CN115074781B - 一种底部阴极稀土电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种底部阴极稀土电解槽，包括电解槽壳体，电解槽壳体的槽口上设置盖板，盖板上设置顶盖，电解槽壳体底面内设置下凹倾斜层；下凹倾斜层上设置阴极，下凹倾斜层的最低端设置导管；阴极上方设置多块与所述阴极平行的阳极，所述阳极顶部通过阳极导杆与升降装置连接；盖板为方框结构，所述盖板为中空结构，所述盖板两端设置进水口和出水口与冷却系统连通；顶盖包括两块顶盖，两块顶盖上相对设置与所述阳极导杆匹配的开口，两块顶盖可在所述盖板上相对滑动；顶盖上方设置与烟气抽吸装置连接的烟气出口和若干个加料口。本发明提供的一种底部阴极稀土电解槽，具有节能环保的特点。
Description
技术领域
本发明涉及熔盐电解制取金属及其合金技术领域，特别涉及一种底部阴极稀土电解槽。
背景技术
稀土元素被誉为现代工业维生素，进入21世纪以来随着稀土元素在经济增长和国防建设中的重要性日趋显著，其已被世界上许多国家列为重要的战略资源。随着稀土元素在现代科学技术领域的广泛应用，导致全球对稀土的需求快速增长。数据显示，2014年全球对稀土的年需求量约为11.8万吨，预计到2025年将达到20万吨。据预测，在未来十年内，对稀土金属产品的需求将以每年10％的速度增长。
稀土元素化学性质非常活泼，与氧气有很强的亲和力，因此，在正常条件下，从其化合物中提取稀土金属是非常困难的。目前，从稀土氧化物中生产稀土金属和稀土合金主要是通过熔盐电解法和金属热还原法来实现的，其中有90％以上的稀土金属产品是采用熔盐电解法生产的。稀土熔盐电解槽作为生产稀土金属的重要设备，其槽型结构一直制约着稀土电解行业的发展。
当前，工业上大多数的电解槽为阴阳极上插式结构的稀土电解槽。该槽型研究较早，应用技术较为成熟，其槽型小、结构简单，操作容易，更换阴阳极也较为方便，因此工业应用较为普遍。但是该槽型存在着阳极消耗严重、槽底温度低，电解效率不高，稀土金属二次氧化现象严重等问题。
因此，设备大型化、阳极损耗慢、电解效率高以及电解能耗低，是稀土电解槽发展方向中亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对当前电解行业普遍存在的稀土电解槽产能小，能耗高，污染大，阳极损耗快，电流效率低等问题，提供一种节能环保的底部阴极稀土电解槽。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种底部阴极稀土电解槽，包括
电解槽壳体，所述电解槽壳体的槽口上设置盖板，所述盖板上设置顶盖，所述电解槽壳体底面内设置下凹倾斜层；
所述下凹倾斜层上设置阴极，所述下凹倾斜层的最低端设置导管；
所述阴极上方设置多块与所述阴极平行的阳极，所述阳极顶部通过阳极导杆与升降装置连接；
所述盖板为方框结构，所述盖板为中空结构，所述盖板两端设置进水口和出水口与冷却系统连通；
所述顶盖包括两块顶盖，两块顶盖上相对设置与所述阳极导杆匹配的开口，两块顶盖可在所述盖板上相对滑动；
所述顶盖上方设置与烟气抽吸装置连接的烟气出口和若干个加料口。
进一步地，所述电解槽壳体包括底部和围绕在底部周围的侧部，所述侧部包括钢板外壳、设置在钢板外壳内的内衬结构及设置在钢板外壳与内衬结构之间的石棉填充层，所述内衬结构由外至内依次包括耐火砖层、陶瓷纤维层、防渗层和石墨层，所述底部由下至上依次包括耐火砖层、陶瓷纤维层和防渗层，所述防渗层上部设置所述下凹倾斜层，所述下凹倾斜层的倾斜面倾角为20°-30°。
进一步地，所述耐火砖层由耐火砖堆砌而成，所述防渗层由干式防渗料组成，所述下凹倾斜层材质为耐高温熔盐腐蚀的绝缘材料。
进一步地，所述导管耐高温金属材料制成，所述导管连接加热装置。
进一步地，所述盖板上表面两边设置相互平行的凹槽，所述顶盖底部设置与所述凹槽位置和大小匹配的滑块，所述顶盖通过设置在所述凹槽内的滑块可在所述盖板上滑动。
进一步地，所述顶盖的加料口设置在所述阳极与所述侧部之间的间隙的正上方，所述电解槽的烟气出口设置在所述顶盖的中心位置，所述烟气出口与烟气收集系统连接。
进一步地，所述阴极为钨或钼制成的长方体结构，所述阴极嵌入所述下凹倾斜层中，且所述阴极顶面与所述电解槽壳体底部平行，所述阴极侧面分别与所述下凹倾斜层内侧面平行且间距5-20cm，所述阴极底面与导电铜排一端连接，所述导电铜排另一端与阴极母线连接，所述导电铜排设置在电解槽壳体侧部，所述导电铜排与电解槽壳体侧部连接处设置绝缘层。
进一步地，所述阳极为石墨材质的长方体块，所述阳极并列排布，每块阳极与阳极钢爪固定连接，阳极钢爪与所述阳极导杆螺接，阳极导杆另一端与阳极母线连接，所述阳极间的间距为30-50mm，所述阳极与所述电解槽壳体侧部的石墨层间的间距为20-60mm，所述阳极与阴极的极距为50-100mm。
进一步地，所述盖板为耐高温钢材制成，所述盖板与所述电解槽壳体的槽口连接处设置绝缘层，所述顶盖为耐高温钢材制成，所述顶盖内侧设置隔热材料的内衬，所述阳极钢爪和阳极导杆为导电性良好的耐高温钢材制成，所述阳极导杆与所述升降装置的连接处设置绝缘层。
进一步地，所述电解槽的槽电压在4.0-5.0V，阴极的工作电流密度为2-6A/cm2，阳极的电流密度为0.5-2A/cm2，电解温度为1000-1200℃。
本发明提供的一种底部阴极稀土电解槽，具有以下优点：
1、在电解槽上设置可滑动式顶盖，便于更换阳极材料，与敞口式电解槽相比热量损失显著减少，电解过程产生的烟气便于收集处理，更加环保。
2、将阳极和阴极设计为上下结构布置，极距可根据工艺条件和电解过程通过升降装置合理调节，能够大大降低阳极损耗，并且，阳极和阴极的上下结构布置也可使电解槽内温度分布均匀，降低电解能耗。
3、能够满足稀土电解过程中需要的低阳极电流密度和高阴极电流密度要求，可显著提高阴极产出金属产品的速率。
4、阳极采用多块组合设计，方便阳极的更换，能够提高阳极的利用率，并且相邻阳极之间间隙设置，有利于阳极产生的气体的及时排出，防止气体在阳极底部聚集而产生阳极效应。
5、电解槽壳体的底部内表面为下凹倾斜面设计，有利于电解产生的稀土金属通过底部导管及时排出收集，能有效防止稀土金属产品在电解区域长时间停留并发生二次氧化，能够提高电流效率和产品的纯度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的底部阴极稀土电解槽结构A—A剖面图；
图2为本发明实施例提供的底部阴极稀土电解槽结构B—B剖面图；
图3为本发明实施例提供的底部阴极稀土电解槽底部阴极布置的俯视图；
图4为本发明实施例提供的底部阴极稀土电解槽结构和阳极布置的俯视图；
图5为本发明实施例提供的底部阴极稀土电解槽顶盖的俯视图。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明实施例提供的一种底部阴极稀土电解槽，包括电解槽壳体，电解槽壳体的槽口上设置盖板12，盖板12上设置顶盖13，并且电解槽壳体底面内层设置下凹倾斜层6。
其中，电解槽壳体包括底部和围绕在底部周围的侧部，侧部包括钢板外壳11、设置在钢板外壳11内的内衬结构及设置在钢板外壳11与内衬结构之间的石棉填充层10。其中，内衬结构由外至内依次包括耐火砖层9、陶瓷纤维层8、防渗层7和石墨层5。电解槽壳体的底部由下至上依次包括与电解槽壳体侧部的内村结构的各层一体的耐火砖层9、陶瓷纤维层8和防渗层7，不同之处是，电解槽壳体侧部的内村结构的最里面的一层石墨层5，在电解槽壳体的底部换成了下凹倾斜层6。
其中，电解槽壳体侧部和底部的耐火砖层9是由耐火砖堆砌而成，防渗层7是由干式防渗料组成。而电解槽壳体底部的下凹倾斜层6是由材质为耐高温熔盐腐蚀的绝缘材料构成。作为本发明的一种具体实施方式，耐高温熔盐腐蚀的绝缘材料主要为氮化硼材料。
其中，耐火砖层9的厚度为80-300mm，陶瓷纤维层8的厚度为8-100mm，防渗层7的厚度为50-200mm，侧部的石墨层5的厚度为50-300mm，底部最内层的下凹倾斜层6的最小厚度与侧部的石墨层5的厚度相当。
其中，下凹倾斜层6为中间凹陷形成凹槽而周边向上延伸至电解槽壳体侧部的石墨层且底端向凹槽凸出形成平台的一种结构。其中，下凹倾斜层6的中间凹槽的底面为倾斜面，倾斜面沿电解槽壳体的长边向短边倾斜，倾斜面的倾斜角度为20°-30°。这样可以使电解产生的稀土金属产品通过导管14及时排出收集，可防止稀土金属产品在电解区域长时间停留并发生二次氧化，从而可以提高电流效率和产品的纯度。
并且，中间凹槽倾斜面最高点一端与电解槽壳体侧部的石墨层下端平齐，中间凹槽倾斜面最低点一端的电解槽壳体侧部设置通向壳体外部的导管14，导管14是由耐高温金属材料制成，导管14与电解槽壳体侧部的连接处设置绝缘材料层，并且，导管14连接加热装置，电解时，加热装置对导管14进行加热，可以防止电解产生的熔融金属产品在导管14内凝固造成管道堵塞。
参见图3，在下凹倾斜层6上设置阴极4，阴极4为钨或钼等金属制成的长方体结构，阴极4下部嵌入下凹倾斜层6中，阴极4的顶部高出下凹倾斜层6凹槽内的倾斜面并与电解槽壳体侧部最内层的石墨层5底端在同一水平面。并且阴极4的顶面与电解槽壳体底部平行，阴极4的侧面分别与下凹倾斜层内侧面平行且间距5-20cm，阴极4的底面通过铜质螺栓与导电铜排(图中未示出)一端固定连接，导电铜排的另一端与阴极母线连接。其中，导电铜排设置在电解槽壳体侧部，并且导电铜排与电解槽壳体侧部连接处设置绝缘层，使导电铜排与电解槽壳体绝缘接触。
在阴极4的上方设置多块与阴极4相对且平行的阳极3，其中，阳极3为石墨材料做成的长方体块，多块阳极3并列排布在阴极4的上方，阳极3与阴极4之间的极距控制在50-100mm。并且，多块阳极3的底面面积总和大于阴极4的上表面面积，这样可以满足稀土电解过程中低阳极电流密度和高阴极电流密度的要求，能使阴极4析出稀土金属的速率加快，有利于提高电流效率。同时，相邻阳极3之间留有间隙，以方便电解过程中阳极产生的气体能够及时排出。作为本发明的一种具体实施方式，相邻两块阳极3之间的间距控制在30-50mm，并且每块阳极3两侧与电解槽壳体侧部的石墨层5之间的间距控制为20-60mm。
参见图4，作为本发明的一种具体实施方式，在阴极4上方的阳极3设置为四块，每块阳极3的大小形状相同，且相邻两块阳极3之间的间距相等，保持在30-50mm。
作为本发明的一种具体实施方式，每块阳极3顶部固定设置四爪结构的阳极钢爪2，阳极钢爪2顶部与阳极导杆1固定连接，阳极导杆1另一端与阳极母线连接。
其中，阳极3的顶部通过阳极导杆1与电动升降装置(图中未示出)连接，电动升降装置通过夹具将阳极导杆1夹住并用螺栓紧固，当电机带动夹具进行升降时，夹具带动阳极导杆1升降，从而带动通过阳极钢爪2与阳极导杆1连接的阳极3升降，从而可以调节阳极3与阴极4之间的极距。
由于在电解过程中氧离子在电场的作用下向阳极移动，并在阳极发生氧化反应生成氧气，氧气与高温石墨反应使阳极3不断被消耗，因此，随着电解的不断进行极距会不断增大，槽电压会升高。通过与阳极导杆1相连的电动升降电机可以调节阳极3和阴极4之间的极距而维持极距的稳定，不仅提高了阳极的利用率，还能降低电能消耗。同时阳极3和阴极4的上下结构布置还可使电解槽内温度分布均匀。
作为本发明的一种具体实施方式，阳极钢爪2与阳极导杆1之间通过螺杆连接，当需要更换阳极3时，可通过电动升降装置将阳极3升高到最高位，将阳极3连同阳极钢爪2从阳极钢爪2与阳极导杆1的连接处拆卸下来，只需将已经装好阳极3的阳极钢爪2与阳极导杆1连接即可，便于更换阳极3。
为了保证阳极导杆1和阳极钢爪2的导电能力和耐高温侵蚀能力，阳极导杆1和阳极钢爪2采用导电性良好的耐高温钢材制成。并且，阳极导杆1与电动升降装置的夹具连接处设置绝缘层，以免阳极导杆1从与夹具的连接处漏电而影响电解。
其中，电解槽的槽电压为4.0-5.0V，阴极的工作电流密度为2-6A/cm2，阳极的电流密度为0.5-2A/cm2，电解温度为1000-1200℃。
其中，盖板12为方框结构，整体扣在电解槽壳体槽口，盖板12的外部边缘向下延伸一段长度并与电解槽壳体侧部的钢板外壳11相接触。并且，盖板12与电解槽壳体的槽口连接处设置绝缘层，以使盖板12与槽口接触部位保持绝缘接触。
其中，盖板12内部为中空结构，盖板12两侧分别设置冷却水进口和出口，并且，冷却水进口和出口在盖板12两侧部与电解槽壳体的中心呈中心对称，与盖板12内部中空结构连通。盖板12的冷却水进口和出口分别与冷却系统的进出水口相连接，使冷却水不断在盖板12中空内部循环流动。盖板12的水冷设置可使电解槽中的熔盐与空气界面处的石墨内衬形成结壳保护层，可提高电解槽使用寿命。
参见图5，顶盖13包括两块顶盖，两块顶盖上相对设置与阳极导杆1匹配的开口，两块顶盖可在盖板12上相对滑动。
作为本发明的一种具体实施方式，盖板12上表面两边设置相互平行的凹槽16，凹槽16深度为20-30mm，宽度为8-30mm。顶盖13底部设置与凹槽16位置和大小匹配的滑块，顶盖13底部的滑块嵌入盖板12顶部的凹槽16内，使顶盖13与盖板12之间形成滑动连接，从而可使顶盖13通过在盖板12上滑动。当需要更换阳极3时，可向两侧移动顶盖13，即可打开槽口进行阳极3的更换，方便更换阳极材料。更换阳极3结束后，再移动两块顶盖13使两块顶盖闭合在一起，与敞口式电解槽相比热量损失显著减少，电解过程产生的烟气便于收集处理，更加环保。
其中，顶盖13上设置烟气出口17和若干个加料口15。其中，顶盖13的加料口15设置在阳极3与槽侧壁之间的间隙的正上方，并且在两块顶盖13上分别对称设置两个加料口15，采用点式下料，有利于加料的均匀。在顶盖13的正中心设置有一个烟气出口17，烟气出口17设置在顶盖13的中心部位，有利于电解槽内部气体压力的分布均匀，烟气出口17与烟气收集系统连接，可以有效改善电解车间环境。
作为本发明的一种具体实施方式，为了提高盖板12和顶盖13在电解槽中的高温环境下的使用寿命，盖板12和顶盖13都是由耐高温钢材制成，并且，在顶盖13靠近电解槽的一侧内壁上还设置有一层隔热材料作为内衬，可以有效降低电解槽热量的散失，保持电解槽内温度的恒定。
在砌筑电解槽时，使用耐火泥在水平地面上铺设长方形底部耐火砖层9，在耐火砖层9的上方铺设陶瓷纤维层8，将阴极4放置于陶瓷纤维层8上，将导电铜排与阴极4底部连接，并在导电铜排表面覆盖陶瓷纤维层作为绝缘层，在电解槽壳体底部砌筑过程中同时砌筑与电解槽壳体底部的耐火砖层9和陶瓷纤维层8一体的电解槽壳体侧部的耐火砖层9和陶瓷纤维层8直至与阴极4上表面平齐。然后在阴极4侧部与电解槽侧部之间的陶瓷纤维层8上铺设防渗层7，之后使用耐高温熔盐腐蚀的绝缘材料如氮化硼材料在电解槽底部的防渗层7上砌筑下凹倾斜层6，并在下凹倾斜层6的内侧与阴极4的外侧壁之间保留5-20cm的间距。同时保证下凹倾斜层6中间的凹槽底面为倾斜角度在0°＜α＜30°的斜面，在斜面最低处一侧安装导管14，接着完成电解槽壳体侧部的石墨层5的砌筑，电解槽侧部砌筑高度为50-80cm。最后在电解槽壳体侧部耐火砖层9外表面包裹一层耐高温石棉10，再在耐高温石棉10外表面安装钢板外壳11。
电解槽壳体整体砌筑完成后开始安装其他设备，包括盖板12及与盖板12连接的冷却设备，顶盖13，阳极3与阳极钢爪2，阳极导杆1，与阳极导杆1连接的电动升降装置及与阳极导杆1连接的母线，直流电源等。
向电解槽壳体内加入稀土电解所需的电解质，使用打弧机将电解质加热成熔融态，通过电动升降装置将阳极3浸入电解质直至达到所需极距，启动电源通入直流电形成闭合环路，稀土金属在阴极4上表面析出并流进电解槽壳体底部的倾斜面，通过底部导管14从电解槽壳体中连续排出。
通过数值模拟计算电解槽电压在4.5V左右，低于目前电解行业所使用的上插式稀土电解槽，符合节能的条件，其阴极和阳极的极距为50-90mm，阴极的工作电流密度为2-6A/cm2，阳极的电流密度为0.5-2A/cm2，电解温度范围1000-1200℃，便于稀土电解槽的大型化。
本发明提供的底部阴极稀土电解槽，有利于极距的调节，降低能量消耗，提高石墨阳极的利用率，满足稀土电解过程中所需要的低阳极电流密度，高阴极电流密度。采用槽底下凹的斜面设置可有效防止稀土金属产品在电解区域的长时间停留，减少稀土金属的二次氧化，提高电流效率。电解槽槽口盖板的水冷设置可使熔盐与空气界面处的石墨内衬形成结壳保护层，提高电解槽使用寿命。电解槽的顶盖设置降低了热量损失，有利于烟气集中收集处理，改善工作环境。与现有阴阳极上插式稀土熔盐电解槽相比，本发明提供的一种底部阴极稀土电解槽，具有产能大，污染小，能耗低，温度分布均匀，电流效率高，产品质量好，电解槽使用寿命长等优势。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种底部阴极稀土电解槽，其特征在于：包括
电解槽壳体，所述电解槽壳体的槽口上设置盖板，所述盖板上设置顶盖，所述电解槽壳体底面内设置下凹倾斜层；
所述下凹倾斜层上设置阴极，所述下凹倾斜层的最低端设置导管；
所述阴极上方设置多块与所述阴极平行的阳极，所述阳极顶部通过阳极导杆与升降装置连接，且多块阳极底面面积总和大于阴极上表面面积；
所述盖板为方框结构，所述盖板为中空结构，所述盖板两端设置进水口和出水口与冷却系统连通；
所述顶盖包括两块顶盖，两块顶盖上相对设置与所述阳极导杆匹配的开口，两块顶盖可在所述盖板上相对滑动；
所述顶盖上方设置与烟气抽吸装置连接的烟气出口和若干个加料口；
其中，所述阴极为钨或钼制成的长方体结构，所述阴极嵌入所述下凹倾斜层中，且所述阴极顶面与所述电解槽壳体底部平行，所述阴极侧面分别与所述下凹倾斜层内侧面平行且间距5-20 cm;
且所述下凹倾斜层的中间凹槽的底面为倾斜面，倾斜面沿电解槽壳体的长边向短边倾斜，倾斜面的倾斜角度为20°-30°。
2.根据权利要求1所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述电解槽壳体包括底部和围绕在底部周围的侧部，所述侧部包括钢板外壳、设置在钢板外壳内的内衬结构及设置在钢板外壳与内衬结构之间的石棉填充层，所述内衬结构由外至内依次包括耐火砖层、陶瓷纤维层、防渗层和石墨层，所述底部由下至上依次包括耐火砖层、陶瓷纤维层和防渗层，所述防渗层上部设置所述下凹倾斜层，所述下凹倾斜层的倾斜面倾角为20°-30°。
3.根据权利要求2所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述耐火砖层由耐火砖堆砌而成，所述防渗层由干式防渗料组成，所述下凹倾斜层材质为耐高温熔盐腐蚀的绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于，所述导管耐高温金属材料制成，所述导管连接加热装置。
5.根据权利要求1所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述盖板上表面两边设置相互平行的凹槽，所述顶盖底部设置与所述凹槽位置和大小匹配的滑块，所述顶盖通过设置在所述凹槽内的滑块可在所述盖板上滑动。
6.根据权利要求2所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述顶盖的加料口设置在所述阳极与所述侧部之间的间隙的正上方，所述电解槽的烟气出口设置在所述顶盖的中心位置，所述烟气出口与烟气收集系统连接。
7.根据权利要求1所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述阴极底面与导电铜排一端连接，所述导电铜排另一端与阴极母线连接，所述导电铜排设置在电解槽壳体侧部，所述导电铜排与电解槽壳体侧部连接处设置绝缘层。
8.根据权利要求7所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述阳极为石墨材质的长方体块，所述阳极并列排布，每块阳极与阳极钢爪固定连接，阳极钢爪与所述阳极导杆螺接，阳极导杆另一端与阳极母线连接，所述阳极间的间距为30-50 mm，所述阳极与所述电解槽壳体侧部的石墨层间的间距为20-60 mm，所述阳极与阴极的极距为50-100 mm。
9.根据权利要求8所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述盖板为耐高温钢材制成，所述盖板与所述电解槽壳体的槽口连接处设置绝缘层，所述顶盖为耐高温钢材制成，所述顶盖内侧设置隔热材料的内衬，所述阳极钢爪和阳极导杆为导电性良好的耐高温钢材制成，所述阳极导杆与所述升降装置的连接处设置绝缘层。
10.根据权利要求8所述的底部阴极稀土电解槽，其特征在于：所述电解槽的槽电压在4.0-5.0 V，阴极的工作电流密度为2-6 A/cm2，阳极的电流密度为0.5-2 A/cm2，电解温度为1000-1200℃。
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