【正文】 lation 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 plicated 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 39。 最后，本文利用 ANSYS 電熱耦合模塊 對自行設(shè)計的 10KA 底部陰極導(dǎo)流稀土電解槽的電 熱 場進(jìn)行 了 三維 耦合仿真 模擬優(yōu)化設(shè)計 。 在電場研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS 的優(yōu)化模塊對 3KA 稀土氟鹽體系氧化物電解槽 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計結(jié)果參數(shù)跟實際電解槽吻合， 驗證 了 優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果可靠性 。 根據(jù) 廣義的牛頓粘性定律 ，建立了熔體流場數(shù)學(xué)模型。 本文首先根據(jù)傅立葉傳熱定律和基爾霍夫?qū)щ姸桑⒘?稀土 電解槽傳熱 、導(dǎo)電的數(shù)學(xué)模型。為實現(xiàn)稀土電解槽的全息仿真模擬， 本文提出了一種新的構(gòu)想 ： 即采用有限元軟件 ANSYS 具有的多重單元、多重屬性及其能 耦合 求解電 場 、熱場、流 場的特點，建立 稀土 電解槽陽極一熔體 一陰極有限元 模型，對陽極 、 熔體 和陰極的電場、 熱場 、流場 進(jìn)行整體計算。 怎么樣設(shè)計合理的電 場 、熱場、流場是決定電解槽設(shè)計好壞的關(guān)鍵因素 ， 所以，有關(guān)電場、熱場、流場的研究顯得十分重要。 本文借鑒鋁電解槽的開發(fā)過程，首次利用商用仿真軟件對稀土電解槽進(jìn)行仿真模擬優(yōu)化設(shè)計，并利用它 對 新型稀土電解槽槽型 的 設(shè)計 進(jìn)行了有益的 探索。內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 摘 要 稀土電解槽是熔鹽電解法生產(chǎn)稀土金屬及其合金的主要設(shè)備。隨著市場的發(fā)展 ， 急需開發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)的電解槽，以適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。 稀土電解槽中存在著復(fù)雜的物理場，而電場 是 其他物理場的根源，熱場、流場是決定稀土電解槽的電解是否能進(jìn)行的 重要 因素 。 到目前為止，由于電極 與熔體接觸面的邊界不好確定，前人研究大多數(shù)停留在熔體本身的電場、熱場、流場的研究上。其優(yōu)點是不僅可以避免確定 電極 與熔體接觸面的電流邊界條件，而且可以通過計算結(jié)果分析該接觸面的電流密度 ， 提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用加權(quán)余量的伽遼金法推導(dǎo)了 稀土 電解槽電 場 、熱場計算的有限元方程。 根據(jù) 包頭稀土研究院 3KA稀土 電解槽的相關(guān)參數(shù)以及在合理 的邊界條件的假定下，對 不同生產(chǎn)時期的電場進(jìn)行了仿真計算 ， 其結(jié)果與該槽 實際生產(chǎn)情況 吻合較好，驗證了應(yīng)用該模型對 稀土 電解槽 陽極一熔體一陰極整體 進(jìn)行數(shù)值模擬的可行性和準(zhǔn)確性。 其次， 再 利用 ANSYS 多場耦合的特性 對優(yōu)化的 3KA 稀土氟鹽體系氧化物電解槽的電場、流場和溫度場進(jìn)行二維 耦合仿真 模擬， 模擬結(jié)果與實際吻合， 進(jìn)一步確定 了 模擬優(yōu)化電解槽設(shè)計的正確性 ，驗證了耦合模型的正確性 。從仿真 優(yōu)化結(jié)果分析 ， 該槽型可以用于稀土電解的工業(yè)試生產(chǎn)，這為新型稀土電解結(jié)構(gòu)的研究 開辟了新方向。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 puted, 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 model39。s law and Kirchhoff39。 經(jīng)過 二 十 多 年的發(fā)展，我國稀土產(chǎn)業(yè)在世界上已擁有多個第一：資源儲量第一，占 70%左右；產(chǎn)量第一，占世界稀土商品量的 80%至 90%； 銷售量第一， 60%至 70%的稀土產(chǎn)品出口到國外。 這其中很重要的原因就是稀土金屬生產(chǎn)設(shè)備簡單落后，生產(chǎn)廠家過多，產(chǎn)能過大，產(chǎn)品趨同，市場競爭激烈，造成生產(chǎn)稀土金屬利潤過低。小企業(yè)過多，缺乏規(guī)模效應(yīng)，行業(yè)整體缺乏競爭力。但現(xiàn)階段如何由稀土大國向稀土強國轉(zhuǎn)變是每個 從事 稀土 行業(yè)的人和稀土 企業(yè)面臨的嚴(yán)峻問題和必須審視的發(fā)展問題。 在具體的工業(yè)生產(chǎn)中，熔鹽電解制取金屬法還不能在各項指標(biāo)上都取得令人十分滿意的成果。 我國的科研工作者在稀土熔鹽的物理化學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)以及稀土熔鹽電解的電極過程等方面研究較多，在國 際上具有一定水平，就目前的研究情況來看，人們已經(jīng)對稀土熔鹽電解的電極過程有了比較深入的研究，對影響電流密度的因素也有了比較清楚的認(rèn)識，但對電解槽內(nèi)部的高溫電解質(zhì)流動情況、溫度分布情況等方面的研究就不很多 ，電解槽槽型的研究也比較單一。 從七、八十年代，某些氟鹽體系的電解技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)后，該體系的電解正朝著越來越大規(guī)?；姆较虬l(fā)展。 1987 年起，稀土研究院在 3KA 熔鹽 電解的技術(shù)基礎(chǔ)上，開始了大型熔鹽電解槽的前期研究開發(fā)工作。 1999 年啟動了 6KA 稀土熔鹽電解槽進(jìn)行工業(yè)運行，電解槽使用壽命超過一年。 2021 年初 10KA 規(guī)模電解槽完成工業(yè)試驗，使我國稀土熔鹽電解技術(shù)上了一個新臺階。 2021 年 8 月包頭稀土研究院開始了 25KA 氟化物體系熔鹽電解氧化釹工藝及設(shè)備的研究開發(fā)， 2021 年通過 了 國家重點項目 的驗收 ， 開始 了 工業(yè)試生產(chǎn)。 這些問題的存在和暴露也影響了該類電解槽的 進(jìn)一步 大型化，因此研究 開發(fā) 新型的槽型結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)稀土電解槽大型化 亟待 解決的問題 。另一方面，在進(jìn)行“電解槽放大”研究過程中，對電解槽的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化選擇時，若對每一個可行設(shè)計方案均進(jìn)行試驗，既浪費人力和財力又浪費時間。為此，在稀土院提供一定氟鹽體系熔鹽物化性質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們采用了一種新的更為科學(xué)的研究方法，即進(jìn)行了氟化物體系熔鹽電解過程數(shù)值仿真技術(shù)的開發(fā)研究。采用這種研究方法對氟化物熔鹽體系電解稀土氧化物過程的電場、流場、溫度場及電解規(guī)律進(jìn)行研究，利用研究結(jié)果指導(dǎo)和調(diào)整電解槽設(shè)計參數(shù)，對電解槽的設(shè)計方案進(jìn)行分析和預(yù)報取得了可喜的成果。本文在我們以前用數(shù)值仿真方法就氟化物體系熔鹽電解稀土氧化物制 備稀土金屬過程進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，借鑒鋁電解槽 新槽型開發(fā) 研究的過程， 利用大型仿真軟件 ANSYS 對氟化物體系熔鹽電解稀土氧化物制備稀土金屬的電解槽進(jìn)行多場耦合的仿真模擬，并利用其現(xiàn)有的優(yōu)化模塊對電解槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 驗證 ， 在此基礎(chǔ)上利用 ANSYS 的優(yōu)化模塊對自行設(shè)計的10KA 底部陰極導(dǎo)流稀土電解槽進(jìn)行仿真模擬及優(yōu)化設(shè)計，以期實現(xiàn)開發(fā) 高效節(jié)能 新型稀土電解槽的槽型目的。中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)稀土研究中心名譽主任徐光憲介紹： ―美國的精確制導(dǎo)武器中就使用了大量的稀土。中國是向日本出口稀土的主要國家，向日本出口的稀土占稀土總出口的份額從 1998 年的 60%增加到 2021 年的 85%。 按常規(guī)，產(chǎn)品擁有市場 50%以上的份額，在 價格上就應(yīng)該有相對的話語權(quán)，然而 二 十多年過去了，中國的稀土卻 一直 只賣了個 ―土 ‖價錢 [2]。它擁有世界最大的單一氟碳鈰礦床 — 芒廷帕斯礦山，平均品位（ REO）達(dá) %,邊界品位達(dá)5%，還擁有獨居石和磷釔礦等資源。但由于中國稀土產(chǎn)業(yè)的崛起，大量廉價的中國稀土冶煉分離產(chǎn)品涌入國際市場，迫使美國鉬公司等稀土企業(yè)不斷減產(chǎn)，而于 2021 年停止了芒廷帕斯稀土礦的開采。美國人的想法和態(tài)度是：既然中國稀土產(chǎn)品便宜，能廉價利用中國稀土資源何樂而不為 ？ 于是大量收購中國稀土冶煉分離產(chǎn)品供本國需要，而對芒廷帕斯稀土礦采取保護(hù)性停產(chǎn)，其礦山采選和冶煉分離設(shè)備一直處于良好的維護(hù)狀態(tài)。不久前中海油（中國海洋石油有限公司）在競購 尤 尼科公司時，美方提出的先決條件之一是收購后，必須把它下屬的芒廷帕斯稀土礦山賣給美國公司。這一競購雖未成功，但卻反映出美國對保 護(hù)本國稀土資源的重視及相關(guān)政策。美國人在這方面的思路和做法值得我們借鑒 。在出口貿(mào)易中，基本上是國外商家提出什么價格，國內(nèi)企業(yè)就接受什么價格。而我國過多的生產(chǎn)廠家都是生產(chǎn)能力小，生產(chǎn)設(shè)備 簡單 落后，能耗高污染嚴(yán)重。 稀土電解槽的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 熔鹽電解制取稀土金屬起始于 19 世紀(jì)初期。赫爾胥（ Hirsch）用石墨作容 器，在 90% CeCl3和 10% NaCl 熔體里，電壓 12～ 14V，電流 200A，電解 4h，共獲得 580g 金屬鈰，電流效率為 %，主要消除了碳化物的生成而使產(chǎn)量提高。 LiCl_KCl 系好于 NaCl_KCl。由氧化鋁在冰晶石熔體里電解制取鋁的啟示，在 19 世紀(jì) 60 年代開始研究氟化物 — 氧化物體系電解。使用石墨坩堝、三根碳棒、三根鉬棒分別組成陽極和陰極。電解槽底部結(jié)殼，最后制得%的金屬鈰。 目前國 內(nèi)外采用熔鹽電解法生產(chǎn)混合或單一稀土金屬，可分為兩種電解質(zhì)體系，即：稀土氯化物電解質(zhì)（即 RECl3KCl）和稀土氧化物電解質(zhì)（即 REOREF3），前者為二元電解質(zhì)，后者為三元電解質(zhì)（增加 BaF2或 LiF）。我國生產(chǎn)混合稀土金屬都用稀土氯化物電解質(zhì)，生產(chǎn)單一稀土金屬用稀土氧化物和氯化物電解質(zhì)。我國生產(chǎn)混合或單一稀土金屬熔鹽電解槽的規(guī)模比國外要小得多，一般電解槽為 萬安培，小的為 2500～ 3000 安培，最小的為 800～ 1000 安培，因此，單個電解槽的產(chǎn)量較小，各項技術(shù)指標(biāo)也較差。電解槽尺寸： 5 (m),陽極在上部，陰極在下部 [4]。槽型尺寸： 3 2 (m)。該電解槽的電流效率可達(dá) 70%[5]。楊倩志等完成了電解制取混合稀土金屬的任務(wù) [6]；唐 定驤等首先進(jìn)行單一稀土金屬鑭、鈰、鐠的制備 [7]。 70 年代中期，國內(nèi)出現(xiàn)熔鹽電解制取稀土合金。 我國從 20 世紀(jì) 80 年代也開始了大型稀土熔鹽電解槽的研制。該電解槽已獲國家專利。此后，贛州冶金研究所和湖南金屬材料研究所相繼報道了用該方法制備稀土金屬 [10]。 1998 年， 6kA 級氟鹽體系電解槽在包頭稀土研究院應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn) [11]。其技術(shù)原理是：稀土氧化物在氟化物熔鹽中熔解、離解，在直流電場作用下，陰陽離子進(jìn)行定向移動，并分別在陰極和陽極上生成稀土金屬和二氧化碳。 2021 年 8 月包頭稀土研究院開始了 25KA 氟化物體系熔鹽電解氧化釹工藝及設(shè)備的研究開發(fā)， 2021 年 11 月此項工作已通過了國家的驗收。 稀土 金屬釹及釹鐵合金的研究進(jìn) 展 發(fā)明于 20 世紀(jì) 80 年代的第 3 代稀土永磁材料 釹鐵硼 （ NdFeB） 是屬于新型的磁性材料，它具有產(chǎn)品檔次高、附加值高、運用領(lǐng)域更尖端等特征，市場需求較大。 隨著全球高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對NdFeB 永磁材料的需求也越來越大 ， 尤其是電子、計算機、核磁共振等對 NdFeB 的需求逐年增加。 隨著釹鐵硼永磁體的蓬勃發(fā)展，制備該磁體所需的金屬釹及含釹中間合金需求量也猛增，同時也進(jìn)一步促進(jìn)了生產(chǎn)釹及含釹中間合金的工業(yè) 化進(jìn)程。釹鐵硼永磁體問世以來，日本三德金屬公司宣布，采用氧化物電解法生產(chǎn)釹鐵合金。 20 世紀(jì) 60 年代，我國已能用氯化釹為原料，選用熔鹽電解法生產(chǎn)金屬釹，但因為釹在電解過程中易溶解于電解質(zhì)，造成了電流效率 很低，釹的回收率不高，加上當(dāng)年市場的銷量較少，導(dǎo)致該方法不能在工業(yè)生產(chǎn)中推廣。隨后進(jìn)行了冶煉新工藝及新型電解槽的半工業(yè)試驗并獲得了成功， 80 年代中期實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，且因市場容量增加，故產(chǎn)量擴大。氟化物熔鹽電解體系生產(chǎn)釹的技術(shù)迅速發(fā)展，萬