哑铃形稀土金属电解石墨槽的制作方法
【专利摘要】哑铃形稀土金属电解石墨槽，包括槽体，所述槽体内有阳极槽，所述阳极槽内设置有阳极组，所述阳极组包括多个弧形阳极和位于弧形阳极之间的异形阳极，所述异形阳极两侧为对称的内凹弧面，且该弧面与弧形阳极半径相等且圆心角互补；所述弧形阳极与异形阳极包围形成中空圆形，阴极位于该中空圆形中央。采用本发明所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，最大限度的使阳极表面都在以阴极为中心的等势面上，使电解液中的离子更易扩散，稀土电解反应更均匀，有效增大单产量，同时大幅降低了电解能耗。
【专利说明】
哑铃形稀土金属电解石墨槽
技术领域
[0001 ]本发明属于机械领域，涉及一种电解法生产稀土用设备，具体涉及一种哑铃形稀土金属电解石墨槽。
【背景技术】
[0002]稀土有工业维生素的美称。现如今已成为极其重要的战略资源。稀土元素氧化物是指元素周期表中原子序数为57到71的15种镧系元素氧化物，以及与镧系元素化学性质相似的钪(Sc )和钇(Y)共17种元素的氧化物。稀土元素在石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都得到了广泛的应用，随着科技的进步和应用技术的不断突破，稀土氧化物的价值将越来越大。
[0003]工业上大批量生产稀土金属一般使用熔盐电解法。该工艺是以稀土氟化物熔盐体系为电解质，石墨作电解槽及阳极材料，钨棒作阴极。在熔融的稀土氟化物(REF3、LiF)体系中，加入稀土氧化物(REO)熔解，稀土氟化物离解成稀土离子(RE3+)和(F—)，稀土氧化物(REO)离解成稀土离子(RE3+)和氧离子(O2—)。在电场作用下，带正电的稀土离子向阴极移动并在阴极得到电子，析出得到稀土金属(RE)。
[0004]现有的稀土两阴极电解槽有两种结构，矩形双阴极电解槽和椭圆形双阴极电解槽，分别如图1和图2所不。
[0005]图1所示的矩形双阴极电解槽，使用六块方块阳极，而阴极用的是圆柱实心钨阴极，阳极反应面到阴极的距离不相等，阳极消耗不均匀，阳极残余量大，即阳极单耗高，产量低下，能耗高。图2所示的椭圆形双阴极电解槽为两根圆柱实心钨阴极，用四块弧形阳极，两块方形阳极，四块弧形阳极到阴极的距离相等，但两块方形阳极到阴极的距离不相等，阴极间到阳极的反应弱，其特征是阳极单耗高，阴极之间存在电位差，产量低，能耗高。
【发明内容】
[0006]为克服现有双阴极稀土电解槽的能耗高、阳极消耗高、产量低下的缺点，本发明公开了一种哑铃形稀土金属电解石墨槽。
[0007]本发明所述哑铃形稀土金属电解石墨槽，包括槽体，所述槽体内有阳极槽，所述阳极槽内设置有阳极组，所述阳极组包括多个弧形阳极和位于弧形阳极之间的异形阳极，所述异形阳极两侧为对称的内凹弧面，且该弧面与弧形阳极半径相等且圆心角互补；所述弧形阳极与异形阳极包围形成中空圆形，阴极位于该中空圆形中央。
[0008]优选的，还包括位于阳极槽下方的底槽，底槽上底面宽度小于阳极槽的哑铃状最窄处。
[0009]优选的，所述阳极槽下方设置有底槽，底槽的上底面为中部呈矩形，矩形两端为半圆形的胶囊形截面形状，所述半圆形的直径与紧邻的矩形边边长相等，且两个半圆形的圆心与阳极包围形成的中空圆形的圆心分别重合。
[0010]优选的，所述槽体为整块石墨凿挖形成。
[0011]优选的，所述异形阴极两侧圆弧对应的圆心角应在60-150度之间。
[0012]进一步的，所述异形阴极两侧圆弧对应的圆心角应在60-90度之间。
[0013]采用本发明所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，最大限度的使阳极表面都在以阴极为中心的等势面上，使电解液中的离子更易扩散，稀土电解反应更均匀，有效增大了单产量，同时大幅降低了电解能耗和阳极消耗量。
【附图说明】
[0014]图1为本发明所述现有的矩形双阴极电解槽的示意图；
图2为本发明所述现有的椭圆形双阴极电解槽的示意图；
图3为本发明所述电解石墨槽的一种【具体实施方式】俯视示意图，图中附图标记名称为1-阳极，2-阳极槽，3-阴极，4-异形阳极，5-底槽。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0016]本发明所述电解石墨槽包括槽体，所述槽体内有阳极槽2，所述阳极槽内设置有阳极组，所述阳极组包括多个弧形阳极I和位于弧形阳极之间的异形阳极4，所述异形阳极两侧为对称的内凹弧面，且该弧面与弧形阳极半径相等且圆心角互补;所述弧形阳极与异形阳极包围形成中空圆形，阴极3位于该中空圆形中央。
[0017]本发明作为电解反应中的阳极石墨槽，在电解反应中与阴极配合使用进行电解操作。如图3所示本发明的一个【具体实施方式】俯视图，图3中为两个圆形交错的槽主体形状，电解操作时将两个截面呈圆形的阴极3插入阳极槽I，在阳极与阴极之间施加高电压，从而实现电解反应。
[0018]电解反应中，阳极和阴极之间的电场均匀性直接影响到电解所需功率和能耗效率。相对于传统的阳极槽的矩形内壁，本发明对内壁形状进行改进，使内壁形状与圆柱形的阴极相配合，从而使圆柱形阴极表面与阳极槽内壁距离在除交错处的区域外处处相等。
[0019]在两个圆形的交错区域，并非阳极与阴极的最短距离，而且在两个阴极之间本身也不会产生电弧击穿，因此对等势线要求并不严格，但为尽量保证在交错区域两端的阳极内壁仅受最接近阴极电极的影响，从而使每一阴极形成尽可能长的等势面，所述两个相同圆形在交错处的圆弧对应圆心角不应太大；同时，由于阴极具备一定半径，实际运用中，阴极半径越大，则与阳极面的交换等势面越宽，电能使用越充分，但阴极半径越大，在交错区域所需要的空间也越大才能保证两个阴极不接触，因此两个相同圆形在交错处的圆弧对应圆心角不应大于120度，在120度时，阴极半径最多只能取阳极圆心半径的一半，再大则效率显著降低。同时为保证交错处具备一定宽度，使得电解液流动顺畅，并保证两个阴极之间一定的安全距离，圆心角也不能太小，因此两个相同圆形在交错处的圆弧对应圆心角应在60-150度之间。即异形阴极两侧圆弧对应的圆心角应在60-150度之间。
[°02°]两个较特殊的圆心角分别为60和90度，交错区域圆弧对应的圆心角为60度时，两个阴极距离为60度和90度时，两个阴极之间的距离分别约为1.4R和1.7R，R为阳极圆半径，圆心角设置在60至90度，使两个阴极圆心距离在1.4-1.7R范围内效果较为理想。
[0021]底槽5的作用为给阴极底部留出适当的容置空间，避免阴极直接接触阳极槽底部，从而损伤阳极，阴极底部一般为平面或半球形，为适应这两种形状，底槽一般设计为上底面大于下底面的向下收缩形状，这种形状也便于收集电解产生的固体稀土元素。为保证整个石墨槽的机械强度，底槽的上底面宽度应小于槽主体的哑铃最窄处宽度，即两个圆交错区域的最窄处宽度，从而避免槽主体部分悬空，容易断裂;底槽高度根据阴极自身形状和深入阳极的槽的深度决定，通常不高于槽主体的二分之一，以节省阳极槽的原料和制造成本。
[0022]本发明整体优选采用整块石墨凿挖形成哑铃形槽及底槽，从而保证了电极的机械强度，避免了其他拼接方式可能带来的电解质泄漏的缝隙。
[0023]如图1所示给出底槽的一个【具体实施方式】，所述底槽的上底面为中部呈矩形，矩形两端为半圆形的胶囊形截面形状，所述半圆形的直径与紧邻的矩形边边长相等，且两个半圆形的圆心与阳极包围形成的中空圆形上的两个圆心分别重合。使用时，两个阴极末端分别位于半圆形的圆心上方，从而在阴极末端的外侧面形成较均匀的电场分布，避免阴极末端发生电击，内侧由于与石墨槽距离较远，一般不会发生击穿风险。
[0024]采用本发明所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，具备如下优越性:
一.采用圆形交错的哑铃形阳极槽，与阴极形状配合，保证了每个阴极获取最大等势面，电场线分布均匀，使电解液中的离子更易扩散，稀土电解反应更均匀，产品性能得以提升。
[0025]二.多个圆形交错的形式使阳极槽能够一次容纳多个阴极，并保证了每个阴极的电场分布，提高了电解效率和单炉产量。
[0026]三.设置双弧反应面阳极，有效增大反应面积，提高产量。
[0027]四.利用整体石墨槽凿挖形成整体阳极，减少了电解过程中电解质的泄露。
[0028]前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.哑铃形稀土金属电解石墨槽，其特征在于，包括槽体，所述槽体内有阳极槽，所述阳极槽内设置有阳极组，所述阳极组包括多个弧形阳极和位于弧形阳极之间的异形阳极，所述异形阳极两侧为对称的内凹弧面，且该弧面与弧形阳极半径相等且圆心角互补；所述弧形阳极与异形阳极包围形成中空圆形，阴极位于该中空圆形中央。2.如权利要求1所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，其特征在于，还包括位于阳极槽下方的底槽，底槽上底面宽度小于阳极槽的哑铃状最窄处。3.如权利要求1或2所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，其特征在于，所述阳极槽下方设置有底槽，底槽的上底面为中部呈矩形，矩形两端为半圆形的胶囊形截面形状，所述半圆形的直径与紧邻的矩形边边长相等，且两个半圆形的圆心与阳极包围形成的中空圆形的圆心分别重合。4.如权利要求1所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，其特征在于，所述槽体为整块石墨凿挖形成。5.如权利要求1所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，其特征在于，所述异形阴极两侧圆弧对应的圆心角应在60-150度之间。6.如权利要求5所述的哑铃形稀土金属电解石墨槽，其特征在于，所述异形阴极两侧圆弧对应的圆心角应在60-90度之间。
【文档编号】C25C7/00GK106086941SQ201610734592
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月28日
【发明人】王金镛, 王晓晖
【申请人】四川省乐山市科百瑞新材料有限公司