底部阴极式稀土氟盐体系电解槽的计算机模拟-温度场部分.pdf

4.稀土电解槽温度场的研究 在电解过程中，槽内熔体的温度分布是影响稀土熔盐电解的一个很重 要的因素，它直接关系到电解的运行情况和电能消耗，同时也制约槽体的 使用寿命。按照工业生产的要求，比较理想的槽体温度场应该是这样的： 1.在保证熔盐和熔融金属流动性的前提下，使反应区域内的温度尽量低， 这样可以尽量减少熔盐的挥发损失和金属产品在熔盐中的溶解损失；2.槽 体由外槽壁以对流和辐射等形式散失的能量在设备二次输出电能的比例 应尽量小，保证能有较高的电能有效利用率。总之，较好的温度场可以使 槽体在运行过程中，能量消耗和其它辅助材料的消耗降到最低。 槽体温度分布不是原因，而是结果，它是由槽体内部结构、工艺条件 以及熔盐自身性质所决定。在铝电解行业，研究人员正在从事低温铝电解 方面的工艺研究。对于铝电解槽，降低操作温度还是有潜力的。因为现行 铝电解通常的操作温度为 950-970℃，而金属铝熔点为 660℃，在电解过程 中，通过调整分子比，再加上添加剂的作用，可使体系的初晶温度从 965℃ 降低到 700℃左右，甚至更低[86]。对于金属钕电解槽，尽管调整LiF-NdF3 [8] 的配比可使其初晶温度最低降至 721℃ ，但金属钕熔点（1011℃）与现 有的工艺操作温度（1050℃）非常接近，降低操作温度已经没有余地。熔 盐性质的改变要通过改变电解质体系的组元和组成，它是一个繁杂的系统 化工程。 本文的研究旨在通过对不同结构的电解槽的温度场进行计算和比较， 特别是对现有 3000A 的结构和拟设计的低部阴极电解槽温度分布，找到一 种比较合理有效的温度场分布，为下一步槽体的设计提纲依据。 4.1 电解及热量传递的相关理论 4.1.1 热传导 4.1.1.1 傅立叶热传导定律 - 79 - 1822 年，法国傅立叶（J.B.Fourier）在总结实验基础上，用一个简 单的式子把物体内部温度变化率和热流量联系了起来： T Q F x T q  （4.1） x 式中 — 固体的导热系数，W ;  m K T — x 方向的温度梯度。 x 式中负号表示热量传输方向与温度梯度方向相反，既热量向温度低处传 输。该定律的物理意义是：热传导时，单位时间内通过给定面积的热量， 正比于垂直于导热方向的截面积及其温度变化率。 4.1.1.2 导热系数 由傅立叶定律可以得到导热系数的表达式 q  T  x 导热系数是数值等于单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度， 表示了物体导热能力的大小。各种物体的导热系数都采用实验测定。目前， 对高温熔体的导热的研究和实验数据的报道很少。在金属液和电解液中由 于存在原子的运动和自由电子的漂移，并且在熔点附近金属液中还存在近 程有序结构的声子导热，这些使金属液和电解液的比非金属液的导热系数 大 10-100 倍。但金属液体的导热系数与其固体相比也小好多。下面是一 些常见的和与本论文相关液体的导热系数[88] ： 表 4-1 液体材料的热学性质       液体名称 导热系数 W / m K