稀土电解槽中阳极动作执行方法和阳极自动控制电解槽

1.本发明属于稀土电解领域，具体涉及一种稀土电解槽中阳极动作执行方法和阳极自动控制电解槽。


背景技术：

2.稀土金属在自然资源中异常珍贵，其属于不可再生资源，储量稀少，加工难度高，可以在多个领域应用，也被成为“万能之土”。熔盐电解法是生产稀土金属的重要方法。目前，稀土熔盐电解主要采用上插式电解结构，采用圆柱形阴极和长方体阳极或圆弧形阳极，阴极插入电解槽中心，阳极插入周围。阴极、阳极位置固定，无法实现自动化调节。随着电解过程的进行，阳极被不断消耗，但阳极消耗的不均匀，中心消耗块，两边消耗慢。另外，目前电解过程为等极距电解，电流效率较低，一般介于60％-75％之间，而且残极率高，这是由于在处于三相界面处的阳极部分，受到空气氧化、电化学反应、以及机械冲刷的综合作用，会优先消耗，甚至折断，导致阳极无法继续使用。
3.专利cn203923410u、cn105088284b发明了通过调节阳极运动改变极距，但是只能使阳极向靠近或远离阴极方向运动，且极距仍然是均匀相等的，虽然可以避免由于阳极消耗导致的极距增加的问题，但无法解决阳极消耗不均匀的问题，无法提高电流效率，也无法提高阳极利用率；专利cn105543899a、cn209039603u发明了调节阴极插入深度的自动升降系统，但无法对阳极的消耗产生影响。


技术实现要素：

4.针对上述不足之处，本发明提供了一种稀土电解槽中阳极动作执行方法和阳极自动控制电解槽，通过对稀土电解槽中阳极的运动进行控制，全自由度调节阳极的运动方向，改变阳极与阴极之间的极距，使得特定区域的阳极(消耗较慢的区域)靠近阴极，加快其消耗，达到均匀消耗的目的。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种稀土电解槽中阳极动作执行方法，在稀土电解过程中，根据阳极消耗，通过全自由度调节阳极的运动方向，形成熔盐液面极距大、熔盐内部极距小的梯度极距进行电解；其中，全自由度调节阳极的运动方向，以阳极顶面垂直的对称轴作为z轴，以水平面上阳极和阴极连线为x轴，在水平面上以垂直x轴的方向为y轴；
7.阳极的动作包括将阳极沿x轴向阴极靠近、阳极沿z轴向熔盐内部方向移动、阳极沿y轴向两侧往复移动、以阳极顶面的中心点为固定点以z轴为轴心转动、以阳极顶面的中心点为固定点在yz平面内摆动、以阳极顶面的中心点为固定点在xz形成的平面内摆动中的一种动作方式或几种动作方式的结合。
8.所述的阳极沿x轴向阴极靠近，是阳极整体向电解槽中心靠近，移动速度和电解过程阳极消耗速度相同，保证极距不变，且不随阳极的消耗而改变。
9.所述的阳极沿z轴向熔盐内部方向移动，为将阳极向熔盐内部方向移动，移动速度
和阳极消耗速度匹配。
10.所述的阳极沿y轴向两侧往复移动，是在与阳极和阴极连线的垂直方向上移动，移动幅度＜阳极顶面在y轴方向的长度的30％。
11.所述的以阳极顶面的中心点为固定点以z轴为轴心转动，是指周期性匀速转动，旋转角度为-30
°
～30
°
；其中，0
°
为阳极和初始未旋转位置重合。
12.所述的以阳极顶面的中心点为固定点在yz平面内摆动，是指周期性匀速在yz形成的平面上摆动，摆动的轴心为x轴，摆动角度为-30
°
～30
°
；其中，0
°
为阳极初始未摆动位置重合。
13.所述的以阳极顶面的中心点为固定点在xz形成的平面内摆动，是指以z轴向x轴方向可转动，转动的轴心为y轴，转动至确定角度后电解过程中不在沿此方向运动，其中，转动角度介于0～45
°
之间，最终形成熔盐表面极距大，熔盐内部极距小；其中，0
°
为阳极初始未摆动位置重合，即此时为等极距电解。
14.本发明的一种阳极自动控制稀土电解槽，包括电解槽槽体，阴极和阳极，还包括，用于夹持阳极的导电阳极夹具和用于控制阳极运动的执行机构；
15.所述的执行机构能够实现阳极的动作方式，包括将阳极沿x轴向阴极靠近、阳极沿z轴向熔盐内部方向移动、阳极沿y轴向两侧往复移动、以阳极顶面的中心点为固定点以z轴为轴心转动、以阳极顶面的中心点为固定点在yz平面内摆动、以阳极顶面的中心点为固定点在xz形成的平面内摆动中的一种动作方式或几种动作方式的结合。
16.所述的导电阳极夹具为与阳极相连并固定阳极的导电阳极夹具，导电阳极夹具和执行机构连接；
17.当执行机构为实现阳极的全自由度调节的执行机构时，执行机构包括全向移动底座，在全向移动底座上方连接有z向升降杆，z向升降杆上方固定连接有第一电机，第一电机的电机轴和x轴向或y轴向平行，第一电机的电机轴的输出端和第二电机固定连接，第二电机的电机轴和y轴向或x轴向平行，且第一电机的电机轴和第二电机的电机轴垂直；执行机构中，全向移动底座用于实现执行机构带动导电阳极夹具在x轴和y轴移动、以及绕z轴的旋转；z向升降杆用于实现执行机构带动导电阳极夹具在z轴的移动，第一电机的电机轴和第二电机的电机轴分别用于实现执行机构带动导电阳极夹具绕x轴的旋转和绕y轴的旋转。
18.更具体的为：第二电机的电机轴和导电阳极夹具连接，通过执行机构的独立或结合执行动作，实现阳极的动作执行。
19.当执行机构为实现阳极的某一种动作方式时，实现其他动作方式的结构部件可以选择去除。
20.采用上述稀土电解槽中阳极动作执行方法，使得阳极自动控制稀土电解槽的电流效率大于80％，阳极的利用率提高15％。
21.与现有的技术相比，本发明的特点和有益的效果是：
22.(1)能够通过阳极的多自由度调整，形成上部极距大、熔盐内部极距小的梯度极距电解，大幅度提高电流效率，电流效率介于80％-95％之间，平均电流效率大于80％，进而降低了单位质量产品的能耗；
23.(2)通过全自由度调节阳极的运动方向，改变阳极与阴极之间的极距，形成上部极距大、熔盐内部极距小的梯度极距电解以及特定区域阳极参与电化学反应的熔盐电解方
式，使得特定区域的阳极(消耗较慢的区域)靠近阴极，加快其消耗，提高阳极利用率，能够提高阳极寿命、减少残极率、提高电流效率、降低能耗。
24.(3)通过阳极的自动调节，形成梯度极距电解，降低三相界面处的反应程度，减少了界面处的消耗，同时通过阳极的移动，调整三相界面的位置，能够避免目前静止的阳极三相界面位置消耗较快，导致不得不提前更换阳极的问题。
25.(4)通过阳极自动调整，随着阳极的消耗，及时改变阳极极距，降低槽电压，节约能耗。
附图说明
26.图1为本发明的阳极自动控制稀土电解槽结构示意图。
27.图2为本发明的执行机构结构示意图。
28.图中，1为阳极，2为阴极，3为导电阳极夹具，4为熔盐，5为全向移动底座，6为z向升降杆，7为第一电机，8为第一电机的电机轴，9为第二电机，10为第二电机的电机轴。
具体实施方式
29.下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
30.实施例1
31.一种阳极自动控制电解槽，其结构示意图见图1，其中，阳极自动控制电解槽设置有电解槽槽体，在电解槽槽体内盛装有熔盐4，在电解槽槽体中心位置设置有圆柱形阴极2，在电解槽槽体四周设置有长方体阳极1，长方体阳极1和导电阳极夹具3相连接，导电阳极夹具3的一端用于固定长方体阳极，导电阳极夹具3的另一端和执行机构连接；
32.所述的执行机构，其结构示意图见图2，包括全向移动底座5，在全向移动底座5上方连接有z向升降杆6，z向升降杆6上方固定连接有第一电机7，第一电机的电机轴8和x轴向平行，第一电机的电机轴8的输出端和第二电机9固定连接，第二电机的电机轴10和y轴向平行，其中，第二电机的电机轴10和导电阳极夹具3连接；执行机构中，全向移动底座用于实现执行机构带动导电阳极夹具在x轴和y轴移动、以及绕z轴的旋转；z向升降杆用于实现执行机构带动导电阳极夹具在z轴的移动，第一电机的电机轴用于实现执行机构带动导电阳极夹具绕x轴的旋转，第二电机的电机轴分别用于实现执行机构带动导电阳极夹具绕y轴的旋转。
33.在电解刚开始，长方体阳极的中心轴向线和z轴重合，随着电解的进行，采用阳极夹具自动控制系统，调节电机转动，沿x轴以x轴方向阳极消耗速度相同的速度向阴极靠近，沿z轴以z轴方向阳极消耗速度相同的速度向熔盐内部方向移动，沿y轴方向两侧往复移动，移动最大距离为阳极在y方向长度的30％，移动速度为以1小时为一周期；以阳极顶面的中心点为固定点以z轴为轴心在-30
°
～30
°
内以10
°
/h往复转动，以阳极顶面的中心点为固定点在yz平面内在-30
°
～30
°
之间以15
°
/h周期性匀速摆动，以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动5
°
，转动的轴心为y轴，最终形成熔盐表面极距大，熔盐内部极距小；获得的电流效率为90％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高30％。
34.实施例2
35.同实施例1
36.不同之处在于，执行机构的第二电机的电机轴10旋转，以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动15
°
，进行电解，获得的电流效率为88％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高27％。
37.实施例3
38.同实施例1
39.不同之处在于，执行机构的第二电机的电机轴10旋转，以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动28
°
，进行电解，获得的电流效率为84％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高29％。
40.实施例4
41.同实施例1
42.不同之处在于，所述的执行机构不包括第一电机7和第一电机的电机轴8，而是将第二电机9固定连接在z向升降杆6的上方；此外，执行机构的第二电机的电机轴10旋转，使得阳极以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动45
°
，进行电解，获得的电流效率为82％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高20％。
43.实施例5
44.同实施例1
45.不同之处在于，所述的执行机构不包括z向升降杆6、第一电机7和第一电机的电机轴8，而是将第二电机9固定连接在全向移动底座5的上方；此外，执行机构的第二电机的电机轴10旋转，使得阳极以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动10
°
，进行电解，获得的电流效率为92％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高15％。
46.实施例6
47.同实施例1
48.不同之处在于，全向移动底座5绕z轴旋转，使得阳极以阳极顶面的中心点为固定点以z轴为轴心在-30
°
～30
°
内以30
°
/h往复转动；此外，执行机构的第二电机的电机轴10旋转，使得阳极以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动10
°
，进行电解，获得的电流效率为86％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高29％。
49.实施例7
50.同实施例1
51.不同之处在于，全向移动底座5沿y轴向往复移动，使得阳极沿y轴方向两侧往复移动，移动最大距离为阳极在y方向长度的30％，移动速度为以5小时为一周期；此外，执行机构的第二电机的电机轴10旋转，使得阳极以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动13
°
，进行电解，获得的电流效率为82％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高29％。
52.实施例8
53.同实施例1
54.不同之处在于，全向移动底座5沿y轴向往复移动并绕z轴旋转，使得阳极沿y轴方向两侧往复移动，移动最大距离为阳极在y方向长度的30％，移动速度为以2小时为一周期，
以阳极顶面的中心点为固定点以z轴为轴心在-30
°
～30
°
内以20
°
/h往复转动；此外，执行机构的第二电机的电机轴10旋转，使得阳极以阳极顶面的中心点为固定点在xz平面内使得阳极低端向阴极转动7
°
，进行电解，获得的电流效率为95％，和阳极固定不动的等极距电解相比，阳极利用率提高25％。
55.对比例1
56.同实施例1，不同之处在于：阳极电解过程，阳极固定不动，维持和阴极的极距相等，则电流效率为60～75％。