CN106337193B - 电解装置及电解方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电解装置及电解方法。该电解装置包括：电解槽；至少一个阴极，设置于电解槽内部；多个阳极，间隔设置于阴极的四周；多个吹气管道，对称设置于电解槽的内壁上，各吹气管道的底端出口伸至电解槽的底面，且出口方向水平。本发明一方面利用气体对电解槽底部电解质进行搅拌，另一方面在吹气过程中使气体的出口速度方向与阴极中心方向成一定的角度，从而使底部电解质在水平方向上产生一定的涡流，使电解槽内部各个区域电解质都能够循环流动，增强电解槽内部的传热与传质，使其内部的温度和成分均匀化，提高产品质量，改善炉况。

Description

电解装置及电解方法

技术领域

本发明涉及电解领域，具体而言，涉及一种电解装置及电解方法。

背景技术

现有稀土金属电解槽的阴阳极一般都是采用垂直平行悬挂式排布，电解反应主要发生在阴阳两极之间，阳极产生的CO、CO₂气体向上逸出，并推动电解质在阴阳极之间形成涡流，从而维持正常电解的传热传质过程。但阴阳极的底端距槽底还有一段距离，且由于阴阳极的底端水平方向基本是涡流运动边缘，在其以下区域的电解质流动性非常差，因而未溶解和未来得及参加电化学反应的稀土氧化物因重力作用沉积于电解槽底部形成渣泥。目前，一般采用人工搅拌或用工具捞出渣泥，若清理不及时，经长时间积累后渣泥会在电解槽底部边缘形成结瘤，并不断长大，从而对电解过程造成以下不利行为：1)阳极安装不能到位；2)人工搅拌或清理过程易引入杂质，导致产品质量下降；3)清理过程往往需要提高电解温度造成炉况和产品品质量波动较大；4)人工处理过程易对电解槽和坩埚造成损害；5)底部抬高造成槽体容积减小，电解产量下降；6)清理过程操作环境恶劣，劳动强度大。因而，改善电解槽底部电解质的循环状态，防止底部渣泥的形成是当前稀土电解行业迫切需要解决的问题。

目前，为了解决上述问题国内外的技术人员进行了大量实验和研究。例如，公布号为CN1338524、CN86105342和CN1710366的中国专利涉及到钢铁冶金行业，通过透气塞(透气砖)向钢包内底吹惰性气体，该方法一方面加快了钢包内钢液的流动性，加快了钢液内部的反应速率；另一方面，采用底吹气体的方法可以是钢液内部的夹杂物上浮，达到进化钢水的目的。但对于当前的稀土电解行业，绝大部分为氧化物-氟化物熔盐电解的体系，该电解质体系具有很强的腐蚀性。若采用透气塞(透气砖)向电解槽底部通入惰性气体，这对材料的要求比较苛刻，而且不容易更换，实现起来比较困难。

中国专利CN103952727设计了一种应用于稀土电解槽的机械搅拌装置，在阴阳极之间设计了一根能够沿着预设轨道绕着中心旋转的石墨棒，从而通过机械搅拌的方式对电解槽内部阴阳极之间电解质进行搅拌。该方法能够一定程度上增强电解槽内部阴阳极之间的运动，但是，从稀土电解的本身特点出发，也存在以下两点缺陷：(1)由于稀土电解过程中槽体上端是敞开的，而且电解液表面附近的温度比较高，这样就会使得石墨搅拌棒液面以上部分氧化比较严重，这样就需要经常更换搅拌棒；(2)稀土电解过程电解质的运动主要受电解过程中阳极表面产生的气体的推动作用，而阳极气体主要集中在阴阳极之间区域，在电解槽底部基本无阳极气体存在，这样就使得在电解槽底部电解质的循环状态比较差，存在一定的流动死区，而直接在阴阳极之间采用石墨棒进行机械搅拌，其搅拌作用对阴阳极之间区域作用比较明显，不一定对电解槽底部电解质的流动性有所改善；(3)若采用石墨棒体搅拌，可能引起电解沉积的稀土金属碳含量增高，产品质量下降。

中国专利CN204008241公开了一种具有吹气搅拌功能的夹杂物大样电解装置，主要对大块钢试样进行电解分离，获取钢中比较大的非金属夹杂，该电解的特点是，电解过程中电解液基本没有流动，所以随着电解的不断进行，电解液的浓度和温度局部不均匀，通过吹气搅拌来增强电解液的流动。而稀土电解的特点是，电解质在电解槽底部的流动性差，所以需要增加电解槽底部的流场。

美国专利US8273230中是将低压电泳沉积应用到薄膜燃料电池的研究中，为了使电解池内部悬浮物的浓度均匀，采取了吹气搅拌的方式。而目前稀土电解过程中的特点是，在稀土电解槽底部边缘，由于未反应的稀土氧化物的沉积造渣，使得在该区域发生结瘤现象，从而影响产品质量和生产效率，所以必须采取措施改善电解槽底部边缘电解质的流动性，以加强该区域电解质的循环。

还有文献中提到在铝电解工业，采用氢气还原氧化铝的思路电解生产金属铝。整个氢气还原的思路是通过氢气扩散阳极实现。氢气扩散阳极实际上是一个三相界面，氢气、电解质、催化剂在此接触。电流由平板基底层通入，经整个阳极从特殊膜流入电解质，从阴极流出。特殊膜的作用是保护电极、并且传导电解质中的反应物。氢气由送气栅格通入，扩散进入气体扩散层，在催化剂的催化作用下与电解质中的O₂-反应生成水，产物水与没有反应完的氢气一起从气体出口排出；产物铝则在阴极生成。该方法虽然能防止阳极的电解消耗，但是，在稀土电解行业，由于电解质体系是氟化物，如果采用类似的氢气扩散阳极，会产生大量的HF，对环境污染比较严重，而且氟化物体系本身的腐蚀性会对氢气扩散阳极表面的催化剂层造成较强的腐蚀，在稀土电解领域很难实现，于此同时，气体阳极的思路是直接将气体通过阳极材料表面，该方法并不能解决本专利中解决电解槽底部流动死区的现象。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电解装置及电解方法，以解决现有技术中电解槽的底部存在流动死区的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电解装置，该电解装置包括：电解槽；至少一个阴极，设置于电解槽内部；多个阳极，间隔设置于阴极的四周；多个吹气管道，对称设置于电解槽的内壁上，各吹气管道的底端出口伸至电解槽的底面，且出口方向水平。

进一步地，各个吹气管道的底端的出气口的方向相对于电解槽内壁法向呈夹角θ，0°<θ＜90°，优选为30≤θ≤60°，且方向具有一致性。

进一步地，各个吹气管道的底端的出气口相对于电解槽内壁法向的夹角均相等。

进一步地，电解装置包括n个吹气管道，n≥4，且n为偶数，n个吹气管道对称设置于电解槽的内壁上。

进一步地，电解装置包括m个阳极，m≥4，且m为偶数，m个阳极对称设置于阴极的四周。

进一步地，电解装置包括r个阴极，r≥1，若r＝1，r个阴极设置于电解槽的中心；若r>1，r个阴极沿着电解槽的中心等间距竖直设置。

本发明还提供了一种电解方法，该电解方法包括以下步骤：向本发明提供的电解装置的电解槽中加入电解质；待电解质加热溶解后向电解槽中加入待电解的稀土氧化物；对稀土氧化物进行电解得到稀土金属或合金，并在电解的过程中通过电解装置的吹气管道通入底吹气体。

进一步地，底吹气体为CO气体或者CO、CO₂混合气体。

进一步地，的CO、CO₂混合气体中CO的体积百分含量为50～70％。

进一步地，底吹气体的流量为1×10^-5～1×10^-4m³/s。

应用本发明的技术方案，本发明通过在电解槽的周壁设置吹气管道，并利用吹气管道向电解槽的底部通入气体，从而一方面利用气体对电解槽的底部的电解质进行搅拌，使电解质在竖直方向上形成涡流的同时形成水平方向的涡流，使电解质的流动性加强，使沉入底部未溶解的稀土氧化物不沉积，通过扩散及两极之间的涡流运动带入两极之间参与电极反应，另一方面在吹气过程中使气体的出口速度方向与电解槽槽壁的法向呈一定的角度，从而使底部电解质在水平方向上产生一定的涡流，进一步使电解槽内部各个区域电解质都能够循环流动，增强电解槽内部的传热与传质，使其内部的温度和成分均匀化，更好的减缓了电解槽底部的结瘤。

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示出了第一示例性实施方式提供的电解装置的剖面结构图；

图2示出了第一示例性实施方式提供的电解装置的立体结构图；

图3示出了第一示例性实施方式提供的电解装置的电解槽底部吹气方向的示意图；

图4a示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的主视图；

图4b示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的左视图；

图4c示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的俯视图；

图5示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的立体结构图；

图6示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的电解槽底部吹气方向的示意图；

图7a示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的主视图；

图7b示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的左视图；

图7c示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的俯视图；

图8示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的立体结构图；

图9示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的电解槽底部吹气方向的示意图。

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申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

由背景技术可知，现有技术中电解槽的底部存在流动死区。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种电解装置，如图1-2、图4a-4c、图5、图7a-7c和图8所示，该电解装置包括：该电解装置包括：电解槽10；至少一个阴极20，设置于电解槽10内部；多个阳极30，间隔设置于阴极20的四周；多个吹气管道40，对称设置于电解槽10的内壁上，各吹气管道40的底端出口伸至电解槽10的底面，且出口方向水平。其中，出口方向水平是指各吹气管道40的底端的出气口均相对于电解槽10的周壁倾斜设置，且倾斜方向一致。

本发明通过在电解槽10的周壁设置吹气管道40，并利用吹气管道40向电解槽10的底部通入气体，从而一方面利用气体对电解槽10的底部的电解质50进行搅拌，使电解质50在竖直方向上形成涡流的同时形成水平方向的涡流，使电解质50的流动性加强，使沉入底部未溶解的稀土氧化物不沉积，通过扩散及两极之间的涡流运动带入两极之间参与电极反应，另一方面在吹气过程中使气体的出口速度方向与电解槽10槽壁的法向呈一定的角度，从而使底部电解质50在水平方向上产生一定的涡流，进一步使电解槽10内部各个区域电解质50都能够循环流动，增强电解槽10内部的传热与传质，使其内部的温度和成分均匀化，更好的减缓了电解槽10底部的结瘤。

同时，本发明设计的气体引入方式是从电解槽10顶部沿着电解槽10壁上的吹气导管吹入电解槽10底部，气体在吹气导管内沿槽壁进入电解槽10底部过程中，高温电解质50对引入的常温气体进行预热，使气体到达电解槽10底部时温度尽量接近电解质50温度，防止室温气体直接进入高温熔体瞬间膨胀带来的危害。另外，在电解过程中无需人工用工具搅拌和升温消渣，减少了杂质的引入，炉况更加稳定，提高产品质量和产品的一致性，电流效率也将提高。

各个所述吹气管道的底端的出气口的方向相对于所述电解槽(10)内壁法向呈一定的夹角θ，也就是说，每个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角为θ。优选地，0＜θ＜90°。当0＜θ＜90°时，底部电解质50在水平方向上产生一定的涡流，进一步使电解槽10内部各个区域电解质50都能够循环流动，增强电解槽10内部的传热与传质，使其内部的温度和成分均匀化，更好的减缓了电解槽10底部的结瘤。当θ＝0°时，虽然底部电解质50在水平方向上不能产生涡流，但是气体会将电解质50推向电解槽10的中心位置，从而对电解槽10底部电解质50进行搅拌，使沉入底部未溶解的氧化物不沉积，通过扩散及两极之间的涡流运动带入两极之间参与电极反应。

进一步地，本发明的发明人经过大量的实验和理论研究后发现，当30≤θ≤60°，气体对电解质50的搅拌作用最大，且电解质50在水平方向上产的涡流最强。优选地，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角均相等。当然，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角也可以不相等。

优选地，多个吹气管道40对称设置于电解槽10的周壁上。当然，多个吹气管道40也可以随机设置在电解槽10的周壁上。优选地，多个阳极30对称设置于阴极20的四周。当然，阳极30也可以随机的形式设置于阴极20的四周。电解槽10可以呈圆柱型、长方体型或者中间长方体，两边弧形。优选地，电解装置包括n个吹气管道40，n≥4，且n为偶数，n个吹气管道40对称设置于电解槽的内壁上。

上述电解装置中，优选地，电解装置包括m个阳极，m≥4，且m为偶数，m个阳极对称设置于阴极的四周。电解装置包括r个阴极，r≥1，若r＝1，r个阴极设置于电解槽的中心；若r>1，r个阴极沿着电解槽的中心等间距竖直设置。

根据本发明的另一方面，提供了一种电解方法，该电解方法包括以下步骤：向本发明提供的电解装置的电解槽中加入电解质；向电解质中添加稀土氧化物，通过电解稀土氧化物得到电解产物，并在电解的过程中通过电解装置的吹气管道通入底吹气体。

在本发明提供的第一示例性实施方式中，电解装置包括：圆柱型的电解槽10；一个位于电解槽10内部的正中心的阴极20；m个对称设置于阴极20的四周的阳极30，m≥4，且m为偶数；n个对称设置于所述电解槽10的周壁上的吹气管道40，n≥4，且n为偶数，各吹气管道40的底端伸至电解槽10的底部，各吹气管道40的底端的出气口均相对于电解槽10的周壁倾斜设置，且倾斜方向一致。

优选地，侧吹气体出口位置设置在容易出现结瘤的电解槽槽壁底部，使沉入该处的氧化物始终随电解质50流动而不沉底。

每个阳极30和电解槽10的周壁之间可以设置1个或多个吹气管道40。吹气管道40的材料可以选用钨、钼、石墨、碳化硼和氮化硼中的一种或多种。该电解装置用于电解稀土化合物。进一步地，电解槽10的材料为电解槽常规使用的石墨质材料，阳极30的材料为石墨，阴极20的材料为电解槽常规使用的难熔金属钨、钼，或用于形成合金成份的金属材料，如生产镝铁或钆铁时的铁棒。

在该示例性实施方式中，每个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角为θ，0＜θ＜90°。而且本发明的发明人经过大量的实验和理论研究后发现，当30≤θ≤60°，气体对电解质50的搅拌作用最大，且电解质50在水平方向上产的涡流最强。优选地，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角均相等。当然，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角也可以不相等。

具体地，图1示出了第一示例性实施方式提供的电解装置的剖面结构图，图2示出了第一示例性实施方式提供的电解装置的立体结构图。如图1和图2所示，该电解装置包括：圆柱型的电解槽10；位于阴极20正下方的坩埚，坩埚的开口表面为电解槽10的部分底面；一个位于电解槽10内部的正中心的阴极20；4个对称设置于阴极20的四周的阳极30；4个对称设置于所述电解槽10的周壁上的吹气管道40，各吹气管道40的底端伸至电解槽10的底部，各吹气管道40的底端的出气口均相对于电解槽10的周壁倾斜设置，且倾斜方向一致，且电解装置中吹气管道40的个数与阳极30的个数相等，每个吹气管道40对应设置于与该吹气管道40相邻的阳极30的中轴位置。各阴极20和各阳极30均与电解槽10的底面间隔设置。

此时，电解槽10底部吹气方向如图3所示。由图3可以看出，吹气过程中使气体的出口速度方向与电解槽10槽壁的法向呈一定的角度，这就使底部电解质50在水平方向上产生一定的涡流，进一步使电解槽10内部各个区域电解质50都能够循环流动。

在本发明提供的第二示例性实施方式中，电解装置包括：长方体型的电解槽10；r个阴极20，r≥3，且r为奇数，r个阴极20沿电解槽10的长轴方向上等间距分布，且其中一个阴极20位于电解槽10内部的正中心；t个阳极30，t≥6，且t为偶数，t个阳极30对称设置于阴极20的四周；s个吹气管道40，s≥6，且s为偶数，s个吹气管道40对称设置于电解槽10的周壁上，且电解装置中吹气管道40的个数与阳极30的个数相等。

优选地，各阴极20和各阳极30均与电解槽10的底面间隔设置；侧吹气体出口位置设置在容易出现结瘤的电解槽槽壁底部，使沉入该处的氧化物始终随电解质50流动而不沉。

该示例性实施方式中，每个阳极30和电解槽10的周壁之间可以设置1个吹气管道40。吹气管道40的材料可以选用钨、钼、石墨和氮化硼中的一种或多种。该电解装置用于电解稀土化合物。进一步地，电解槽10的材料为电解槽常规使用的石墨质材料，阳极30的材料为石墨，阴极20的材料为电解槽常规使用的难熔金属钨、钼，或用于形成合金成份的金属材料，如生产镝铁或钆铁时的铁棒。

在该示例性实施方式中，每个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角为θ，0≤θ＜90°。而且本发明的发明人经过大量的实验和理论研究后发现，当30≤θ≤60°，气体对电解质50的搅拌作用最大，且电解质50在水平方向上产的涡流最强。优选地，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角均相等。当然，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角也可以不相等。

具体地，图4a、图4b和图4c示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的剖面结构图，图5示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的立体结构图，其中，图4a示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的主视图，图4b示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的左视图，图4c示出了第二示例性实施方式提供的电解装置的俯视图。如图4a-图4c和图5所示，该电解装置包括：长方体型的电解槽10；位于阴极20正下方的坩埚，坩埚的开口表面为电解槽10的部分底面；3个沿电解槽10的长轴方向上等间距分布的阴极20，其中一个阴极20位于电解槽10内部的正中心；6个对称设置于阴极20的四周的阳极30；6个对称设置于电解槽10的周壁上的吹气管道40，各吹气管道40的底端伸至电解槽10的底部，各吹气管道40的底端的出气口均相对于电解槽10的周壁倾斜设置，且倾斜方向一致，且电解装置中吹气管道40的个数与阳极30的个数相等，每个吹气管道40对应设置于与该吹气管道40相邻的阳极30的中轴位置；各阴极20和各阳极30均与电解槽10的底面间隔设置。

此时，电解槽10底部吹气方向如图6所示。由图6可以看出，吹气过程中使气体的出口速度方向与电解槽10槽壁的法向呈一定的角度，这就使底部电解质50在水平方向上产生一定的涡流，进一步使电解槽10内部各个区域电解质50都能够循环流动。

在本发明提供的第三示例性实施方式中，电解装置包括：中间长方体型，两边弧形的电解槽10；r个阴极20，r≥2，r个阴极20沿电解槽10的长轴方向和中轴线等间距对称分布；t个阳极30，t≥6，且t为偶数，t个阳极30对称设置于阴极20的四周，其中长方体型区域的阳极为长方体，t₁≥2，且t₁为偶数，其中弧形区域的阳极为块状弧形，t₂≥4，且t₂为偶数；s个吹气管道40，s≥6，且s为偶数，s个吹气管道40对称设置于电解槽10的周壁上，每个阳极30和电解槽10的周壁之间可以设置多个吹气管道40。

优选地，各阴极20和各阳极30均与电解槽10的底面间隔设置；侧吹气体出口位置设置在容易出现结瘤的电解槽槽壁底部，使沉入该处的氧化物始终随电解质50流动而不沉。

该示例性实施方式中，每个阳极30和电解槽10的周壁之间可以设置多个吹气管道40。吹气管道40的材料可以选用钨、钼、石墨、碳化硼和氮化硼中的一种或多种。该电解装置用于电解稀土化合物。进一步地，电解槽10的材料为电解槽常规使用的石墨质材料，阳极30的材料为石墨，阴极20的材料为电解槽常规使用的难熔金属钨、钼，或用于形成合金成份的金属材料，如生产镝铁或钆铁时的铁棒。

在该示例性实施方式中，每个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角为θ，0≤θ＜90°。而且本发明的发明人经过大量的实验和理论研究后发现，当30≤θ≤60°，气体对电解质50的搅拌作用最大，且电解质50在水平方向上产的涡流最强。优选地，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角均相等。当然，各个吹气管道40的底端的出气口相对于电解槽10的周壁的倾斜角也可以不相等。

具体地，图7a、图7b和图7c示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的剖面结构图。图8示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的立体结构图，其中，图7a示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的主视图，图7b示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的左视图，图7c示出了第三示例性实施方式提供的电解装置的俯视图。如图7a-图7c和图8所示，该电解装置包括：中间长方体型和两边弧形的电解槽10；位于阴极20正下方的坩埚；3个沿电解槽10的长轴方向和中轴线等间距对称分布的阴极20，其中一个阴极20位于电解槽10内部的正中心；6个对称设置于阴极20的四周的阳极30；6个对称设置于电解槽10的周壁上的吹气管道40，各吹气管道40的底端伸至电解槽10的底部，各吹气管道40的底端的出气口均相对于电解槽10的周壁倾斜设置，且倾斜方向一致；各阴极20和各阳极30均与电解槽10的底面间隔设置。

此时，电解槽10底部吹气方向如图9所示。由图9可以看出，吹气过程中使气体的出口速度方向与电解槽10槽壁的法向呈一定的角度，这就使底部电解质50在竖直方向上产生涡流的同时在水平方向上也产生一定的涡流，进一步使电解槽10内部各个区域电解质50都能够循环流动。

根据本发明的另一方面，提供了一种电解方法，该电解方法包括以下步骤：向本发明提供的电解装置的电解槽10中加入电解质50；向电解质50中添加稀土氧化物，通过电解稀土氧化物得到电解产物，并在电解的过程中通过电解装置的吹气管道40通入底吹气体。

其中，阳极30的材料为石墨，阴极20的材料为电解槽常规使用的难熔金属钨、钼，或用于形成合金成份的金属材料，如生产镝铁或钆铁时的铁棒，底吹气体为CO或CO和CO₂混合气体。优选地，CO和CO₂混合气体中CO的体积百分含量为50～70％，底吹气体的流量为1×10^-5～1×10^-4m³/s。

本发明选用CO/CO₂混合气体或CO作为稀土电解槽10底吹气体。由于在稀土电解过程中，O^2-离子在阳极30发生电化学反应产生O₂，继而与阳极30石墨反应生成CO和CO₂气体，而选用底吹CO/CO₂混合气体或CO一方面不会引入其他杂质，另一方面CO也可直接与O₂反应，减缓石墨阳极30的氧化消耗；

下面将结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

以NdF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中NdF₃和LiF的质量比为7:1，以石墨为阳极，钼棒为阴极，在1050℃下电解，电解电压为8.5V，通气管道内气体的流量控制为4.0×10^-5m³/s，气体出口方向与电解槽内壁法向夹角为30°，在直流电作用下，加入的Nd₂O₃中的Nd³⁺在阴极表面析出。形成金属液滴，落入电解槽底部的钼坩埚中，电解2h后将金属液滴舀出浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作72h未见有结瘤现象发生。

主要技术指标：电流效率88.0％，碳含量200ppm，铁含量500ppm，单块阳极的使用周期为80～88h。

实施例2

以NdF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中NdF₃和LiF的质量比为7:1，以石墨为阳极，钼棒为阴极，在1050℃下电解，电解电压为8.5V，通气管道内气体的流量控制为7.0×10^-5m³/s，在直流电作用下，加入的Nd₂O₃中的Nd³⁺在阴极表面析出。形成金属液滴，落入电解槽底部的钼坩埚中，电解2h后将金属液滴舀出浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作100h未见有结瘤现象发生。

主要技术指标：电流效率90.0％，碳含量190ppm，铁含量450ppm，单块阳极的使用周期为96～104h。

实施例3

以DyF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中DyF₃和LiF的质量比为6:1，以石墨为阳极，铁棒为阴极，在1080℃下电解，电解电压为10.0V，通气管道内气体的流量控制为5.0×10^-5m³/s，气体出口方向与电解槽内壁法向夹角为45°，在直流电作用下，加入的Dy₂O₃中的Dy³⁺在阴极表面析出，并与铁阴极作用形成DyFe合金液滴，落入到电解槽底部的铁坩埚中，电解2h后将铁坩埚拎出，将电解得到的合金液滴浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作80h未见有结瘤现象发生。

主要技术指标：电流效率87％，DyFe合金中碳含量180ppm，合金中Fe的质量百分含量为19.8％，单块阳极的使用寿命为80～100h。

实施例4

以DyF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中DyF₃和LiF的质量比为5:1，以石墨为阳极，铁棒为阴极，在1100℃下电解，电解电压为10.5V，通气管道内气体的流量控制为6.5×10^-5m³/s，气体出口方向与电解槽内壁法向夹角为60°，在直流电作用下，加入的Dy₂O₃中的Dy³⁺在阴极表面析出，并与铁阴极作用形成DyFe合金液滴，落入到电解槽底部的铁坩埚中，电解2h后将铁坩埚拎出，将电解得到的合金液滴浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作90h未见有结瘤现象发生。

主要技术指标：电流效率90％，DyFe合金中碳含量150ppm，合金中Fe的质量百分含量为19.3％，单块阳极的使用寿命为95～120h。

对比例1

以NdF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中NdF₃和LiF的质量比为7:1，以石墨为阳极，钼棒为阴极，在1050℃下电解，电解电压为8.8V，在直流电作用下，加入的Nd₂O₃中的Nd³⁺在阴极表面析出。形成金属液滴，落入电解槽底部的钼坩埚中，电解2h后将金属液滴舀出浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作24小时左右出现结瘤，需要进行人工搅拌。

主要技术指标：电流效率72.7％，碳含量330ppm，铁含量1250ppm，单块阳极的使用周期为48～56h。

对比例2

以NdF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中NdF₃和LiF的质量比为7:1，以石墨为阳极，钼棒为阴极，在1050℃下电解，电解电压为8.5V，在直流电作用下，加入的Nd₂O₃中的Nd³⁺在阴极表面析出。形成金属液滴，落入电解槽底部的钼坩埚中，电解2h后将金属液滴舀出浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作24小时左右出现结瘤，需要进行人工搅拌。

主要技术指标：电流效率70.6％，碳含量315ppm，铁含量1020ppm，单块阳极的使用周期为48～56h。

对比例3

以DyF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中DyF₃和LiF的质量比为6:1，以石墨为阳极，铁棒为阴极，在1080℃下电解，电解电压为10.0V，在直流电作用下，加入的Dy₂O₃中的Dy^{3 +}在阴极表面析出，并与铁阴极作用形成DyFe合金液滴，落入到电解槽底部的铁坩埚中，电解2h后将铁坩埚拎出，将电解得到的合金液滴浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作20小时作用出现结料，需要用铁棒进行人工搅拌。

主要技术指标：电流效率70％，DyFe合金中碳含量325ppm，合金中Fe的质量百分含量为19.4％，单块阳极的使用寿命为48～56h。

对比例4

以DyF₃和LiF混合物作为熔盐电解质，其中DyF₃和LiF的质量比为5:1，以石墨为阳极，铁棒为阴极，在1100℃下电解，电解电压为10.5V，在直流电作用下，加入的Dy₂O₃中的Dy^{3 +}在阴极表面析出，并与铁阴极作用形成DyFe合金液滴，落入到电解槽底部的铁坩埚中，电解2h后将铁坩埚拎出，将电解得到的合金液滴浇注到模具中。炉体侧壁底部在工作20小时作用出现结料，需要用铁棒进行人工搅拌。

主要技术指标：电流效率74.5％，DyFe合金中碳含量312ppm，合金中Fe的质量百分含量为20.3％，单块阳极的使用寿命为48～56h。

从以上实施例可以看出，本发明上述的实例实现了如下技术效果：

(1)本发明通过在电解槽的周壁设置吹气管道，并利用吹气管道向电解槽的底部通入气体，从而一方面利用气体对电解槽底部电解质进行搅拌，使槽底电解质在水平方向形成涡流电解质的流动性加强，使沉入底部未溶解的氧化物不沉积，通过扩散及两极之间的涡流运动带入两极之间参与电极反应，另一方面在吹气过程中使气体的出口速度方向与电解槽槽壁的法向呈一定的角度，从而使底部电解质在竖直方向上产生涡流的同时在水平方向上也产生一定的涡流，进一步使电解槽内部各个区域电解质都能够循环流动，增强电解槽内部的传热与传质，使其内部的温度和成分均匀化，更好的减缓了电解槽底部的结瘤。

(2)本发明设计的气体引入方式是从电解槽顶部沿着电解槽壁上的吹气导管吹入电解槽底部，气体在吹气导管内沿槽壁进入电解槽底部过程中，高温电解质对引入的常温气体进行预热，使气体到达电解槽底部时温度尽量接近电解质温度，防止室温气体直接进入高温熔体瞬间膨胀带来的危害。另外，在电解过程中无需人工用工具搅拌和升温消渣，减少了杂质的引入，炉况更加稳定，提高产品质量和电流效率。

(3)侧吹气体出口位置设置在容易出现结瘤的电解槽侧壁底部，使沉入该处的氧化物始终随电解质流动而不沉积。

(4)本发明选用CO、CO₂混合气体或CO作为稀土金属电解槽底吹气体。由于在稀土电解过程中，O^2-离子在阳极发生电化学反应产生O₂，继而与阳极石墨反应生成CO和CO₂气体，而选用底吹CO/CO₂混合气体或CO一方面不会引入其他杂质，另一方面CO也可直接与O₂反应，减缓石墨阳极的氧化消耗。

以上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 (10)

1.一种电解装置，其特征在于，所述电解装置包括：

电解槽(10)；

至少一个阴极(20)，设置于所述电解槽(10)内部；

多个阳极(30)，间隔设置于所述阴极(20)的四周；

多个吹气管道(40)，对称设置于所述电解槽(10)的内壁上，各所述吹气管道(40)的底端出口伸至所述电解槽(10)的底面，且出口方向水平，

其特征在于，各个所述吹气管道(40)的底端的出气口的方向相对于所述电解槽(10)内壁法向呈夹角θ，0°<θ＜90°，且方向具有一致性。

2.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述夹角θ满足30°≤θ≤60°。

3.根据权利要求2所述的电解装置，其特征在于，各个所述吹气管道(40)的底端的出气口相对于所述电解槽(10)内壁法向的夹角均相等。

4.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述电解装置包括n个所述吹气管道(40)，n≥4，且n为偶数，n个所述吹气管道(40)对称设置于所述电解槽(10)的内壁上。

5.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述电解装置包括m个所述阳极(30)，m≥4，且m为偶数，m个所述阳极(30)对称设置于所述阴极(20)的四周。

6.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述电解装置包括r个所述阴极(20)，r≥1，若r＝1，r个所述阴极(20)设置于电解槽(10)的中心；若r>1，所述r个阴极沿着电解槽的中心等间距竖直设置。

7.一种电解方法，其特征在于，所述电解方法包括以下步骤：

向权利要求1至6中任一项所述的电解装置的电解槽(10)中加入电解质(50)；

待所述电解质加热溶解后向所述电解槽(10)中加入待电解的稀土氧化物；

对所述稀土氧化物进行电解得到稀土金属或合金，并在所述电解的过程中通过所述电解装置的吹气管道(40)通入底吹气体。

8.根据权利要求7所述的电解方法，其特征在于，所述底吹气体为CO气体或者CO、CO₂混合气体。

9.根据权利要求8所述的电解方法，其特征在于，所述CO、CO₂混合气体中CO的体积百分含量为50～70％。

10.根据权利要求7至8中任一项所述的电解方法，其特征在于，所述底吹气体的流量为1×10^-5～1×10^-4m³/s。