稀土熔盐电解过程气泡形成与运动研究

稀土金属作为战略资源，在新材料、新能源及高科技领域具有不可替代的作用，稀土金属的提纯是关键的一步，而熔盐电解是稀土金属提纯的重要方法。有关稀土熔盐电解过程机理研究很少，关于影响电解过程气泡形成与运动机理研究，目前国内外未见文献报道。本项目拟采用实验与数值模拟相结合的方法研究稀土熔盐电解过程气泡形成与运动的机理，首次尝试采用表面化学反应模型模拟电解过程气泡形成的机理，以揭示电解过程电流密度的变化对气泡形成的影响和气泡运动对电解过程的影响，同时拟采用多相流相似原理推导电解过程气泡形成的相似准则，建立电解过程的水模型，利用PIV实验技术测试电解过程气泡形成与运动对流场的影响。通过本项目的研究可揭示电解过程电化学反应在气泡形成与运动的机理的作用，为我国新型大容量的稀土电解槽的开发提供理论基础，同时也可为我国稀土战略的实现提供基础理论技术支持，为自治区经济发展作出应有的贡献。

稀土金属作为战略资源，在新材料、新能源及高科技领域具有不可替代的作用，稀土金属的提纯是关键的一步，而熔盐电解是稀土金属提纯的重要方法。在稀土熔盐电解过程中，气泡的形成与运动是熔盐循环运动的重要推动力。. 本项目采用实验与数值模拟的方法研究稀土熔盐电解过程气泡形成与运动的机理，首次尝试采用表面化学反应模型模拟电解过程气泡形成的机理。首先，建立电极与熔体整体电解槽电场数学模型，模拟电解过程电流密度、电场分布情况，为电极表面反应提供精确的电流分布情况，研究发现电极的上方电流密度较大底部电流密度小，有利于上面的金属下落槽底；通过对电极材料的研究，发现采用石墨化电极可以降低熔体电压从而达到节能的目的；石墨表面多孔介质的孔隙率变化较小而比表面积变化较大，在生产过程中会对电解反应和阳极气体释放产生影响，而在电解温度条件下仍以生成CO为主，在此基础上建立了多孔介质耦合表面化学反应数学模型，通过对实验槽的模拟发现在距阳极约0.025m的范围之外，气泡浓度很小，与实验观测到的结果更为接近；当比表面积控制为3.3×106 m-1时，气体逸出较快而不影响金属收得率；搭建水模实验平台，采用Froude相似准则数，结合形核理论，利用PIV实验技术测试电解过程气泡形成与运动对流场的影响，试验发现，电极插入深度为0.265m时电流为2200A效果较好；电极插入深度为0.215m时电流为3200A较好；电极插入深度为0.165m时电流为3000A效果较好；通过对单气泡的研究，实验分析了通气量为7.13 ml/min、8.77ml/min、10.41 ml/min、12.06 ml/min、13.71 ml/min 时气泡各项参数变化，发现通气量为 8.77 ml/min 时气泡脱离效率最高，即阳极表面电流密度为 1.6 A/cm2更有利于实际电解；采用数值模拟，研究阳极表面电流密度、润湿角、阳极表面孔口直径、熔盐表面张力对气泡的生成和运动影响，分析发现在电解生产过程中，阳极表面的润湿角应保持在55°以下，电流密度可提高到1.50 A/cm2，孔径为0.125 mm，熔盐表面张力为0.255 N/m时，更有利于气泡的逸出，提高电解效率。以上的研究能极大的优化稀土电解槽的电解工艺，为我国大型高效稀土电解槽的开发提供理论基础。