電解金屬錳電解槽多場耦合仿真與節(jié)能優(yōu)化研究.pdf

1、在電解錳過程中，由于電極上的競爭反應(yīng)、陽極泥的產(chǎn)生、陰極分形生長和陽極電化學(xué)振蕩等因素的存在，使得電解階段能耗始終居高不下，而電解槽內(nèi)電場、濃度場、溫度場等多物理場與化學(xué)場等多場耦合直接影響著這些因素。近年來，諸多研究表明，電解槽結(jié)構(gòu)與電流加載方式等方法可有效調(diào)控并優(yōu)化電解槽內(nèi)物理場與化學(xué)場的分布。因此，通過電解槽結(jié)構(gòu)、電流加載方式等外控參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對節(jié)能電解槽內(nèi)多場耦合進(jìn)行調(diào)控，對于電解錳生產(chǎn)過程中節(jié)能降耗具有重要意義。本文以電解

2、槽幾何結(jié)構(gòu)、陽極幾何開孔形狀、電流加載方式為切入點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值模擬，考察以上外控參數(shù)對電解錳電流效率、單位功耗以及電解槽內(nèi)物理場分布的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①結(jié)合直流電沉積制備金屬錳實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬手段，研究了異名極板間距（極板間距）、電極相對大小、極板擺放方式對電流效率、單位功耗以及電解槽內(nèi)電場和濃度場的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支持；極板間距低于4cm、極板相對擺放角度在0～2deg、陽極尺寸小于陰極

3、尺寸有利于電解錳過程節(jié)能降耗，在極板間距較小時，電解質(zhì)濃度需要得到及時補(bǔ)充。②通過自制多孔陽極板進(jìn)行直流電沉積制備金屬錳實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬考察陽極開孔形狀對電解錳經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及電解槽內(nèi)電場分布的影響，研究表明：陽極板幾何開孔為圓孔時，電流效率最大74.54％，單位功耗降低到5506 kWh/t，電解金屬錳的表面光滑平整、晶粒細(xì)小；在電解過程中，采用開孔形狀為圓孔的陽極電解時，在水平和垂直方向上均獲得最負(fù)過電位-1.5989 V，電解質(zhì)電位

4、分布比其它開孔形狀分布均勻，陽極上電流向其他方向的流通量減少、電解液內(nèi)阻電壓降較低，電流損失降低。③通過陰極過電位在線測定，驗(yàn)證電-濃度場的數(shù)學(xué)模型的正確性。在直流電沉積制備金屬錳過程中，由于電流幾乎為一恒定值，隨著時間的變化陰極過電位電位隨時間變化不明顯，電解時陰極過電位在1.611 V左右。仿真值與實(shí)驗(yàn)值的誤差均小于5%，模型可有效預(yù)測電解槽內(nèi)電場與濃度場的分布。④通過雙向脈沖電沉積制備金屬錳，考察了正向平均電流密度JF、反向脈沖系