CN104109882B - 用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽。该电解槽包括电解槽槽体及设置在电解槽槽体内的阳极和阴极，阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，阳极单元组与阴极单元组交替排列。应用本发明的技术方案，由于阳极单元组与阴极单元组是交替平行排列的，因此，本发明的电解槽阴、阳极电流密度小，尤其是阴极电流密度较小，减少了电解槽的能耗。另外，本发明的槽型结构简单，电解槽电解容量易于扩大：与现有技术比较，本发明电解槽无中心布局特征，阴阳极交替平行排列，槽型易于大型化，本发明电解槽电解容量可扩展至几万安培甚至十几万安培。
Description
技术领域
本发明涉及稀土火法冶炼技术领域，具体而言，涉及一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺。
背景技术
我国稀土金属及其合金产量占世界产量的90%以上，熔盐电解法是生产轻稀土金属和中重稀土合金的主流工艺，其中又以氟化物体系氧化物电解工艺为主，90%以上稀土金属产品是由熔盐电解法生产。目前，国内熔盐电解法工业化生产主流槽型为6000-8000安培，少数厂家单槽容量达到10000安培。25000安培电解槽型由于经济技术指标有待于进一步完善仅在个别企业运行。
中国专利CN85100748A公开了一种连续生产金属钕及钕铁合金的槽型结构（图1所示），该槽型由石墨槽体、带有凸缘的石墨筒阳极和钼棒（或铁棒）阴极组成，电极由一根钼（或铁）棒阴极和一个石墨桶组成，即一组阴阳极构成，钼（或铁）棒从石墨桶阳极中心垂直插入盐浴，阴极为电解槽中心，阳极（石墨桶）对其进行环绕。它适用于连续电解生产金属钕、镧、铈、镨及其合金，扩大试验为1000～1100A规模。
中国专利01212927.5公开了一种多阴极多阳极电解槽（图2所示），多个阳极板沿石墨槽内壁围成一个矩形框，阴极依次间隔排列于阳极板之间，电解槽内多个阴极在其纵向轴线上排列，阳极围成长方形框对阴极环绕，形成明显的以多阴极为中心的布局结构。该实用新型用于熔盐电解制备稀土金属，实施例显示，其阴极电流密度6A/cm2、阳极电流密度1.6A/cm2，规模可达几万或十几万安培。
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（图3所示），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。该电解槽型为环形结构，阴极为一组，阳极为两组，槽中心为柱状阳极，双层阳极对环形多阴极形成环绕。
中国专利200510054067.4公开了一种熔盐电解法生产镝铁合金的工艺及设备（图4所示），其采用的电解槽由棒状铁阴极和多块弧型石墨阳极板构成，电解槽压8～10V。目前镝铁合金工业化生产即采用这种槽型结构。
以上现有技术涉及的稀土氧化物熔盐电解槽型结构及工艺的共同特点主要是：
1、阴极均被阳极通过各种形式进行环绕；
2、电解槽阴阳极的布置中心特征明显，或以阴极为中心，或以阳极为中心，向四周依次排布；
3、阴阳极面积均为不对称设计，使得阴极电流密度>5A/cm2，明显偏高于阳极电流密度；
4、电解槽压普遍较高，达8V以上。
但是上述电解槽存在电流密度偏高，能耗较大等技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺，以解决现有技术中电解槽存在电流密度偏高，能耗较大的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽。该电解槽包括电解槽槽体及设置在电解槽槽体内的阳极和阴极，阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，阳极单元组与阴极单元组交替排列。
进一步地，阳极和阴极的下缘齐平，与电解槽槽底平面的距离＜20cm。
进一步地，电解槽槽体包括：石墨槽体；依次设置在石墨槽体外表面的内保护套、保温层和外保护套；坩埚，设置在石墨槽体的底部；绝缘板，设置在石墨槽体、保温层和外保护套的顶端；以及炉台板，设置绝缘板的上表面。
进一步地，电解槽槽体为矩形槽体，阳极单元组中的阳极单元和阴极单元组中的阴极单元平行于电解槽槽体的一个侧壁平行排布。
进一步地，稀土金属为选自镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、镥、钪、钇中的一种或多种；合金为选自镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土镁合金、稀土铝合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金或稀土锰合金中的一种或多种。
进一步地，阳极单元组的材料为石墨。
进一步地，电解槽用于制备稀土金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土镁合金和稀土铝合金时，阴极的材料为金属钨或金属钼；在制备稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金和稀土锰合金时，阴极的材质为待电解稀土金属相对应的金属铁、金属铜、金属钴、金属镍、金属钛、金属铬、金属锰。
进一步地，坩埚的材质为选自金属钨、金属钼、金属钛中的一种。
根据本发明的另一个方面，提供一种制备稀土金属及其合金的电解工艺，采用上述电解槽进行制备稀土金属及其合金。
进一步地，在氟化物熔盐电解质体系中，电解稀土氧化物或稀土氧化物与合金化金属氧化物的混合物时，阳极单元组和阴极单元组间的距离控制在4～10cm，电解电压小于7V，阴极电流密度为1～5A/cm2，阳极电流密度为0.5～1A/cm2，电解温度控制在1000～1200℃。
进一步地，在制备金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金、稀土锰合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3和氟化锂LiF组成，电解原料为稀土氧化物REO，并根据所制备的稀土金属或稀土合金选择相应的稀土氟化物和稀土氧化物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（80～95）：（20～5）的REF3：LiF。
进一步地，在制备稀土镁合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和氟化镁MgF2组成，电解原料为稀土氧化物REO、氧化镁MgO、和稀土氟化物的混合物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（70～90）：（0～5）：（5～30）的REF3：MgF2：LiF，电解原料包括重量比为（40～90）：（60～10）的REO：MgO。
进一步地，在制备稀土铝合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和冰晶石nNaF·AlF3组成，电解原料为稀土氧化物REO、氧化铝Al2O3和稀土氟化物的混合物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（60～90）：（5～20）：（5～20）的REF3：nNaF·AlF3：LiF，电解原料包括重量比为（60～92）：（40～8）的REO：Al2O3。
应用本发明的技术方案，由于阳极单元组与阴极单元组是交替平行排列的，因此，本发明的电解槽阴、阳极电流密度小，尤其是阴极电流密度较小，减少了电解槽的能耗。另外，本发明的槽型结构简单，电解槽电解容量易于扩大：与现有技术比较，本发明电解槽无中心布局特征，阴阳极交替平行排列，槽型易于大型化，本发明电解槽电解容量可扩展至几万安培甚至十几万安培。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了中国专利CN85100748A公开的一种连续生产金属钕及钕铁合金的槽型结构；
图2示出了中国专利01212927.5公开的一种多阴极多阳极电解槽；
图3示出了中国专利02240881.9公开的一种熔盐电解生产稀土金属的圆形万安培电解槽；
图4示出了中国专利200510054067.4公开的一种熔盐电解法生产镝铁合金的工艺及设备；
图5示出了根据本发明实施例的电解槽槽型热场分布示意图；
图6示出了根据本发明实施例的电解槽的俯视结构示意图；
图7示出了图6沿A-A方向的剖面结构示意图。
图6、7中1～10分别为：1-阳极单元，2-阴极单元，3-石墨槽侧壁，4-电解槽底，5-坩埚，6-内保护套，7-保温层，8-外保护套，9-绝缘板，10-炉台板。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
由于电场通常为环形分布，所以现有技术中本领域技术人员通常将用于制备稀土金属及其合金的电解槽设置成阴极被阳极通过各种形式进行环绕的形式。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽。该电解槽包括电解槽槽体及设置在电解槽槽体内的阳极和阴极，阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，阳极单元组与阴极单元组交替排列。其中，阳极单元组是由两个或两个以上的阳极单元组成，阴极单元组是由两个或两个以上的阴极单元组成。应用本发明的技术方案，由于阳极单元组与阴极单元组是交替平行排列的，因此，本发明的电解槽阴、阳极电流密度小，尤其是阴极电流密度较小，减少了电解槽的能耗。另外，本发明的槽型结构简单，电解槽电解容量易于扩大：与现有技术比较，本发明电解槽无中心布局特征，阴阳极交替平行排列，槽型易于大型化，本发明电解槽电解容量可扩展至几万安培甚至十几万安培。优选地，阳极和阴极的下缘与电解槽槽体的距离＜20cm，保证了电解槽热场分布合理，其中，阳极和阴极的下缘是指阳极和阴极插入电解槽后靠近电解槽底部的一端。优选地，阳极单元组由两个或两个以上的阳极单元线性排列组成；阴极单元组由两个或两个以上的阴极单元线性排列组成。
优选地，如图6和7所示，电解槽槽体为矩形槽体，阳极单元组中的阳极单元和阴极单元组中的阴极单元平行于电解槽槽体的一个侧壁平行排布。其中，阳极单元1和阴极单元2由规则形状几何体构成，例如可以是圆柱形、板状，多面体形状等，阳极单元组的材质优选为石墨。
根据本发明一种典型的实施方式，如图7所示，电解槽槽体包括石墨槽体（由电解槽侧壁3和电解槽底4组成）、依次设置在石墨槽体外表面的内保护套6、保温层7和外保护套8、坩埚5、绝缘板9及炉台板10，其中，坩埚5设置在石墨槽体的底部；绝缘板9设置在石墨槽体、内保护套6、保温层7和外保护套8的顶端；以及炉台板10设置绝缘板9的上表面。这种电解槽结构简单，电解容量易于扩大。
本发明的电解槽适用范围广，稀土金属可以为选自镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、镥、钪、钇中的一种或多种；合金可以为选自镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土镁合金、稀土铝合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金或稀土锰合金中的一种或多种。
优选地，电解槽用于制备稀土金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土镁合金和稀土铝合金时，阴极的材料为金属钨或金属钼；在制备稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金和稀土锰合金时，阴极的材质为待电解稀土金属相对应的金属铁、金属铜、金属钴、金属镍、金属钛、金属铬、金属锰。
优选地，坩埚的材质为选自金属钨、金属钼、金属钛中的一种。
根据本发明一种典型的实施方式，提供一种制备稀土金属及其合金的电解工艺。该电解工艺采用上述电解槽进行制备。
优选地，在氟化物熔盐电解质体系中，电解稀土氧化物或稀土氧化物与合金化金属氧化物(“合金化金属氧化物”在此处特指：非稀土氧化物，如实施例37中的Al2O3)的混合物，阳极和阴极间的距离控制在4～10cm，电解电压小于7V，阴极电流密度为1～5A/cm2，阳极电流密度为0.5～1A/cm2，电解温度控制在1000～1200℃。
优选地，在制备金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金、稀土锰合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3和氟化锂LiF组成，电解原料为稀土氧化物REO，并根据所制备的稀土金属或稀土合金选择相应的稀土氟化物和稀土氧化物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（80～95）：（20～5）的REF3：LiF。
优选地，在制备稀土镁合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和氟化镁MgF2组成，电解原料为稀土氧化物REO和氧化镁MgO的混合物，并根据所制备的稀土镁合金选择相应的稀土氟化物、稀土氧化物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（70～90）：（0～5）：（5～30）的REF3：MgF2：LiF，电解原料包括重量比为（40～90）：（60～10）的REO：MgO。
优选地，在制备稀土铝合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和冰晶石nNaF·AlF3组成，电解原料为稀土氧化物REO和氧化铝Al2O3的混合物，并根据所制备的稀土铝合金选择相应的稀土氟化物、稀土氧化物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（60～90）：（5～20）：（5～20）的REF3：nNaF·AlF3：LiF，电解原料包括重量比为（60～92）：（40～8）的REO：Al2O3。
下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
以高功率石墨电极加工成长方体石墨槽，石墨槽外部尺寸为390mm（长）×370mm（宽）×400mm（高），内部尺寸为290mm（长）×270mm（宽）×300mm（高），在石墨槽底部中心沿槽体长度方向加工一250mm（长）×60mm（宽）×70mm（深）凹槽，在此凹槽内放置一外部尺寸为250mm（长）×60mm（宽）×100mm（高）的钨坩埚（厚10mm），在垂直于坩埚中心，距坩埚上沿4cm处放置两块75mm（宽）×10mm（厚）钨板作为阴极，两块阴极板中心距约为11cm，其伸出石墨槽外连接至直流电源负极，在距钨板侧面6cm的两侧分别配置一组阳极，阳极单元组和阴极单元组间的距离为4cm。每组阳极由两块130mm（宽）×50mm（厚）的石墨板组成，石墨板和钨板下端下缘距石墨槽底面20cm，石墨板上端伸出石墨槽外与炉台板相连。该电解槽置于内保护铁套内，内保护铁套置于外保护铁套内，其间填充保温材料，整个槽体上部分别放置氮化硅结合的碳化硅绝缘板和贴纸炉台板，炉台板与直流电源正极相连。电解时电解质液面控制在距石墨槽上沿2cm处。
按上述配置将电解槽安装完成后，在石墨槽中装入配比为LaF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.5V，此时阴极电流密度约为1.59A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时约1.81kg匀速加入La2O3，电解3小时，共加入La2O35.42kg，LaF30.23kg，产出金属镧约4.53kg，电解电效为88%，金属镧收率为94.5%。
实施例2
电解槽使用的两块阴极钨板尺寸为48mm（宽）×10mm（厚），阳极单元组和阴极单元组间的距离为5cm。石墨板和钨板距石墨槽底面14cm，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为LaF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1060℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时约1.77kg匀速加入La2O3，电解3小时，共加入La2O35.32kg，LaF30.24kg，产出金属镧约4.44kg，电解电效为86%，金属镧收率为94.2%。
实施例3
电解槽使用的两块阴极钨板尺寸为30mm（宽）×10mm（厚），阳极单元组和阴极单元组间的距离为8cm。石墨板和钨板距石墨槽底面10cm，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为LaF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1080～1130℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为4A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时约1.75kg匀速加入La2O3，电解3小时，共加入La2O35.24kg，LaF30.26kg，产出金属镧约4.38kg，电解电效为85%，金属镧收率为94%。
实施例4
电解槽使用的两块阴极钨板尺寸为100mm（宽）×10mm（厚），阳极单元组和阴极单元组间的距离为10cm。石墨板和钨板距石墨槽底面5cm，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为CeF3:LiF=80:20的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1050℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.2V，此时阴极电流密度约为1.20A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.46kg的速度匀速加入CeO2，电解3小时，共加入CeO24.39kg，CeF30.15kg，产出金属铈约3.42kg，电解电效为87%，金属铈收率为93%。
实施例5
电解槽配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为PrF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1050℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.6V，此时阴极电流密度约为1.59A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.92kg的速度匀速加入Pr6O11，电解3小时，共加入Pr6O115.77kg，PrF30.16kg，产出金属镨约4.65kg，电解电效为88.5%，金属镨收率为95%。
实施例6
电解槽配置、参数控制与实施例2相同。
在石墨槽中装入配比为PrF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1050℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.1V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.90kg的速度匀速加入Pr6O11，电解3小时，共加入Pr6O115.71kg，PrF30.22kg，产出金属镨约4.62kg，电解电效为88%，金属镨收率为94.6%。
实施例7
电解槽配置、参数控制与实施例3相同。
在石墨槽中装入配比为PrF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1050℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.4V，此时阴极电流密度约为4A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.87kg的速度匀速加入Pr6O11，电解3小时，共加入Pr6O115.60kg，PrF30.22kg，产出金属镨约4.53kg，电解电效为86%，金属镨收率为94%。
实施例8
电解槽配置、参数控制与实施例四相同。
在石墨槽中装入配比为NdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.3V，此时阴极电流密度约为1.20A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.87kg的速度匀速加入Nd2O3，电解3小时，共加入Nd2O35.61kg，NdF30.16kg，产出金属钕约4.63kg，电解电效为86%，金属钕收率为94%。
实施例9
电解槽配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为NdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.5V，此时阴极电流密度约为1.59A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.88kg的速度匀速加入Nd2O3，电解3小时，共加入Nd2O35.64kg，NdF30.19kg，产出金属钕约4.68kg，电解电效为87%，金属钕收率为94.2%。
实施例10
电解槽配置、参数控制与实施例2相同。
在石墨槽中装入配比为NdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.8V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.89kg的速度匀速加入Nd2O3，电解3小时，共加入Nd2O35.66kg，NdF30.21kg，产出金属钕约4.74kg，电解电效为88%，金属钕收率为94.7%。
实施例11
电解槽配置、参数控制与实施例2相同。
在石墨槽中装入配比为NdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.1V，此时阴极电流密度约为4A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.84kg的速度匀速加入Nd2O3，电解3小时，共加入Nd2O35.74kg，NdF30.24kg，产出金属钕约4.63kg，电解电效为86%，金属钕收率为94.1%。
实施例12
电解槽使用的两块阴极钨板尺寸为26（宽）×10（厚），电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为NdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.1V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.81kg的速度匀速加入Nd2O3，电解3小时，共加入Nd2O35.67kg，NdF30.29kg，产出金属钕约4.57kg，电解电效为85%，金属钕收率为94%。
实施例13
电解槽配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为(PrNd)F3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.6V，此时阴极电流密度约为1.59A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.87kg的速度匀速加入氧化镨钕，电解3小时，共加入氧化镨钕5.61kg，(PrNd)F30.18kg，产出镨钕金属约4.60kg，电解电效为86%，镨钕金属收率为94%。
实施例14
电解槽配置、参数控制与实施例2相同。
在石墨槽中装入配比为(PrNd)F3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.2V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.86kg的速度匀速加入氧化镨钕，电解3小时，共加入氧化镨钕5.59kg，(PrNd)F30.25kg，产出镨钕金属约4.65kg，电解电效为87%，镨钕金属收率为94.5%。
实施例15
电解槽配置、参数控制与实施例3相同。
在石墨槽中装入配比为(PrNd)F3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1020～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.4V，此时阴极电流密度约为4A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.83kg的速度匀速加入氧化镨钕，电解3小时，共加入氧化镨钕5.48kg，(PrNd)F30.27kg，产出镨钕金属约4.55kg，电解电效为85%，镨钕金属收率为93.8%。
实施例16
电解槽使用的两块阴极为80mm（宽）×10mm（厚）的铁板，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为DyF3:LiF=95:5的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.7V，此时阴极电流密度约为1.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.90kg的速度匀速加入Dy2O3，电解3小时，共加入Dy2O35.71kg，DyF30.23kg，产出DyFe合金约5.77kg（Dy%=83），电解电效为79%，金属镝收率为93%。
实施例17
电解槽使用的两块阴极为48mm（宽）×10mm（厚）的铁板，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为DyF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.91kg的速度匀速加入Dy2O3，电解3小时，共加入Dy2O35.72kg，DyF30.27kg，产出DyFe合金约5.91kg（Dy%=82），电解电效为80%，金属镝收率为93.5%。
实施例18
电解槽使用的两块阴极为35mm（宽）×10mm（厚）的铁板，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为DyF3:LiF=80:20的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.2V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.92kg的速度匀速加入Dy2O3，电解3小时，共加入Dy2O35.75kg，DyF30.34kg，产出DyFe合金约6.10kg（Dy%=81.5），电解电效为82%，金属镝收率为94.5%。
实施例19
电解槽使用的两块阴极为26mm（宽）×10mm（厚）的铁板，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为DyF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.5V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.89kg的速度匀速加入Dy2O3，电解3小时，共加入Dy2O35.67kg，DyF30.37kg，产出DyFe合金约5.99kg（Dy%=80），电解电效为81%，金属镝收率为94%。
实施例20
电解槽配置、参数控制与实施例16相同。
在石墨槽中装入配比为GdF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.7V，此时阴极电流密度约为1.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.78kg的速度匀速加入Gd2O3，电解3小时，共加入Gd2O35.33kg，GdF30.28kg，产出GdFe合金约5.64kg（Gd%=78），电解电效为75%，金属钆收率为91%。
实施例21
电解槽配置、参数控制与实施例17相同。
在石墨槽中装入配比为GdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.1V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.79kg的速度匀速加入Gd2O3，电解3小时，共加入Gd2O35.37kg，GdF30.31kg，产出GdFe合金约5.87kg（Gd%=77），电解电效为77%，金属钆收率为92.5%）。
实施例22
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入配比为GdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1100～1180℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.79kg的速度匀速加入Gd2O3，电解3小时，共加入Gd2O35.37kg，GdF30.36kg，产出GdFe合金约6.03kg（Gd%=76），电解电效为78%，金属钆收率为93%。
实施例23
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入配比为GdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.7V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.76kg的速度匀速加入Gd2O3，电解3小时，共加入Gd2O35.29kg，GdF30.39kg，产出GdFe合金约6.03kg（Gd%=74），电解电效为76%，金属钆收率为91.5%。
实施例24
电解槽配置、参数控制与实施例16相同。
在石墨槽中装入配比为YF3:LiF=92:8的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.7V，此时阴极电流密度约为1.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.14kg的速度匀速加入Y2O3，电解3小时，共加入Y2O33.42kg，YF30.07kg，产出YFe合金约3.27kg（Y%=76），电解电效为75%，金属钇收率为91%。
实施例25
电解槽配置、参数控制与实施例17相同。
在石墨槽中装入配比为YF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.1V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.16kg的速度匀速加入Y2O3，电解3小时，共加入Y2O33.49kg，YF30.09kg，产出YFe合金约3.49kg（Y%=74），电解电效为78%，金属钇收率为92.3%。
实施例26
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入配比为YF3:LiF=95:5的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1120～1200℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.12kg的速度匀速加入Y2O3，电解3小时，共加入Y2O33.35kg，YF30.10kg，产出YFe合金约3.55kg（Y%=71），电解电效为76%，金属钇收率为93.5%。
实施例27
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入配比为YF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1100～1080℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.7V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.12kg的速度匀速加入Y2O3，电解3小时，共加入Y2O33.36kg，YF30.12kg，产出YFe合金约3.71kg（Y%=67），电解电效为75%，金属钇收率为91.3%。
实施例28
电解槽配置、参数控制与实施例16相同。
在石墨槽中装入配比为HoF3:LiF=80:20的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在5.7V，此时阴极电流密度约为1.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.93kg的速度匀速加入Ho2O3，电解3小时，共加入Ho2O35.78kg，HoF30.13kg，产出HoFe合金约5.91kg（Ho%=80），电解电效为78%，金属钬收率为92%。
实施例29
电解槽配置、参数控制与实施例17相同。
在石墨槽中装入配比为HoF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.1V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.96kg的速度匀速加入Ho2O3，电解3小时，共加入Ho2O35.89kg，HoF30.16kg，产出HoFe合金约6.37kg（Ho%=78），电解电效为82%，金属钬收率为94.5%。
实施例30
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入配比为HoF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.93kg的速度匀速加入Ho2O3，电解3小时，共加入Ho2O35.79kg，HoF30.18kg，产出HoFe合金约6.55kg（Ho%=74），电解电效为80%，金属钬收率为93.4%。
实施例31
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入配比为HoF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.7V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.86kg的速度匀速加入Ho2O3，电解3小时，共加入Ho2O35.59kg，HoF30.22kg，产出HoFe合金约6.67kg（Ho%=70），电解电效为77%，金属钬收率为92.5%。
实施例32
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入配比为GdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约2.20kg的速度匀速加入Gd2O3和MgO（Gd2O：MgO3=85：15），电解3小时，共加入氧化物原料6.60kg，GdF30.23kg，产出GdMg合金约5.01kg（Gd%=89），电解电效为81%，金属钆收率为92.1%。
实施例33
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入配比为GdF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约2.04kg的速度匀速加入Gd2O3和MgO（Gd2O3：MgO=90：10），电解3小时，共加入氧化物原料6.11kg，GdF30.27kg，产出GdMg合金约4.86kg（Gd%=93），电解电效为83%，金属钆收率为93.5%。
实施例34（Y-Mg）
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入配比为YF3:LiF=90:10的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.61kg的速度匀速加入Y2O3和MgO（Y2O3：MgO=75：25），电解3小时，共加入氧化物原料4.83kg，YF30.15kg，产出YMg合金约3.36kg（Y%=80），电解电效为76%，金属钇收率为89%。
实施例35
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入配比为YF3:LiF=70:30的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.7V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.55kg的速度匀速加入Y2O3和MgO（Y2O3：MgO=77：23），电解3小时，共加入氧化物原料4.64kg，YF30.19kg，产出YMg合金约3.32kg（Y%=83），电解电效为77%，金属钇收率为91%。
实施例36
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入配比为YF3:MgF2:LiF=90:5:5的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.7V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.55kg的速度匀速加入Y2O3和MgO（Y2O3：MgO=77：23），电解3小时，共加入氧化物原料4.2kg，YF30.19kg，产出YMg合金约3.5kg（Y%=85），电解电效为89.7%，金属钇收率为86.8%。
实施例37（Y-Al）
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入的电解质熔盐配比为YF3：nNaF·AlF3：LiF=60：20：20，n=2.5，加入的电解原料比例为Y2O3：Al2O3=60：40，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1050℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.73kg的速度匀速加入电解原料，电解2.5小时，共加入氧化物原料5.18kg，YF30.19kg，产出YAl合金约3kg（Y%=76），电解电效为82.5%，金属钇收率为88.9%。
实施例38
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入的电解质熔盐配比为YF3：nNaF·AlF3：LiF=90：5：5，n=2.5，加入的电解原料比例为Y2O3：Al2O3=76：24，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1050℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约1.59kg的速度匀速加入电解原料，电解3小时，共加入氧化物原料4.76kg，YF30.18kg，产出YAl合金约3.28kg（Y%=83），电解电效为82%，金属钇收率为92.0%。
实施例38（Sc-Al）
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入的电解质熔盐配比为ScF3：nNaF·AlF3：LiF=70：20：10，n=2.5，加入的电解原料比例为Sc2O3：Al2O3=86：24，启动电源开始电解，槽温控制在1010～1050℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约0.90kg的速度匀速加入电解原料，电解3小时，共加入氧化物原料2.71kg，ScF30.21kg，产出ScAl合金约1.59kg（Sc%=80），电解电效为76%，金属钪收率为89%。
实施例39
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入的电解质熔盐配比为ScF3：nNaF·AlF3：LiF=70：20：10，n=2.5，加入的电解原料比例为Sc2O3：Al2O3=83：17，启动电源开始电解，槽温控制在1050～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约0.84kg的速度匀速加入电解原料，电解3小时，共加入氧化物原料2.53kg，ScF30.36kg，产出ScAl合金约1.54kg（Sc%=806），电解电效为79%，金属钪收率为91%。
实施例40（Er-Al）
电解槽配置、参数控制与实施例18相同。
在石墨槽中装入的电解质熔盐配比为ErF3：nNaF·AlF3：LiF=80：10：10，n=2.5，加入的电解原料比例为Er2O3：Al2O3=76：24，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1020℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为3.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约2.58kg的速度匀速加入电解原料，电解3小时，共加入氧化物原料7.75kg，ErF30.20kg，产出ErAl合金约5.72kg（Er%=84），电解电效为77%，金属铒收率为91%。
实施例41
电解槽配置、参数控制与实施例19相同。
在石墨槽中装入的电解质熔盐配比为ErF3：nNaF·AlF3：LiF=80：10：10，n=2.5，加入的电解原料比例为Er2O3：Al2O3=92：8，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1020℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.3V，此时阴极电流密度约为4.5A/cm2，阳极电流密度约为0.84A/cm2，按每小时加入约2.40kg的速度匀速加入电解原料，电解3小时，共加入氧化物原料7.21kg，ErF30.20kg，产出ErAl合金约5.95kg（Er%=90），电解电效为85.8%，金属铒收率为90.0%。
实施例42
阳极单元组和阴极单元组间的距离为12cm。石墨板和钨板距石墨槽底面7cm，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为LaF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.9V，此时阴极电流密度约为2.3A/cm2，阳极电流密度约为0.85A/cm2，按每小时约1.77kg匀速加入La2O3，电解3小时，共加入La2O35.32kg，LaF30.24kg，产出金属镧约3.57kg，电解质循环剧烈，电解电效仅为69%，金属镧收率为75.96%。
实施例43
阳极单元组和阴极单元组间的距离为7cm。石墨板和钨板距石墨槽底面21cm，电解槽其他配置、参数控制与实施例1相同。
在石墨槽中装入配比为LaF3:LiF=85:15的电解质熔盐，启动电源开始电解，槽温控制在1000～1100℃，电解电流强度为1000A，电解槽电压控制在6.0V，此时阴极电流密度约为2.5A/cm2，阳极电流密度约为0.85A/cm2，按每小时约1.77kg匀速加入La2O3，电解3小时，共加入La2O35.32kg，LaF30.24kg，产出金属镧约3.16kg，底部炉温偏低，积料现象明显，电解电效仅为61%，金属镧收率为67.23%。
综上，本发明的电解槽及电解工艺较之现有技术具有以下几方面的突出优势：
（1）阴、阳极电流密度小，尤其是阴极电流密度较小，现有技术普遍在5A/cm2以上，中国专利01212927.5阴极电流密度一般为6A/cm2，阳极电流密度为1.6A/cm2，阴极电流密度偏高是目前稀土氧化物熔盐电解的共性。本发明认为，现有技术之所以槽压远高于理论槽压，阴、阳两极较高的过电位是主要影响因素，而过电位与电流密度关系密切，电流密度越大，过电位越高。实践证明，阴极电流密度<3Acm2，阳极电流密度<1Acm2情况下，电解槽压仅为6V，电解温度正常，电解运行稳定；此外，由于阳极极电流密小，阳极析出气体速率较小，电解过程产生的阳极气体对电解质的搅动较小，从而有效减少金属二次氧化，利于提高电流效率。本发明阴阳极结构的设计，较现有技术电能单耗降低20%以上，节能效果明显。
（2）稀土熔盐电解现有技术槽压高于氧化稀土理论分解电压3～4倍，槽型和工艺设计的不合理造成70%以上的能量损失，这是我国氟盐体系氧化物电解发展10多年来一直面对却始终未能解决的技术难题。本发明通过改变现有技术阴阳极排布方式，设计阴阳极有效电解面积相近，降低阴极电流密度至5A/cm2以内，使氟盐体系氧化物电解槽压从目前的8～12V降低至7V以内，实施例可见，槽压最低已经降至5.2V，能耗降低35%以上，该指标现有技术从未实现。产品电能单耗随之降低预计通过长时间生产实践积累经验，对本发明槽结构和工艺技术进行进一步优化，槽压应可降至5V以内，能量利用率也可提高至40%。
（3）电解电压低，电解过程中氟化稀土消耗减少：本发明电解电压为4～7V，可有效减少稀土氟化物参与电解，从而降低含氟气体产生，本发明吨稀土金属消耗氟化稀土<50kg，较现有技术下降20%以上，减排效果显著。
（4）槽型结构简单，电解槽电解容量易于扩大：与现有技术比较，本发明电解槽无中心布局特征，阴阳极交替平行排列，槽型易于大型化，本发明电解槽电解容量可扩展至几万安培甚至十几万安培。
（5）适用范围广：本发明既适用于惰性阴极电解工艺制备金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土镁合金、稀土铝合金等，又适用于自耗阴极电解工艺制备稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金、稀土锰合金。
（6）使电解槽温度场分布趋于合理，现有技术多采用阴极为电解槽中心，阳极围绕阴极进行排布，但长期生产实践证明，这种布局高温区在阴极表面，低温区在槽底，经常造成底部积料，影响底部电解质循环，进而影响产品质量。本发明通过阴阳极交替平行排列，并与电解槽底部保持合理距离，调整高温区至槽体中下部，使电解槽热场分布均衡，有利于电解质循环，避免底部积料现象出现。其热场分布示图如图5所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽，包括电解槽槽体及设置在所述电解槽槽体内的阳极和阴极，其特征在于，所述阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，所述阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，所述阳极单元组与所述阴极单元组交替排列，所述阳极单元组由两个或两个以上的阳极单元线性排列组成，所述阴极单元组由两个或两个以上的阴极单元线性排列组成。
2.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述阳极和阴极的下缘齐平，与所述电解槽槽底平面的距离＜20cm。
3.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽槽体包括：
石墨槽体；
依次设置在所述石墨槽体外表面的内保护套、保温层和外保护套；
坩埚，设置在所述石墨槽体的底部；
绝缘板，设置在所述石墨槽体、所述保温层和所述外保护套的顶端；以及
炉台板，设置所述绝缘板的上表面。
4.根据权利要求2所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽槽体为矩形槽体，所述阳极单元组中的所述阳极单元和所述阴极单元组中的所述阴极单元平行于所述电解槽槽体的一个侧壁平行排布。
5.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述稀土金属为选自镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、镥、钪、钇中的一种或多种；所述合金为选自镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土镁合金、稀土铝合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金或稀土锰合金中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述阳极单元组的材料为石墨。
7.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽用于制备稀土金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土镁合金和稀土铝合金时，所述阴极的材料为金属钨或金属钼；在制备稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金和稀土锰合金时，所述阴极的材质为待电解稀土金属相对应的金属铁、金属铜、金属钴、金属镍、金属钛、金属铬、金属锰。
8.根据权利要求3所述的电解槽，其特征在于，所述坩埚的材质为选自金属钨、金属钼、金属钛中的一种。
9.一种制备稀土金属及其合金的电解工艺，其特征在于，采用如权利要求1至8中任一项所述的电解槽进行制备。
10.根据权利要求9所述的电解工艺，其特征在于，在氟化物熔盐电解质体系中，电解稀土氧化物或稀土氧化物与合金化金属氧化物的混合物时，阳极单元组和阴极单元组间的距离控制在4～10cm，电解电压小于7V，阴极电流密度为1～5A/cm2，阳极电流密度为0.5～1A/cm2，电解温度控制在1000～1200℃。
11.根据权利要求10所述的电解工艺，其特征在于，在制备金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金、稀土锰合金时，所述氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3和氟化锂LiF组成，电解原料为稀土氧化物REO，并根据所制备的稀土金属或稀土合金选择相应的稀土氟化物和稀土氧化物，其中，所述氟化物熔盐电解质体系包括重量比为(80～95)：(20～5)的REF3：LiF。
12.根据权利要求10所述的电解工艺，其特征在于，在制备稀土镁合金时，所述氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和氟化镁MgF2组成，电解原料为稀土氧化物REO、氧化镁MgO、和稀土氟化物的混合物，其中，所述氟化物熔盐电解质体系包括重量比为(70～90)：(0～5)：(5～30)的REF3：MgF2：LiF，所述电解原料包括重量比为(40～90)：(60～10)的REO：MgO。
13.根据权利要求10所述的电解工艺，其特征在于，在制备稀土铝合金时，所述氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和冰晶石nNaF·AlF3组成，电解原料为稀土氧化物REO、氧化铝Al2O3和稀土氟化物的混合物，其中，所述氟化物熔盐电解质体系包括重量比为(60～90)：(5～20)：(5～20)的REF3：nNaF·AlF3：LiF，所述电解原料包括重量比为(60～92)：(40～8)的REO：Al2O3。
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