稀土电解槽界面传热模型及电热场耦合模拟

作     者：何欣欣 

作者单位：内蒙古科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘中兴;刘玉宝

授予年度：2022年

学科分类：080603[工学-有色金属冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：稀土电解槽 温度场 换热系数 数值模拟 

摘      要：熔盐电解广泛应用于稀土单质和稀土合金的制备。在电解过程中,熔盐在电流及自身所带阻值作用下产生热量,并通过导热及对流换热的方式向槽内部各处传递热量,合理的电解温度对电解反应具有重要影响。在稀土电解槽中可使用仪器测温的部分有限,一般采用传热公式建立电解槽温度场模型进行研究,故确定准确的传热公式对于电解槽研究至关重要。在传热公式中各换热系数直接影响电解槽温度场的理论计算,但在稀土电解槽中有关换热系数的研究极少,本文依据国家自然科学基金资助,对于稀土电解槽温度场相关的研究尚不充分现状,以6k A稀土电解槽为研究对象,利用商业软件开展稀土电解槽温度场分析建模研究工作。研究内容包括实验测定6k A稀土电解槽实际温度分布、稀土电解槽侧部槽壳与环境界面换热系数的建模计算、电解槽液面与空气界面换热系数的建模计算、稀土电解槽电-热场耦合建模计算以及分析不同工况有关参数对槽内电热场的影响,从中找到合理的电解槽结构参数。本文主要研究内容和结论如下:(1)通过设计实验装置,实际测量了氟化物熔盐体系电解槽内部温度分布情况,发现该槽平均温度为1069.3℃,槽内部温度分布较均匀,过余温度差温度分布不超过3.7℃,电解槽未被包裹槽体区域受换热系数的影响靠近空旷区域温度最低,靠近电器控制设备一侧温度最高;槽体外部保温层区域温度分布特点表明底部保温效果最好;(2)在实际温度测量实验的基础上,结合传热学理论及稀土电解槽换热界面的分析,建立稀土电解槽槽体与环境间的界面传热计算模型,分别计算了稀土电解槽液面与环境界面的综合换热系数、稀土电解槽侧壁与环境界面的综合换热系数,最终得出各自的理论结果,换热系数随空气流速的增大而增大;在仿真平台上对换热系数计算模型进行系数修正,得到液面与环境间计算努塞尔数准则Nu=0.136 Gr Pr4,侧面槽壳与环境间计算努塞尔数准则Nu=0.075 Gr Pr3,为电解槽仿真模拟提供所需要的热边界条件;(3)采用数值模拟软件对6k A稀土电解槽模型进行电-热场耦合计算,模拟温度分布结果与实际测量结果较好的符合,证明了界面传热模型的准确性,在其他条件不变的情况下,随着温度的升高,换热系数逐渐增大,换热系数随着温度均匀改变;随着换热系数的增大,液面温度逐渐降低;(4)运用商业软件模拟不同工况下的电解槽电势、温度场的分布情况。阴极直径的大小和电极插入的深度直接影响电极表面电位,从而影响电解温度,最终影响到稀土金属的产量,经过优化模拟,发现阴极直径和电极插入深度分别控制在80mm和470mm时工况最优,与现场实际生产情况相符。