毕业设计（论文）稀土电解槽仿真模拟及优化设计

内蒙古科技大学硕士学位论文摘要稀土电解槽是熔盐电解法生产稀土金属及其合金的主要设备。随着市场的发展，急需开发一种新型结构的电解槽，以适应大规模的工业生产。本文借鉴铝电解槽的开发过程，首次利用商用仿真软件对稀土电解槽进行仿真模拟优化设计，并利用它对新型稀土电解槽槽型的设计进行了有益的探索。稀土电解槽中存在着复杂的物理场，而电场是其他物理场的根源，热场、流场是决定稀土电解槽的电解是否能进行的重要因素。怎么样设计合理的电场、热场、流场是决定电解槽设计好坏的关键因素，所以，有关电场、热场、流场的研究显得十分重要。到目前为止，由于电极与熔体接触面的边界不好确定，前人研究大多数停留在熔体本身的电场、热场、流场的研究上。为实现稀土电解槽的全息仿真模拟，本文提出了一种新的构想：即采用有限元软件ANSYS具有的多重单元、多重属性及其能耦合求解电场、热场、流场的特点，建立稀土电解槽阳极一熔体一阴极有限元模型，对阳极、熔体和阴极的电场、热场、流场进行整体计算。其优点是不仅可以避免确定电极与熔体接触面的电流边界条件，而且可以通过计算结果分析该接触面的电流密度，提高了计算结果的准确性。本文首先根据傅立叶传热定律和基尔霍夫导电定律，建立了稀土电解槽传热、导电的数学模型。采用加权余量的伽辽金法推导了稀土电解槽电场、热场计算的有限元方程。根据广义的牛顿粘性定律，建立了熔体流场数学模型。根据包头稀土研究院3KA稀土电解槽的相关参数以及在合理的边界条件的假定下，对不同生产时期的电场进行了仿真计算，其结果与该槽实际生产情况吻合较好，验证了应用该模型对稀土电解槽阳极一熔体一阴极整体进行数值模拟的可行性和准确性。在电场研究的基础上，利用ANSYS的优化模块对3KA稀土氟盐体系氧化物电解槽进行优化设计，设计结果参数跟实际电解槽吻合，验证了优化设计的结果可靠性。其次，再利用ANSYS多场耦合的特性对优化的3KA稀土氟盐体系氧化物电解槽的电场、流场和温度场进行二维耦合仿真模拟，模拟结果与实际吻合，进一步确定了模拟优化电解槽设计的正确性，验证了耦合模型的正确性。关键词：稀土，电解槽，电场、热场、流场、耦合仿真、优化设计最后，本文利用ANSYS电热耦合模块对自行设计的10KA底部阴极导流稀土电解槽的电热场进行了三维耦合仿真模拟优化设计。从仿真优化结果分析，该槽型可以用于稀土电解的工业试生产，这为新型稀土电解结构的研究开辟了新方向。AbstractThe rare earth electrolysis cell is a main equipment to produce rare earth metals and its alloy by molten salt electrolysis method. We need develop a kind of new structural electrolysis cell urgently to adapt to the large-scale industry with development of market. The methods of research and development in aluminum reduction cell are used for reference in the article. The commercial simulation software is firstly used to carry on the simulation optimization design for the rare earth electrolysis cell, and the beneficial exploration has been carried on using it to the new rare earth electrolysis cell designed in the article .In rare earth electrolysis cell , there exist complicated physical fields, and current field is root of other fields. Whether current field , temperature field and flow field are designed reasonably or not are critical for the design of rare earth electrolysis cell, therefore, the study on current field and temperature field is very important. Up to now, studies only on molten electrolyte s current field , temperature field and flow field have been well conducted. However, the current field , temperature field and flow field of anode and molten electrolyte have not been studied well due to the difficulty in ascertaining boundary conditions of electric conduct of the contact area. In order to solve the problem, a new concept was conceived in this article: By using the multiple elements and multiple properties of ANSYS software, a model of anode and molten electrolyte as a whole was built and computed, therefore, not only the ascertaining of electric conduct boundary conditions of the contact area between anode and electrolyte was avoided, but also the current density of the contact area could be analyzed with the models result, so the calculation precision could be enhanced.First, a mathematical model of thermal conduct and electric conduct of rare earth electrolysis cell was built based on Fouriers law and Kirchhoffs law, and finite element equations for calculating current and temperature fields of rare earth electrolysis cell were deduced with Galerkin method. A mathematical model of the molten salt fluid flow of rare earth electrolysis cell was built based on the generalized Newton coherent fluid law.According to 3KA rare earth electrolysis cell in Baotou Rare Earth Research Institute , as well as in under reasonable boundary condition hypothesis, we had carried on the simulation computation to electric field in the different production time, its result tallied well with this actual production situation. The feasibility and the accuracy has been confirmed in applying these model to simulation in the rare earth electrolysis cell. In the electric field researched foundation, we had carried on the optimized design in using the ANSYS optimized module to the 3KA rare earth oxide electrolysis cell of the fluoride salt system , the design result parameter tallies with the actual rare earth electrolysis cell, the reliability of the optimized design result has been confirmed.Next, using the multiple elements and multiple properties of ANSYS software , we had carried on the two-dimensional coupled simulation to electric field, the flow field and the temperature field of the optimized 3KA rare earth oxide electrolysis cell of the fluoride salt system. Because the analogue result tallies with the actually, we have further determined the simulation optimization designs and the coupled model to be accuracy.Finally, by using the ANSYS Electrothermal field module in the 10KA drained cathode rare earth electrolysis cell Electrothermal field which was designed in dependently,we had carried on the three-dimensional coupled simulation optimization design in the article. From the coupled simulation optimization result analysis, the 10KA drained cathode rare earth electrolysis cell may be used trying to produce in the rare earth electrolysis industry, the new direction for the new rare earth electrolysis cell structure research has been opened.Key Words：rare earth, electrolysis cell, current field , temperature field, flow field, coupled simulation , optimization design - 3 -目录摘要1Abstract2引言11 文献综述31.1 稀土电解槽的研究背景综述31.1.1 稀土市场的现状31.1.2 稀土电解槽的应用及发展趋势41.1.3 稀土金属钕及钕铁合金的研究进展61.2 稀土熔盐电解槽电解原理及过程71.2.1 稀土熔盐电解的一般过程及原理71.2.2 稀土熔盐电解的电极过程81.2.3 熔盐电解法制取金属钕101.2.4 稀土熔盐电解的特点121.3 现代商业软件在电解槽物理场设计中的应用131.3.1 商业软件在电场的仿真应用141.3.2 商业软件在电热场的仿真应用141.3.3 商业软件在电磁场的仿真应用141.3.4 商业软件在流场的仿真应用151.4 本章小结152 课题的提出、研究目的和内容162.1 课题的提出162.2 研究目的162.3 研究内容172.4 课题的创新点173 稀土电解槽电、热、流场耦合仿真方法的研究183.1 稀土电解槽的物理场耦合分析183.2 稀土电解槽的数学模型193.2.1 稀土电解槽阳极、阴极与熔体电流场数学模型193.2.2 稀土电解槽热场数学模型223.2.3 稀土电解槽熔液流场数学模型233.3 稀土电解槽数学模型-全息仿真-整体优化设计思想243.3.1 ANSYS软件的数学模型-全息仿真-整体优化设计思路253.3.2 稀土电解槽数学模型-全息仿真-整体优化设计思想303.4 本章小结314 3KA稀土电解槽仿真模拟及优化设计模型验算324.1 对象描述324.2 3KA钕电解槽不同时期电场仿真模拟344.2.1 模型假设344.2.2 边界条件及网格划分344.2.3 模拟结果及分析354.3 3KA稀土电解槽电场仿真模拟优化设计434.3.1 优化设计参数的确定434.3.2 3KA稀土电解槽电场仿真模拟优化设计的基本过程434.3.3 3KA稀土电解槽电场仿真模拟优化设计的结果与分析454.4 3KA稀土电解槽优化设计的最优设计的耦合仿真验证474.4.1 耦合仿真边界条件474.4.2 耦合仿真程序设计484.4.3 耦合仿真结果494.5 结论524.6 本章小结525 10KA底部阴极导流稀土电解槽仿真模拟及优化设计545.1 对象描述545.2 10KA稀土电解槽仿真模拟优化设计555.2.1 几点假设555.2.2 边界条件及网格划分565.2.3 仿真优化设计的基本程序575.2.4 10KA稀土电解槽仿真模拟优化设计的结果与分析595.2.5 10KA稀土电解槽电热场的耦合仿真模拟结果605.3 结论645.4 本章小结646 结论与展望656.1 结论656.2 存在的问题和后期展望66参 考 文 献67在学期间的研究成果72致谢73内蒙古科技大学硕士学位论文引言上世纪90年代曾流行过一句话：“中东有石油，中国有稀土”。 经过二十多年的发展，我国稀土产业在世界上已拥有多个第一：资源储量第一，占70%左右；产量第一，占世界稀土商品量的80%至90%；销售量第一，60%至70%的稀土产品出口到国外。如此多的第一，按常规，产品拥有市场50%以上的份额，在价格上就应该有相对的话语权，然而二十多年过去了，中国的稀土却一直受制于买方市场，只卖了个“土”价钱。这其中很重要的原因就是稀土金属生产设备简单落后，生产厂家过多，产能过大，产品趋同，市场竞争激烈，造成生产稀土金属利润过低。在我国百余家稀土企业中，年处理能力在20005000吨的只有10家。小企业过多，缺乏规模效应，行业整体缺乏竞争力。随着国家加大调控，重视环保，许多企业将会被淘汰。但现阶段如何由稀土大国向稀土强国转变是每个从事稀土行业的人和稀土企业面临的严峻问题和必须审视的发展问题。在稀土金属的制备方法中，熔盐电解法是目前生产单一轻稀土金属、混合稀土金属及稀土合金的主要工业方法。在具体的工业生产中，熔盐电解制取金属法还不能在各项指标上都取得令人十分满意的成果。这主要是因为此法在实际的生产过程中受到许多内外在因素的制约，这其中影响程度较大的有稀土熔盐电解质的组成、电解温度、电极间距离、电流密度大小、电解槽槽型等。我国的科研工作者在稀土熔盐的物理化学、电化学性质以及稀土熔盐电解的电极过程等方面研究较多，在国际上具有一定水平，就目前的研究情况来看，人们已经对稀土熔盐电解的电极过程有了比较深入的研究，对影响电流密度的因素也有了比较清楚的认识，但对电解槽内部的高温电解质流动情况、温度分布情况等方面的研究就不很多，电解槽槽型的研究也比较单一。这严重影响制约了高效节能和大型熔盐稀土电解槽的开发研究。从七、八十年代，某些氟盐体系的电解技术实现了工业化生产后，该体系的电解正朝着越来越大规模化的方向发展。始于包头稀土研究院张志宏等人首先开发出稀土氧化物-氟化物电解体系钕电解槽生产金属钕。1987年起，稀土研究院在3KA熔盐电解的技术基础上，开始了大型熔盐电解槽的前期研究开发工作。1997年完成了3KA砌筑型试验电解槽的运行，同年启动了6KA砌筑型试验电解槽运行。1999年启动了6KA稀土熔盐电解槽进行工业运行，电解槽使用寿命超过一年。2000年稀土院启动三台6KA电解槽投入工业生产，当年又启动了10KA砌筑型电解槽运行，月产金属钕10吨，这一年稀土院建立大型电解槽钕生产车间，年生产金属钕能力为1000吨，并停止了采用3KA电解槽生产金属钕。2002年初10KA规模电解槽完成工业试验，使我国稀土熔盐电解技术上了一个新台阶。现在10KA规模电解槽已经工业化生产。2002年8月包头稀土研究院开始了25KA氟化物体系熔盐电解氧化钕工艺及设备的研究开发，2005年通过了国家重点项目的验收，开始了工业试生产。尽管如今的大型电解槽和原来的电解槽相比己有了质的飞跃，但这些稀土电解槽结构都是沿用20世纪80年代设计的3KA敞开式和上挂阴、阳极的方式，这种结构在放大的同时暴露出很多问题。这些问题的存在和暴露也影响了该类电解槽的进一步大型化，因此研究开发新型的槽型结构是实现稀土电解槽大型化亟待解决的问题。稀土氧化物电解制备稀土金属以氟化物熔盐为电解质体系，由于高温氟化物熔盐的腐蚀性极强，给氟化物熔盐体系氧化物电解的研究带来较大的困难，许多研究工作难度较大，甚至无法进行。另一方面，在进行“电解槽放大”研究过程中，对电解槽的设计方案进行优化选择时，若对每一个可行设计方案均进行试验，既浪费人力和财力又浪费时间。这是长期困扰氟化物熔盐体系氧化物电解工艺技术研究工作的难题。为此，在稀土院提供一定氟盐体系熔盐物化性质数据的基础上，我们采用了一种新的更为科学的研究方法，即进行了氟化物体系熔盐电解过程数值仿真技术的开发研究。并首次在国内采用数值仿真方法就氟化物体系熔盐电解稀土氧化物制备稀土金属过程进行研究，建立了单阴极原形电解槽、双阴极长方形电解槽、三阴极长方形电解槽的电场、温度场、流场的数值仿真模拟。采用这种研究方法对氟化物熔盐体系电解稀土氧化物过程的电场、流场、温度场及电解规律进行研究，利用研究结果指导和调整电解槽设计参数，对电解槽的设计方案进行分析和预报取得了可喜的成果。近年来，国外许多学者开始运用成熟的商业软件进行铝电解槽各物理场的仿真研究，开发了许多新型高效节能型铝电解槽，取得了事半功倍的效果。本文在我们以前用数值仿真方法就氟化物体系熔盐电解稀土氧化物制备稀土金属过程进行研究的基础上，借鉴铝电解槽新槽型开发研究的过程，利用大型仿真软件ANSYS对氟化物体系熔盐电解稀土氧化物制备稀土金属的电解槽进行多场耦合的仿真模拟，并利用其现有的优化模块对电解槽进行结构优化验证，在此基础上利用ANSYS的优化模块对自行设计的10KA底部阴极导流稀土电解槽进行仿真模拟及优化设计，以期实现开发高效节能新型稀土电解槽的槽型目的。1 文献综述1.1 稀土电解槽的研究背景综述1.1.1 稀土市场的现状稀土是17种金属元素的统称，是一种重要的战略资源，每一亿元的稀土原料用于高科技产品中，可创造200亿元的效益。中国科学院院士、北京大学稀土研究中心名誉主任徐光宪介绍：“美国的精确制导武器中就使用了大量的稀土。”1，如此重要的战略资源，2003年日本直接消费和间接消费(海外日本公司的消费)稀土2. 5万吨，日本国内每年直接消费的稀土为2万吨。中国是向日本出口稀土的主要国家，向日本出口的稀土占稀土总出口的份额从1998年的60%增加到2003年的85%。但是，法国使用的稀土富集物70%以上也是从中国购买的，接近日本从中国进口稀土总量的95%。按常规，产品拥有市场50%以上的份额，在价格上就应该有相对的话语权，然而二十多年过去了，中国的稀土却一直只卖了个“土”价钱2。美国稀土资源工业储量仅次于中国和独联体，达1300万吨，居世界第三位。它拥有世界最大的单一氟碳铈矿床芒廷帕斯矿山，平均品位（REO）达8.86%,边界品位达5%，还拥有独居石和磷钇矿等资源。美国曾是世界第一的稀土生产大国。但由于中国稀土产业的崛起，大量廉价的中国稀土冶炼分离产品涌入国际市场，迫使美国钼公司等稀土企业不断减产，而于2001年停止了芒廷帕斯稀土矿的开采。中国稀土考察团近期对美国的访问发现，芒廷帕斯稀土矿的停产，并非如我国稀土界某些人所说的是被我们“挤跨”。美国人的想法和态度是：既然中国稀土产品便宜，能廉价利用中国稀土资源何乐而不为？于是大量收购中国稀土冶炼分离产品供本国需要，而对芒廷帕斯稀土矿采取保护性停产，其矿山采选和冶炼分离设备一直处于良好的维护状态。美国人非常看重自己稀土资源的战略价值。不久前中海油（中国海洋石油有限公司）在竞购尤尼科公司时，美方提出的先决条件之一是收购后，必须把它下属的芒廷帕斯稀土矿山卖给美国公司。由此可见美国对稀土矿产资源战略地位的高度重视。这一竞购虽未成功，但却反映出美国对保护本国稀土资源的重视及相关政策。我国对稀土矿山与外合资方面也采取了类似的保护性政策和措施，不准外商涉足我国稀土矿业，但在如何科学保护稀土矿产资源，充分认识其长远战略价值方面，均显不足。美国人在这方面的思路和做法值得我们借鉴。就是这样一种有价值的资源，国外采用保护性开发，而我国却以低廉的价格出售，目前的境况却令人心痛：2004年，我国稀土产品出口5.49万吨，是1990年的9倍，而平均价格的降幅则达46%。在出口贸易中，基本上是国外商家提出什么价格，国内企业就接受什么价格。这其中很重要的原因就是稀土金属生产厂家过多，产能过大，产品趋同，市场竞争激烈，造成生产稀土金属利润过低。而我国过多的生产厂家都是生产能力小，生产设备简单落后，能耗高污染严重。因此开发大型稀土电解槽，优化其结构是市场的要求，也是保护我国稀土战略资源的需要。1.1.2 稀土电解槽的应用及发展趋势熔盐电解制取稀土金属起始于19世纪初期。1875年，赫奈波莱德（Hilleband）等用Fe阳极电解制取金属Ce、La和Pr_Nd混合物，一次电解仅制得6g金属Ce电解质是CeCl3_KCl_NaCl，电解槽为两个瓷坩埚。赫尔胥（Hirsch）用石墨作容器，在90% CeCl3和10% NaCl熔体里，电压1214V，电流200A，电解4h，共获得580g金属铈，电流效率为41.5%，主要消除了碳化物的生成而使产量提高。斯因格（Singh）等在LiCl_KCl，NaCl_KCl系中电解混合稀土金属，得到600g产物，电流效率在960时达到54.3%。LiCl_KCl系好于NaCl_KCl。爱斯特曼（Eastmans）等用CeCl3或CeF3在LiCl_KCl低共熔或CeCl3在CeF3_LiF低共熔浴中电解，结果CeCl3_LiCl_KCl电解浴电流效率可达80%。由氧化铝在冰晶石熔体里电解制取铝的启示，在19世纪60年代开始研究氟化物氧化物体系电解。美国矿物局在19601970年发表了许多关于氟化物氧化物体系制取稀土金属的报告。使用石墨坩埚、三根碳棒、三根钼棒分别组成阳极和阴极。采用内部加热，原料为CeO2，并于惰性气氛下，工作电流203A，温度为817，电解质组成的质量分数分别为：73%CeF3_15%LiF_12%BaF2。电解槽底部结壳，最后制得1055g99.9%的金属铈。除此以外还制得金属Nd、Pr及Pr_Nd混合物3。 目前国内外采用熔盐电解法生产混合或单一稀土金属，可分为两种电解质体系，即：稀土氯化物电解质（即RECl3-KCl）和稀土氧化物电解质（即REO-REF3），前者为二元电解质，后者为三元电解质（增加BaF2或LiF）。国外生产混合稀土金属多用稀土氧化物电解质（REO-REF-LiF），如美国、日本和独联体国家，但德国用稀土氯化物电解质（RECl3-KCl）。我国生产混合稀土金属都用稀土氯化物电解质，生产单一稀土金属用稀土氧化物和氯化物电解质。国内外所用电解槽的大小有所不同：如美国、日本和独联体均用大型的熔盐电解槽，一般电解槽电流在2.42.5万安培,德国的熔盐电解槽的电解电流可达5.0万安培,是目前世界上最大的电解槽。我国生产混合或单一稀土金属熔盐电解槽的规模比国外要小得多，一般电解槽为1.0万安培，小的为25003000安培，最小的为8001000安培，因此，单个电解槽的产量较小，各项技术指标也较差。据了解，独联体的哈萨克斯坦国生产混合稀土金属，采用稀土氧化物电解质体系，在24000安培熔盐电解槽中进行电解，具有较大的工业生产规模，每个电解槽年产稀土金属200吨左右，电流效率为75%，稀土回收率达9093%，电解槽寿命达4年以上。电解槽尺寸：53.54.2(m),阳极在上部，阴极在下部4。 联邦德国哥德斯密特（ThGoldschmidt AG）公司电解制取混合稀土金属采用50000A大型电解槽。槽型尺寸：320.6(m)。电解槽底部为阴极，上部悬挂数根圆形石墨阳极，电解得到的金属聚集在槽底，可周期性地将金属从槽底放出，电解过程中，电解槽用上盖盖严，氯气通过管道排出。该电解槽的电流效率可达70%5。我国从1956年起研究稀土氯化物的电解。杨倩志等完成了电解制取混合稀土金属的任务6；唐定骧等首先进行单一稀土金属镧、铈、镨的制备7。刘文淮等于70年代初开展RE2O3-REF3的电解8。70年代中期，国内出现熔盐电解制取稀土合金。唐定骧等提出了适于较低温度下电解制取稀土铝合金的新工艺9。我国从20世纪80年代也开始了大型稀土熔盐电解槽的研制。1984年，包头稀土研究院率先解决了电解槽材料及槽型结构等问题，研究成功了敞开式氧化物电解槽，首次在我国进行了氧化钕电解制取金属钕和钕铁合金的工业试验。该电解槽已获国家专利。在此基础上，1985年又成功地进行了氧化物电解法制取镧、铈、镨单一稀土金属的工业试验。此后，赣州冶金研究所和湖南金属材料研究所相继报道了用该方法制备稀土金属10。在近20年中我国采用3KA电解槽生产金属钕。1998年，6kA级氟盐体系电解槽在包头稀土研究院应用于工业化生产11。2000年开始研发万安级大型电解槽的工艺、槽型、电解过程自动化控制及回收处理阳极气体的措施，现已投入使用12。其技术原理是：稀土氧化物在氟化物熔盐中熔解、离解，在直流电场作用下，阴阳离子进行定向移动，并分别在阴极和阳极上生成稀土金属和二氧化碳。其技术特点是：在我国稀土火法冶金领域，完整地开发了集关键工艺技术和成套装备为一体的大型稀土熔盐电解成套技术；有效地实现了在敞开、抗氧化、抗高温条件下，进行大规模电解生产稀土金属的产业化，提高了整体生产过程的机械化水平；有效地提高了稀土产品质量一致性的要求，降低了生产成本13。2002年8月包头稀土研究院开始了25KA氟化物体系熔盐电解氧化钕工艺及设备的研究开发，2005年11月此项工作已通过了国家的验收。与此同时国内几个较大的稀土厂家如赣州冶金研究所，西骏稀土材料公司等也先后进行了大型电解槽的研究和开发工作。1.1.3 稀土金属钕及钕铁合金的研究进展发明于20世纪80年代的第3代稀土永磁材料钕铁硼（NdFeB）是属于新型的磁性材料，它具有产品档次高、附加值高、运用领域更尖端等特征，市场需求较大。2005年中国钕铁硼产量己经占到全球产量的70%以上。随着全球高新技术的迅猛发展，对NdFeB永磁材料的需求也越来越大，尤其是电子、计算机、核磁共振等对NdFeB的需求逐年增加。预计到2010年时，世界年产钕铁硼永磁将达到8万至10万吨。随着钕铁硼永磁体的蓬勃发展，制备该磁体所需的金属钕及含钕中间合金需求量也猛增，同时也进一步促进了生产钕及含钕中间合金的工业化进程。国外，早在60年代初，美国矿务局曾报道了在密封系统中，采用惰性气体保护及辅助交流加热方式，将氧化钕溶于氟化物熔盐，以纯铁为阴极电解制备钕铁合金的研究工作。钕铁硼永磁体问世以来，日本三德金属公司宣布，采用氧化物电解法生产钕铁合金。日本住友轻金属工业公司和美国通用汽车公司，分别开发了氟化物电解制备钕铁合金和在氯化物熔盐中，以钙（钠）为还原剂，还原氧化钕制备钕铁合金的最新技术14。20世纪60年代，我国已能用氯化钕为原料，选用熔盐电解法生产金属钕，但因为钕在电解过程中易溶解于电解质，造成了电流效率很低，钕的回收率不高，加上当年市场的销量较少，导致该方法不能在工业生产中推广。70年代开始研究用氧化钕(Nd2O3)熔盐电解法制备金属钕。随后进行了冶炼新工艺及新型电解槽的半工业试验并获得了成功，80年代中期实现了工业化生产，且因市场容量增加，故产量扩大。90年代以来，我国金属钕的生产原料供给、生产工艺技术、品种与产量、应用及市场等均取得了很大的成就，目前我国已成为世界金属钕的生产和供应大国，金属钕的生产能力及产量均居全球首位15。氟化物熔盐电解体系生产钕的技术迅速发展，万安培电解槽由于工艺及设备整体配套和优化，电解电流效率和金属钕的总收率分别达到 80.13%、94.99%。且金属钕的质量满足了高性能钕铁硼永磁材料的要求，具有较好的均匀性和一致性。同时由于我国具有丰富的稀土资源和廉价的人力资源，及我国的稀土工业优势和市场优势，加上我国生产技术、装备的日益完善和产品质量的日益提高，我国的稀土永磁钕铁硼产业将得到进一步的发展。同时，随着国外钕铁硼专利的失效，国外的钕铁硼制造业将逐渐萎缩并逐步向我国转移。此外我国加入WTO后，我国的市场经济体制将逐步完善，进一步加速这种趋势的发展16。随着钕铁硼永磁体的蓬勃发展，制备该磁体所需的金属钕及含钕中间合金需求量也猛增，同时也对金属钕及含钕中间合金的质量提出了越来越高的要求，金属钕的生产也向着更稳定、更系统、更规模的方向发展，使产品的品质跃上更高的台阶。因此，从国家和民族工业的利益着眼，从行业和企业的利益着眼，整合金属钕的生产企业，完善金属钕的生产工艺和设备，稳定行业的骨干力量，科学的、系统的提高员工的素质，是目前金属钕生产亟待解决的问题。当然，要解决金属钕生产中存在的问题，还需要行业内同仁的精诚协作，更需要做大量扎实有效的工作，开展广泛的基础研究和产业化的技术攻关、改造，使之成为高新技术产业，使我国的稀土资源优势转化为经济优势17。1.2 稀土熔盐电解槽电解原理及过程1.2.1 稀土熔盐电解的一般过程及原理18稀土熔盐电解是使熔融态的稀土化合物通过直流电，而使其电解还原来制取稀土金属的方法。电解是一个电化学过程，即伴随着电的转移的化学反应过程。电解是在称之为电解槽的反应器中进行的，这种装置能使电能转化为化学能。稀土金属的原料溶于熔盐中，通过电流则金属从熔体中析出。电解槽主要由电解质、电极和容器（槽壁和槽底）组成，其所用原料根据使用的稀土原料决定。电解质是由多种氯化物或氟化物组成的复杂熔体。在电解过程中，电流从阳极通过电解质流向阴极。电解质必须是严格的离子导体，而电极则必须是电子导体。阳极可以是可溶阳极，也可以是不溶阳极。可溶阳极能用于许多电解过程。在电解精练中，阳极由需提纯的粗金属制成，在电镀中，可溶阳极可作为被沉积金属的来源，在电沉积中，可溶阳极可由与阳极反应产物发生反应的物料组成，例如，阳极析出氧气时的碳质阳极。最初用于电解沉积的不溶阳极是由不受化学和电化学腐蚀的惰性物料组成。在氯化物电解中，碳素常用于作不溶阳极。对氟化物电解质而言，还没有令人十分满意的不溶阳极。就阴极材料而言，碳素、高熔点金属如钨、钼、钽以及低碳钢都已经被采用过。实际上，阴极仅起着导电作用，在电解过程中阴极材料与电解质之间被液态或固态的稀土金属产物所隔离。两种产物各有优缺点。固态金属总是呈树枝状的，这就导致了熔盐的机械夹杂，需进行除杂处理。产出液态金属解决了金属的形态问题，并且便于用虹吸出方法将产品从电解槽中移出。但是，这种方法也有不足之处，稀土金属可溶于其卤化物熔体中，这就从两个方面降低了电解槽的生产能力。首先，稀土金属的溶解消耗了金属产物；其次，熔盐中溶解的稀土金属能够参与导电，从而恶化了熔盐作为正常电解质的性能。并且，金属在熔盐中的溶解度是随温度的升高而增加的。另一种方法是将稀土金属电沉积到液态合金阴极中，此时，稀土金属的化学活性较相同温度下纯金属的化学性质低。这就降低了稀土金属在电解质中的溶解度，同时又具有上述液态金属产物的优点。1.2.2 稀土熔盐电解的电极过程191.2.2.1 氯化物体系电解的电极过程氯化物电解采用的熔体多是稀土氯化物与碱金属氯化物的混合熔盐，氯化稀土和碱金属氯化物离解成离子：RECl3 = RE3+ + 3 Cl-KCl = K+ + Cl-在直流电场作用下，阳离子RE3+ 、K+ 朝阴极方向移动，而阴离子Cl- 则朝阳极方向移动。电解的结果，在阴极上析出稀土金属；在阳极上析出氯气。阴极过程：在稀土氯化物和碱金属氯化物混合熔盐中，以氯作参比电极，在研究钼阴极的电流密度和电位关系的极化曲线时，发现整个阴极过程很复杂，大致可分为如下三个阶段：（1）在较稀土金属平衡电位更正的区间，即阴极电位在-1.0-2.6 V、阴极电流密度为10-410-2 A/cm2范围内，电位较正的那些阳离子会在阴极优先析出，例如：2H+ + 2e H2Fe3+ + e Fe2+Fe2+ + 2e Fe在这个电位区间，有些稀土离子，特别是 Sm3+、Eu3+等会发生不完全放电反应：Sm3+ + e Sm2+Eu3+ + e Eu2+所以，对电解质要求尽量少含较稀土电位更正的组分和变价素。（2）接近稀土金属平衡电位区间，即阴极电位在-3.0左右、阴极电流密度从10-1至几安培每平方厘米，稀土离子直接被还原成金属：RE3+ + 3e RE试验证明，稀土金属的析出是在接近于它的平衡电位下进行，并没有明显的过电位；在某些液态阴极上，反而有去极化作用。析出的金属又可溶于氯化稀土中：RE + 2RECl3 = 3RECl2或者又与碱金属氯化物发生置换反应：RE + 3MeCl = RECl3 + 3Me电解温度越高，这些过程进行得愈强烈，因此电解温度不宜过高，此外，还应从电解质组成、电解工艺、槽型等限制或减少金属的溶解和二次作用。（3）较稀土金属平衡电位为负的区间，阴极电位在 3.3-3.5 V，发生碱金属离子的还原：Me+ + e Me这一反应是在下述条件下进行的：当阴极附近的稀土金属离子浓度逐渐降低、电流密度增大到它的极限扩散电流密度时，阴极电位迅速上升，达到了碱金属析出电位值。为了避免这个过程，电解质中氯化稀土的含量不能过低，阴极电位和电流密度要控制在稀土金属的析出范围为宜。阳极过程： 在稀土氯化物和碱金属氯化物混合熔盐中，采用石墨作阳极，阴离子在石墨阳极上给出电子，即进行氧化反应，其过程是：Cl- Cl + e2 Cl Cl2 1.2.2.2 氧化物电解的电极过程稀土氧化物在氟化物熔盐中电解制取稀土金属的电极过程与铝电解的电极过程基本相似。首先是稀土氧化物溶于氟化物熔盐中，在熔盐中呈离子态存在，除变价稀土元素外，其他离子呈三价态。稀土氧化物的溶解： 稀土氧化物首先要溶于熔盐中，呈离子状态存在，以Ce3+和Ce2+为例说明如下：简单的离解：Ce2O32Ce3+3O2- CeO2Ce4+2O2在碳存在的条件下，与碳发生反应：2CeO2+C2Ce3+3O2-+COCeO2与熔体中同名离子盐发生反应：CeO2+3CeF44CeF3+O2阳极过程：稀土氧化物电解都使用石墨作阳极。可能发生的反应有一次电化学和二次电化学反应。一次电化学反应：O2-2e=1/2O21/2O+C=CO2O2-+C-4e=CO22O2-4e=O2以上反应可能同时发生，电解温度低于857度时阳极气体主要是二氧化碳，高于900度时阳极气体主要是一氧化碳。二次化学反应：电极生成的一次气体逸出时，在温度很高的电解质表面，二氧化碳气体与石墨阳极发生如下反应：CO2 + C = 2COO2 + C = CO2O2 +2C = 2CO阳极气体组成：主要是一氧化碳、二氧化碳，还有少量的氟化物和氟碳化合物。它们的产生主要是电解质中的水分子与氟离子作用：2F- + H2O O2- + 2HF3F- + H2O OF3- + 2HF当阳极表面阳离子不足时出现氟离子在阳极上放电，发生如下反应：nF- + mC - ne CmFn通常认为发生阳极效应时发生如下反应：4F-+C-4e CF4阴极过程： 稀土氧化物在电解质中离解出的三价正离子，在电场的作用下向阴极移动，按反应：RE3+ + 3e RE在阴极上有金属析出。在轻稀土金属中，由于钐是变价金属，在一般电解情况下，它的阴极上可能不是以金属形态析出，而是被还原成低价离子：Sm3+ + e Sm2+形成一个空耗电流的过程，从而降低了电解的电流效率。1.2.3 熔盐电解法制取金属钕金属钕是重要的轻稀土金属之一。由于它具有独特的物理和化学性质，所以近十多年来在稀土永磁材料（主要是第三代NdFeB永磁体）、高级稀土合金（如Mg-Nd和Nd-Fe合金）和高科技材料等方面的应用日益广泛，且用量猛增，前景十分广阔。生产金属钕所用的原料一般为：氯化钕、氧化钕和氟化钕。熔盐电解法制取金属钕按熔盐体系选择的不同可分为：氯化钕熔盐电解法和氧化钕熔盐电解法。1.2.3.1 氯化钕熔盐电解制取金属钕用氯化钕(NdCl3)为原料，配有氯化钾(KCl)构成二元电解质NdCl3-KCl体系。然后将电解质在石墨坩埚电解槽中进行熔化后，通入直流电进行电解。在石墨阳极析出氯气(Cl2)，在钼阴极上析出金属钕(由瓷碗接收)。电解过程的主要反应式为：离解：阴极：阳极：主要设备：1000A石墨坩埚电解槽（兼作阳极，配有钼阴极及接收Nd的瓷碗），铸锭模和包装器等。在氯化物熔盐体系中电解稀土氯化物生产稀土金属已有80多年的历史。电解的主要对象是铈族混合稀土金属与熔点较低的镧、铈和镨等单一稀土金属。氯化物体系熔盐电解具有电解温度低，电解质易于制备，电解槽结构简单，材料容易获得，易于操作等优点。但是自1983年，钕铁硼永磁合金的问世，需要大量而又廉价的金属钕为原料，这就大大的促进了电解法生产金属钕的发展。由于金属钕的熔点较高，氯化物电解法不适用于生产纯金属钕。而且氟化物熔盐体系比氯化物熔盐体系的电流效率高，原料不易吸水，电解过程不产生对环境污染的氯气。在这种形式下，在氟化物熔盐体系中电解氧化钕的方法就迅速发展起来。1.2.3.2 氧化钕熔盐电解制取金属钕用氧化钕(Nd2O3)为原料，选用氟化钕(NdF3)和氟化锂(LiF)进行配料，以构成三元电解质(Nd2O3-NdF3-LiF)。将电解质放入电解槽内进行熔化并达到电解温度后，通入直流电进行正常电解。电解过程的主要反应式为：离解：阳极： 阴极：电解过程稳定可靠，作业连续进行；电解槽结构合理；金属钕质量好，回收率高；电流效率较高，电耗及原料消耗低，产品成本低；电解中劳动条件好，无有害气体污染环境15。但是在氧化钕电解过程中会出现阳极效应的现象。阳极效应就是在电解过程中，电压突然升至正常电解电压的13倍，电流降至零，液面不翻腾，在阳极附近出现凸面的现象。同时在电解质和浸入其中的阳极界面上出现微火花放电的光环，虽然电解仍在进行，但阳极不产生气体，阴极析不出金属。究其原因，阳极上的气体容易形成气泡而离开阳极，但发生阳极效应时生成的气体则形成一层薄膜覆盖着阳极，将电解质和阳极隔离开来，气膜并不是完全连续的，在某些点，阳极与周围的电解质保持着间断的接触，在接触点处产生很大的电流密度，当阳极电流密度超过临界电流密度时，就出现阳极效应。临界电流密度与熔盐的性质、表面活性离子的存在、阳极的材料以及熔盐的温度有关。一般在氯化物系熔体中阳极效应难以出现，因氯化物对石墨阳极的湿润比氟化物好，而在氟化物氧化物系中能经常出现。阳极效应的出现对电解不利，因为它能使电解中断。但它也有好的一面，可以利用阳极效应的出现进行加料和提高炉温16。目前国内各金属钕生产厂家的工业装置，主要有3种类型：1.额定电流为3KA的小型电解槽；2.额定电流在4KA6KA的中型电解槽；3.额定电流在10KA20KA的大型电解槽。在实际生产和管理过程中，虽然中、小型电解槽有易操作和易调整的优点，但是，就其产能、规模、稳定性及长远的发展前景而言，大型电解槽则比中、小电解槽显示出不可比拟的优势；而且大型电解槽自动化程度更高，装备更完善，适于集约化、规模化生产，这对稳定生产工艺和产品质量，降低生产成本，提高生产效率有着重要意义17。1.2.4 稀土熔盐电解的特点如前所述，生产稀土金属一般采用熔盐电解法(氯化物体系和氯化物体系)和金属热还原法。熔盐电解法被广泛用来制取大量混合稀土金属、单一轻稀土金属(钐除外)和稀土合金。与金属热还原法相比，它比较经济方便，不用金属还原剂，又可连续生产。但熔盐电解制取稀土金属和合金有如下特性：(1)熔盐的电导大，离子扩散速度和化学反应速度快，稀土离子与液态稀土金属的界面之间具有较大的交换电流，因此电解稀土金属的阴极电流密度可以大到4 10A/cm2(有的甚至达到3040 A/cm2)，这在电化学冶金是少见的；(2)稀土离子的析出电位较负，因此在电解质中如有电位较正的阳离子杂质，将先于稀土析出。这就给原料带来了苛刻的要求，同时也对电解质成分的选择带来了更多的限制；(3)轻稀土金属的化学活性强，其熔点又比铝、镁还高，在高温熔化时它几乎能与所有元素作用。因此选择电解槽、电极、金属或稀土合金盛器材料很困难；(4)稀土氯化物容易吸水和水解，稀土金属能分解水，又与氧、碳、硫、氮、磷及许多金属杂质有很强的亲合力，因此要求氯化稀土和氟化稀土原料要脱水完全，电解空间的湿度低和空气含量尽量少等；(5)某些稀土金属，特别是钐、铕等在熔盐电解过程中呈现多种价态变化，在阴极上不完全放电，成为低价离子，而后又被氧化成高价状态，如此循环往复，空耗电解电流。因此，稀土原料中要尽量降低其含量；(6)稀土金属尤其是钕在其自身氯化物熔盐中的溶解度比镁在氯化镁中的要大数十倍，溶解速度也快。溶解生成的低价稀土化物又容易被阳极析出的氯气和空气中的氧所氧化，也容易在阳极上被氧化成高价离子，这是稀土电解电流效率不高的重要原因之一；(7)稀土金属化学活性高，易氧化，除了少数场合用它作还原剂、吸气剂外，稀土金属自身很少被单独使用。稀土金属往往作为合金(含金属间化合物)的组分之一，或作为添加剂用于冶金或新材料之中。1.3 现代商业软件在电解槽物理场设计中的应用1998年内蒙古科技大学的贺友多、刘中兴等教授首次将数值仿真的方法研究应用于稀土电解槽电解过程的研究， 并对3KA稀土氟盐体系电解槽电场、流场和温度场进行了计算模拟，开发了相应的计算程序。1999年包头稀土研究院率先将所开发成功的稀土熔盐电解槽电解过程数值仿真技术成功地应用于大型电解槽研究和设计中。但是利用现代商业软件对稀土电解槽的研究很少见报道。由于铝电解槽的电解过程与稀土电解过程比较相近，因此研究现代商业软件在铝电解槽物理场设计中应用现状可为商业软件在稀土电解槽的研究中的应用提供参考借鉴。对铝电解槽物理场的研究，现在已覆盖铝电解槽各物理场，如电场、磁场、流场、电热场、热应力场等，并且各研究机构己开发出一些实用软件，但由于各物理场之间相互作用，相互影响，有强烈的耦合关系，因而造成软件开发周期长、开发过程复杂，不仅需要大量的人力和物力，并且所取得的效果也不尽如人意。因此，近年来，国外许多学者开始运用成熟的商业软件进行铝电解槽各物理场的仿真研究，取得了事半功倍的效果。现在应用的主要商业软件有：NETWORK， ANSYS， PHOENICS/ESTER，FLUENT， CFX等。1.3.1 商业软件在电场的仿真应用应用商业软件进行铝电解槽电场的研究主要包括母线电场的研究和铝电解槽阳极、熔体、阳极碳块、阴极碳块部分电场的研究。D. Vogelsan20曾应用NETWORK软件计算母线的等效电阻网络，计算出母线各部分的电流分布，最后利用这一软件优化母线的尺寸和重量。M. Dupuis21应用ANSYS计算四分之一铝电解槽的铝液电流密度和电压分布，取得了较满意的结果。1.3.2 商业软件在电热场的仿真应用由于ANSYS软件有很强的电热场耦合计算功能，所以铝电解槽电热场的仿真研究普遍采用ANSYS商业软件。对铝电解槽电热场仿真研究比较透切的是美国学者M.Dupuis从1984年开始，M.Dupuis就应用ANSYS计算了半块阳极的三维电热分布22，接着于1986年应用ANSYS计算了二维电热阴极切片模型23，1992年进行了电热四分之一三维阴极模型24-25，1994年进行了铝电解槽三维瞬态电热四分之一电解槽预热模型26-28，1998进行了铝电解槽二维电热全槽切片模型29，2000年进行了二维电热阴极腐蚀切片模型的研究30和槽角部三维电热模型的研究31-32。而应用其它商业软件进行电热场研究没有见过报道。1.3.3 商业软件在电磁场的仿真应用M.Segatz33应用NETWORK计算出母线电流;利用有限差分法计算熔体区域电流，计算熔体区域电流时，熔体区域被简化成矩形单元，然后把计算出来的电流作为磁场计算的输入信息源，再应用FERRO软件计算磁场分布。M. Dupuis应用ANSYS的电磁场计算功能模块