1、3 kA 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：3 kA 稀土电解槽；数值模拟；颗粒轨迹中图分类号：TF845 文献标识码：A 文章编号：1007-7545（2015）05-0000-00Nu
2、merical Simulation of Particles Trajectory in 3 kA Rare Earth Electrolytic CellLIU Zhong-xinga, ZHANG Xue-jiaoa, WU Yong-fua, DONG Yun-fanga, XU Zi-qianb(a. School of Energy and Environmental Engineering, b. School of Material and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baot
3、ou 014010, Inner Mongolia, China）Abstract：Trajectories of particles in rare earth electrolytic cell were simulated. Flow field of electrolyzer was simulated by Euler Method. Particles with different sizes were added into flow field after its convergence. Trajectories of particles were simulated by L
4、agrange Method. The results of particle trajectories show that particles move to upper surface of electrolyte solution and float in liquid surface. Particles with different sizes have different motion trajectories and different time spent to reach upper surface.Key words：3kA rare earth electrolyzer;
5、 numerical simulation; particle trajectory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 3 kA 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 3、钢包除杂 4等方面均有应用。本文用Gambit
6、 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1.1 3kA 稀土电解槽的模型建立3 kA 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 1 1/4 槽体熔盐的模型Fig.1 Model of 1/4 molten salt收稿日期：2014-12-09基金项目：国家自然科学基金资助项
7、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.doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2015 .05.0121.2 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。熔盐的主要参数及物性指标：工作电压
8、10 V；工作电流 2 200 A；电流效率 80%；电解温度 1 050 ；电解质组成 NdF3-LiF-Nd2O3；熔盐密度 3.85103 kg/m3；熔盐黏度 4.95 mPas；表面张力 2.651 N/m。1.3 计算的边界条件1）给定标准大气压强出口，入口给定质量流量；2）对称边上变量的梯度为零，固体壁面采用无滑移边界。1.4 控制方程根据作用在颗粒上力的平衡条件，列出颗粒在 Lagrangian 坐标系下的运动方程：(1)xFpxgpuDFdt /)()(其中 ， Fx为 X 方向的力， 是连续相速度， 是颗粒速度， 是流体的分子黏性系2418pDReCFupu数， 、 分别是
9、流体与颗粒的密度； 是颗粒直径， 是相对单颗粒雷诺数。定义：p pDRe(2)uDRep阻力系数 CD与 ReD的关系随 ReD大小而变化 7，二者关系见表 1，其中 B=lg ReD。表 1 CD 与 ReD 的关系式Table 1 Relationship between CD and ReD范围e 关联式0.01DRRe241630.01 20 )5.0(85.0BDDe20 260De 936.C2 模拟结果及分析本文先对 3 kA 稀土电解槽的流场进行模拟，得到了图 2 所示的流场速度矢量。图 2 在 z=0 平面上的流场云图Fig.2 Cloud of flow field in
10、z=0 plane从图 2 可以看出：1)流体在阳极内表面的速度最大，越靠近溶液上表面流体速度越大。钕电解时在阳极内侧表面产生气泡，冒出的气体速度很小，电解质的黏度相对于速度很大，因此电解槽内熔体的流动不很剧烈，只在阴阳两极之间进行小幅度的流动。在生产气体的过程中，虽然气体的速度很小，但是也带动了周围流体的运动。由于电极上部分流体流动的影响，致使电极下部分的流体也进行流动，只是流动的不如上部分明显。在金属接收器的区域，流体流动得很缓慢，相当于静止状态，虽然这样不利于电解质浓度和温度分布的均衡性，但是对于金属钕的收集还是很有利的。2)图 3 为不同高度位置处的气泡浓度分别曲线（电极插入深度 22
11、0 mm），图中 0.10 m 处为阳极内表面所在位置的坐标。0. 0.30.60.90.120.150.180.210.0.20.40.60.81.0CO体积分数 位 置 /m y=175 m 20 y=3 50 m y=39 图 3 不同高度位置处的气泡浓度Fig.3 Bubble concentration at different altitude location从图 3 可以看出，在横坐标为 0.1 m 处气泡的浓度最大，此处为阳极内表面。电解槽位置越高的地方在远离阳极内表面的位置就越先出现气泡，随着向阳极内表面的靠近，气泡浓度逐渐增大，在阳极内表面之外的地方气泡浓度几乎为零。气泡
12、浓度在电解槽上表面靠近阳极处达到最大。等流体达到动态平衡，在电解槽内加入不同粒径的颗粒进行轨迹的模拟。由于篇幅有限，本文只给出了粒径为 1.0 mm 和 0.05mm 的轨迹图(图 4)，颗粒入射口坐标为（100，308，-1.99）。(a) 颗粒直径 1.0 mm (b) 颗粒直径 0.05 mm图 4 不同颗粒直径时的轨迹图Fig.4 Trajectory chart of different particle diameter从图 4a 可以看出，直径为 1.0 mm 的颗粒，从阳极脱落后，会在横向切应力的作用下，偏移阳极内表面向上弯曲运动，到达溶液上表面后，漂浮在上表面。气泡从阳极内表
13、面生成之后会向上运动，这样就带动了周围熔盐的流动，颗粒在熔盐流动及自身密度影响的情况下会弯曲向上运动至液面。图 4b 显示出，粒径为 0.05 mm 的颗粒会沿着阳极内表面向上运动至溶液上表面，后漂浮于液面上。小粒径的颗粒受到熔盐流动的影响较小，因此从阳极内表面脱离后，直接在浮力的作用下向上运动至液面。粒径大于 0.05 mm 的颗粒，轨迹与图 4a 趋势类似，粒径小于 0.05 mm 的颗粒轨迹与图 4b 类似。3）从图 5 所示的颗粒运动时间图可以看出，颗粒粒径越大，运动到溶液上表面的时间越短，大粒径的颗粒偏离阳极内表面运动。大颗粒受到的浮力比较大，并且在熔盐流动的推动下，快速向上运动，因
14、此可以快速运动到液面，在粒径大于 1.0mm 时，颗粒上升的时间差不多非常相近。在粒径较小时，会受到气泡的阻碍而且浮力较小，因此运动到液面的时间相对较长。0. 0.10.20.30.40.50.30.320.340.360.380.4Y轴高度/m时 间 /s 0.5 m1. .5 2.0 m 1E- 图 5 颗粒运动时间图Fig.5 Time chart of particles movement3 结论1）先模拟流场后加入颗粒，得到了不同粒径情况下的颗粒的运动轨迹。在粒径大于 0.05 mm 时，颗粒会向远离阳极内表面的方向做弯曲向上的运动直至到达电解槽溶液上表面。在粒径小于 0.05 mm
15、 时，颗粒会沿着阳极内表面向上运动至到达溶液上表面，最后漂浮在溶液上表面。2）粒径较大的颗粒比粒径小的颗粒运动到液面的时间要短。参考文献1 刘宇新，刘中兴，杨立军. 稀土电解槽气液两相流动数值模拟 J. 有色金属（冶炼部分），2011（10）：27-33.2 赵东方，杨玉卓. 探析铝电解生产中碳渣的危害性J. 科技创新导报，2013（10）：154.3 范世平，王彦芳，冯民权，等. 污染物迁移扩散的质点追踪随机模拟 J. 武汉大学工程学报，2011，44(1)：32-36.4 赵晶晶，程树森，陶涛. 钢液中气泡和夹杂物的去除 J. 北京科技大学学报，2009，12（31）：104-107.5
16、李国美，王跃社，亢力强. 突扩圆管内液一固两相流固体颗粒运动特性的 DPM 数值模拟J. 工程热物理学报，2008，29（12）：2061-2064.6 刘中兴，曹峰. 钕电解阳极气泡的数值模拟J. 有色金属（冶炼部分）， 2004（6）：35-37.7 李红文，张涛. 文丘里管内气固两相流离散相仿真模型优化J. 合肥工业大学学报：自然科学版，2014，37（1）：42-478 夏小霞，王志奇，周乃君. 铝电解槽内电解质运动的数值模拟J. 过程工程学报，2007，7（2）：235-240.9 刘中兴，徐子娟，王伟，等. 稀土电解槽石墨阳极的研究 J. 有色金属（冶炼部分），2014(1)：45-49.
