专利名称：底部阴极导流式稀土电解槽的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及冶金领域的电解槽，特别是一种底部阴极导流式稀土电解槽，适 用于稀土电解槽的改造和开发。
背景技术：
稀土金属是稀土功能材料的主要原料之一，作为我国的战略资源，其需求量越来 越大。随着生产规模的扩大，槽型结构的改正越来越受到业内的关注。目前，以氧化物为原料，以氟化物为熔盐体系的稀土金属电解是制取稀土金属的 重要方法，由于高温氟化物熔盐的腐蚀性极强，给氟化物熔盐体系氧化物电解的研究带来 较大的困难，电解槽槽型在大型化过程主要有两个发展方向，一在电极配置方式上仍然沿 用20世纪80年代设计的敞开式上插阴阳极模式，如中国专利CN2372329Y、CN2632099Y、 CN2464744Y、CN02240881. 9 及 CN200820138112. 3，目前电流效率在 80 % 左右，电流强度 在20KA左右，这种结构放大过程中由于其布线结构复杂的问题上部敞口较大，槽体无保 温措施，热量损失严重，生产过程明显受环境温度和换热条件变化的影响，严重制约了 其进一步放大可能。二是底部阴极采用电解过程的液态金属作为阴极结构，如中国专利 CN101368282A和CN200952043Y，他们采用底部阴极的布线方式，解决了上插式结构的布线 问题，但是由于该结构的电解金属一直处于电解区域内，这样电解后稀土金属极易被二次 氧化，另外该槽型结构对于稀土金属电解过程中阴极电流密度远大于阳极电流密度的现象 及其大型化后磁场对金属液的流动是否象铝电解槽一样影响很大甚至造成电解是否能进 行下去，还有待实践检验。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种结构简单，能量消耗少，电流效率高，产量大，维 护容易并适用于我国国内目前投入生产使用的稀土电解槽外围槽体的形状改造，该电解槽 槽型结构改变后，电场流场分布更加合理，电流效率明显提高；同时该发明还可采用全封闭 的结构，可以有效的解决电解过程尾气排放的收集和有效的解决敞口电解槽热量损失严重 的问题，达到了节能，高产，环保的底部阴极导流式稀土电解槽。技术解决方案本实用新型阳极的正下方放置阴极，阳极底部为圆弧形凹面，阴极 顶部为圆弧形凸面，阳极的圆弧形凹面与阴极的圆弧形凸面相对应，阴极并列设置，相连接 处形成导流槽，阴极与石墨坩埚之间设有高温绝缘层，阴极下面放置有阴极导电排。阳极底部及阴极顶部与水平面成8-25度，向收集器方向倾斜。石墨坩埚为方形型槽。石墨坩埚为上大下小的梯形槽。石墨坩埚外围添加碳粉层。在碳粉层和保温层之间添加一层绝缘层。为了使本实用新型能够有效的解决电解过程尾气排放、收集并有效的解决敞口电解槽热量损失严重的问题，在石墨坩埚2上设有防护盖的全封闭结构，可以达到了节能，高 产，环保的目的。本实用新型设计了新型的阴阳极结构，满足了由于稀土金属都比较活泼需要电解 过程阴极高电流密度，阳极低电流密度的要求；采用导流式阴极结构降低了电解金属液滴 在电解区域停留时间，能有效的减少金属二次氧化，提高金属收得率；采用底部阴极布置方 式能有效的利用现在铝电解槽成熟的布线方式和技术，有利于本实用新型槽型的推广和大型化。
图1为本实用新型电解槽结构及电极布置俯视图；图2为图1的A-A剖面图；图3为图1的B-B剖面图。
具体实施方式
如附图1，附图2，附图3所示，本实用新型包括阳极1、石墨坩埚2、阴极、耐火层 4、绝缘层5、保温层6、高温绝缘层7、导流槽8、碳粉层9、阴极导电排10、保护层11、金属收 集器12、电解质13。稀土电解槽槽体为砌筑的方型或上大下小的梯形石墨坩埚2，采用上端 开口大下端开口小的梯形石墨坩埚2，有利于气体的排出。在石墨坩埚2与绝缘层5之间填 充碳粉层9，这样可以保证电解在不漏电的情况下进行，提高电能利用率，减少能量消耗。在 绝缘层5外围砌筑耐火层4、保温层6和保护层11构成电解槽槽体结构，耐火层4及保温层 6有利于减少炉体的散热损失，减少环境温度变化对电解过程的影响，同时通过在碳粉层9 与保温层6之间新增加绝缘层5，这可降低对绝缘层材料耐高温的要求，同时也有利于减少 槽体漏电损耗，提高电能利用率，减少能量消耗，石墨坩埚2底部采用斜底阴极导流槽8收 集器，这种结构的收集器在金属的收集时，电解槽的金属就会聚集在阴极导流槽8底部中 间，这样在收集金属时，不用断电，从阳极中间空隙直接取金属就可以，不影响生产，解决了 传统电解槽台阶结瘤的现象，同时更有利于金属收集方便金属的收取，提高金属的收得率。 在石墨坩埚2上部为碳阳极1，阳极1设置6根，阳极1的正下方放置6根阴极3，通过调整 阳极1和阴极3的对数或电流密度以确定电解槽的总电流强度，阳极1底部为圆弧形凹面， 阴极3顶部为圆弧形凸面，阳极1的圆弧形凹面与阴极3的圆弧形凸面相对应，阴极3并列 设置，阴极3与相邻的阴极3相连接形成导流槽8，阴极3与石墨坩埚2之间设有高温绝缘 层7，阴极3下面放置有阴极导电排10 ；阴极导电排10采用钢棒材质，避免采用钨、钼等贵 重金属材料作导体，降低电解成本；阳极1和阴极3采用圆弧形的结构形状解决了稀土电解过程阴极3高电流密度， 阳极1低电流密度的要求，更有利于电解电流的有效利用，解决了稀土金属快速脱离反应 区域和电解气体及时排出的要求。这种新型的阴极3和阳极1的配置方式在增加电解电流 密度时比传统电极配置方式的槽电压低。阳极1和阴极3上下平行布置方便稀土电解槽的大型化，阳极1和阴极3采用向 收集器12倾斜8-10度的方式，以解决电解过程的气体排出和金属液滴的回收；阴极3与相 邻的阴极3形成导流槽8有利于金属液滴快速进入金属液收器12，在金属液收器12收集金属时，无需断电，直接在阳极1之间取金属或采用自动装置取金属，同时随着电解过程的进 行阳极1的消耗，只要改变阳极1的浸入电解质13的深度，就能方便的改变极间距，改善电 解过程的电压波动问题，提高阳极的使用时间，降低生产成本。本实用新型还可在石墨坩埚2上设有防护盖。电解槽的工作过程首先稀土氧化物溶于氟化物熔盐中，在熔盐中呈离子态存在，除变价稀土元素外， 其他离子呈三价态；在阳极1通入直流电流，经导阴极电排10流出形成整个电解电流的回 路；稀土金属阳离子在电场力的作用下移动到阴极3得到电子还原成金属形成金属液滴， 金属液滴在重力的作用下滑落到导流槽8，通过导流槽8金属液体在斜坡的作用下流到金 属收集器12，通过自动、半自动或人工的方式从金属收集器12取出金属铸锭；同时氧离子 在电场力的作用下移动到阳极1失去电子形成氧分子与石墨碳反应形成气体，沿倾斜的阳 极底部下上排出，这样完成了整个电解过程。
权利要求底部阴极导流式稀土电解槽，包括阳极(1)、石墨坩埚(2)、阴极(3)、保温层(6)、收集器(12)，其特征在于，阳极(1)的正下方放置阴极(3)，阳极(1)底部为圆弧形凹面，阴极(3)顶部为圆弧形凸面，阳极(1)的圆弧形凹面与阴极(3)的圆弧形凸面相对应，阴极(3)并列设置，相连接处形成导流槽(8)，阴极(3)与石墨坩埚(2)之间设有高温绝缘层(7)，阴极(3)下面放置有阴极导电排(10)。
2.根据权利要求1所述的底部阴极导流式稀土电解槽，其特征在于，阳极(1)底部及阴 极⑶顶部与水平面成8-25度，向收集器(12)方向倾斜。
3.根据权利要求1所述的底部阴极导流式稀土电解槽，其特征在于，石墨坩埚(2)为方 形型槽。
4.根据权利要求1所述的底部阴极导流式稀土电解槽，其特征在于，石墨坩埚(2)为上 大下小的梯形槽。
5.根据权利要求1、3或4所述的底部阴极导流式稀土电解槽，其特征在于，石墨坩埚 (2)外围添加碳粉层(9)。
6.根据权利要求5所述的底部阴极导流式稀土电解槽，其特征在于，在碳粉层(9)和保 温层(6)之间添加一层绝缘层(5)。
7.根据权利要求1所述的底部阴极导流式稀土电解槽，其特征在于，石墨坩埚(2)上设 有防护盖。
专利摘要本实用新型涉及冶金领域电解槽，特别是一种底部阴极导流式稀土电解槽，适用于稀土电解槽改造和开发。本实用新型阳极正下方放置阴极，阳极底部为圆弧形凹面，阴极顶部为圆弧形凸面，阳极的圆弧形凹面与阴极的圆弧形凸面相对应，阴极并列设置，相连接处形成导流槽，阴极与石墨坩埚之间设有高温绝缘层，阴极下面放置有阴极导电排。本实用新型设计了新型的阴阳极结构，满足了由于稀土金属都比较活泼需要电解过程阴极高电流密度，阳极低电流密度的要求；采用导流式阴极结构降低了电解金属液滴在电解区域停留时间，能有效的减少金属二次氧化，提高金属收得率；采用底部阴极布置方式能有效的利用现在铝电解槽成熟的布线方式和技术，有利于本实用新型槽型的推广和大型化。
文档编号C25C3/34GK201722432SQ201020189389
公开日2011年1月26日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者伍永福, 冯化超, 刘中兴, 李保卫, 武文斐, 赵增武 申请人:内蒙古科技大学