底部阴极式稀土氟盐体系电解槽的计算机模拟-电场部分.pdf

2. 稀土电解槽电场分布的研究 2.1 有色冶金行业电解槽电磁场研究的现状 在有色冶金行业，金属化合物的熔盐电解法是制取活泼金属的重要方 法。到目前为止，对于熔盐电解槽的研究以及对于电解槽内部物理场的研 究，前人已经作了一定的工作。用熔盐电解法生产金属主要应用于铝、镁 行业。虽然有少量的铸造铝合金用电热法制取，但冰晶石-氧化铝熔盐电解 法仍是生产铝的唯一方法。把氧化铝溶解在熔融的冰晶石中用电解法来炼 铝，是 1886 年由法国埃鲁和美国霍尔同时提出的，至今埃鲁-霍尔法并无 原则上的改动。金属镁的生产方法分为硅热还原法和电解法两种。硅热还 原法是以煅烧白云石为原料，以硅铁作还原剂，在高温和真空条件下进行 还原制得金属镁。它可分为半连续硅热还原法和皮江法；电解法也可分为 氯化物体系电解和氟化物体系电解。目前，世界镁产量电解法占60%，热 还原法占40%[34] 。电解法生产金属镁在国际上比较流行，有取代皮江法之 势。如世界上最大的镁业公司DOW 公司、挪威镁厂、以及前苏联的几家 [35] 大型镁钛联合企业都采用氯化物熔盐电解法生产金属镁 。现在国内的氯 化物电解镁生产厂家只有民和镁厂。我们可以看到好多有关铝、镁电解槽 [36-38] 电磁场的研究 。内蒙古科技大学在2000 年，开始对稀土电解槽进行场 的研究，针对现有3000A 规模的氟盐体系电解槽进行物理场的计算机模拟 [39、40] ，对稀土电解槽的改进和研发起到了重要作用。 2.1.1 铝电解槽与现行稀土电解槽的磁场比较 2.1.1.1 铝电解槽磁场分析 在铝电解生产过程中，氧化铝在电解质中的溶解速度是影响电流效率 的极为重要的因素，而氧化铝的溶解又与其熔盐流动速度有直接关系。引 起铝电解液流动的主要因素是磁场和电流场产生的电磁力。随着铝电解系 列电流容量扩大，磁场作为物理场中的一个重要技术环节，其影响作用变 - 28 - 得更加突出。一般认为，当系列电流超过十万安培时，磁场补偿设计是必 [38] 须的，否则槽内磁流体强烈扰动将使生产操作稳定性面临严重问题 。铝 [37] 电解槽磁场一般由三个部分组成 ： 1. 母线电流（各种母线、阳极棒及阴极棒）产生的磁场； 2. 阳极块、阴极块及熔体铝液中电流所产生的磁场； 3. 铁磁物质（包括槽壳、钢质上部结构等）对磁场的影响。 在铝电解槽磁场计算中，对第1、第2 部分磁场的计算，人们已经取得 了共识，即应用Biot-savart 定理的线积分和体积分形式进行计算。而对第 3 部分磁场的计算，即包括铁磁材料在内的磁场计算，人们运用了磁衰减 [41] 系数法、有限元素法、边界元素法等 。 2.1.1.2 铝电解槽磁场计算的意义 [42] 当今的铝电解工业正在向槽容量大型化发展 。铝电解槽上通过的电 流会产生强大的磁场，磁场分布的好坏直接影响着流场分布的好坏，这将 对铝电解槽的生产操作、电解槽的寿命、电能消耗和电流效率产生巨大的 影响，这使得铝电解槽磁场的计算研究愈显重要。如何有效地配置母线， 改善铝电解槽内磁场和电场的分布，多年来一直是国内外铝冶金工作者十 分关注的课题。 早在20 世纪60 年代，通过生产实践的观察人们就已经发现，5 万安 培电流的电解槽能使铝液面隆起1 ㎝左右，当电流达到8 万安培以上时铝 液面几乎隆起 8-10 ㎝。铝液的旋转运动速度也随着电流强度的加大而加 快，8-10 万安培的电解槽，在电磁力的作用下，铝液的流动速度已经达到 20-50 ㎝/s 。 在电磁力的作用下，又由于阳极气体的排出以及铝液同电解质熔体的 3 密度差别较小（约为0.2g/㎝ ）,从而引起铝液隆起、偏斜、旋转和波动， 增加了铝液的溶解损失，降低了电流效率。另外，由于铝液的剧烈搅