CN113737225A - 一种内衬结构及采用该内衬结构的稀土金属熔盐电解槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内衬结构及采用该内衬结构的稀土金属熔盐电解槽，主要涉及稀土熔盐电解设备技术领域；内衬结构，包括由外至内依次设置的保温层、防渗层、导电层，所述保温层、防渗层、导电层均设置于金属槽壳内，且所述保温层、防渗层、导电层均呈凹槽状；采用上述内衬结构的稀土金属熔盐电解槽，包括支撑梁，所述支撑梁的顶部设有用于带动母线上下移动的母线提升机，所述母线与供电系统的阳极连接，所述母线上设有用于固定阳极炭块组的夹具，所述支撑梁的左右两端的底部均设有门型立柱，所述门型立柱底端安装在金属槽壳上；本发明能够保证电解槽热平衡、电平衡的稳定性，减少热量损失，节约电能。

Description

一种内衬结构及采用该内衬结构的稀土金属熔盐电解槽

技术领域

本发明涉及稀土熔盐电解设备技术领域，具体是一种内衬结构及采用该内衬结构的稀土金属熔盐电解槽。

背景技术

现有稀土电解主要以稀土氧化物或稀土氯化物为原料、氟化物或氯化物为电解质的熔盐稀土电解过程，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，下方放置难熔金属坩埚用于接收金属。

现有的稀土电解槽多为敞口型设计，其保温性较差，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，不得不通过提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，产生含氟有害气体直接从槽体上部排出，污染了环境，同时给工人的健康带来了极大的隐患。另外，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3000-10000A，能耗高。

现有中国发明专利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。

现有中国发明专利CN108004568A公开了一种稀土电解槽内衬结构及稀土电解槽，结构为阳极通过阳极导杆吊在阳极提升机上，阴极为钨棒穿越电解槽内衬侧壁连接到给稀土电解槽母线供电的电源上。阴极钨棒在穿越电解槽内衬侧壁时候因材料热膨胀系数不同及加工精度方面原因，无法完全避免在阴极钨棒及电解槽内衬侧壁间存在缝隙，而电解质的性质决定了存在通过缝隙造成电解槽破损的可能，故该专利方案无法保证电解槽长期稳定运行。且该专利内衬材料设置上存在一定问题，碳化硅材料直接接触熔融的稀土电解质会发生化学反应，无法保证内衬长期使用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种内衬结构及采用该内衬结构的稀土金属熔盐电解槽，能够保证电解槽热平衡、电平衡的稳定性，减少热量损失，节约电能。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种内衬结构，包括由外至内依次设置的保温层、防渗层、导电层，所述保温层、防渗层、导电层均设置于金属槽壳内，且所述保温层、防渗层、导电层均呈凹槽状。

优选的，所述保温层、防渗层、导电层砌筑在金属槽壳内。

优选的，所述保温层采用硬质保温板和保温砖砌筑而成。

优选的，所述防渗层的底部采用防渗砖或干式防渗料，所述防渗层的侧壁的下部采用夹杂保温砖的防渗浇筑料敷设而成，所述防渗浇筑料的顶部砌筑有氮化硅结合碳化硅砖。

优选的，所述导电层包括阴极炭块，所述阴极炭块的顶部镶嵌有难熔金属坩埚，所述阴极炭块的底部设有若干个安装槽，所述安装槽内设有阴极钢棒，所述阴极钢棒水平穿过内衬结构侧部的防渗层、保温层以及金属槽壳后接到供电系统的阴极上。

优选的，所述阴极钢棒通过不定型碳糊固定在安装槽内。

采用上述内衬结构的稀土金属熔盐电解槽，包括支撑梁，所述支撑梁的中部设有料箱，所述料箱的内部安装定容下料系统，所述支撑梁的顶部设有用于带动母线上下移动的母线提升机，所述母线与供电系统的阳极连接，所述母线上设有用于固定阳极炭块组的夹具，所述支撑梁的左右两端的底部均设有门型立柱，所述门型立柱底端安装在金属槽壳上。

优选的，在所述金属槽壳的上侧设有水平罩板，所述水平罩板的外侧倾斜设有槽罩板，所述槽罩板的顶端安装在水平罩板上，底端安装在金属槽壳上，所述水平罩板的下侧面上设有烟道，在所述水平罩板上设有与烟道连通的排烟管。

优选的，所述母线提升机和定容下料系统通过计算机槽控系统进行控制。

优选的，所述阳极炭块组包括若干个导电柱，所述导电柱的底部设有石墨炭块。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明的内衬结构的热场配置合理，在控制水平较高的条件下可以实现一定的电解质结壳，能够节省能源；

2、相比现广泛应用的上插阴阳极式的稀土电解槽，本发明的电解槽极距可控，辅以计算机控制手段，可以达到长期温度自动运行的目的；

3、本发明的稀土金属熔盐电解槽内部设有难熔金属坩埚，在正常生产状态下，生产出的液态稀土金属会进入难熔金属坩埚，在电解槽侧壁形成一定电解质结壳的情况下，稀土金属不会与电解槽内衬的导电层石墨材料发生接触，可以避免还原出的液态稀土金属与导电层的石墨材料进行化学反应，进而造成导电层石墨腐蚀，破坏电解槽内衬的完整性，以达到延长电解槽使用寿命的目的，并且在液态稀土金属不接触电解槽内衬导电层石墨材料的情况下，可降低稀土金属产品的含碳量，进而提高稀土金属产品质量；

4、本发明中的稀土金属熔盐电解槽采用石墨炭块做阳极，电解槽内衬中的难熔金属坩埚及难熔金属坩埚中保存的液态稀土金属表面整体作为阴极，保证整个电解槽均匀反应，提高了电解槽生产的稳定性；

5、本发明中的稀土金属熔盐电解槽上部结构采用完整结构，通过水平罩板及槽罩板的妥善配置，保证了稀土金属电解槽的密闭性，稀土电解生产过程中产生的烟气可以妥善进行收集，为烟气的集中处理打下良好基础，并进一步改善了稀土电解车间的工作环境；

6、根据稀土金属熔盐电解槽的整体热场、电场数值模拟计算结果估算，本发明的稀土金属熔盐电解槽的工作电压约在5V左右，电流效率在90％以上，相比国内现有广泛使用的上插阴阳极稀土电解槽相比，能大幅度降低能耗，进一步达到节能减排的目的。

附图说明

附图1是本发明的内衬结构的结构示意图；

附图2是附图1的侧视图；

附图3是本发明的稀土金属熔盐电解槽的结构示意图；

附图4是附图3的侧视图。

附图中标号：1、保温层；2、防渗层；3、导电层；4、金属槽壳；5、支撑梁；6、料箱；7、母线；8、母线提升机；9、阳极炭块组；10、夹具；11、门型立柱；12、水平罩板；13、槽罩板；14、烟道；15、排烟管；21、干式防渗料；22、防渗浇筑料；23、氮化硅结合碳化硅砖；31、阴极炭块；32、难熔金属坩埚；33、安装槽；34、阴极钢棒。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

实施例1：如附图1-2所示，本发明所述是一种内衬结构，包括由外至内依次设置的保温层1、防渗层2、导电层3，所述保温层1、防渗层2、导电层3均设置于金属槽壳4内，且所述保温层1、防渗层2、导电层3均呈凹槽状。

优选的，所述保温层1、防渗层2、导电层3砌筑在金属槽壳4内，内衬结构通过砌筑并用不定型材料密封后形成容纳液态稀土金属、电解质进行电化学反应的空间。

优选的，所述保温层1采用硬质保温板和保温砖砌筑而成，硬质保温板和保温砖的耐压强度较高，不容易受压变形，保证稀土金属熔盐电解槽在砌筑和生产过程中内衬及稀土金属熔盐电解槽内衬及稀土金属熔盐电解槽内衬所包裹的电解质及熔融金属产生的压力不至于让稀土金属熔盐电解槽内衬底部及侧壁保温层材料严重变形，造成内衬产生应力并进一步在长期生产中造成稀土金属熔盐电解槽内衬的破损。稀土金属熔盐电解槽底部及侧壁保温层中硬质保温材料板和保温砖厚度根据电解槽电流强度的不同，电解槽热场模拟计算结果具体确定，硬质保温材料板材料的厚度由0mm至100mm，保温砖厚度由65mm至260mm。

优选的，所述防渗层2的底部采用防渗砖或干式防渗料21，所述防渗层2的侧壁的下部采用夹杂保温砖的防渗浇筑料22敷设而成，所述防渗浇筑料22的顶部砌筑有氮化硅结合碳化硅砖23。干式防渗料广泛使用在金属电解生产中，在稀土金属熔盐电解槽焙烧启动和正常生产过程中，渗漏到内衬底部防渗层中的电解质中的锂离子可与干式防渗料中的氧化铝、氧化硅生成玻璃态的LiO2-Al2O3-SiO2，玻璃态的LiO2-Al2O3-SiO2可以防止电解质进一步渗漏穿透防渗层。防渗砖也可以有效的防止电解槽渗漏，和干式防渗料一样也能达到防止电解槽渗漏的左右。和保温层一样，干式防渗料或防渗砖做成的底部防渗层也有一定的保温作用，防渗层的厚度的确定首先需要满足稀土金属熔盐电解槽防渗作用，其次再根据电解槽的热场模拟计算结果确定，防渗层厚度会在100mm至300mm之间。进一步的，内衬结构的侧部防渗层采用氮化硅结合碳化硅砖23和防渗浇筑料22构成，其中稀土金属熔盐电解槽侧壁采用氮化硅结合碳化硅砖23，而稀土金属熔盐电解槽内衬的侧下部，也就是稀土金属熔盐电解槽侧壁的下部采用防渗浇注料22，并根据热场计算结果在防渗浇筑料22中适当夹杂保温砖。氮化硅结合碳化硅砖23具备结构强度高，耐腐蚀，导热较快等特点，在稀土金属熔盐电解槽侧壁应用可以保证侧壁能形成稳定的温度梯度，便于在稀土金属熔盐电解槽生产中建立一定的电解质结壳保护电解槽内部的石墨不被电解质腐蚀，进一步保证稀土金属熔盐电解槽的电解槽槽寿命。内衬结构的侧下部采用防渗浇注料22，能够充分在浇注后形成一个整体结构保护电解槽在导电层渗漏的稀土金属液体和电解质液体即使在渗漏至防渗浇注料位置时不进一步渗漏。

优选的，所述导电层3包括阴极炭块31，所述阴极炭块31的顶部镶嵌有难熔金属坩埚32，所述阴极炭块31的底部设有若干个安装槽33，所述安装槽33内设有阴极钢棒34，所述阴极钢棒34水平穿过内衬结构侧部的防渗层2、保温层3以及金属槽壳4后接到供电系统的阴极上。进一步的，所述阴极钢棒34通过不定型碳糊固定在安装槽33内。难熔金属坩埚32(通常采用钼、钨)位于内衬结构底部最靠内部分，承接熔融稀土金属，难熔金属坩埚32为由难熔金属加工的整体结构，安置在石墨材料做的阴极炭块31表面，阴极炭块31下部通过不定型碳糊安装阴极钢棒34，难熔金属坩埚32安装在阴极石墨炭块上，阴极石墨炭块按照需要加工成一定形状，侧部炭块也采用石墨材料进行加工，底部石墨炭块与侧部石墨炭块之间的间隙由不定型碳糊进行填充。

实施例2：如附图3-4所示，本发明所述是采用实施例1中的内衬结构的稀土金属熔盐电解槽，包括钢结构制作的支撑梁5，所述支撑梁5内部设置稀土原料料箱6，料箱6中部设置定容下料装置，通过电信号或压缩空气控制定容下料装置，保证每次稀土金属熔盐电解槽下料体积较为平均，在料箱6上部设接料口，接料口向稀土原料料箱6内部添加稀土电解原料。所述支撑梁5的顶部设有用于带动母线7上下移动的母线提升机8，母线7通过导线连接到供电系统的直流供电系统阳极，母线提升机8使用电机作为动力来源，通过滚轴丝杠或三角板结构将拉力传往悬吊点，进而控制吊装在母线提升机8的母线7的水平高度，所述母线7上设有用于固定阳极炭块组9的夹具10，夹具10通过螺栓安装在母线7上，阳极炭块组9的数量为多个，每个阳极炭块组9均由铝导杆、钢铝爆炸焊块、钢材、石墨炭块组装而成，石墨炭块组9通过夹具10夹紧在母线7上，并受母线提升机8控制，随母线7可以做一定量的垂直运动，通过母线提升机8来控制母线7水平高度进一步控制石墨炭块的水平高度，在稀土金属熔盐电解槽生产的情况下，可以达到稀土金属熔盐电解槽的极距的目的。所述支撑梁5的左右两端的底部均设有门型立柱11，所述门型立柱11底端安装在金属槽壳4上。

优选的，在所述金属槽壳4的上侧设有水平罩板12，所述水平罩板12的外侧倾斜设有槽罩板13，所述槽罩板13的顶端安装在水平罩板12上，底端安装在金属槽壳4上，所述水平罩板12的下侧面上设有烟道14，在所述水平罩板12上设有与烟道14连通的排烟管15，排烟管15、烟道14、水平罩板12、槽罩板13构成稀土电解槽烟气收集排放系统，构建了一个相对密闭的空间，保证稀土电解槽生产产生的烟气受控有组织排放，稀土电解槽收集到的烟气可通过设立的烟气处理系统进行集中处理，保证达标排放。

优选的，所述母线提升机8和定容下料系统通过计算机槽控系统进行控制。

可选地，本发明的稀土金属熔盐电解槽，可用于稀土的熔融电解提取，包括镧、铈、镨、钕等稀土金属或两种及以上混合稀土金属。

其中，电解槽的设计电流为15kA；石墨炭块组底面电流密度为1A/cm2；电解槽设定电压为5V。

Claims (10)

1.一种内衬结构，其特征是：包括由外至内依次设置的保温层(1)、防渗层(2)、导电层(3)，所述保温层(1)、防渗层(2)、导电层(3)均设置于金属槽壳(4)内，且所述保温层(1)、防渗层(2)、导电层(3)均呈凹槽状。

2.根据权利要求1所述的一种内衬结构，其特征是：所述保温层(1)、防渗层(2)、导电层(3)砌筑在金属槽壳(4)内。

3.根据权利要求2所述的一种内衬结构，其特征是：所述保温层(1)采用硬质保温板和保温砖砌筑而成。

4.根据权利要求2所述的一种内衬结构，其特征是：所述防渗层(2)的底部采用防渗砖或干式防渗料(21)，所述防渗层(2)的侧壁的下部采用夹杂保温砖的防渗浇筑料(22)敷设而成，所述防渗浇筑料(22)的顶部砌筑有氮化硅结合碳化硅砖(23)。

5.根据权利要求2所述的一种内衬结构，其特征是：所述导电层(3)包括阴极炭块(31)，所述阴极炭块(31)的顶部镶嵌有难熔金属坩埚(32)，所述阴极炭块(31)的底部设有若干个安装槽(33)，所述安装槽(33)内设有阴极钢棒(34)，所述阴极钢棒(34)水平穿过内衬结构侧部的防渗层(2)、保温层(3)以及金属槽壳(4)后接到供电系统的阴极上。

6.根据权利要求5所述的一种内衬结构，其特征是：所述阴极钢棒(34)通过不定型碳糊固定在安装槽(33)内。

7.采用权利要求1-6所述的任一项内衬结构的稀土金属熔盐电解槽，其特征是：包括支撑梁(5)，所述支撑梁(5)的中部设有料箱(6)，所述料箱(6)的内部安装定容下料系统，所述支撑梁(5)的顶部设有用于带动母线(7)上下移动的母线提升机(8)，所述母线(7)与供电系统的阳极连接，所述母线(7)上设有用于固定阳极炭块组(9)的夹具(10)，所述支撑梁(5)的左右两端的底部均设有门型立柱(11)，所述门型立柱(11)底端安装在金属槽壳(4)上。

8.根据权利要求7所述的稀土金属熔盐电解槽，其特征是：在所述金属槽壳(4)的上侧设有水平罩板(12)，所述水平罩板(12)的外侧倾斜设有槽罩板(13)，所述槽罩板(13)的顶端安装在水平罩板(12)上，底端安装在金属槽壳(4)上，所述水平罩板(12)的下侧面上设有烟道(14)，在所述水平罩板(12)上设有与烟道(14)连通的排烟管(15)。

9.根据权利要求7所述的稀土金属熔盐电解槽，其特征是：所述母线提升机(8)和定容下料系统通过计算机槽控系统进行控制。

10.根据权利要求7所述的稀土金属熔盐电解槽，其特征是：所述阳极炭块组(9)包括若干个导电柱，所述导电柱的底部设有石墨炭块。

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