其中內(nèi)嵌的多相流模型，該模型具體又包括VOF、歐拉和混合模型三種最基本模型11-12。由于本次模擬需要研究顆粒在電解槽中的運(yùn)動(dòng)情況，需要對(duì)模型進(jìn)行離散化處理，常用的處理方法為歐拉-拉格朗日法，用到的模型為DPM模型13-14。1.2幾點(diǎn)假設(shè)為了使仿真模擬更好進(jìn)行下去，需對(duì)本次電解過(guò)程作如下假設(shè):（1）使用歐拉多相流模型研氣液兩相中顆粒的分布；（2）將陽(yáng)極氣體等效為粒徑一致的標(biāo)準(zhǔn)剛性球體分子；（3）電解過(guò)程中流場(chǎng)不受顆粒運(yùn)動(dòng)的影響；（4）電解過(guò)程中所有固體顆粒均等

15、效為光滑均勻小球并且隨電解進(jìn)行不會(huì)在流場(chǎng)中發(fā)生任何反應(yīng)；（5）此電解過(guò)程中，由于時(shí)間較短，可忽略電解過(guò)程中陽(yáng)極棒的消耗。1.3數(shù)學(xué)模型流場(chǎng)運(yùn)算過(guò)程中需要使用物理公式，本次模擬計(jì)算需要用到的物理公式主要有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k-湍流雙方程，將前面三個(gè)方程經(jīng)推導(dǎo)整合為一個(gè)通用方程: （式1）（1）式中，為密度， 為橫坐標(biāo)，為速度。當(dāng)電解開始時(shí)，電解質(zhì)顆粒在電解槽中運(yùn)動(dòng)，主要受重力、浮力、曳力。其次在電解過(guò)程中還會(huì)受重力、巴塞特力、壓力梯度力、薩夫曼升力等一些附加作用力15。在本次模擬中，下料過(guò)程中顆粒的主要作用力為：重力、曳力、浮力，由于其他附加作用力與主要作用力相比，不在一個(gè)數(shù)量級(jí)別，故可以忽

16、略。為了便于研究，把氧化釹顆粒等效為粒徑一致的光滑小球，受力分析如下圖。圖2氧化釹顆粒受力分析圖根據(jù)受力分析圖結(jié)合平衡條件，列出顆粒的運(yùn)動(dòng)方程：（式2）2式中，為流體密度，用來(lái)表征流體的分子粘性系數(shù)，CD為曳力系數(shù)，F(xiàn)x表示顆粒x軸向上受到的合力。1.4邊界條件模擬過(guò)程對(duì)邊界設(shè)定如下幾個(gè)條件：（1）將氣體的進(jìn)氣口和速度進(jìn)口設(shè)在陽(yáng)極內(nèi)表面，大小為0.0035m/s，進(jìn)口氣體為一氧化碳；出口位于槽體頂部，輸出一氧化碳、二氧化碳的混合氣；（2）在對(duì)近壁面參數(shù)及方程的設(shè)置中采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。（3）規(guī)定對(duì)稱邊界變量梯度為零；（4）在整個(gè)過(guò)程中假設(shè)固體壁面無(wú)邊界滑移現(xiàn)象。自由表面邊界： （式3）對(duì)稱軸邊

17、界： （式4）固體邊界：u=0，v=0，=0，=0 （式5）2 改變電極插入深度時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬通過(guò)改變電極插入深度，模擬隨電解槽中不同情況下流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況。隨模擬進(jìn)行流場(chǎng)會(huì)趨于穩(wěn)定，接著對(duì)不同粒徑顆粒在下料過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。然后，研究改變陽(yáng)極套筒的半徑來(lái)模擬電解槽流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。待流場(chǎng)穩(wěn)定后采取同樣的辦法模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。2.1電極插入不同深度時(shí)的流場(chǎng)分布情況保持極間距不變，通過(guò)對(duì)電極插入深度為 150mm，185mm，220mm，255mm，280mm 五種插入深度的模擬，研究了流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)的情況。(a) （b）(c) (d)(e)圖3 電極插入深度150(a),185(b),2

18、20(c),255(d),280(e) mm Z軸截面流場(chǎng)云圖分析上述圖3的流場(chǎng)云圖可知，在電解過(guò)程中當(dāng)電極的插入深度由150mm不斷增加時(shí)，相應(yīng)的會(huì)有陽(yáng)極氣體不斷產(chǎn)生并冒出，具體表現(xiàn)為在橫向表面上相應(yīng)延長(zhǎng)，兩極之間的旋渦下移。氣體的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致電解槽內(nèi)電解質(zhì)的流動(dòng)區(qū)域相應(yīng)變廣，表現(xiàn)在流場(chǎng)里就是使得流場(chǎng)的擾動(dòng)不斷增強(qiáng)，隨著電解的進(jìn)行，相應(yīng)的變化可加速顆粒熔解，這樣就可使得氧化釹顆粒在電解質(zhì)中及時(shí)熔解，避免了其來(lái)不及熔解就沉入電解槽底部形成渣，很好的解決了過(guò)程中的造渣難題，進(jìn)一步提高原料利用率不高和電解效率。不斷下插陰極致其深度超過(guò)220mm時(shí)，兩極之間的漩渦不斷下降，此時(shí)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致

19、金屬釹的純度降低。綜上，電極最優(yōu)插入深度為220mm，此時(shí)原料利用率和電解效率最高。2.2顆粒軌跡的模擬研究(a) (b) (c) (d) (e) 圖4電極插入深度為150(a),185(b),220(c),255(d),280(e) mm顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖從圖4可知，電解開始后，不斷增加電極在電解槽中的插入深度，等粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)距離相應(yīng)的逐漸變遠(yuǎn)，但是運(yùn)動(dòng)軌跡都相同為半弧形。當(dāng)電極進(jìn)入液面很淺時(shí)，會(huì)有流體旋渦形成，并且此時(shí)的旋渦處在液面附近。隨下料過(guò)程的不斷進(jìn)行，氧化釹顆粒不斷熔于熔融的電解質(zhì)中，這就會(huì)在電解槽中不斷發(fā)生強(qiáng)烈的流體回流運(yùn)動(dòng)，這對(duì)大顆粒氧化釹顆粒的熔解是非常不利的。由圖4五幅圖可知

20、，隨著電極的插入深度不斷增加，顆粒的粒徑會(huì)由于熔解消耗逐漸變小，由電極插入深度150mm時(shí)的熔解消耗量0.3mm逐漸增大，最終增大到電極插入深度280mm時(shí)熔解消耗量2.5mm。隨著電極插入深度的不斷增加，陰陽(yáng)兩極顆的縱向界面之間不斷加大，所以顆粒的運(yùn)動(dòng)空間不斷增大，此時(shí)對(duì)顆粒的熔解消耗是有利的，使氧化釹顆粒電解更加完全，更好的提高原料利用率和電解效率。但是當(dāng)電極插入深度達(dá)到一定值時(shí)，陰陽(yáng)極底端會(huì)不斷靠近金屬收集器，流場(chǎng)旋渦也會(huì)向下運(yùn)動(dòng)從而對(duì)金屬釹的收集產(chǎn)生不利影響，使得電解完全的金屬釹和電解不完全的原料參混在一起，降低了金屬釹的純度。綜上，通過(guò)對(duì)以上五種不同工況的仿真模擬，得到電極插入深度為

21、220mm、臨界粒徑為0.8mm時(shí)，為電解進(jìn)行的最優(yōu)條件，此時(shí)原料利用率和電解效率是最高的。同時(shí)，這個(gè)條件下對(duì)控制槽體底部結(jié)瘤物的形成是最有利的。圖5 粒徑0.05mm和0.3mm在X方向的偏移距離電極的插入深度為150mm和280mm時(shí)本次仿真模擬的極值工況條件，為了更好研究合理?xiàng)l件，故本次選取剩下三個(gè)工況條件來(lái)研究顆粒在x方向運(yùn)動(dòng)上運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏移距離。由圖5可知，當(dāng)電極插入深度相同時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡是大致相同，只是其中粒徑較大顆粒會(huì)運(yùn)動(dòng)的更遠(yuǎn)一些。當(dāng)顆粒的粒徑相同時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)距離隨電極插入深度的增加而增加。粒徑越大，顆粒的運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)。當(dāng)顆粒粒徑超過(guò)臨界值以后，顆粒在重力作用下會(huì)運(yùn)動(dòng)到電解槽

22、底部。當(dāng)氧化釹顆粒的粒徑超過(guò)一定值后，重力的影響更為明顯，致使氧化釹顆粒近乎垂直落入金屬收集器。3結(jié)論采用3kA電解槽槽型，通過(guò)模擬氧化釹顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，得到當(dāng)顆粒粒徑處于臨界粒徑范圍內(nèi)時(shí)，氧化釹顆粒的粒徑不斷增大時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)距離相應(yīng)的逐漸變遠(yuǎn)，但時(shí)不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡基本相似。其次進(jìn)一步模擬了電極不同插入深度下顆粒的運(yùn)動(dòng)情況及影響。通過(guò)五種不同插入深度的模擬，分別為電極插入深度150mm，185mm，220mm，255mm，280mm，發(fā)現(xiàn)隨著電極插入深度的不斷增加，顆粒的臨界粒徑也不斷增大，并且運(yùn)動(dòng)距離也會(huì)相應(yīng)的變得越遠(yuǎn)，但每種工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡基本相似。通過(guò)上述模擬，得出最優(yōu)條

23、件為電極深度220mm、臨界粒徑0.8mm，此時(shí)原料利用率和電解效率都最高，此條件也是降低槽體底部結(jié)瘤物的形成的最優(yōu)條件。（3）在電解過(guò)程中，隨電極插入深度的不斷增加，臨界粒徑值也相應(yīng)的增大。當(dāng)粒徑小于臨界粒徑時(shí)，顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡大體相似。當(dāng)電極插入深度不超過(guò)220mm時(shí)，隨著電極插入深度的增加電解效率相應(yīng)增大，當(dāng)電極插入深度超過(guò)220mm時(shí)，反倒會(huì)影響電解生成物釹的純度。通訊作者：劉中興( 1963-) ，男，河北石家莊市趙縣人，教授，博士，冶金過(guò)程的數(shù)值模擬，傳輸過(guò)程數(shù)值模擬，稀土火法冶金過(guò)程優(yōu)化。參考文獻(xiàn)1華園東.萬(wàn)安級(jí)稀土電解槽電場(chǎng)和流場(chǎng)模擬及開發(fā)設(shè)計(jì)D.江西理工大學(xué)，2015.2張選旭.電解法生產(chǎn)金屬釹中非稀土雜質(zhì)分析J.江西有色金屬,1998（3）:3-53郭海濤,高俊梅,張小琴.3 kA釹電解槽爐底結(jié)瘤分析J.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào),2003（4）：310-3124張志宏,梁行方,琚建勇.我國(guó)氟鹽體系氧化釹電解制備金屬釹技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展J.有色冶煉,2001（2