CN110408961A - 一种稀土电解槽的打弧启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀土电解槽的打弧启动方法，在槽体内底部内衬和侧部内衬之间的转角处填充第一电解质层；再在第一电解质层上填充稀土氧化物层；然后，在第一电解质层和/或稀土氧化物层的内侧空间填充第二电解质；提供若干打弧机，在槽体内设置若干与阳极接触的石墨块；将打弧机的一极与阳极电连接，将打弧机的另一极通过打弧棒与石墨块接通，通电，进行第一次打弧，当与阴极接触的第二电解质呈液态时，停止打弧并将所述若干打弧机与阳极电连接的一极与阴极电连接，通电，进行第二次打弧，当槽体内熔融电解质温度达到电解温度要求时，停止打弧；通过阳极和阴极通入直流电，进行电解。本发明的打弧启动方法可实现大型稀土电解槽的安全、稳定启动。

Description

一种稀土电解槽的打弧启动方法

技术领域

本发明涉及一种稀土电解槽的打弧启动方法，尤其涉及一种大型稀土电解槽的打弧启动方法，属于稀土电解领域。

背景技术

目前，工业稀土电解生产过程有着槽体小、产量低、能耗高、劳动强度高以及污染严重等缺点，这主要是由于当前电解槽上插阴、阳极模式限制了电解槽大型化，阻碍了上部自动化设备的安装，限制了氟化物烟气的收集处理。因此，颠覆传统稀土电解槽上插阴、阳极模式，寻找新的电极结构，使稀土电解槽大型化是为来稀土电解领域的研究方向。2017年10月工信部发布了《产业关键工性技术研发指南》，其中提出了“大型智能可控稀土电解槽及配套工艺技术”的研发目标，这意味着大型智能稀土电解槽的研究已经被提及到国家的层面，将成为未来几年的研究热点。同时，与之对应的配套技术也需要得到革新，如大型电解槽启动、金属自动化出炉等。

当前工业稀土电解槽槽体较小，电解质量少，电解槽启动过程较为简单，一般是先在电解槽中铺设电解质，然后使用一台交流打弧机一端接入阳极，另一端连接石墨棒，中间通过石墨块短路打弧发热，使电解质熔化并升温到指定温度后，便可通入直流电电解。而大型化的稀土电解槽电解质量非常多，槽体结构排布存在差异，槽底部常设有在打弧时需要保护的材料，因此需要一套新的打弧方法，使得大型电解槽电解质熔化并升温到特定温度，方可正常启动电解。如公开专利CN201711474369、CN201510783550以及CN201610180407中提出的大型化稀土电解槽，其电解槽较大，散热较多，生产所用电解质量多，采用现有方法难以打弧启动。同时，其槽体为上插阳极，阴极设置在槽内底部，打弧时的高温容易对阴极造成损伤。此外，大型稀土电解槽内衬不是一个整体，还需要考虑打弧启动以及正常运行过程中电解质渗漏问题。因此，需要一套与之配套的全新的打弧方法，方可安全平稳的启动大型稀土电解槽。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种稀土电解槽的打弧启动方法，以实现大型稀土电解槽的安全、平稳启动，攻克稀土电解槽朝着大型化方向发展过程中遇到的启动难题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种稀土电解槽的打弧启动方法，所述稀土电解槽包括底部内衬和侧部内衬，所述底部内衬和侧部内衬围成供稀土电解反应进行的槽体，所述槽体内设有多对阳极和阴极，所述阴极位于与其相对的阳极的下方；包括如下步骤：

S1、将各阴极安装到位；

S2、在槽体内底部内衬和侧部内衬之间的转角处填充第一电解质，形成第一电解质层；再在第一电解质层上填充稀土氧化物，形成稀土氧化物层；然后，在第一电解质层和/或稀土氧化物层的内侧空间填充第二电解质，填充过程中根据需要将阳极安装到位；

其中，第一电解质的初晶温度比第二电解质的初晶温度高；所述第一电解质层位于阳极在槽体底部的正投影的外侧；所述第二电解质包含稀土氟化物和氟化锂；所述稀土氧化物层的高度、第二电解质的填充高度均比阴极的最高点高20mm以上；

S3、提供若干打弧机，在槽体内设置若干与阳极接触的石墨块；

将所述若干打弧机的一极与阳极电连接，将所述若干打弧机的另一极通过打弧棒与石墨块接通，通电，进行第一次打弧，使得第二电解质逐渐熔化；

当与阴极接触的第二电解质呈液态时，停止打弧并将所述若干打弧机与阳极电连接的一极与阴极电连接，通电，进行第二次打弧，使得槽体底部的电解质熔化，当槽体内熔融电解质温度达到电解温度要求时，停止打弧；

S4、通过阳极和阴极通入直流电，进行电解。

进一步地，所述第一电解质的初晶温度比第二电解质的初晶温度高50℃，进一步地，高100℃，优选地，高200℃。如此，在正常电解温度或过热状态下，无需担心炉帮全部溶解而导致电解液渗漏，保护内衬结构，提升电解槽使用寿命。

作为本发明的一种实施方式，所述第一电解质为在稀土电解过程中从电解槽中捞出的渣（难熔渣）。优选地，电解槽中捞出的渣做除炭处理。可选地，可将渣粉碎成粉末状，再铺设、压实。如此，将正常稀土电解生产过程中产生的浮渣或其他难熔渣用于电解槽启动，作为人造炉帮的一部分，实现固体废弃物的再利用，也无需担心引入其他杂质元素。

一般地，所述第一电解质包含稀土氟化物、稀土氧化物、稀土氟氧化物以及磷灰石相的RE₈Ca₂(SiO₄)₆O₂等高熔点物质。一般地，从电解槽中捞出的渣成分较复杂，熔点高，且不易溶解于第二电解质中；而一般地，稀土氧化物熔点较高，在电解质中溶解度较低，可以形成结壳，不会引入杂质，熔盐中缺氧化物时可溶解，便于调控。通过第一电解质层和稀土氧化物层的合理配置，既可方便调控，又可防止炉帮全部消融而渗漏。

作为本发明的另一种实施方式，所述第一电解质为人工配制的电解质，保证配制的电解质初晶温度满足上述要求即可。

进一步地，所述阴极为棒状，阴极的两端分别通过侧部内衬固定；所述第一电解质层覆盖阴极与侧部内衬之间的转角。

进一步地，S2中，所述稀土氧化物的熔点高于1800℃，进一步地，高于2100℃，更进一步地，高于2500℃。

可选地，第二电解质中，稀土氟化物和氟化锂的配比可视具体情况而定。

可选地，所述稀土氧化物层的高度、第二电解质的填充高度平齐。

一般而言，第二电解质即为稀土电解槽正常运行时，所需电解质，其初晶温度一般为980-1030℃。

进一步地，S2中，按重量份计，所述第二电解质包含稀土氟化物8-10份和氟化锂0.5-1.5份。优选地，按重量份计，所述第二电解质包含稀土氟化物9份和氟化锂1份。

进一步地，S2中，装炉时，先在槽体四周角部等易渗漏电解质的部位填充第一电解质，然后在第一电解质上填充一层稀土氧化物，最后在槽体中间主要区域填充一定配比的第二电解质，填充电解质时依次放入阳极，压实电解质，保证电解质填充高度高于槽内需保护的钨钼等金属制品20mm以上。

进一步地，S2中，第二电解质的填充和阳极的安放可交替进行。

可选地，S2中，所述第一电解质层覆盖侧部内衬的整个内壁。优选地，第一电解质层和稀土氧化物层在水平方向的总厚度不小于30mm，优选为40-60mm。

可选地，上述第一电解质层的横截面呈三角形。

进一步地，填充第二电解质和安放阳极时，根据需要预留打弧棒的插入口。

可选地，所述打弧棒为石墨棒。

本发明中，打弧步骤分两步进行，第一步将所有打弧机的一极接到阳极上，打弧机的另一极依次使用石墨棒均匀接入电解槽中，通过石墨块短路点接触打弧发热，使电解质逐渐熔化；第二步为当大量电解质熔化且阴极附近电解质为液态时，将打弧机上接入阳极的导线依次接入阴极，通交流电继续打弧，使电解槽下部发热，使底部电解质熔化。

可选地，所述的打弧机包括打弧电源和打弧升降机，打弧电源可在市场采购，打弧升降机可调整打弧棒的高度；优选地，所述的打弧机的数量大于等于两台。可选地，可选用专利CN103741170B中所用打弧设备。

进一步地，打弧时，使用多台并联的打弧机通交流电打弧发热熔化第二电解质。可选地，将各阳极并联于所述若干打弧机的一极上。

进一步地，打弧过程中逐渐加入配比好的第二电解质。

进一步地，S3中，打弧时，往打弧发热点逐渐加入第二电解质。

进一步地，S3中，第一次打弧的持续时间为2-4天，第二次打弧的持续时间为1.5-5天。

进一步地，S3中，当槽体中第二电解质几乎完全熔化，电解质温度达到电解要求时，即可切断打弧机电源，将阴阳极极距拉大，往电解槽通入直流电进行高电压启动，直到电解过程稳定后，降低极距到预设位置。

进一步地，S4中，将阳极和阴极极距控制为16-30mm，通入直流电进行电解，待电解过程稳定后，将极距降低至12-15mm，进行电解。

进一步地，所述稀土电解槽为大型稀土电解槽，进一步地，所述稀土电解槽为10kA级以上稀土电解槽，进一步为15kA级以上稀土电解槽。

可选地，多对阳极和阴极沿槽体的长度方向依次排列。

优选地，停止第二次打弧后，尽快通入直流电电解发热，防止温度降低过多而导致电解质凝固，不利于电解槽启动。

可选地，所述阳极由石墨块制成。可选地，所述阴极为钨棒。可选地，阴极的一端固定于侧部内衬上，阴极的另一端穿过侧部内衬并伸出至槽体外。

本发明中，在打弧前，预先在槽体四周角部等易渗漏电解质的部位填充初晶温度相对较高的第一电解质，并在第一电解质上方填充本身熔点较高的稀土氧化物；打弧时，仅有内侧的第二电解质熔化，外侧的第一电解质、稀土氧化物受热板结，有助于形成保护性炉帮，可有效阻止熔融电解质向侧部内衬渗漏。由于打弧过程中，并未发生电解反应，且稀土氧化物在熔融第二电解质中的溶解度较低（不超过5wt%，一般为2-3wt%），稀土氧化物溶于熔融第二电解质后，很快会达到饱和状态而不再进一步溶解，故而一般无需担心稀土氧化物层被大部分或完全消耗。

通过稀土氧化物和第二电解质填充高度的控制，可保护槽体内钨钼等金属制品免受损伤。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明的打弧启动方法，提出在电解槽的槽体内四周角部等易渗漏的部位铺设难熔的第一电解质，打弧时该部分会逐渐形成电解质结垢并附着在角部等易渗漏部位，阻止电解质渗漏，同时在槽四周铺设稀土氧化物，氧化物在电解质中溶解度较低，其在打弧时逐渐形成一层附着在侧部内衬表面的炉帮，使得熔盐电解质与侧部内衬不直接接触，阻止了熔盐电解质对侧部内衬的侵蚀，有效提高电解槽寿命。

（2）本发明的打弧启动方法，首先使用电解质覆盖阴极，在上部使用阳极打弧使上部表面电解质熔化成液态，不仅可有效保护阴极不被初始电接触短路打弧时的超高温损伤，还可以防止阴极接触氧气氧化腐蚀；待阴极附近第二电解质熔化，再转入阴极打弧，可将发热区引入电解槽下部，使底部电解质快速熔化，实现安全启动。

（3）本发明的打弧启动方法，当底部电解质接近完全熔化后，提高电解槽阴阳极极距，使用高电压直流电启动电解槽，可快速补充交流电打弧转直流电电解过程中散失的热量，保证电解槽稳定启动。

（4）本发明的打弧启动方法，可采用从正常稀土电解生产过程产生的渣作为侧部填充材料，无需担心杂质的引入，可满足人造炉帮构建需要，在实现固体废弃物再利用的同时，降低了启动成本。

附图说明

图1是一种大型稀土电解槽的装炉示意图。

图2是本发明第一种实施方式中打弧启动过程中稀土电解质温度随时间变化图。

图3是本发明第一种实施方式中打弧过程中阴极出电端温度随时间变化。

图4是本发明第一种实施方式中出电端阴极等距压降随时间变化。

图5是本发明第一种实施方式中打弧过程中稀土电解槽的俯视图，其中，从南至北看，7对阳极组依次标记为1号阳极组、2号阳极组、3号阳极组、4号阳极组、5号阳极组、6号阳极组、7号阳极组，每个阳极组包括沿东西方向依次分布的2个阳极。

图中，1-侧部内衬，2-稀土氧化物层，3-第二电解质，4-阳极，5-第一电解质层，6-阴极，7-底部内衬，8-槽体，9-短路石墨块，10-石墨棒，11-打弧升降机，12-打弧位点。

具体实施方式

以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域普通技术人员如何实施和再现本明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域普通技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域普通技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。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。

实施例1

申请人在自行研发的20kA级大型智能稀土电解槽上进行打弧启动试验，电解槽结构如中国专利说明书CN201711474369.6所示，为上插阳极，底部横插阴极模式，电解槽电解质量为3.8t。具体实施过程如下：

第一步，装炉：先往电解槽侧面角部斜铺一层约50mm宽的难熔电解质块（取自于稀土电解生产中产生的难熔渣），再往端面角部斜铺一层100mm宽的难熔电解质块，然后在难熔电解质上方继续铺设稀土氧化物，其中氧化镨占约20%，氧化钕占比约80%，（参见图1），稀土氧化物铺设高度为100mm，中间铺设稀土氟化物（氟化钕）和氟化锂质量配比为9:1的电解质，铺设高度与稀土氧化物平齐，铺设电解质；然后装入阳极，其中，四块阳极不装（2号阳极组西向阳极不装、3号阳极组的东向阳极不装、5号阳极组的东向阳极不装、6号阳极组的西向阳极不装），不装阳极的位置预留为打弧点位，参见图5，之后继续在阳极间铺设电解质，铺设高度为200mm；总共铺设难熔电解质块15.4kg，铺设氧化物共87.6kg，铺设稀土氟化物电解质共1.3t；电解质铺设完后，在阳极间装入短路石墨块，然后在给定点位安上打弧升降机，将石墨棒接入升降机上，打弧电源一极接入石墨棒，另一极接入阳极（石墨块），依次安放好四台打弧机，参见图5。

第二步，打弧：使打弧升降机上的石墨棒与电解槽中短路石墨块电接触，然后启动打弧机电源，通入24V、2000A交流电打弧，打弧时往打弧发热点不断加入电解质（稀土氟化物和氟化锂配比为9:1），使电解质熔化为液态。依次接入四台打弧机同时打弧，阳极打弧过程进行了约3天，加入的电解质约为1.8t。阳极间电解质几乎熔化并联通为一个整体时，依次将阳极上的线路转接到阴极继续打弧约2天，期间不断加入上述氟化物电解质约0.7t，电解槽中电解质温度持续上升到约1100℃。

第三步，电解槽启动：电解槽中电解质约95%已经熔化，电解槽温度稳定在1100℃，切断弧机电源，抬高阴阳极极距为20mm，往电解槽通入直流电进行高电压启动，启动3小时后炉温为1080℃，电解槽运行稳定，将极距调整为15mm，炉温最终稳定在1056℃。

测得电解槽启动过程中阴极出电端定点（距离槽壳约50mm）温度、阴极等距（338.5mm钢棒）压降以及电解质温度随时间变化如图2-4所示。参见图2，打弧启动过程中，稀土电解质（对应发明内容所述第二电解质）温度逐渐上升，在达到最高温度1100℃后下降，炉温最终稳定在1056℃左右。参见图3，第一次打弧完成前，阴极出电端（即图1所示外露端）温度不超过320℃，处于安全温度条件下，第二次打弧过程中，阴极出电端温度升高，但不超过400℃。参见图4，随着打弧过程的进行， 2-6号阴极出点端等距压降呈逐渐升高趋势，这是由于电解质温度升高，导电性逐渐增加，通过电流增加；而1号和7号阴极出点端等距压降变化不大，这是因为两端较冷，熔盐流动性变化不大；前三天为阳极打弧，第一天阴极等距压降为零，阴极没有熔出，无法导电，第二、三天阴极均出现电流，这是由于阴极熔出且为并联，部分电流更宁愿走导电性更好的阴极绕一圈回到电解槽而不直接流过熔盐电解质。

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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种稀土电解槽的打弧启动方法，所述稀土电解槽包括底部内衬（7）和侧部内衬（1），所述底部内衬（7）和侧部内衬（1）围成供稀土电解反应进行的槽体（8），所述槽体（8）内设有多对阳极（4）和阴极（6），所述阴极（6）位于与其相对的阳极（4）的下方；其特征在于，包括如下步骤：

S1、将各阴极（6）安装到位；

S2、在槽体（8）内底部内衬（7）和侧部内衬（1）之间的转角处填充第一电解质，形成第一电解质层（5）；再在第一电解质层（5）上填充稀土氧化物，形成稀土氧化物层（2）；然后，在第一电解质层（5）和/或稀土氧化物层（2）的内侧空间填充第二电解质（3），填充过程中根据需要将阳极（4）安装到位；

其中，第一电解质的初晶温度比第二电解质的初晶温度高；所述第一电解质层（5）位于阳极（4）在槽体底部的正投影的外侧；所述第二电解质包含稀土氟化物和氟化锂；所述稀土氧化物层（2）的高度、第二电解质（3）的填充高度均比阴极（6）的最高点高20mm以上；

S3、提供若干打弧机，在槽体内设置若干与阳极（4）接触的石墨块；

将所述若干打弧机的一极与阳极（4）电连接，将所述若干打弧机的另一极通过打弧棒与石墨块接通，通电，进行第一次打弧，使得第二电解质逐渐熔化；

当与阴极接触的第二电解质呈液态时，停止打弧并将所述若干打弧机与阳极（4）电连接的一极与阴极（6）电连接，通电，进行第二次打弧，使得槽体底部的电解质熔化，当槽体内熔融电解质温度达到电解温度要求时，停止打弧；

S4、通过阳极和阴极通入直流电，进行电解。

2.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，所述第一电解质的初晶温度比第二电解质的初晶温度高50℃，进一步地，高100℃，优选地，高200℃。

3.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，第一电解质为在稀土电解过程中从电解槽中捞出的难熔渣，优选地，对该难熔渣做除炭处理。

4.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，所述阴极（6）为棒状，阴极的两端分别通过侧部内衬（1）固定；所述第一电解质层（5）覆盖阴极（6）与侧部内衬（1）之间的转角。

5.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，S2中，所述稀土氧化物的熔点高于1800℃，进一步地，高于2100℃，更进一步地，高于2500℃。

6.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，S2中，按重量份计，所述第二电解质包含稀土氟化物8-10份和氟化锂0.5-1.5份。

7.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，S3中，打弧时，往打弧发热点逐渐加入第二电解质。

8.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，S3中，第一次打弧的持续时间为2-4天，第二次打弧的持续时间为1.5-5天。

9.根据权利要求1所述的打弧启动方法，其特征在于，S4中，将阳极和阴极极距控制为16-30mm，通入直流电进行电解，待电解过程稳定后，将极距降低至12-15mm，进行电解。

10.根据权利要求1-9任一项所述的打弧启动方法，其特征在于，所述稀土电解槽为10kA级以上稀土电解槽。