10kA底部阴极结构电解槽热平衡分析.pdf

第 卷第 期（总第 期） 年 月 湿法冶金 Hydrometallurgy of China Vol No （Sum ） Feb 10 kA 底部阴极结构电解槽热平衡分析 吴富姬 ， 杨文龙 ， 李 建 ， 罗 璇 ， 欧阳健强 （赣州有色冶金研究所 ， 江西 赣州 ） 摘要 ： 对 kA 底部阴极结构电解槽在不同极距 、 不同阴极半径条件下的热平衡进行计算 ， 并对计算结果进 行分析 。 结果表明 ， 极距与阴极半径对电能利用效率有较大影响 。 这对电解槽槽型改进及提高电解槽电能利 用率提供有力的参考依据 。 关键词 ： 稀土 ； 底部阴极 ； 电解槽 ； 热平衡 ； 分析 中图分类号 ： TF 文献标志码 ： A 文章编号 ： -（）- DOI ： j cnki sfyj 收稿日期 ： - 第一作者简介 ： 吴富姬（ ） ， 女 ， 福建顺昌人 ， 硕士 ， 高级工程师 ， 主要研究方向为机械工程及自动化 。 近 年来 ， 我国稀土电解行业都采用传统电 解槽 ， 生产过程中暴露出许多问题 ， 如电能利用率 低等 。 热平衡是电解过程中的三大平衡之一 ， 计 算电解槽的热平衡对改进电解槽槽型 、提高电流 效率 、 降低能耗有重大意义 。 研究计算了 kA 底部阴极结构电解槽在不同极距和不同阴极半径 条件下的热平衡 ， 计算结果可用于指导电解工艺 参数优化 。 1 槽体介绍 传统的 kA 底部阴极结构电解槽采用上插 式阴 、 阳极结构 ， 生产中暴露的问题有 ： ）炉口处 槽体石墨和阳极石墨氧化严重 ， 阳极有效利用率 低 ； ）槽内温度高 ， 电解质挥发损失严重 ， 原料利用 率较低 ； ）电解槽上部敞口较大 ， 散热量大 ， 热能损 失较大 。 底部液态阴极结构电解槽由石墨阳极 、 钼 导体 、 绝缘材料等砌筑而成 ， 其剖面如图 所示 。 图 1 底部液态阴极结构电解槽的剖面 热平衡计算中 ， 模型的相关尺寸为 ： 石墨槽体 半径 cm ， 阴 、阳极距 cm ， 阳极半径 cm ， 电解槽高度 cm ， 石墨槽体外壁加入绝缘材料 、 耐火砖 、 外钢槽后外壁半径 cm ， 钢槽外壁温度 ， 电解槽底部温度 ， 电解槽上部钢板温 度 ， 电解液温度 ， 环境温度 。 2 电解槽热平衡计算 电解槽的热平衡是指在稳定状态下 ， 供给电 解槽体系的热能为电解过程中所需求的热能与从 电解槽体系中损失的热能的总和 ， 即热收入与热 支出持平 。 良好的热平衡状态是实现电解槽高产 低耗的重要保证 。 2 1 电解槽热收入计算 电解槽的热量主要来自 部分 ： 电流通入电 解槽产生的热 Q电 ， 石墨阳极与阳极气体发生 化学反应产生的热 Q化 。 电流产生的热 Q电为 Q电 UI （kJh）。 式中 ：I 电解槽的工作电流 ， A ； U 电解槽熔体 电压 ， V 。 阳极气体与石墨阳极的化学反应为 O CCO ， 化学反应热 Q化为 Q化 n H 万方数据 第 卷第 期吴富姬 ， 等 ： kA 底部阴极结构电解槽热平衡分析 n H CpdT （kJh） ， 其中 ， CO 的标准恒压摩尔热容 Cp T T 。 所以 ， 电解槽热量总收入 Q收入为 Q收入 Q电 Q化 （kJh）。 由于阳极发生的化学反应热 Q化基本为定 值 ， 而 Q电远大于 Q化， 说明 Q电直接决定电解槽热 量总收入 Q收入。 电解槽阴极半径和阴阳极距对 系统热总收入的影响结果如图 所示 。 图 2 电解槽阴极半径和阴阳极距对系统热收入的影响 由图 看出 ， 阴阳极距和阴极半径不同 ， 电解 槽的热收入不同 ： 极距相同时 ， 随阴极半径增大 ， Q电降低 ， 电解槽热量总收入下降 ； 阴极半径相同 ， 增大极距 ， Q电增大 ， 电解槽热量总收入 Q收入提高 。 2 2 电解槽热支出计算 在电解槽模型中 ， 有些部位只存在对流换热 或辐射换热 ， 如钢板底部 ； 而有些部位既存在辐射 换热又存在对流换热 ， 如钢板侧部和上盖板 。 计 算这些部位热交换时 ， 这 种换热方式都应考虑 。 电解槽热支出包括以下几部分 ： 侧部钢板散热 Q侧 ， 槽体上盖板散热 Q上盖，熔盐表面散热 Q熔盐， 阳极气体带走热量 Q气， 原料吸收的热量 Q料， 槽底导热 Q底， 氧化钕分解热量 Q钕。 对极距 为 cm 、 阴极半径为 cm 的电解槽计算其热 支出 。 侧部钢板散热 Q侧： h侧 （ T L ） （Wm ） ， s侧 （m ） ， Q侧 s侧侧Cb（ t侧 ） （ t环 ） ） s侧h侧t （kJh）。 式中 ：t环 环境温度 ， ；t 温度差 ， ；l 槽体 竖直高度 ， cm ；侧 黑度 ， 即一般实物表面发射率 ， 取 值 范 围 为 ；Cb 黑 体 辐 射 系 数 ， W（m K）。 槽体上盖板散热 Q上盖： h钢 （ t l ） （Wm ） ， s钢 （ ） r 槽 （m ） ， Q上盖 s钢钢Cb（ t钢 ） （ t环 ） ） s钢h钢t （kJh）。 熔盐表面散热 Q熔盐： h液 （t） （Wm ） ， s液 （r 槽 r 阳） （m ） ， Q熔盐 s液h液t s液液Cb（ t液 ） （ t环 ） ） （kJh）。 阳极气体带走热量 Q气： 假设阳极产生的气体全部为 CO ， 反应式为 NdO CNd CO ， 则每小时气体生成量为 x （molh）。 时 ， CO 的热焓 为 H H CpdT ； 时 ， CO 的热焓为 H H CpdT 。 式中 ：Cp 物质的标准恒压摩尔热容 ； H 、 H 、 K 时物质的标准摩尔焓 。 当 CO 温度从 升至 时 ， 热焓 增量为 H H H CpdT CpdT （kJh） ， 则 Q气 H x （kJh）。 原料吸收热量 Q料： y x （molh） ， 原料在加入前都进行预热 ， 取原料温度为 ， 万方数据 湿法冶金 年 月 则 H H H CpdT CpdT （molh） ， 其中 ， Cp t ， 所以 ， Q料 H y （kJh）。 槽底导热 Q底： h底 （t l ） （Wm ） ， s底 （ ） （m ） ， 电解槽底部下方是地面 ， 所以热支出只有导热 散热 ， Q底 s底h底t （kJh）。 氧化钕分解热 Q钕： Q钕 EI （kJh） ， 式中 ：E 氧化钕的理论分解电压 ，V ；I 电 流 ， A 。 总热量支出 Q总： Q总 Q侧 Q上盖 Q熔盐 Q气 Q料 Q底 Q钕 （kJh）。 按上面的公式和方法 ， 改变电解槽阴极半径 和阴阳极距 ， 相应部分的热支出计算结果如图 所示 。 可以看出 ： ）无论极距和阴极半径怎么变化 ， 氧化钕分 解热 、阳极气体带走热 、 原料吸收热均为定值 ； 槽 底散热 、槽体上盖板散热 、熔盐表面散热 、 侧部钢 板散热是热量支出的主要形式 ； 由于熔盐表面散 发的热量远大于其他 方面所散发的热量 ， 所以 ， 熔盐表面散热是电解槽热量总支出的决定因素 。 熔盐表面散热 Q熔盐、槽底散热 Q底、上盖板散热 Q上盖只受阴极半径影响 ， 基本不受极距变化影响 ， Q钕、Q料、Q气为定值 ； 而熔盐表面散热 Q熔盐、槽 底导热 Q底、 上盖板散热 Q上盖， 只受阴极半径影响 基本不受极距变化影响 ， 侧部钢板散热 Q侧很小 ： 所以 ， 电解槽热量总支出只受阴极半径影响 ， 基本 不受极距变化影响 。 从图 看出 ， 不同极距的 热量总支出变化趋势基本一致 。 ）阴 、 阳极距不变 ， 随阴极半径逐渐增大 ， 熔 盐表面散热迅速提高 ， 槽底导热逐渐增大 ， 上盖板 散热逐渐减小 ， 侧部钢板散热减小 。 阴极半径增 大后 ， 熔盐与空气接触面积增大 。 熔盐与空气的 接触面为圆环形状 ， 阳极半径不变 ， 即圆环内圆半 径不变 。 接触面积增大 ， 熔盐向空气辐射的热量 增大 ， 熔盐表面散热增加 。 随阴极半径增大 ， 槽 底面积增大 ， 导致槽底散热也增大 。 槽底面积增 大后 ， 槽内电解质水平下降 ， 所需电解槽高度减 小 ， 导致电解槽侧壁表面积减小 ， 最后侧部钢板散 热减小 - ， 最终热量总支出随阴极半径增大而 逐渐增大 。 图 3 阴极半径对侧部钢板散热的影响 图 4 阴极半径对电解槽其余部分热量支出的影响 图 5 阴极半径对热量总支出的影响 万方数据 第 卷第 期吴富姬 ， 等 ： kA 底部阴极结构电解槽热平衡分析 3 结论 电解槽极距相同时 ， 随阴极半径增大 ， 熔体电 压减小 ， 电流产生的热量减少 ， 最后电解槽热量总 收入减少 。 阴极半径相同时 ， 随阴 、 阳极极距增大 ， 熔体电压增大 ， 电流产生的热增加 ， 最后电解槽热 量总收入增加 。 据此 ， 可通过调节极距来使电解槽 达到热平衡 ， 热支出大于热收入时可以适当增大 阴 、 阳极距 ， 热支出远小于热收入时则可以适当减 小阴 、 阳极距 。 电解槽热量总支出只受阴极半径影 响 ， 且随阴极半径增大逐渐增大 。 熔盐表面散热也 是电解槽热量总支出发生变化的决定因素 。 参考文献 ： 吴富姬 ， 欧阳健强 ， 杨文龙 ， 等 kA 底部阴极稀土电解槽 的电场仿真J 湿法冶金 ， ， （） ： - TANG Dingxiang ， DU Senlin ， ZAO Minshou Proceedings of the first international symposium on molten salt chemis- try and technology M Kyoto ：Organizing Committee of the First International Symposium on Molten Salt Chemis- try and Technology ， ： - 尹小东 ， 刘中兴 ， 曹运涛 稀土熔盐电解槽的能量平衡计算 J包头钢铁学院学报 ， ， （） ： - 郭海涛 ， 贾海军 ， 任永红 A 金属钕电解槽的能量平衡 J 江西冶金 ， ， （） ： - 王军 ， 王春惠 kA 底部阴极稀土熔盐电解槽热平衡计算 J 稀土 ， ， （） ： - 刘奎仁 ， 陈建设 ， 魏绪钧 NdF-LiF-NdO体系表面张力的 研究J 稀土 ， ， （） ： - 刘奎仁 ， 陈建设 ， 魏绪钧 ， 等 NdF-LiF-NdO体系熔盐密 度的研究J 稀有金属与硬质合金 ， （） ： - 刘柏禄 稀土熔盐电解技术进展J 世界有色金属 ， （） ： - 任永红 ， 陈国华 ， 张志军 ， 等 氟氧化钕耐火材料的研制与应 用J 耐火材料 ， ， （） ： - 韩学印 氧化物电解生产金属钕的热平衡J 稀土 ， ， （） ： - Thermal Balance of 10 kA Bottom Cathodic Structure Electrolytic Cell WU Fuji ， YANG Wenlong ， LI Jian ， LUO Xuan ， OUYANG Jianqiang （Ganzhou Metallurgical Research Institute ， Ganzhou ， China） Abstract ：Thermal balance is calculated and analyzed on the kA bottom cathodic structure electrolytic cell with different electrode distance The results show that electrode distance and cathode radius influence on energy consumption The results can be used to improve the cell type for Increasing energy utilization Key words ： r