电解金属锰电解槽多场耦合仿真与节能优化研究

作     者：郭岚峰 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘仁龙

授予年度：2017年

学科分类：080602[工学-钢铁冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：电解金属锰 节能电解槽 多场耦合 数值模拟 结构优化 

摘      要：在电解锰过程中,由于电极上的竞争反应、阳极泥的产生、阴极分形生长和阳极电化学振荡等因素的存在,使得电解阶段能耗始终居高不下,而电解槽内电场、浓度场、温度场等多物理场与化学场等多场耦合直接影响着这些因素。近年来,诸多研究表明,电解槽结构与电流加载方式等方法可有效调控并优化电解槽内物理场与化学场的分布。因此,通过电解槽结构、电流加载方式等外控参数的优化,实现对节能电解槽内多场耦合进行调控,对于电解锰生产过程中节能降耗具有重要意义。本文以电解槽几何结构、阳极几何开孔形状、电流加载方式为切入点,结合试验与数值模拟,考察以上外控参数对电解锰电流效率、单位功耗以及电解槽内物理场分布的影响。得到如下研究结果:(1)结合直流电沉积制备金属锰实验与数值模拟手段,研究了异名极板间距(极板间距)、电极相对大小、极板摆放方式对电流效率、单位功耗以及电解槽内电场和浓度场的影响,为实际生产中电解槽结构优化提供理论支持;极板间距低于4cm、极板相对摆放角度在0deg、阳极尺寸小于阴极尺寸有利于电解锰过程节能降耗,在极板间距较小时,电解质浓度需要得到及时补充。(2)通过自制多孔阳极板进行直流电沉积制备金属锰实验,结合数值模拟考察阳极开孔形状对电解锰经济指标以及电解槽内电场分布的影响,研究表明:阳极板几何开孔为圆孔时,电流效率最大74.54%,单位功耗降低到5506 kW·h/t,电解金属锰的表面光滑平整、晶粒细小;在电解过程中,采用开孔形状为圆孔的阳极电解时,在水平和垂直方向上均获得最负过电位-1.5989 V,电解质电位分布比其它开孔形状分布均匀,阳极上电流向其他方向的流通量减少、电解液内阻电压降较低,电流损失降低。(3)通过阴极过电位在线测定,验证电-浓度场的数学模型的正确性。在直流电沉积制备金属锰过程中,由于电流几乎为一恒定值,随着时间的变化阴极过电位电位随时间变化不明显,电解时阴极过电位在-1.611 V左右。仿真值与实验值的误差均小于5%,模型可有效预测电解槽内电场与浓度场的分布。(4)通过双向脉冲电沉积制备金属锰,考察了正向平均电流密度JF、反向脉冲系数α、一组正向脉冲工作时间TF和反向脉冲工作时间系数β对电流效率、阳极泥产量以及金属锰与阳极泥微观形貌的影响,确定最佳脉冲参数为:正向平均电流密度350A/m、反向脉冲系数1/10、一组正向脉冲工作时间150ms、反向脉冲工作时间系数1/15,在此条件下脉冲电沉积2小时的电流效率达到80.25%,阳极泥产量降至2.93g。研究结果表明,通过电解槽几何结构、阳极几何开孔形状、电流加载方式等手段,可有效对电解槽内多物理场进行调控、提高电流效率,为实际生产与设备创新提供理论基础。