CN101368282A - 下阴极稀土金属电解槽及采用该电解槽的电解工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种下阴极稀土金属电解槽及采用该电解槽的电解工艺。本电解槽包括阳极、阴极，所述的阴极设置在电解槽底部，电解出的单一或混合金属汇集其上，液态金属液面作为阴极表面，位于阴极上方的阳极与一传动机构连接，该传动机构调节阴极和阳极之间的距离。本电解槽适合在氟化物电解质体系中电解生产稀土金属，包括生产镧、铈、镨、钕的单一稀土金属和这些元素之间的混合稀土金属。本电解槽的阳极和阴极之间的距离可以随时调整，电解槽的电能利用率高、电流效率高，辅助材料的有效利用率高，电解槽的寿命比现有电解槽更长，适于向大容量方向发展。

Description

下阴极稀土金属电解槽及采用该电解槽的电解工艺
技术领域
本发明涉及一种下阴极稀土金属电解槽和采用该电解槽的电解工艺。
技术背景
目前，以氧化物为原料、氟化物为熔盐体系的稀土金属电解，其电解槽型为上阴极电解槽，这种电解槽的特点是阳极和阴极从电解槽上方平行浸入到电解质中，在正对着阴极的下方放置一个钨或钼等耐高温耐腐蚀且不与稀土金属反应的坩埚用于承接电解出的金属。当前工业生产使用的电解槽主要有3000～4000A小型电解槽和万安以上的大型电解槽。
中国专利99127580.2公开了一种在传统氟化体系熔盐电解槽上使用块状多阳极的电解槽，这种电解槽以圆形石墨槽为槽体，阴极从上方插入，环绕阴极有多个块状阳极，且阳极板是固定安装在炉盖板上，炉盖板兼作导电板，阳极在电解过程中依次更换，更换过程中不间断电解，目前3000～4000A小型的稀土电解槽都采用了这种方法。
中国专利01212927.5公开了一种多阴极多阳极电解槽，这种电解槽由若干个石墨块砌筑成方形石墨槽，内壁连续环绕多个阳极板成矩形结构，多个阴极间隔排列于石墨槽的纵向轴线上，这种槽型大多应用在万安电解槽上。
中国专利02240881.9公开了一种熔盐电解生产稀土金属的圆形万安培电解槽，这种电解槽采用圆形石墨槽，阳极为多层，阴极为多个；从电解槽中心位置向外，中心位置为圆柱状阳极，环绕中心圆柱状阳极为多根阴极，最外层为圆环型的阳极。
以上电解槽共同的特点是，电解槽的阳极和阴极都从电解槽的上方平行插入电解质中，阳极和阴极之间距离固定。这种槽型共有的缺点是，电解过程中随着阳极的消耗，极距不断增大，电压随之升高，带来一部分的电能损失；上插阴极下端浸泡在液面下，剩余部分则暴露于空气中，气液界面处会发生复杂的多相反应及机械摩损，导致该处成为易损部位，降低了阴极的使用寿命；电解槽温度分布不均匀，底部炉温低而上部炉温高，造成炉底造渣，同时高温液面使得电解质挥发严重，影响电解收率；稀土金属在阴极析出后流入坩埚的过程中，行程很长，使得金属在电解质中的二次回溶几率、金属与碳的反应几率大大增加，以上各种因素致该种电解槽型的各项经济技术指标不高，每块阳极碳块的利用率在75％以下，普遍电流效率在80％以下，能量有效利用率只有约20％。
发明的内容
本发明提供一种下阴极稀土金属电解槽，以减小阴极的损耗，提高电流效率，降低能耗，提高阳极的利用率；此外本发明提供了采用这种电解槽生产稀土金属的新电解工艺，该工艺使电解稀土金属产品的纯度更高，适合工业化生产。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于制备稀土金属的电解槽，它包括阳极(1)、阴极(3)，所述的阴极设置在电解槽底部，电解出的单一或混合金属汇集其上，液态金属液面作为阴极表面，位于阴极上方的阳极与一传动机构连接，该传动机构调节阴极和阳极之间的距离。
本发明的下阴极稀土金属电解槽的阴极结构设置在电解槽的底部，在阴极结构中埋入阴极导电棒，阴极导电棒的另一端伸出电解槽侧壁与电源联结，炉膛侧壁使用绝缘性好的材料砌成，阳极浸入电解质中与炉底的阴极相隔一定的距离，阳极用卡具紧固在水平导电母线上成为一体，安装在电解槽上部托架上的传动机构通过丝杠连接水平导电母线，转动传动机构的手轮使丝杠升降带动水平导电母线和阳极升降(上、下活动)。
在本发明的电解槽中，所述阴极结构为耐稀土金属腐蚀的可导电陶瓷材料或石墨碳块与钨、钼、钽等材料复合而成，在电解槽启动初期，这种阴极结构承担阴极，当电解出稀土金属后，稀土金属液面起到阴极作用，稀土金属离子扩散到稀土金属液面作为阴极的表面后获得电子还原成金属，还原出的金属直接向金属产品中扩散，金属的产出地点与收集地点在同一处，所以避免了金属产品受杂质污染，同时减少了金属在电解质中的再溶解。
在本发明的电解槽中，所述阳极是石墨碳块，石墨碳块通过钢板或者钢爪固定上铝制的导杆成为一组阳极；所述的水平导电母线是整体质量较轻的结构框架，框架的两侧表面整洁平整并导电性良好。在生产过程中，多根阳极通过卡具固定在水平导电母线上，通过传动机构阳极可以在阴极上方垂直升降；一方面可以保持阳极与阴极之间的距离基本不变，电压保持在一个合理的范围内，避免无效电能损耗；另一方面阳极在垂直方向尺寸可以更大，阳极自下而上消耗，并逐渐向下输送阳极，使得阳极的有效利用率更高。
在本发明的电解槽中，所述电解槽上部托架是钢结构的框架，框架上安装传动螺杆机构，通过传动螺杆机构提升或下降阳极组和水平导电母线，传动螺杆机构固定在托架上并用绝缘板绝缘。
本发明电解槽型与以往现有技术相比具有以下的优点：电解槽整体电压降小，能耗低，阴极不消耗，以石墨碳块为阳极时阳极碳块利用率高，电流效率高，电解槽寿命长。如现有金属钕电解槽的工艺指标为：电流效率小于80％，每公斤金属能耗大于8KW/h，槽电压范围在8～12V，电能利用率小于20％；而本发明的电解槽用于电解金属钕其工艺指标为：电流效率大于85％，每公斤金属能耗小于6KW/h，槽电压范围在4.54～6.5V，电能利用率大于30％。
采用本发明的下阴极熔盐电解稀土金属电解槽生产稀土金属的电解工艺包括如下步骤：
(1)根据所需电解的稀土金属产品，确定合适的阴极电流密度和阳极电流密度；
(2)在电解槽中安装好阳极，并装入按比例配比好的电解质，焙烧电解槽；
(3)电解槽焙烧好后，调整电解槽温度到初始电解槽温，并适当调整阳极使电压值到达正常电解范围，开始加入氧化物原料，电解槽开始正常电解；
(4)正常电解过程中，按一定的加料速度添加氧化物原料，使用石墨碳块做阳极需随着阳极的消耗逐渐下降阳极组，并对电压进行监控，电压的调整采用升降阳极改变阴阳极极距的方式；
(5)通过舀出、浇铸或虹吸的方法出炉，获得金属产品。
采用本发明下阴极电解槽型及工艺可以用于熔融盐电解生产金属La，Ce，Pr，Nd和混合金属，其中混合金属可以包括稀土元素La，Ce，Pr，Nd中的至少二种，采用本发明生产的金属，碳含量将显著降低。
本发明中，阴极电流密度为1～6A/cm2，阳极电流密度为0.4～1.6A/cm2。
附图说明
图1：下阴极稀土金属电解槽纵向剖面图
1—阳极
2—水平导电母线和托架
3—阴极
4—绝缘的电解槽侧壁
5—保温砌体
6—阴极导电棒
图2：下阴极稀土金属电解槽侧向剖面图
7—水平导电母线
8—阳极卡具
9—悬挂水平导电母线的升降丝杆
10—立柱母线
11—已部分消耗的旧阳极
12—新阳极
图3：阳极与水平导电母线连接及水平导电母线升降示意图
13—阳极卡具螺杆，通过旋动螺杆来使卡具张合，阳极通过卡具的张合与水平导电母线分离或贴紧
14—水平导电母线升降丝杆转动机构，通过其动作升降水平导电母线包括带动悬挂在水平导电母线上的阳极
15—水平导电母线的导电板
16—阳极导杆
17—托架
图4：调整阴极和阳极之间距离示意图
A—阳极消耗后水平导电母线带动阳极下降的距离
D—阴阳极间距，阳极消耗后通过下降阳极保持极间距D的一定
具体实施方式
实施例一
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为4.3A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为LaF3:LiF＝15:4的电解质熔盐，焙烧启动电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在950～1000℃，正常电解控制电流强度为3500A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约6.7Kg氧化料的速度，匀速加入La2O3料，平均每电解一小时可出金属镧约5.4kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.124Kg，电解槽使用寿命为1000天。电解金属产品的化学成份见表1。
表1 实施例五金属产品化学成份
 
项目 TREM La/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.5 99.8 0.094 0.029 0.015 0.002 0.012 0.006 0.009
实施例二
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为3.6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.2A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为CeF3:LiF＝15:2的电解质熔盐，焙烧启动电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在950～1000℃，正常电解控制电流强度为3500A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约7.36Kg氧化料的速度，匀速加入CeO2料，平均每电解一小时可出金属铈约4.19kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.123Kg，电解槽使用寿命为1000天。电解金属产品的化学成份见表2。
表2 实施例五金属产品化学成份
 
项目 TREM Ce/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.2 99.3 0.084 0.019 0.015 0.002 0.01 0.005 0.008
实施例三
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为3.8A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.2A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为PrF3:LiF＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧启动电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1000～1050℃，正常电解控制电流强度为3600A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约7.2Kg氧化料的速度，匀速加入Pr6O11料，平均每电解一小时可出金属镨约5.6kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.123Kg，电解槽使用寿命为1000天。电解金属产品的化学成份见表3。
表3 实施例五金属产品化学成份
 
项目 TREM Pr/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.5 99.6 0.081 0.029 0.011 0.002 0.018 0.002 0.003
实施例四
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度设计为1A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度设计为0.4A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为NdF3:LiF＝10:1.2的电解质，焙烧电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1010～1100℃，电流强度平均3500A，运行电压5.8V，按每小时加入约6.87Kg氧化料的速度，匀速加入Nd2O3料，平均每小时可出金属钕约5.59kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.126Kg，电解金属产品的化学成份见表4，电解槽使用寿命为900天。
表4 实施例一金属产品化学成份
 
项目 TREM Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.6 99.8 0.095 0.021 0.009 0.003 0.014 0.006 0.012
实施例五
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度设计为6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度设计为0.4A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为NdF3:LiF＝10:1.2的电解质，焙烧电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1010～1100℃，电解槽运行电流强度为3400A，运行电压5.8V，按每小时加入约6.8Kg氧化料的速度，匀速加入Nd2O3料，平均每小时可出金属钕约5.5kg，电解金属产品的化学成份见表5，每公斤金属消耗阳极碳块0.125Kg，电解槽使用寿命为900天。
表5 实施例二金属产品化学成份
 
项目 TREM Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.5 99.7 0.1 0.021 0.009 0.004 0.016 0.004 0.013
实施例六
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度设计为1A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度设计为1.6A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为NdF3:LiF＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1010～1100℃，电解槽运行电流强度为3300A，运行电压5.9V，按每小时加入约6.7Kg氧化料的速度，匀速加入Nd2O3料，平均每电解一小时可出金属钕约5.4kg。每公斤金属消耗阳极碳块0.125Kg。电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表6。
表6 实施例三金属产品化学成份
 
项目 TRE      MNd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.5       99.7 0.098 0.022 0.008 0.002 0.012 0.008 0.012
实施例七
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.6A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为NdF3:LiF＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧启动电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1010～1100℃，电解槽正常运行控制电流强度为3200A，电解槽电压控制在5.8V，按每小时加入约6.3Kg氧化料的速度，匀速加入Nd2O3料，平均每电解一小时可出金属钕约5.1kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.135Kg，电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表7。
表7 实施例四金属产品化学成份
 
项目 TREM  Nd/TREM Fe Si Ca Mg W        C        O
指标wt％ 99.4  99.7 0.12 0.021 0.013 0.003 0.008    0.007    0.011
实施例八
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为3.6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.2A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为NdF3:LiF＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧启动电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1010～1100℃，控制电流强度为3600A，电解槽电压控制在5.8V，按每小时加入约7Kg氧化料的速度，匀速加入Nd2O3料，平均每电解一小时可出金属钕约5.75kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.124Kg，电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表8。
表8 实施例五金属产品化学成份
 
项目 TREM Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.5 99.8 0.11 0.022 0.011 0.002 0.014 0.005 0.010
实施例九
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度设计为1A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度设计为0.4A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在上述槽中安装好阳极碳块，加入重量比为氟化镨钕:氟化锂＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧电解槽，当槽温达到约970℃，电解质达到所需高度后通入直流电启动电解槽，正常电解电流强度控制在3500A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约6.5Kg氧化料的速度，匀速加入氧化镨钕，平均每电解一小时可出金属Pr-Nd约5.3kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.124Kg，电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表9。
表9 实施例六金属产品化学成份
 
项目 TREM Pr-Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.4 99.5 0.13 0.021 0.018 0.003 0.012 0.010 0.012
实施例十
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度设计为6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度设计为0.4A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在上述槽中安装好阳极碳块，加入重量比为氟化镨钕:氟化锂＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧电解槽，当槽温达到约970℃，熔化的电解质达到所需高度后通入直流电，电流强度为3700A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约6.8Kg氧化料的速度，匀速加入氧化镨钕，平均每电解一小时后即可出金属Pr-Nd约5.55kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.124Kg，电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表10。
表10 实施例七金属产品化学成份
 
项目 TREM Pr-Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
 
指标wt％ 99.5 99.7 0.12 0.021 0.018 0.003 0.008 0.011 0.010
实施例十一
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度设计为1A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度设计为1.6A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在上述槽中安装好阳极碳块，加入重量比为氟化镨钕:氟化锂＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧电解槽，当电解质达到所需高度，槽温达到约970℃时直流电开始正常电解，电流强度控制在3200A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约5.9Kg氧化料的速度，匀速加入氧化镨钕，平均每电解一小时可出金属Pr-Nd约4.8kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.131Kg，电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表11。
表11 实施例八金属产品化学成份
 
项目 TREM Pr-Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.6 99.7 0.11 0.016 0.017 0.003 0.014 0.012 0.012
实施例十二
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.6A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在上述槽中安装好阳极碳块，加入重量比为氟化镨钕:氟化锂＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧启动电解槽正常电解控制电流强度为3400A，电解槽电压控制在5.6V，电解槽温为980℃，按每小时加入约6.2Kg氧化料的速度，匀速加入氧化镨钕，平均每电解一小时可出金属Pr-Nd约5kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.132Kg，电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表12。
表12 实施例九金属产品化学成份
 
项目 TREM Pr-Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.6 99.7 0.10 0.018 0.016 0.003 0.009 0.011 0.012
实施例十三
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为3.6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.2A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在上述槽中安装好阳极碳块，加入重量比为氟化镨钕:氟化锂＝10:1.2的电解质熔盐，焙烧电解槽，等熔化的电解质达到所需高度后通入直流电开始正常电解，控制电流强度为3500A，电解槽电压控制在5.6V，电解槽温为980℃，按每小时加入约6.5Kg氧化料的速度，匀速加入氧化镨钕，平均每电解一小时可出金属镨约5.26kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.126Kg，电解槽使用寿命为900天。电解金属产品的化学成份见表13。
表13 实施例十金属产品化学成份
 
项目 TREM Pr-Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.6 99.8 0.098 0.016 0.016 0.003 0.011 0.011 0.009
实施例十四
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为1.6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.2A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为REF3:LiF＝10:1.5的电解质熔盐，其中REF3是LaCePrNd的氟化混合稀土，焙烧启动电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1000～1060℃，正常电解控制电流强度为3600A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约7Kg氧化料的速度，匀速加入LaCePrNd混合稀土氧化料，平均每电解一小时可出LaCePrNd混合稀土金属约5.6kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.123Kg，电解槽使用寿命为1000天。电解金属产品的化学成份见表14。
表14 实施例五金属产品化学成份
 
项目 TREM La/TREM Ce/TREM Pr/TREM Nd/TREM Fe Si Ca Mg Al C
指标wt％ 99.5 27 52 5.5 15.5 0.081 0.019 0.003 0.008 0.008 0.002
实施例十五
以高功率石墨块为阴极的结构材料，在石墨碳块上部固定上的钨板作为阴极，阴极电流密度为1.6A/cm2，阳极为矩形体石墨块，共采用四块阳极，阳极电流密度为1.2A/cm2，用渗氮碳化硅板砌成长方形体型炉膛，炉膛外部为保温砌体，槽上部托架由角钢和方钢焊接而成，用于支持水平导电母线，水平导电母线为双边平行的框架，碳阳极导杆卡紧在水平导电母线上，整个阳极组吊挂在电解槽上方。
在电解槽中安装好阳极，并装入配比为REF3:LiF＝10:1.2的电解质熔盐，其中REF3是LaCePr的氟化混合稀土，焙烧启动电解槽；电解槽正常运行，槽温控制在1000～1060℃，正常电解控制电流强度为3600A，电解槽电压控制在5.6V，按每小时加入约8.8Kg氧化料的速度，匀速加入LaCePr氧化料，平均每电解—小时可出LaCePr混合稀土金属约7kg，每公斤金属消耗阳极碳块0.123Kg，电解槽使用寿命为1000天。电解金属产品的化学成份见表15。
表15 实施例五金属产品化学成份
 
项目 TREM La/TREM Ce/TREM Pr/TREM Fe Si Ca Mg Al C
指标wt％ 99.5 32 62 6 0.081 0.019 0.006 0.008 0.016 0.004
对比例一
传统3KA电解槽，以内经450mm外径600mm，内高570mm外高670mm的上端开口石墨圆筒装在一个铁套中作为电解槽炉膛，外部为1200mm×1200mm×1000mm的保温砌体，上部为炉盖板。四块阳极与石墨圆筒壁相距25mm环石墨圆筒一周均部安装在炉盖板上，炉盖板兼作导电板；以直径为50mm钨棒作为阴极，从石墨圆筒中央上方插入到电解槽中。
在上述3KA电解槽中安装好阳极，然后在炉内放入一小块短碳块贴紧阳极，插入打弧碳棒顶到碳块，进行打弧升温，打弧半小时后，慢慢加入配比为NdF3：LiF＝10:1.2电解质，当熔盐液面加到贴紧阳极时，钳出短碳块，继续打弧至规定的液面高度和电解温度(1000℃—1050℃)，将打弧碳棒提出，在炉底放入一内径100mm高100mm壁厚10mm的钨或钼制坩锅用于承接电解出的金属，插入钨阴极棒，开始正常电解。
电解槽正常运行，槽温控制在1000～1050℃，电流强度为3600A，电压9.5～10V，此时阳极电流密度为1.5A/cm2，阴极电流密度为5.7A/cm2，按每小时加入约6Kg氧化料的速度，匀速加入Nd2O3料，每48分钟出一炉金属3.87Kg，每公斤金属消耗阳极约0.215Kg，电解槽使用寿命约为120天，电解金属产品的化学成份见表16。
表16 对比例一金属产品化学成份
 
项目 TREM     Nd/TREM Fe Si Ca Mg W C O
指标wt％ 99.5     99.7 0.1 0.022 0.004 0.002 0.011 0.021 0.012

Claims (10)

1.一种用于制备稀土金属的电解槽，它包括阳极(1)、阴极(3)，其特征在于：阴极设置在电解槽底部，电解出的单一或混合金属汇集其上，液态金属液面作为阴极表面，位于阴极上方的阳极与一传动机构连接，该传动机构调节阴极和阳极之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备稀土金属电解槽，其特征在于：电解槽还包含有绝缘的电解槽侧壁(4)；阳极(1)吊挂在水平导电母线(7)上，母线与传动机构连接，传动机构安装在托架(2)上；保温砌体(5)和阴极导电棒(6)。
3.根据权利要求1所述的一种用于制备稀土金属电解槽，其特征在于：阳极(1)的个数为一块或多块，其材质为石墨。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于制备稀土金属电解槽，其特征在于：阳极以卡具(8)吊挂于水平导电母线上，所述的传动机构为丝杠、丝母传动机构，所述的丝杠与水平导电母线(7)连接。
5.一种制备单一或混合稀土金属的方法，其特征在于：采用权利要求1所述的电解槽进行电解生产。
6.根据权利要求5所述的制备单一或混合稀土金属的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)根据所需电解的单一或混合稀土金属产品，确定合适的阴极电流密度和阳极电流密度；
(2)在电解槽中安装好阳极，装入按一定比例配比好的电解质，焙烧电解槽；
(3)调整电解槽温度到初始电解槽温，调整阳极使电压值到达正常电解范围，加入氧化物原料，开始正常电解；
(4)电解过程中，按一定的加料速度添加氧化物原料，保持电压保持在一定范围，并保持电流强度相对恒定；
(5)出炉。
7.根据权利要求6所述的制备单一或混合稀土金属的方法，其特征在于，电解质由氟化锂及氟化稀土构成，也可以添加包括氟化钙、氟化钡中的一种或两种。
8.根据权利要求6所述的制备单一或混合稀土金属的方法，其特征在于，其阴极电流密度为1～6A/cm2，阳极电流密度为0.4～1.6A/cm2。
9.根据权利要求6所述的制备单一或混合稀土金属的方法，其特征在于，电压的调整采用升降阳极改变阴阳极极距的方式。
10.根据权利要求6所述的制备单一或混合稀土金属的方法，其特征在于，出炉方式为舀出、浇铸或虹吸三者中的任何一种。
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