CN108193235B - 一种稀土电解槽电极结构及稀土电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀土电解槽电极结构及电解槽，包括阳极和阴极，所述阳极和阴极相对设置，所述阳极与阴极相对的一面为向阳极内部凹陷的圆弧面，所述阴极与圆弧面相对应的部分为圆柱面，该圆柱面的中心轴线与圆弧面的中心轴线重合。本发明的稀土电解槽阴极在下，阴阳极之间的极距可以根据电解工艺进行调整，可提高阳极的利用率，降低槽电压。本发明的稀土电解槽保温层选材和布局合理，电解槽的热平衡性能好，可有效减少热损失；高导热率碳化硅保护层的使用，使电解槽的伸腿更加容易形成，从而更有效的保护电解槽的侧部保温材料；另外，采用圆柱状阴极，使电流密度阴极高阳极低更加明显，也有效的增加了电解反应区域。

Description

一种稀土电解槽电极结构及稀土电解槽

技术领域

本发明涉及一种熔盐稀土电解槽电极结构及稀土电解槽，属于稀土熔盐电解设备技术领域。

背景技术

目前，稀土电解主要以氧化物为原料、氟化物为电解质的熔盐稀土电解，其电解槽型为上插式阴阳极结构，阴阳极柱面平行的放置在电解质中，下方放置钨坩埚用于接收金属。这种现有的稀土金属电解槽极距无法调整，随着稀土电解的进行，极距也越来越大，槽电压一般为10-12V，浪费了大量的电能，且生产效率低下，工艺参数波动大，槽型电流强度的大小为3000-7000A，严重的阻碍了稀土电解槽的大型化、节能化的发展。另外，现有稀土电解槽的保温性能差，大量的热量通过辐射和对流散失到空气中，从而使周围温度升高，恶化了工人的工作环境，也使得电解槽的热平衡不稳定，不得不通过高槽电压的方式来维持热平衡，同时电解槽的电压过高，在氧化物不足时，稀土氟化物分解严重，产生含氟有害气体污染环境。因此，开发大型节能环保的稀土熔盐电解槽是实现稀土电解工业及其技术发展的关键。

中国发明专利CN103614747A公开了一种大型组合式稀土熔盐电解槽系统，实现了槽体结构紧凑、布线结构合理，但其阴阳极为上插式阴阳极，极距不能改变，并没有降低稀土电解槽电压，而且阴阳极结构的设计不利于电解工艺的操作和电解稀土的大型化。

中国发明专利CN105441987A公开了一种液态阴极生产稀土金属及合金的稀土熔盐电解槽，结构为阴阳极平行垂直插入电解质中，电解槽的液态金属作为阴极，虽然该发明有利于电解槽的大型化，但是液态金属作为阴极，容易使金属二次氧化，且液态金属一直处于反应区，使电解槽底部容易被腐蚀，同时给电解槽的开车运行带来了极大困难。另外，液态金属作为阴极，增大了阴极的面积，使阴极电流密度下降，导致电流效率降低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种稀土电解槽电极结构及稀土电解槽，以优化电解槽阴阳极结构，提升电流效率，降低能量损耗。

本发明的技术方案如下：一种稀土电解槽电极结构，包括阳极和阴极，所述阳极和阴极相对设置，所述阳极与阴极相对的一面为向阳极内部凹陷的圆弧面，所述阴极与圆弧面相对应的部分为圆柱面，该圆柱面的中心轴线与圆弧面的中心轴线重合。

优选地，所述阴极为圆柱状。

进一步地，所述阴极主要由钨、钼或两者的复合材料制成。

本发明中，优选地，阴极电流密度为1-10A/cm²，阳极电流密度0.4-2 A/cm²。

优选地，圆弧面与圆柱面之间的距离为30-200mm，该值可根据需要对电解结构进行合理设计调整，电解过程中，也可对阴极和阳极的相对位置进行适当调节，使得极距保持在一定值。

所述阳极主要由碳素材料制成，材质成分可与常规稀土电解槽阳极炭块一样。

优选地，所述阳极和阴极的数量相同且为多个，各个阳极和阴极一一对应。

基于同一发明构思，本发明还提供一种稀土电解槽，包括中空的槽体和如上所述的稀土电解槽电极结构，其中，所述阳极悬置于槽体上方并伸入槽体中电解质内，所述阳极的底面为向上凹陷的圆弧面，阴极的底面与槽体内底面的距离大于0。

所述阴极与槽体内底面的距离为10-150mm，优选为20-50mm。

进一步地，所述阴极的一端固定于槽体侧壁上，阴极的另一端穿过槽体侧壁并伸出至槽体外。

所述槽体底部由下至上依次设有陶瓷纤维板层、底部耐火砖层、防渗层和石墨层，形成底部内衬；槽体内侧部设有侧部内衬，侧部内衬与底部内衬组合并围成供电解反应进行的空腔，侧部内衬顶面及内侧面上覆盖有保护层，优选地，防渗层主要由干式防渗料组成。

优选地，防渗层主要由干式防渗料组成。干式防渗料的使用有利于提高电解槽寿命，降低电解质消耗。一方面，当电解质渗漏到与干式防渗料接触时，干式防渗料中铝硅酸盐可以与电解质反应生成一层玻璃态的坚硬防渗层，防止电解质继续渗漏腐蚀下部保温材料；另一方面，干式防渗料有一定的可压缩性，可缓解周围结构的热膨胀，可较好地满足稀土电解生产条件（温度一般为950-1500℃），同时还有一定的保温作用。

优选地，所述保护层的厚度为50-300mm。

所述侧部内衬包括由内至外依次分布的防渗浇筑层、侧部耐火砖层和侧部外壳。优选地，所述侧部外壳主要由钢板制成。

所述侧部外壳厚度为5-20mm，侧部耐火砖层厚度为50-300mm，防渗浇筑料厚度为50-300mm。

所述石墨层的顶部开设有用于收集稀土的集收槽。优选地，集收槽的横截面为圆形或方形。

所述石墨层的顶面铺设有导流层，所述导流层向集收槽所在方向倾斜。优选地，倾斜度为2-10°。

进一步地，所述导流层主要由钨或钼构成，以保证导流层既耐高温，又具有与稀土熔融金属良好的相容性。

所述保护层的横截面为Z型，且主要由碳化硅材料制成。碳化硅陶瓷材料具有良好的耐高温、抗腐蚀性能，同时抗氧化能力也非常好，具有一定的电绝缘性，且价格相对便宜，还具有良好的导热性能，可对侧部内衬形成防护的同时，在侧部形成局部低温区域，促进电解槽槽帮的形成，从而更有效地保护侧部内衬。

所述陶瓷纤维板层的厚度为10-100mm，底部耐火砖层的厚度为50-300，防渗层的厚度为50-300mm，石墨层的厚度为100-500mm。

本发明的电解槽，通过对电解结构的合理设计，实际使用了颠覆稀土电解领域的槽下部横插阴极模式，可使电解发热区从传统的中上部分转变到了电解槽底部，极大程度的降低了电解质波动和电解能耗，有利电能效率的提升。同时，本发明的稀土电解槽使用抗氧化抗腐蚀性能优越的碳化硅陶瓷材料，解决了现行稀土电解槽使用炭块做侧部防护材料而导致侧部氧化腐蚀严重的问题，碳化硅导热性能好，可使电解槽侧部温度相对较低，附近的电解质冷却产生炉帮，从而对电解槽形成双重保护。另外，碳化硅绝缘性能好，阴极穿过碳化硅时，不会改变阴极电流分布，保证电解过程正常进行。

本发明的稀土电解槽阳极和阴阴极呈上下排布，满足了稀土电解过程中所需要的低阳极电流密度和高阴极电流密度的要求，有利于获得高的电流效率；采用圆柱体结构的阴极，下部留有一定的空间，同时与上部圆形结构的阳极相匹配，有利于金属在阴极的析出。石墨层表面导流层的设置，一是便于析出的金属流入集收槽中，二是有效的防止了石墨层的腐蚀，同时提高了产品的纯度，有利于延长电解槽寿命。该电解槽的内衬保温设计合理，有利于电解槽热平衡的稳定，有效的减少电解槽因辐射和对流造成的热量损失，节约了电能。另外，该发明的稀土电解槽的阴阳极极距可以根据不同阶段的电解工艺条件进行调整，更好的实现了对电解槽的电压和温度控制。

本发明的稀土电解槽，可用于稀土的熔融电解提取，包括镧、铈、镨、钕等一种金属或两种及以上混合金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明的稀土电解槽电极结构中，阴阳极之间的极距可以根据电解工艺进行调整，可提高阳极的利用率，降低槽电压。

2. 本发明的稀土电解槽保温层选材和布局合理，电解槽的热平衡性能好，可有效的减少热损失。

3. 本发明的稀土电解槽侧部高导热率Z型碳化硅保护层的使用，使电解槽的槽帮更加容易形成，对侧部内衬形成双层保护，从而更有效的保护电解槽的侧部保温材料。

4. 本发明的稀土电解槽其石墨层上设有导流层，使液态金属更容易流入集收器内，同时避免石墨层的腐蚀，可延长电解槽使用寿命，提高稀土金属产品纯度。

5. 本发明的稀土电解槽阳极采用圆面形状，阴极圆柱形状，使电流密度阴极高阳极低更加明显，也有效的增加了电解反应区域。

附图说明

图1为稀土电解槽结构主视图；

图2为稀土电解槽结构侧视图；

图3为稀土电解槽内衬和阴阳极结构主视图；

图4为稀土电解槽内衬和阴阳极结构侧视图；

图中：1-导杆、2-阳极钢爪、3-螺母、4-阳极、5-侧部外壳、6-阴极、7-保护层、8-侧部耐火砖层、9-防渗浇筑层、10-导流层、11-石墨层、12-防渗层、13-底部耐火砖层、14-陶瓷纤维板层、15-集收槽、16-电解质、17-防腐夹套、18-传动导杆、19-母线、20-保护套、21-提升电机、22-提升杆、23-桁梁、24-夹具、25-搭钩、26-下料机、27-水平罩板、28-烟管、29-集气罩、30-槽壳、31-端部密封罩、32-角部密封罩、33-侧部密封罩。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1至图4所示，一种稀土电解槽，包括槽上部结构、槽壳30、槽底部内衬结构、侧部内衬结构、阴极结构、阳极结构，所述槽上部结构由阳极提升结构、下料机26、桁梁23、密封系统等组成，所述阳极提升结构包括提升电机21、传动导杆18、提升杆22、保护套20、母线19、夹具24、搭钩25；所述密封系统包括端部密封罩31、侧部密封罩33、角部密封罩32、水平罩板27、烟管28、集气罩29，端部密封罩31、侧部密封罩33、角部密封罩32、水平罩板27、集气罩29组合形成一个整体罩，提升电解槽的保温和集气能力；所述槽底部内衬结构包括由下到上依次分布的陶瓷纤维板层14、底部耐火砖层13、防渗层12、石墨层11、导流层10，石墨层11上开设集收槽15，所述侧部内衬结构由外至内依次为侧部外壳5、侧部耐火砖层8、保护层7、防渗浇筑层9；所述阴极结构主要为阴极6；所述阳极结构包括阳极4、阳极钢爪2、导杆1。

其中，所述稀土电解槽的电流大小为20kA；所述阳极电流密度为0.75A；所述电解槽电压为4.7V。

所述阳极结构中，阳极钢爪2下方连接两个阳极炭块，构成阳极4，两个阳极炭块间根据稀土电解工艺留有适当的距离。优选地，阳极炭块的横向排列个数为14个，纵向排列个数为2个。

阳极结构连接在母线上，并由阳极提升机构带动母线19，驱动阳极上下运动，进而调整极距。

所述阴极6为圆柱体形状，其长度根据稀土电解槽大小来定，在阴极6的出口处安装有防腐夹套17。优选地，阴极6的直径为70mm，主要由金属钨制成。

所述阳极4的下表面方为半圆形状，其圆心与阴极6圆心在同一点上。优选地，半圆直径为300mm。

所述石墨层11上部放有集收槽15用于接受稀土金属，所述的导流层10有一定的倾斜度，便于金属流入钨坩埚15中。优选地，导流层10的倾斜度为3°。

所述底部材料结构陶瓷纤维层14厚度为50mm，底部耐火砖层13厚度为195mm，防渗层12厚度为185mm，石墨层11厚度为395mm。

所述侧部外壳5厚度为10mm，侧部耐火砖8厚度为130mm，防渗浇筑料9厚度为118mm，“Z”型截面的碳化硅保护层7厚度为200mm。

本实施方式中，所述电解质液面高度为380mm，按质量组成计，电解质包括氟化稀土85%、氟化锂15%，氧化稀土占氟化稀土和氟化锂的3%。

参见图1-4，首先根据稀土电解槽结构为电解槽制作槽壳，然后进行电解槽的砌筑，砌筑先从底部开始，在最底部铺设陶瓷纤维层，陶瓷纤维层上部使用炭素糊料将底部耐火砖块垒砌，形成底部耐火砖层，再在底部耐火砖上铺干式防渗料。然后是石墨层和电解槽侧部的构筑，石墨层使用炭素糊料将石墨砖垒砌，和底部耐火砖一样将电解槽侧部耐火砖垒砌，然后是钢板和碳化硅。电解槽砌筑完成后开始安装电解槽所需的其他设备，包括阳极提升机、下料设备、密封罩，然后对电解槽进行焙烧，使用多台打弧机将其电解质加热成熔融状态，电流流向从导杆到钢爪、到阳极炭块、到电解质、到阴极，然后从铝母线流出，形成电流环路。金属在阴极上析出，然后经过具有斜坡的导流层流入钨坩埚中，当稀土金属电解进行一段时间后通过虹吸的方式将稀土金属取出，从而得出稀土金属产品。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，同时上述实施例只是一种实施案例，根据不同生产量的需求，本发明稀土电解槽的电流强度也可以设计成60-120kA等大型化电解槽。

Claims (7)

1.一种稀土电解槽，其特征在于，包括中空的槽体和稀土电解槽电极结构，其中，所述稀土电解槽电极结构包括阳极（4）和阴极（6），所述阳极（4）和阴极（6）相对设置，所述阳极和阴极的数量相同且为多个，各个阳极和阴极一一对应，所述阴极的一端固定于槽体侧壁上，阴极的另一端穿过槽体侧壁并伸出至槽体外；所述阳极（4）与阴极（6）相对的一面为向阳极内部凹陷的圆弧面，所述阴极与圆弧面相对应的部分为圆柱面，该圆柱面的中心轴线与圆弧面的中心轴线重合；所述阳极（4）悬置于槽体上方并伸入槽体中电解质内，所述阳极（4）的底面为向上凹陷的圆弧面；所述阴极（6）与槽体内底面的距离为10-150mm；所述槽体底部由下至上依次设有陶瓷纤维板层（14）、底部耐火砖层（13）、防渗层（12）和石墨层（11），形成底部内衬，所述石墨层（11）的顶面铺设有导流层（10）；槽体（34）内侧部设有侧部内衬，侧部内衬与底部内衬组合并围成供电解反应进行的空腔，侧部内衬顶面及内侧面上覆盖有保护层（7）；所述保护层（7）的横截面为Z型，且主要由碳化硅材料制成；所述保护层向所述空腔内延伸至石墨层（11）的顶面；其中，侧部内衬包括由内至外依次分布的防渗浇筑层、侧部耐火砖层和侧部外壳（5），所述侧部外壳（5）厚度为5-20mm，侧部耐火砖层（8）厚度为50-300mm，防渗浇筑料层（9）厚度为50-300mm；所述陶瓷纤维板层的厚度为10-100mm，底部耐火砖层的厚度为50-300mm，防渗层的厚度为50-300mm，石墨层的厚度为100-500mm；所述保护层的厚度为50-300mm。

2.根据权利要求1所述的稀土电解槽，其特征在于，防渗层（12）主要由干式防渗料组成。

3.根据权利要求1所述的稀土电解槽，其特征在于，所述石墨层（11）的顶部开设有用于收集稀土的集收槽（15）。

4.根据权利要求3所述的稀土电解槽，其特征在于，导流层（10）向集收槽（15）所在方向倾斜。

5.根据权利要求1所述的稀土电解槽，其特征在于，所述阴极（6）为圆柱状。

6.根据权利要求1所述的稀土电解槽，其特征在于，所述阴极（6）主要由钨、钼或两者的复合材料制成。

7.根据权利要求1所述的稀土电解槽，所述阳极（4）和阴极（6）的数量相同且为多个，各个阳极（4）和阴极（6）一一对应。