一种可视化熔盐电脱氧装置的制作方法

本实用新型涉及熔盐电解设备技术领域，具体来讲，涉及一种能够用于熔盐电化学还原法且能够观测高温熔盐反应情况的可视化电脱氧装置。

背景技术：

2000年，Fray等报道了TiO2固体阴极直接电脱氧制备金属钛的工艺(FFC法)(ChenGZ，FrayDJ，FarthingTW.Directelectrochemical reductionof titanium dioxidetotitanium inmoltencalcium chloride[J].Nature，2000，407(6802):361-364)，引起了国内外学者的广泛关注，并成功用于其他难熔金属及合金的制备。

熔盐电脱氧法与传统熔盐电解法的本质的区别是无需将氧化物或者金属化合物熔于熔盐，而是直接将其压制、烧结成固体，置于阴极，通过阴极极化，把金属与氧分开。在电脱氧过程中，氧离子迁移到阳极放电，金属或合金则留在阴极，然后将电解产物进行水洗、烘干，即可得到所需金属或合金粉末。这种方法特别适用于高熔点金属的电解提炼，电解温度比金属熔点低，可以避免因多价金属离子的循环氧化-还原而造成的电流空耗，并且防止阴极枝晶的形成。此外，FFC法工艺简单，金属产物纯度高、均匀，反应过程中不释放Cl2，污染小，安全性好，成本低。

然而，对应于现有的FFC法的电脱氧设备而言，其无法有效观测高温熔盐的情况，因此，不利于随时判断熔盐状况、电极状况以及熔盐电脱氧反应状况等。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。

例如，本实用新型的目的之一在于提供一种能够用于熔盐电脱氧且能够实时观测高温熔盐及电极状况的可视化装置。

本实用新型提供了一种可视化熔盐电脱氧装置，所述电脱氧装置包括直流电源、反应器、观测单元、加热炉、碳质阳极和原料阴极，其中，所述反应器包括腔体、盖体、打光组件和观测组件，所述腔体内部形成反应腔，所述盖体可拆卸地设置在所述腔体上，所述盖体具有与所述反应腔连通且贯穿盖体本身的第一贯穿孔、第二贯穿孔、第三贯穿孔、第四贯穿孔、进气孔、出气孔；所述观测单元包括打光组件和观察组件，其中，打光组件具有第一引出管、第一密封塞、第一镜片、第一固塞件和发光器，所述第一引出管的一端与盖体的第一贯穿孔连接并且具有沿盖体远离腔体的方向延伸的长度，第一密封塞可拆卸地设置在第一引出管的另一端，并且第一密封塞内部设置有贯穿的第一通孔，第一镜片设置在第一通孔远离反应腔的一端并能够覆盖所述第一通孔，第一固塞件具有第一容纳端、第一连接端和第一中孔，所述第一容纳端能够容纳第一镜片，所述第一连接端可与第一引出管的另一端紧固连接，所述第一中孔设置为能够穿过第一容纳端并且隔着第一镜片与第一通孔对应，所述发光器设置为能够向第一镜片发光，所述观察组件具有第二引出管、第二密封塞、第二镜片和第二固塞件，其中，第二引出管的一端与盖体的第二贯穿孔连接并且具有沿盖体远离腔体的方向延伸的长度，第二密封塞可拆卸地设置在第二引出管的另一端，并且第二密封塞内部设置有贯穿的第二通孔，第二镜片设置在第二通孔远离反应腔的一端并能够覆盖所述第二通孔，第二固塞件具有第二容纳端、第二连接端和第二中孔，所述第二容纳端能够容纳第二镜片，所述第二连接端可与第二引出管的另一端紧固连接，所述第二中孔设置为能够穿过第二容纳端并且隔着第二镜片与第二通孔对应；所述加热炉设置为能够加热反应器的反应腔至反应温度；所述碳质阳极设置在所述反应器的反应腔中，并经由穿过第三贯穿孔的第一导线与直流电源的正极连接，所述原料阴极设置在所述反应器的反应腔中，并经由穿过第四贯穿孔的第二导线与直流电源的负极连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括以下内容中的一项或多项：

(1)能够用于熔盐电脱氧反应且能够实时观测高温熔盐及电极状况；

(2)通过进一步设置阳极保护管件和阴极保护管件，能够形成更加稳定的惰性气氛环境，进一步避免外界水分或氧气进入反应腔，从而有利于确保电脱氧所需的反应环境；

(3)通过在尾气处理单元中进一步设置惰性气体收集装置和气体循环管，能够实现对惰性气体的循环利用。

附图说明

图1示出了本实用新型的可视化熔盐电脱氧装置的一个示例性实施例的结构示意图。

图2示出了本实用新型的可视化熔盐电脱氧装置的一个示例性实施例中的观测单元的结构示意图。

附图标记说明如下：

直流电源1、加热炉2、反应器3、碳质阳极4、原料阴极5、温控仪6、惰性气源7、尾气净化器8、干燥装置9、测温构件10、观测单元11；第一引出管12、第一密封塞13、第一通孔13a、第一镜片14、第一固塞件15、第一容纳端15a、第一连接端15b、第一中孔15c、第二引出管16、第二密封塞17、第二通孔17a、第二镜片18、第二固塞件19、第二容纳端19a、第二连接端19b、第二中孔19c。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本实用新型的可视化熔盐电脱氧装置。需要说明的是，这里所使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了起到对不同部件的区别作用，而不表示顺序关系。

图1示出了本实用新型的可视化熔盐电脱氧装置的一个示例性实施例的结构示意图。图2示出了一个示例性实施例中的观测单元的结构示意图。为了清楚地显示观测单元的结构，图2以待组装或装配的状态示出了观测单元与盖板的示意图。

如图1和图2所示，在本实用新型的一个示例性实施例中，所述电脱氧装置包括直流电源1、加热炉2、反应器3、碳质阳极4、原料阴极5、以及观测单元11。

直流电源1可以配置为具有恒定输出电压的直流电源。例如，输出电压范围包括为2.80～3.10V，以便适用于对由诸如钛、锆、铌、硅等的含氧化合物构成的不同类型的阴极材料的电脱氧处理。

反应器3可包括腔体、盖体、打光组件和观测组件。腔体可呈圆筒状结构，腔体可由能够耐受适当高温(例如，耐受不低于1000℃或不低于800℃的高温)的合金或耐火材料构成。例如，腔体可以为由不锈钢或耐蚀耐高温合金形成的无盖容器或一端开口的盲管。腔体的内部(例如，内下部)形成反应腔。在反应腔中可设置专门用于盛放熔盐的耐腐蚀坩埚，以便操作和替换。耐热坩埚可通过耐火砖套设置于反应器的腔体内。耐热坩埚被设置为盛放用于提供反应环境的熔盐。熔盐可采用氯化钙；或者可以为由碱金属氯化物、碱金属氟化物、碱土金属氯化物和碱土金属氟化物中的任意两种或三种以上构成的混合盐，且该混合盐含有氯化钙。例如，熔盐可以为氯化钙和氯化钠的混合熔盐。反应器中的熔盐在经加热炉加热后形成800～900℃的熔化熔盐，从而进行电脱氧反应。耐热坩埚可以为刚玉坩埚。在反应腔内设置耐热坩埚有利于延长腔体的使用寿命并降低对反应器材质和成本的要求。然而，本实用新型不限于此，例如，可不设置耐热坩埚而通过选择反应器的腔体和盖体的材质来满足反应对耐腐蚀的要求。也就是说，如不设置耐热坩埚，则熔盐可盛放于耐腐蚀腔体形成的反应腔内。

盖体可拆卸地设置在腔体上，并可通过盖体的一个端面(例如，下端面)覆盖在腔体非密封的一端上。例如，盖体可以为法兰，其材质可以为金属或合金。盖体可通过多个螺栓可拆卸地设置在腔体上。盖体具有与反应腔连通且贯穿盖体本身的第一贯穿孔、第二贯穿孔、第三贯穿孔、第四贯穿孔、进气孔、出气孔。此外，可在盖体和腔体之间设置密封构件，以便使盖体和腔体更加紧密的配合，从而为反应腔提供更有利的惰性反应环境。例如，密封构件可以弹性垫圈，其材质可以为金属、合金或耐热有机材料。

如图2所示，观测单元可由打光组件和观察组件构成。打光组件具有第一引出管12、第一密封塞13、第一镜片14、第一固塞件15和发光器(未示出)。观察组件可具有第二引出管16、第二密封塞17、第二镜片18、第二固塞件19和观察器(未示出)。

其中，第一引出管的一端(如图2中的下端)与盖体的第一贯穿孔连接，并且具有沿盖体远离腔体的方向(如图2中竖直向上的方向)延伸的长度。设置第一引出管有利于使与第一引出管配合的第一密封塞、第一镜片等远离高温反应腔，从而能够降低第一密封塞、第一镜片等对耐热性能的要求，这有利于降低成本和延长使用寿命。第一密封塞可拆卸地设置在第一引出管的另一端(如图2中的上端)。第一密封塞可以为弹性胶塞。第一密封塞内部设置有贯穿的第一通孔13a。例如，也可通过在第一密封塞内部贯穿设置一根具有中空结构的硬质管，以通过该硬质管的中空结构形成第一通孔。第一密封塞的外侧圆周部能够与第一引出管的内侧圆周部紧密接触。第一密封塞的第一通孔能够使发光器的光线透过。

第一镜片可设置在第一通孔远离反应腔的一端(如图2中的上端)，并且第一镜片与第一通孔接触的一个端面能够完全覆盖住第一通孔的所述一端。例如，第一镜片可以为透光的石英片或玻璃片。

第一固塞件15具有第一容纳端15a、第一连接端15b和第一中孔15c。其中，第一容纳端能够容纳第一镜片。第一连接端可与第一引出管的另一端紧固连接。例如，第一连接端可通过内螺纹与第一引出管的另一端的外螺纹配合，从而实现二者紧固连接。第一中孔可设置为能够穿过第一容纳端，并且第一中孔能够隔着第一镜片与第一通孔对应，从而使得发光器发出的光线依次通过第一固塞件的第一中孔、第一镜片、第一密封塞的第一通孔、盖体的第一贯穿孔，进入盛放熔盐的腔体的反应腔内。例如，第一固塞件可以为连接端(例如，下端)具有内螺纹且另一端为带有直径小于内螺纹的中通孔的盖帽的管状结构。通过第一密封件和第一固塞件的配合，能够进一步避免因反应腔内温度变化、气压变化等而导致的密封不严的情况发生，也能够避免因尾气排出不畅而导致的密封不严的情况发生，从而有利于形成更加稳定的惰性气氛环境，有利于进一步确保电脱氧所需的反应环境。发光器设置为能够向第一镜片发光，其光线如图2中向下的平行箭头所示。例如，发光器可以为电筒或灯柱。

第二引出管的一端(如图2中的下端)与盖体的第二贯穿孔连接，并且具有沿盖体远离腔体的方向(如图2中竖直向上的方向)延伸的长度。设置第二引出管有利于使与第二引出管配合的第二密封塞、第二镜片等远离高温反应腔，从而能够降低第二密封塞、第二镜片等对耐热性能的要求，这有利于降低成本和延长使用寿命。第二密封塞可拆卸地设置在第二引出管的另一端(如图2中的上端)。第二密封塞可以为弹性胶塞。第二密封塞内部设置有贯穿的第二通孔17a。例如，也可通过在第二密封塞内部贯穿设置一根具有中空结构的硬质管，以通过该硬质管的中空结构形成第二通孔。第二密封塞的外侧圆周部能够与第二引出管的内侧圆周部紧密接触。第二密封塞的第二通孔能够使反应腔中发射的光线透出。

第二镜片可设置在第二通孔远离反应腔的一端(如图2中的上端)，并且第二镜片与第二通孔接触的一个端面能够完全覆盖住第二通孔的所述一端。例如，第二镜片可以为透光的石英片或玻璃片。

第二固塞件19具有第二容纳端19a、第二连接端19b和第二中孔19c。其中，第二容纳端能够容纳第二镜片。第二连接端可与第二引出管的另一端紧固连接。例如，第二连接端可通过内螺纹与第二引出管的另一端的外螺纹配合，从而实现二者紧固连接。第二中孔可设置为能够穿过第二容纳端，并且第二中孔能够隔着第二镜片与第二通孔对应，从而使得反应腔发射的光线依次通过盖体的第二贯穿孔、第二密封塞的第二通孔、第二镜片、第二固塞件的第二中孔，进入观测器内。例如，第二固塞件可以为连接端(例如，下端)具有内螺纹且另一端为带有直径小于内螺纹的中通孔的盖帽的管状结构。通过第二密封件和第二固塞件的配合，能够进一步避免因反应腔内温度变化、气压变化等而导致的密封不严的情况发生，也能够避免因尾气排出不畅而导致的密封不严的情况发生，从而有利于形成更加稳定的惰性气氛环境，有利于进一步确保电脱氧所需的反应环境。观测器设置为能够接收反应腔所反射或散射的光线，如图2中右侧的多个箭头所示。例如，观测器可以为感光器件或者为观测人员。

加热炉2设置为能够加热反应器的腔体内的反应腔至熔盐电脱氧反应所需的目标温度(例如，750～1000℃)。例如，加热炉可以为电阻加热炉。如图1所示，加热炉还可包括温控单元。温控单元包括彼此连接的测温构件10和温控仪6。测温构件设置为能够监测所述反应腔的温度。例如，测温构件可以为热电偶。温控仪与加热炉的加热构件连接，并能够控制加热炉的升温速率。具体来讲，温控仪可通过测温构件的实时温度监测来及时调整加热炉的加热速率，以便更加准确将反应器内的反应腔控制在电脱氧反应所需的温度范围(例如，750～1000℃)内。

碳质阳极设置在反应器的反应腔中，并经由穿过第三贯穿孔的第一导线与直流电源的正极连接。可在第一导线与第三贯穿孔之间设置密封件，以便使二者更加紧密的配合，从而为反应腔提供更有利的惰性反应环境。例如，密封件可以弹性垫圈，其材质可以为金属、合金或有机材料。例如，碳质阳极可以为高纯石墨棒。第一导线可以耐蚀金属或合金导线，例如，可以为铁铬铝丝。

此外，还可通过设置阳极保护管件来实现第一导线与第三贯穿孔之间的紧急结合。具体来讲，阳极保护管件可具有第三引出管、第三密封塞和第三固塞件。第三引出管的一端(如下端)与盖体的第三贯穿孔连接，并且具有沿盖体远离腔体的方向(如竖直向上的方向)延伸的长度。第三密封塞可拆卸地设置在第三引出管的另一端(如上端)。第三密封塞可以为弹性胶塞。第三密封塞内部设置有能够供第一导线通过且与第一导线紧密结合的第三通孔。也就是说，第三密封塞的外侧圆周部能够与第三引出管的内侧圆周部紧密接触，第三密封塞的第三通孔能够与第一导线紧密结合。第三固塞件具有第三容纳端、第三连接端和第三中孔。其中，第三容纳端能够第三密封塞远离反应腔的一部分(例如，上部)。第三连接端可与第三引出管的另一端紧固连接。例如，第三连接端可通过内螺纹与第三引出管的另一端的外螺纹配合，从而实现二者紧固连接。第三中孔可设置为能够供第一导线穿过。例如，第三固塞件可以为连接端(例如，下端)具有内螺纹且另一端为带有直径略大于第一导线直径的中通孔的盖帽的管状结构。通过第三密封件和第三固塞件的配合，能够进一步避免因反应腔内温度变化、气压变化等而导致的密封不严的情况发生，也能够避免因尾气排出不畅而导致的密封不严的情况发生，从而有利于形成更加稳定的惰性气氛环境，有利于进一步确保电脱氧所需的反应环境。也就是说，通过设置阳极保护管件，不仅有利于保证第一导线与第三贯穿孔之间的紧密结合，而且有利于使与第三引出管配合的第三密封塞等远离高温反应腔，从而能够降低第三密封塞等对耐热性能的要求，这有利于降低成本和延长使用寿命。

原料阴极设置在反应器的反应腔中，并经由穿过第四贯穿孔的第二导线与直流电源的负极连接。可在第二导线与第四贯穿孔之间设置密封件，以便使二者更加紧密的配合，从而为反应腔提供更有利的惰性反应环境。例如，密封件可以弹性垫圈，其材质可以为金属、合金或有机材料。第二导线可以耐蚀金属或合金导线，例如，可以为铁铬铝丝。这里，原料阴极可以为由含氧金属化物或其组合物、或其与碳粉的组合物在惰性气氛下烧结而成的片体。例如，原料阴极可通过对由含氧金属化物或其组合物、或其与碳粉的组合物构成的原料进行混合、压制成型，并在诸如氮气或氩气的惰性气氛下或在大气气氛下烧结而得到。烧结温度以不超过1100℃为宜。例如，烧结温度可以为800～1050℃。

此外，还可通过设置阴极保护管件来实现第二导线与第四贯穿孔之间的紧急结合。具体来讲，阴极保护管件可具有第四引出管、第四密封塞和第四固塞件。第四引出管的一端(如下端)与盖体的第四贯穿孔连接，并且具有沿盖体远离腔体的方向(如竖直向上的方向)延伸的长度。第四密封塞可拆卸地设置在第四引出管的另一端(如上端)。第四密封塞可以为弹性胶塞。第四密封塞内部设置有能够供第二导线通过且与第二导线紧密结合的第四通孔。也就是说，第四密封塞的外侧圆周部能够与第四引出管的内侧圆周部紧密接触，第四密封塞的第四通孔能够与第二导线紧密结合。第四固塞件具有第四容纳端、第四连接端和第四中孔。其中，第四容纳端能够第四密封塞远离反应腔的一部分(例如，上部)。第四连接端可与第四引出管的另一端紧固连接。例如，第四连接端可通过内螺纹与第四引出管的另一端的外螺纹配合，从而实现二者紧固连接。第四中孔可设置为能够供第二导线穿过。例如，第四固塞件可以为连接端(例如，下端)具有内螺纹且另一端为带有直径略大于第二导线直径的中通孔的盖帽的管状结构。通过第四密封件和第四固塞件的配合，能够进一步避免因反应腔内温度变化、气压变化等而导致的密封不严的情况发生，从而有利于形成更加稳定的惰性气氛环境，有利于进一步确保电脱氧所需的反应环境。也就是说，通过设置阴极保护管件，不仅有利于保证第二导线与第四贯穿孔之间的紧密结合，而且有利于使与第四引出管配合的第四密封塞等远离高温反应腔，从而能够降低第四密封塞等对耐热性能的要求，这有利于降低成本和延长使用寿命。

如图1所示，电脱氧装置还可包括由惰性气源7、干燥装置9和输气管构成的惰性气体供给单元。惰性气源可以为氩气罐。输气管依次将惰性气源、干燥装置以及反应器的进气口连接，以便对惰性气源提供的惰性气体进行干燥处理，并将干燥后的惰性气体提供至反应器的反应腔内，从而形成电脱氧反应所需的惰性气氛环境。然而，本实用新型不限于此。例如，对于水分含量很低(譬如，水分含量<1ppm)的惰性气源也可不设置干燥装置。另外，惰性气体供给单元还可包括设置在输气管上或设置在惰性气源出口处的流量计，以便控制控制惰性气体流量。

电脱氧装置还可包括具有尾气净化器8和排气管的尾气处理单元。其中，排气管将反应器的出气口与尾气净化器连接。尾气净化器能够有效处理(例如，吸收)反应腔内的电脱氧反应所可能产生的含氯气体，从而保证了安全。

电脱氧装置还可包括循环水冷单元。循环水冷却单元可具有冷却水源和循环管路。循环管路具有与冷却水源连接的进水端和出水端、以及环绕盖体或环绕腔体与盖体配合的一端的管身。

在本实用新型的另一个示例性实施例中，电脱氧装置可在上述示例性实施例的结构的基础上进行改变。例如，其尾气处理单元还可包括惰性气体收集装置和气体循环管。其中，惰性气体收集装置能够从尾气净化器排出的气体中收集惰性气体，或者能够将尾气净化器排出的气体中的其它气体(例如，CO2)分离，从而获得惰性气体。惰性气体收集装置具有与尾气净化器的出气口连接的进气口以及与气体循环管的一端连接的出气口，气体循环管的另一端与惰性气体供给单元的惰性气源或输气管连接，从而能够实现对惰性气体的循环利用，降低了成本。

对于本实用新型的示例性实施例的电脱氧装置的使用过程而言，通过将原料阴极、碳质阳极、以反应腔内的熔盐介质，组装构成电脱氧反应体系；可以实现在惰性气氛下，于750～1000℃的熔盐中，采用2.80～3.10V恒压电脱氧至反应充分，从而得到诸如金属或合金等电脱氧产品。

综上所述，本实用新型的可视化电脱氧装置能够用于熔盐电脱氧且能够实时观测高温熔盐及电极状况。另外，通过进一步设置阳极保护管件和阴极保护管件，本实用新型能够形成更加稳定的惰性气氛环境，进一步避免外界水分或氧气进入反应腔，也就是说，有利于确保电脱氧所需的反应环境。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本实用新型，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。