电解精炼及原位定向凝固制备高纯稀土金属的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种高纯稀土金属的制备装置，特别是涉及一种具有保护气氛下 的"下阴极倒三层液电解精炼一磁力搅拌一原位定向凝固精炼一自动抽锭出炉"一体化的 同步连续生产高纯稀土金属的装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，高纯稀土金属广泛用于核工业、超导体工业、半导体工业以及电子工业等 高精尖产业，且需求量逐年增加。但稀土金属与金属杂质、非金属杂质，如Fe、C等，有很强 的结合能力，且形成的化合物严重影响稀土金属的电、力、磁等性能，所以近年来稀土金属 提纯技术是一项热门的研宄热点。
[0003] 从20世纪60年代末开始研宄提纯稀土金属的方法，目前稀土金属的提纯技术主 要有固相电迀移法、外吸气法、液相外吸气法、电解精炼法、电子束熔炼法、真空蒸馏法、区 域熔炼法等几种单独或联合方法用于提纯稀土金属。其提纯稀土金属的原理主要分为两 种：一种是对被提纯稀土金属中的杂质元素进行再分布降低杂质浓度而达到纯化的目的； 另一种是从被提纯金属中直接"去除"杂质元素而达到提纯的效果。
[0004] 其中固相电迀移法是在低温固相下提纯稀土金属，是去除间隙杂质和部分金属杂 质较为有效的方法，但这种方法对原料的形状、操作条件和杂质含量的要求苛刻，导致产品 生产周期长等问题，不适合大批量生产。
[0005] 另一种提纯金属的方法是外吸气法，该方法是利用金属基体中间隙杂质结合力很 强的活性物质将体系中的杂质气体分压降至极低，使金属基体中的杂质气体析出，实现稀 土金属的提纯，但是该法只适用于提纯一些熔点较高如Er、Y等元素，不能面向大多数稀土 元素，所以这种方法有较大的局限性。而液相外吸气法是对外吸法的一种改进方法，是将 粗稀土金属和钙一起置于坩埚中，共同密封在惰性气体气氛中的铁制容器内，加热并保持 反应容器温度为870°C，反应时间应超过12小时，整个反应过程中液态稀土金属在钙熔体 和钙蒸汽内。但提纯稀土金属的效果并不理想，如Tb、Dy等稀土金属元素在反应完成后的 金属基体中，氧含量增加，这是因为钙与稀土形成合金后，钙吸收了稀土中的杂质氧形成氧 化钙，但杂质氧没被释放出来，没有达到提纯的目的，所以这种方法不能应用于实际的生产 中。
[0006] 电解精炼法是在选定的电解熔盐体系中进行提纯稀土金属的方法，其阳极为粗稀 土金属。该法在一定条件下使阳极稀土金属优先以离子态形式熔解在熔盐中，然后沉积在 阴极上而达到提纯的目的，对于除去Fe、Al、Mg等金属杂质有较好的的效果，但是对气体和 非金属杂质提纯效果不佳；由于当前稀土电解精炼槽阴阳电极摆放的位置采用上部阴极和 下部阳极的配置方式，这对使用的坩埚和电解质纯度要求很高，并且不能连续生产；电解精 炼出的稀土金属是以液态的形式采用人工间歇式出炉，该方式存在着稀土金属液出炉时间 长、纯稀土金属氧化严重，对槽况波动大、严重损失槽体热量等缺点，降低了高纯稀土金属 生产的效率和产品质量，因此当前电解精炼法存在着比较大的缺陷，目前只停留在实验室 阶段。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型目的是针对现有技术存在的不足，提供一种电解精炼及原位定向凝固 制备高纯稀土金属的装置，它操作简单，能够连续、自动制备高纯稀土金属。
[0008] 本实用新型的技术方案：一种电解精炼及原位定向凝固制备高纯稀土金属的装 置，包括安装于机架上的电解炉和铸锭炉，电解炉和铸锭炉按上下位置通过紧固件连接在 一起，在电解炉的炉膛口设置有保护气氛罩，保护气氛罩与电解炉固接，保护气氛罩上布有 进气管和出气管，其上还设置有通孔，通孔上穿有自耗阳极，通孔与自耗阳极间密封；自耗 阳极与电源阳极导线连通，自耗阳极固定于自动升降进给装置上，自动升降进给装置安装 于机架上；电解炉炉膛的下部设置有漏斗状绝缘内衬；在电解炉的炉壁外布置有上冷却水 套，上冷却水套外侧的下部布置有电磁搅拌装置，电磁搅拌装置布置高度与绝缘内衬高度 相同；铸锭炉上设有铸锭腔，铸锭腔与漏斗状绝缘内衬的出口对中，铸锭腔的下部配有滑动 的引锭杆，引锭杆的底部连接抽锭杆并与电源阴极导线连通；在铸锭炉的炉壁外布置有下 冷却水套。
[0009] 所述的电磁搅拌装置的磁场频率为3~10Hz，搅拌电流为100~300A。
[0010] 本实用新型的积极效果：
[0011] (1)本实用新型装置优化了电极配置方式，实用新型了上插式复合阳极和液态稀 土金属作为下阴极的倒三层液连续电解精炼池，其优点是通过自动升降进给装置实现了粗 稀土金属自耗阳极的自动连续进料，保证了电解精炼提纯的持续正常进行；并且电解精炼 出的高纯稀土金属能够直接连续汇聚在实用新型装置中下部的稀土金属熔池中，这样既保 证了极距的最佳范围，降低了电解电压，又防止了液态纯稀土金属被空气氧化，提高了电流 效率。
[0012] (2)本实用新型装置通过下阴极原位定向凝固技术，将电解精炼和定向凝固精炼 融为一体，真正实现了两种精炼的无缝对接，不仅使电解精炼后的纯稀土金属通过原位定 向凝固得到了进一步连续提纯，而且定向凝固精炼后的高纯稀土金属通过抽锭杆能够自动 同步连续出炉，实现了高纯稀土金属连续化和自动化生产的目的。
[0013] (3)本实用新型装置在稀土金属精炼过程中，电解精炼和定向凝固精炼均在一个 密封和保护性气体的环境中进行，避免了稀土金属的二次氧化。另外，由于在炉壁外则设置 了冷却水套，在冷却水的作用下，电解质在炉口和内壁凝固形成一定厚度和形状的保护层 炉帮，使稀土金属的电解和铸锭均在同一个密封的环境中进行，所形成的炉帮还能有效的 阻止电解质对炉内壁的腐蚀，避免了炉内壁对稀土金属溶液的二次污染，不仅提高了炉壁 的使用寿命，而且最大限度提高了稀土金属产品的纯度。
[0014] (4)本实用新型装置在稀土金属熔池的外围设置了电磁感应搅拌装置，在电磁搅 拌的作用下，加强了固液界面前沿的稀土金属液连续不继地更换，从而减小了扩散层的厚 度，有利于固相中的杂质元素更快速扩散转移到液相中去，加快了杂质元素在固液相间的 偏析速度，从而提高了定向凝固精炼提纯的效率和稀土金属的纯度。
【附图说明】
[0015] 附图为本实用新型的结构示意图。
[0016] 图中附图标记：1阳极导线，2保护气氛罩，3进气管，4罩体紧螺栓，5上部出水管， 6电解炉，7绝缘内衬，8高纯稀土金属铸锭，9紧螺栓，10下部出水管，11引锭杆，12阴极导 线，13自耗阳极，14密封圈，15出气管，16液态稀土合金池，17熔盐电解质，18上冷却水套， 19稀土金属熔池，20电磁搅拌装置（电磁感应线圈），21上部进水管，22下冷却水套，23炉 帮，24铸锭炉，25下进水管，26抽锭杆。
【具体实施方式】
[0017] 本实用新型可以根据以下实例实施，在本实用新型中所使用的术语，除非有另外 说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，应理解，这些实施例只是为了举例说 明本实用新型，而非以任何方式限制本实用新型的范围，在以下的实施例中，未详细描述的 内容是本领域中公知的常规技术。
[0018] 本实用新型也可以不采用自动升降进给装置（现有通用装置），而是通过手工来 调整自耗阳极插入电解炉炉膛中液态稀土合金池的深度，此时自耗阳极通过夹子直接安装 在机架上。
[0019] 实施例一：
[0020] 如附图所示，在通电前，同时开启本实用新型装置上下两部分的冷却水阀，冷却水 流量30L/h，将引锭杆钨棒置于铸锭炉铸锭腔中作为阴极。将预先熔化好的液态合金Nd-Sn 和熔盐电解质质量比（NdF3:LiF= 9:0. 9)加入到电解炉中，盖上保护气氛罩，通入Ar气保 护性气体，此时熔融的电解质置于电解炉的中间层，电解质的高度为30cm，高度为2cm的液 态合金Nd-Sn浮于电解质之上，将98. 52 %粗Nd金属阳极浸入到液态Nd-Sn合金池中；开 启自动升降进给装置，在温度1100 °C下，接通电源进行恒电流电解精炼，阳极电流密度为 0. 9A/cm2,电解精炼提纯出的稀土金属Nd逐渐在引锭杆的上方析出，汇聚形成熔池；当稀土 金属熔池液面上升至5cm时，开启电磁搅拌装置，电磁搅拌的磁场为5Hz，搅拌过程中搅拌 电流控制在150A;同时开始抽锭，抽锭速度为3mm/s，此时纯稀土金属的析出速度和铸锭的 凝固速度相当，进而确保稀土金属熔池液面高度保持不变，生成的高纯稀土金属铸锭从铸 锭腔下方出口连续同步拉出炉外，并被不断切割成铸坯运走，平均每小时可生产出高纯稀 土金属Nd约3Kg(99. 95% )，其中杂质元素见下表：
[0021] 表1电解精炼前后的杂质含量（xio_5)
【主权项】
1. 一种电解精炼及原位定向凝固制备高纯稀土金属的装置，其特征是：包括安装于机 架上的电解炉和铸锭炉，电解炉和铸锭炉按上下位置通过紧固件连接在一起，在电解炉的 炉膛口设置有保护气氛罩，保护气氛罩与电解炉固接，保护气氛罩上布有进气管和出气管， 其上还设置有通孔，通孔上穿有自耗阳极，通孔与自耗阳极间密封；自耗阳极与电源阳极导 线连通，自耗阳极固定于自动升降进给装置上，自动升降进给装置安装于机架上；电解炉炉 膛的下部设置有漏斗状绝缘内衬；在电解炉的炉壁外布置有上冷却水套，上冷却水套外侧 的下部布置有电磁搅拌装置，电磁搅拌装置布置高度与绝缘内衬高度相同；铸锭炉上设有 铸锭腔，铸锭腔与漏斗状绝缘内衬的出口对中，铸锭腔的下部配有滑动的引锭杆，引锭杆的 底部连接抽锭杆并与电源阴极导线连通；在铸锭炉的炉壁外布置有下冷却水套。
2. 根据权利要求1所述的一种电解精炼及原位定向凝固制备高纯稀土金属的装置，其 特征是：所述的电磁搅拌装置的磁场频率为3~IOHz，搅拌电流为100~300A。
【专利摘要】本实用新型涉及一种电解精炼及原位定向凝固制备高纯稀土金属的装置，包括安装于机架上的电解炉和铸锭炉，在电解炉的炉膛口设置有保护气氛罩，保护气氛罩上布有进气管和出气管，其上还设置有通孔，通孔上穿有自耗阳极，通孔与自耗阳极间密封；自耗阳极固定于自动升降进给装置上，自动升降进给装置安装于机架上；电解炉炉膛的下部设置有漏斗状绝缘内衬；在电解炉的炉壁外布置有上冷却水套，上冷却水套外侧的下部布置有电磁搅拌装置；铸锭炉上设有铸锭腔，铸锭腔与漏斗状绝缘内衬的出口对中，铸锭腔的下部配有滑动的引锭杆，引锭杆的底部连接抽锭杆并与电源阴极导线连通；在铸锭炉的炉壁外布置有下冷却水套。它能够连续、自动制备高纯稀土金属。
【IPC分类】C22B9-02, C25C3-34, C22B59-00
【公开号】CN204608180
【申请号】CN201520305402
【发明人】刘庆生, 汤卫东, 江小华
【申请人】江西理工大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月13日