CN114808038B - 一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置 - Google Patents

Abstract

一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置，包括电解炉，电解炉内置有阳极和阴极，阴极连接至直流电源装置的负极，阳极围绕阴极对称设置，阳极上部连接有角铁并连接至直流电源装置的正极，阴极正下方设置有熔融稀土接收器，阴极在电解炉炉底的投影落入接收器的范围内，电解炉顶部还设置有投料口；还包括有极距补偿机构，根据压力传感器所获取的变化值补偿极距的位移变动，维持阳极和阴极之间的极距稳定。本发明通过设置极距补偿机构，使得极距在稀土熔盐电解过程中可依据阳极的消耗自动地动态补偿，维持阳极和阴极之间的极距的稳定，还可以对阳极进行摆动，以利于电解质搅拌和电解反应产生气体逸出，还能将阳极提升拉出以进行更换。

Description

一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置

技术领域

本发明涉及稀土电解领域，具体涉及一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置。

背景技术

稀土元素，是元素周期表ⅢB族中镧系和钪、钇共17种元素的总称，常用RE或REE表示，具有独特的光学、电学、磁学等性能，是当代高新技术领域的重要原材料。含稀土元素制造的新型功能材料、电子材料、光学材料、特殊合金及有机金属化合物等广泛用于电子信息、新能源、新材料、节能环保、航空航天等高新技术领域。中国稀土矿产资源丰富，为发展稀土工业发展提供了较好的资源条件。

在稀土金属及其合金生产中，稀土熔盐电解是常用生产方法，稀土金属及其合金生产的稀土熔盐电解温度通常在约900℃以上，现有的稀土熔盐电解炉有多种的结构形式，例如固态阴极上置(上插式阴极)、固态阴极下置(下插式阴极)和液态下阴极(液态式阴极)等结构形式，固态阴极一般为高熔点金属如钨、钼等材质，阳极一般为石墨等含炭素材料，液态阴极一般为熔融液态稀土金属。其中，阴极上置结构的产品得率和质量较高，而阴极下置的结构则是被认为是大规模生产的发展方向；采用液态下阴极时，在抽取金属液以及添加熔盐时，液面存在较大幅度波动，在电解过程中液面也存在波动，进而影响阳极和阴极之间的极距变化。同时，与阴极上置或阴极下置的方案类似，还面临因石墨阳极消耗变薄所带来的极距变化，综合导致液面与阳极的极距处于动态变化的不稳定状态下，稀土熔盐电解效率和质量无法稳定于预设目标。

发明内容

根据背景技术提出的问题，本发明提供一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置来解决，接下来对本发明做进一步地阐述。

一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置，包括电解炉，电解炉内置有阳极和阴极，阴极连接至电源装置的负极，阳极关于阴极对称设置，阳极上部连接有角铁并连接至电源装置的正极，阴极正下方设置有接收器，阴极在电解炉炉底的投影落入接收器的范围内，电解炉顶部还设置有布料口；还包括有极距补偿机构，所述极距补偿机构包括：

横梁，其下部设置有滑槽，所述滑槽内设置有滑块，角铁连接在滑块上，横梁由炉体外部顶部向炉体内延伸；

吊架，将横梁连接在升降装置上；

端座，设于电解炉外，所述横梁的一端连接在端座内，所述端座与吊架同步升降；

压力传感器，内置于端座的内顶部，用于测量横梁的力矩动态变化；

安装板，设于电解炉外，其上设置有螺杆，螺杆上配合设置有移动座，角铁通过连杆连接至移动座；

第一电机，用于根据压力传感器所获取的变化值驱动螺杆转动，补偿极距的位移变动，维持极距稳定。

作为优选地，所述螺杆连接在变速齿轮箱的输出上，第一电机连接在变速齿轮箱的输入上，作用在于将极距的微小位移量放大为第一电机可准确控制的转动周数上。

作为优选地，所述阴极为柱形，所述阳极的截面为扇形，压力值的变动近似为与极距值成正比例关系，易于反馈控制。

作为优选地，角铁转动连接在滑块上，还包括有：

枢轴，设置在移动座上；

摆动盘，同轴设置在枢轴上，在驱动装置的驱动下以枢轴为轴小幅度往复摆动；

两等长的连杆，分别连接阳极的两侧的角铁和摆动盘，两等长的连杆与角铁和摆动盘的四个枢接点构成一平行四边形；

通过连杆带动阳极往复摆动，作用在于对液态电解质起到一定的搅拌作用，有利于电解质流动及气体的逸出，更重要在于使气体也不易附着在阳极上，将阳极效应降低到最低程度。

作为优选地，所述摆动盘上设置有一空腔，驱动摆动盘摆动的驱动装置包括：

第二电机，固定在安装板上；

偏心凸轮，连接在第二电机的输出上，并位于空腔内，偏心凸轮与空腔壁接触；

当第二电机驱动偏心凸轮转动时，偏心凸轮通过与腔壁的作用驱动摆动盘往复摆动。

作为优选地，所述安装板通过吊杆连接在横梁上，安装板与横梁同步升降；作用在于，不仅在电解过程中对极距进行动态补偿，还在阳极需要更换时，与横梁同步上升，当阳极外露于炉体后，可将阳极拉出炉体外，进而可于炉体外更换阳极。

作为优选地，阴极上连接有一集气罩，集气罩底部位于电解质溶液液面之上，集气罩顶部连接有出气管道，电解炉顶部设置有气刀管，气刀管喷气方向朝向阳极，向阳极喷出保护气体；所述出气管道上设置引风机，用于在集气罩内形成负压。

作为优选地，所述集气罩呈下大上小的喇叭口状，作用在于于顶部增大与电解炉炉壁的间隔，提供部件的安装空间，底部扩大气体的覆盖面积，易于所产生的废气的排出；

作为优选地，布料口的出料方向朝向集气罩，通过布料口向电解炉内持续补充原料，来料的每次补充量与每次抽取的量相当，作用在于维持电解质液面高度相对波动小，原料由布料口泄出后自由落体运动先接触在集气罩上，集气罩的喇叭口状形状对原料存在降速和导向作用，目的在于降低原料落入电解质中的速度，避免电解质液面波动较大。

作为优选地，所述气刀管固定在横梁上，其喷气方向与阳极朝向阴极的一面呈现一锐角；目的在于延长保护气与阳极表面的作用距离，且减小垂直作用于阳极的表面的作用力。

作为优选地，吊架在横梁上的位置满足：气刀管反作用力对于吊架支点的力矩与吊杆对于吊架支点的力矩相等；作用在于使得压力传感器的数值变动直接反应为阳极的消耗量。

作为优选地，所述阴极连接在悬吊系统上，所述接收器的接收面积接近阴极的截面积；目的在于当需要抽取金属液时，悬吊系统侧移使接收器、阴极存在错位，接收器存在外露于阴极的部分，作为虹吸管下移进入接收器的需求空间。

作为优选地，所述集气罩底部边缘设置避位槽，用于在集气罩被悬吊系统侧移至一侧；此设置的目的在于保留虹吸管下移所需空间的前提下，尽可能增大集气罩的覆盖面积。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过设置极距补偿机构使得极距在电解过程中可依据阳极的消耗自动地动态补偿，维持极距的稳定，保证了电解效率和质量，还可以对阳极进行摆动，以利于电解质搅拌和气体逸出，还能将阳极提升拉出以进行更换；设置集气罩实现对气体的收集以及对原料的疏导，设置集气罩对虹吸管的避位操作，利于增大集气罩的覆盖面积和减小接收器的面积。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：极距补偿机构的结构俯视图；

图3：集气罩侧移对虹吸管避位的示意图；

图中：电解炉1、阳极2、阴极3、接收器4、横梁5、吊架6、端座7、压力传感器8、安装板9、螺杆10、变速齿轮箱11、第一电机12、枢轴13、连杆14、第二电机15、偏心凸轮16、吊杆17、布料口18、集气罩19、避位槽191、出气管道20、气刀管21、摆动盘22、空腔221、虹吸管23、移动座24。

具体实施方式

接下来结合附图1-3对本发明的一个具体实施例来做详细地阐述。

参考附图1-2，一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置，包括作为结构主体的电解炉1，电解炉1内置有阳极2和阴极3，所述阴极3悬置于电解炉的中部，且阴极3连接至电源装置的负极，阴极3优选耐高温的钨、钼等金属材质，所述阳极2关于阴极3对称设置，阳极2连接至电源装置的正极，所述阳极2采用石墨材质，阳极2、阴极3之间形成一电场，其间间距即极距，熔盐在此电场内进行氧化还原反应，金属阳离子在阴极3处得电子形成液态金属。

阴极3正下方设置有接收器4，阴极3处所得到的液态金属落入接收器中被收集，液态金属形成于阴极表面，所述阴极3在电解炉1炉底的投影落入接收器4的范围内，作用在于使金属液能落入接收器内，目前金属液的抽取方式包括有通过虹吸管23的虹吸原理进行抽取的方式，作用还在于在接收器上预留有不与阴极触碰的虹吸管设置或升降空间。所述接收器4的边缘高于电解炉炉底，作用在于阻挡杂质成分进入到接收器内。

根据反应原理，阳极2是消耗品，在电解过程中不断被消耗，现有技术下的阳极2与升降装置连接，以便于在阳极损耗之后随之降低阳极的高度，或在消耗后上升以更换新的阳极，但在电解过程中，阳极是逐渐被消耗，极距是动态增大的，为维持极距稳定，现有技术采取的方式是使升降装置存在水平方向的平移控制，基于电解稳定在900℃以上的高温环境，常规的用于测量阳极厚度或重量的传感器无法被直接用于阳极，现有技术下是基于氧化还原反应原理的化学关系，通过所获取的金属液的量换算得到阳极的消耗，进而得到极距的变化最终反馈到平移量的补偿。但忽视了杂质对反应的影响，只能依据经验值进行修正，但无法做到精准补偿。本实施例设置了极距补偿机构，依据阳极的消耗量对其进行极距补偿，维持极距的恒定。

所述极距补偿机构包括有一横梁5，横梁5下设置有滑槽，所述滑槽可以为凸型槽或燕尾槽，滑槽内设置有滑块，所述阳极2为石墨，质地软，一般连接在角铁上，通过角铁使阳极悬置在炉体内，角铁连接在滑块上或与滑块一体设置，使得阳极存在相对于滑槽的滑动自由度。所述横梁5由炉体外部顶部向炉体内延伸，所述阳极2连接在横梁5上且位于炉体内，所述横梁5通过吊架6连接在升降装置上，横梁5位于炉体外的一端连接有端座7，横梁5端部位于端座7内，所述端座7也可连接在升降装置上，与吊架6同步升降，以将阳极抬升至全部外露于炉体的高度。

所述端座7内的空间大于横梁5尺寸，目的在于使横梁5实际为一以吊架6为支点的杠杠，所述端座7内顶部设置有压力传感器8，用以获取横梁5对端座7的作用力，所述横梁5位于炉体内的一端承受阳极与角架的重量与电解质对阳极浮力的差值，位于炉体外的一端受端座7的反作用压力，两力相对于支点的力矩相等，因此压力传感器8的数值变动间接反应阳极消耗的重量变动。本实施例横梁5将压力传感器8外置于远离电解炉的外部空间，突破了常规传感器无法在电解环境下使用的制约。

所述阴极3为柱形，所述阳极2的截面为扇形，在阳极消耗过程中，其壁厚逐渐减薄，消耗面主要为朝向阴极3的一面，当极距增大Δl时，阳极体积减少量ΔV＝αhΔl(2r-Δl)/2，其中，α为扇形阳极2的圆心角，r为消耗前一刻的阳极的半径，h为阳极浸没在电解质内的高度。位于炉体内的横梁5一端受力变动ΔF＝ρ₀gΔV-ρ₁gΔV，其中，ρ₀为阳极密度，ρ₁为电解质液密度。在计算过程中，基于Δl²数值过小可忽略的特性，可简化为ΔF＝αhgr(ρ₀-ρ₁)Δl，可知压力值ΔF的变动可近似为与极距值Δl变动成正比例关系，易于反馈控制。

炉体外设置有安装板9，安装板9内设置有一螺杆10，螺杆10上配合设置有一移动座24，所述阳极2所连接的角铁连接至移动座24；螺杆10端部连接在变速齿轮箱11的输出上，变速齿轮箱11的输入为一第一电机12，所述变速齿轮箱11、第一电机12固定在安装板9上。所述第一电机12依据压力传感器8所测数值的反馈控制转动周数，通过螺杆10控制安装板9的位移距离，进而拉动阳极2在横梁5的滑槽内靠近阴极滑动，以动态补偿极距的变动，维持极距的稳定。所述变速齿轮箱11的作用在于将极距的微小位移量放大为第一电机12可准确控制的转动周数上。

所述移动座24上连接有枢轴13，枢轴13上同轴设置有一摆动盘22，所述摆动盘22可相对于枢轴13转动，用于固定石墨阳极的两侧的角铁分别通过等长的连杆14连接在摆动盘22上，两等长的连杆14与角铁和摆动盘22的四个枢接点构成一平行四边形，所述摆动盘22在驱动装置的驱动下以枢轴13为轴小幅度往复摆动，通过连杆14带动阳极2往复摆动，作用在于对液态电解质起到一定的搅拌作用，有利于电解质流动及气体的逸出，更重要在于使气体也不易附着在阳极上，将阳极效应降低到最低程度。

示例而非限定，本实施例提供一种驱动装置以驱动摆动盘22摆动，所述安装板9上固定有一第二电机15，第二电机15的输出连接有偏心凸轮16，所述摆动盘22上设置有一空腔221，所述偏心凸轮16位于此空腔221内，偏心凸轮16与空腔221壁存在接触作用，当第二电机15驱动偏心凸轮16转动时，偏心凸轮16通过与腔壁的作用驱动摆动盘22往复摆动。当然，采用其他的例如曲柄遥杆机构也同样可行，本实施例不做限定。

所述安装板9可通过吊杆17连接在横梁5上，使得安装板9与横梁5同步升降，作用在于，不仅在电解过程中对极距进行动态补偿，还在阳极需要更换时，与横梁5同步上升，当阳极外露于炉体后，可将阳极拉出炉体外，进而可于炉体外更换阳极。需要说明的是，此时压力传感器的数值需要考虑吊杆17所承载的拉力。

所述电解炉顶部设置有布料口18，通过布料口向电解炉内持续补充原料，阳极2往复摆动也有利于原料搅拌以更好地均布在液态电解质中，较佳地，来料的每次补充量与每次抽取的量相当，作用在于维持电解质液面高度相对波动小，阳极浸没在电解质内的高度相对变动可忽略。

在电解过程中，如前述所说，阳极2表面可能存在阳极效应，所谓阳极效应，是阳极和电解质之间电流的传输受到抑制而产生的阻塞现象，高压下甚至能听到爆裂声。在阳极上，氧离子失去电子，被氧化成CO₂或CO，离子在电极上得到或失去电子转变成不带电的原子这一过程叫离子放电，由于离子放电的结果，在阴极上出现电子不足，在阳极上出现电子过剩，在直流电外加电压的作用下，阳极上过剩的电子经过导线会流向阴极。分解电压在正常生产条件下，电解的结果主要是稀土氧化物被分解，在阴极上析出稀土金属，在阳极上释放出CO₂和CO。

本实施例中，阴极3上连接有一集气罩19，集气罩19底部位于电解质溶液液面之上，集气罩19顶部连接有出气管道20，并且，电解炉1顶部设置有气刀管21，气刀管21喷气方向朝向阳极2，所喷出的气体为N₂，阳极处富集N₂用于对阳极形成隔离保护，阳极处富集N₂逐渐由集气罩19底部进入集气罩19并最终由出气管道20排出，形成U形排气通路。所述出气管道20上设置引风机，用于在集气罩19内形成负压，便于N₂排出。

所述集气罩19呈下大上小的喇叭口状，作用在于于顶部增大与电解炉炉壁的间隔，提供部件例如布料口18、气刀管21的安装空间，底部扩大气体的覆盖面积，易于所产生的废气的排出，并且，布料口18的出料方向朝向集气罩19，电解过程中所添加的原料由布料口18泄出后自由落体运动先接触在集气罩19上，集气罩19的喇叭口状形状对原料存在降速和导向作用，目的在于降低原料落入电解质中的速度，避免电解质液面波动较大。

示例而非限定，所述气刀管21固定在横梁5上，其喷气方向与阳极朝向阴极的一面呈现一锐角，目的在于延长N₂与阳极表面的作用距离，且减小垂直作用于阳极的表面的作用力。所述气刀管21上存在朝向内侧的喷气缝隙，从此缝隙喷出氮气保护气体，降低了阳极的氧化速率，但需要说明的是，N₂从气刀管21上喷出会产生作用在横梁5上的反作用力，实际中，气刀管21内的压力设定值恒定，对横梁的作用力也恒定，可在受力分析时将此反作用力考虑进来，或优选地，设置吊架6在横梁5上的位置满足：气刀管21反作用力对于吊架6支点的力矩与吊杆17对于吊架6支点的力矩相等，作用在于使得压力传感器8的数值变动直接反应为阳极的消耗量。

参考附图2-3，所述接收器4设于阴极3的下方，阴极上发生还原反应得到金属并被接收器收集，所述接收器面积需大于阴极，以提供虹吸管抽取金属液的需要，而接收器面积过大时易进入杂质。所述阴极3连接在悬吊系统上，所述接收器4的接收面积可接近阴极3的截面积，当需要抽取金属液时，悬吊系统侧移使接收器4、阴极3存在错位，接收器4存在外露于阴极3的部分，作为虹吸管下移进入接收器4的需求空间。

所述集气罩19底部边缘设置避位槽191，用于在集气罩19被悬吊系统侧移至一侧时，提供虹吸管23的动作空间，此设置的目的在于保留虹吸管下移所需空间的前提下，尽可能增大集气罩19的覆盖面积。

本发明通过设置极距补偿机构使得极距在电解过程中可依据阳极的消耗自动地动态补偿，维持极距的稳定，保证了电解效率和质量，还可以对阳极进行摆动，以利于电解质搅拌和气体逸出，还能将阳极提升拉出以进行更换；设置集气罩实现对气体的收集以及对原料的疏导，设置集气罩对虹吸管的避位操作，利于增大集气罩的覆盖面积和减小接收器的面积。

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 (10)

1.一种基于阳极调节极距稳定的稀土熔盐电解装置，包括电解炉（1），电解炉（1）内置有阳极（2）和阴极（3），阴极（3）连接至电源装置的负极，阳极（2）关于阴极（3）对称设置，阳极（2）上部连接有角铁并连接至电源装置的正极，阴极（3）正下方设置有接收器（4），阴极（3）在电解炉（1）炉底的投影落入接收器（4）的范围内，电解炉顶部还设置有布料口（18）；其特征在于，还包括有极距补偿机构，所述极距补偿机构包括：

横梁（5），其下部设置有滑槽，所述滑槽内设置有滑块，角铁连接在滑块上，横梁由炉体外部顶部向炉体内延伸；

吊架（6），将横梁连接在升降装置上；

端座（7），设于电解炉外，所述横梁的一端连接在端座（7）内，所述端座（7）与吊架（6）同步升降；

压力传感器（8），内置于端座（7）的内顶部，用于测量横梁的力矩动态变化；

安装板（9），设于电解炉外，其上设置有螺杆（10），螺杆上配合设置有移动座（24），角铁通过连杆连接至移动座；

第一电机（12），用于根据压力传感器（8）所获取的变化值驱动螺杆（10）转动，补偿极距的位移变动，维持极距稳定。

2.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述螺杆（10）连接在变速齿轮箱（11）的输出上，第一电机（12）连接在变速齿轮箱（11）的输入上。

3.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述阴极（3）为柱形，所述阳极（2）的截面为扇形，压力值的变动近似为与极距值成正比例关系。

4.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，角铁转动连接在滑块上，还包括有：

枢轴（13），设置在移动座（24）上；

摆动盘（22），同轴设置在枢轴（13）上，在驱动装置的驱动下以枢轴（13）为轴小幅度往复摆动；

两等长的连杆（14），分别连接阳极的两侧的角铁和摆动盘（22），两等长的连杆（14）与角铁和摆动盘（22）的四个枢接点构成一平行四边形。

5.根据权利要求4所述的电解装置，其特征在于，所述摆动盘（22）上设置有一空腔（221），驱动摆动盘（22）摆动的驱动装置包括：

第二电机（15），固定在安装板（9）上；

偏心凸轮（16），连接在第二电机（15）的输出上，并位于空腔（221）内，偏心凸轮（16）与空腔（221）壁接触。

6.根据权利要求5所述的电解装置，其特征在于，所述安装板（9）通过吊杆（17）连接在横梁（5）上，安装板（9）与横梁（5）同步升降。

7.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，阴极（3）上连接有一集气罩（19），集气罩（19）顶部连接有出气管道（20），电解炉（1）顶部设置有气刀管（21），气刀管（21）喷气方向朝向阳极（2），向阳极（2）喷出保护气体；所述出气管道（20）上设置引风机。

8.根据权利要求7所述的电解装置，其特征在于：

所述集气罩（19）呈下大上小的喇叭口状；

布料口（18）的出料方向朝向集气罩（19），来料的每次补充量与每次抽取的量相当，维持电解质液面高度相对波动小。

9.根据权利要求8所述的电解装置，其特征在于：

所述气刀管（21）固定在横梁（5）上，其喷气方向与阳极朝向阴极的一面呈现一锐角；

并且，吊架（6）在横梁（5）上的位置满足：气刀管（21）反作用力对于吊架（6）支点的力矩与吊杆（17）对于吊架（6）支点的力矩相等。

10.根据权利要求9所述的电解装置，其特征在于：

所述阴极（3）连接在悬吊系统上，所述接收器（4）的接收面积大于阴极（3）的截面积，在抽取金属液时，悬吊系统侧移使接收器（4）、阴极（3）存在错位；

所述集气罩（19）底部边缘设置避位槽（191）。

Images