CN114752967A - 一种集群式稀土金属熔盐电解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集群式稀土金属熔盐电解装置，包括电解槽、钨阴极及石墨阳极，所述钨阴极为集群式电极，由多个钨电极模块围绕所述电解槽的中心轴组合而成；所述石墨阳极由多个石墨电极模块围绕所述钨阴极并联而成，且所述石墨阳极的长度为所述电解槽内膛深度的2倍以上；所述电解装置还包括：阴极升降组件，固定连接于所述钨阴极的顶部，用于驱动所述钨阴极的抬升与降落；阴极支撑平台，用于固定所述阴极升降组件；阳极升降组件，一一固接于所述石墨电极模块的顶部，用于分别驱动每个所述石墨电极模块的抬升与降落；阳极升降平台，用于固定所述阳极升降组件。
Description
技术领域
本发明涉及稀土电解槽设备技术领域，尤其涉及一种集群式稀土金属熔盐电解装置。
背景技术
稀土(Rare earth)是一组同时具有电、磁、光、超导、催化以及生物等多种特性的新型功能材料，包括元素周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素，是信息技术、生物技术、新材料、新能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业，如农业、化工、建材等起着重要作用。
目前，熔盐电解法是国内生产混合和单一稀土金属及合金的主要方法之一，主要用来提取在水溶液中不能制取的一些活性金属，如Li、Na、K、Mg、Ti、Ta、Zr等，此种方法具有较高的离子电导、较高的扩散系数、较低的粘度和快速的电极反应等优点。
在进行稀土电解的过程中，需要使用3000～8000安的中型电解槽和万安以上的大型电解槽，其中电解槽的材质为石墨，并且将石墨作为阳极，钨棒为阴极，通过直流电解制备稀土金属，在电解槽底部装有承接钨坩埚作为金属液接收器。在现有技术中，石墨阳极一般是由分散的多片石墨瓦片拼接而成，因此在电化学、化学反应、熔盐侵蚀和机械力的作用下，石墨阳极是消耗性的，因而阳极电解到一定的时间后就会消耗掉需更换新阳极方能继续电解。
目前在更换阳极时，常用方法为：先将已电解出来的金属从电解槽中钳出倒干净，并舀出一定数量的熔盐，防止入新阳极后熔盐溢出，然后将阳极导线拆下，提走旧阳极残部，清理熔盐中掉落的污物，放入新阳极将阳极导线接好，用交流电弧升温，至电解温度后，升起石墨电极，放入承接钨坩埚继续通电按电解操作进行电解。
但是在实际电解过程中，石墨阳极的寿命平均只有50～60小时，若使用时间过长，其体积骤减，造成表面积缩小，有效面积降低。当表面积过小时，阳极的电流密度最大，易产生阳极效应，电解液温度升高，使还原的稀土金属液会被逆向溶解，影响金属液的出产率，而且极距增大会使得电解效率明显降低。基于此，石墨阳极需要频繁更换，影响了稀土的生产效率，增加了操作成本。
进一步地，对于圆形电解槽而言，当电解电流扩大至万安级及以上时，必然会导致钨阴极的外径增大，从而导致钨阴极重量大幅增加，同时制造成本和生产成本大幅增加。
进一步地，阴极升降***也是稀土电解炉组成的一部分，该***在电解过程中主要用于固定阴极，防止在电解过程中摆动，让阴极始终在电解炉中心位置。在电解炉更换或清理电解炉时需要将阴极提升出电解炉，并移动至一侧，需要人工辅助才能实现移动和固定，目前采用定滑轮式升降***，用电机控制，长时间使用存在钢丝绳磨损、磨断现象。
发明内容
本发明公开了一种集群式稀土金属熔盐电解装置，旨在解决现有技术中存在的技术问题。
本发明采用下述技术方案：一种集群式稀土金属熔盐电解装置，包括电解槽、钨阴极及石墨阳极，所述钨阴极为集群式电极，由多个钨电极模块围绕所述电解槽的中心轴组合而成；所述石墨阳极由多个石墨电极模块围绕所述钨阴极并联而成，且所述石墨阳极的长度为所述电解槽内膛深度的2倍以上；
所述电解装置还包括：
阴极升降组件，固定连接于所述钨阴极的顶部，用于驱动所述钨阴极的抬升与降落；
阴极支撑平台，用于固定所述阴极升降组件；
阳极升降组件，一一固接于所述石墨电极模块的顶部，用于分别驱动每个所述石墨电极模块的抬升与降落；
阳极升降平台，用于固定所述阳极升降组件。
作为优选的技术方案，所述钨电极模块呈大致的半圆柱状，且所述钨电极模块的曲面与所述石墨阳极相对；多个所述钨电极模块的上部通过铜板焊接为一个整体，组成钨阴极。
作为优选的技术方案，所述钨电极模块的数量大于4，且截面相对均匀地排布于所述电解槽中；两个相对的钨电极模块间的距离大于150mm。
作为优选的技术方案，所述阴极升降组件为螺旋升降机，所述螺旋升降机包括阴极驱动装置、与所述阴极驱动装置相配合的阴极丝杆、与所述阴极丝杆平行设置的阴极导轨、以及由所述阴极丝杆驱动并滑动装配于所述阴极导轨上的阴极滑块，所述阴极滑块固连于所述钨阴极的顶部，以驱动所述钨阴极的升降。
作为优选的技术方案，所述阴极滑块上还设有钢板套，在所述钢板套内还嵌有用于绝缘的电木。
作为优选的技术方案，所述阴极支撑平台一端固定于墙体或其他支撑物上，另一端与所述阴极升降组件连接；所述阳极升降平台的一端亦固定于墙体或其他支撑物上，另一端与所述阳极升降组件连接，且所述阳极升降平台设置于所述阴极支撑平台的上方。
作为优选的技术方案，所述石墨电极模块的数量为N个，6≤N≤10；其中N-1个所述石墨电极模块的长度为所述电解槽内膛深度的2倍以上，剩余1个所述石墨电极模块的长度为所述电解槽内膛深度的1.2倍。
作为优选的技术方案，所述阳极升降组件包括N-1个丝杠升降机，所述丝杠升降机与长度大于2倍内膛深度的所述石墨电极模块一一连接，以分别驱动所述每个所述石墨电极模块的升降。
作为优选的技术方案，在距离所述石墨阳极顶端约50mm处设有定位卡盘，所述卡盘上设置与所述石墨电极模块相配合的孔，用于在所述石墨电极模块升降时保证其保持竖直角度。
作为优选的技术方案，还包括覆盖于所述电解槽槽口的水冷式炉盖，在所述水冷式炉盖上还设置有导电盘，所述石墨阳极通过所述导电盘固定于所述水冷式炉盖上。
作为优选的技术方案，所述导电盘上设有供所述石墨电极模块穿过的阳极卡槽，所述石墨电极模块通过阳极紧固装置紧固于所述导电盘上；所述阳极紧固装置包括手轮、压紧螺母及丝杠。
作为优选的技术方案，还包括设置于所述电解槽底部的金属接收器、设置于所述电解槽外部的电解炉内壳及电解炉外壳，所述电解炉内壳与所述电解炉外壳均为无底的钢质保护壳。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
(1)本发明通过采用半圆柱状的集群式阴极和增加阳极长度的排列方式，实现了稀土熔盐电解扩容和增产的目的。
(2)本发明通过将稀土金属电解装置中钨阴极改为集群式电极，且将每个钨电极模块设计为半圆柱状，两个阴极相对的位置，电流密度低，使得电场线分布在阳极和阴极之间参与电解反应的区域，不但可以降低投入成本，还可以降低阴极之间电场相互影响。
(3)通过增长石墨阳极的长度，并且在每个石墨电极模块的上方均安装了阳极升降组件，当参与电解反应的相应石墨电极模块消耗至难以维持正常的电解反应时，可进行局部裁剪处理，无需整体更换，提高了生产效率。
(4)在钨阴极和石墨阳极的上方均安装了机械升降组件，降低了人工操作强度。
(5)在设计石墨阳极时将N-1片石墨电极模块设计为电解槽内膛深度的两倍长，留一片石墨电极模块仍保留为电解槽内膛深度的1.2倍长，便于观察稀土的电解反应及金属的出炉操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例公开的集群式稀土金属熔盐电解装置的整体结构示意图；
图2为图1的F-F向剖视图；
图3为图1的C-C向剖视图；
图4为图1中L的局部放大图；
图5为图1的G-G向剖视图；
图6为图1的N-N向剖视图；
附图标记说明：
电解槽100，电解炉内壳110，电解炉外壳120，金属接收器130，水冷式炉盖140；钨阴极200，钨电极模块210，阴极导线220；阴极升降组件300，阴极支撑平台310；石墨阳极400，石墨电极模块410，阳极导线420，导电盘430，阳极卡槽431，阳极紧固装置440，手轮441，丝杠442，压紧螺母443；阳极升降组件500，阳极升降平台510；定位卡盘600。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明提供的集群式稀土金属熔盐电解装置的结构示意图。
本发明提供了一种集群式稀土金属熔盐电解装置，如图1—图6所示，该电解装置包括电解槽100、钨阴极200、石墨阳极400、阴极升降组件300、阴极支撑平台310、阳极升降组件500、阳极升降平台510、水冷式炉盖140、导电盘430、定位卡盘600、电解炉内壳110、电解炉外壳120、金属接收器130。
鉴于在现有技术中大型圆形稀土金属熔盐电解槽100中，当当电解电流扩大至万安级及以上时，会导致需要采用的钨阴极200的重量及体积大幅提高，而大体积的钨阴极200造价高昂，会导致生产成本提高，因此在本申请一种优选实施例中，如图2所示，将钨阴极200设计为集群式电极，具体为：采用多个半圆柱状钨电极模块210围绕电解槽100的中心轴组合而成，其中半圆柱状的钨电极模块210的曲面与石墨阳极400相对，数量可以是4、6、8或更多，并围绕电解槽100的中心轴均匀排布于其中，多个钨电极模块210的上部通过铜板焊接为一个整体，阴极导线220连接在铜板上，如图6，组成集群式的钨阴极200。具体的，将钨阴极200设计为半圆形在于：两个阴极相对的位置，电流密度低，可以使得电场线分布在阳极和阴极之间参与电解反应的区域；且采用这样的设置方式，可以有效降低钨阴极200的重量，在大型的圆形电解槽100中也可以满足使用要求；且集群式的钨阴极200在降低制造成本的同时还可以降低阴极之间电场相互影响，提高了生产效率。进一步地，多个钨电极模块210与铜板的连接也不限于焊接一种方式，只要是能够实现二者牢固连接并能够实现电连通的连接方式均可采用。
在一种优选实施例中，在围绕电解槽100中心轴排布的钨电极模块210中，在截面上两个相对的钨电极模块210的距离大于150mm，以保证在阴极发生的最好的电解反应效果。
优选的，如图1、图4，为了在电解过程中固定钨阴极200，防止其电解过程中摆动，并让钨阴极200始终在电解炉中心位置；以及为了方便在电解炉更换或清理电解炉时将阴极提升出电解炉并移动至一侧，在钨阴极200的上方设置了阴极升降组件300及阴极支撑平台310。其中，该阴极支撑平台310用于固定阴极升降组件300；具体地，该阴极支撑平台310的一端固定于墙体或其他支撑物上，另一端与阴极升降组件300相连；进一步地，该阴极支撑平台310可以是三角形支撑架，或其他形状的、可以稳定支撑阴极升降组件300的支架。
在一种优选实施例中，阴极升降组件300为螺旋丝杆升降机，该螺旋丝杆升降机包括阴极驱动装置、阴极丝杆、阴极导轨和阴极滑块。具体地，该阴极驱动装置可以采用驱动电机，驱动电机通过带动减速箱进而带动阴极丝杆转动；阴极导轨与阴极丝杆平行设置，阴极滑块由阴极丝杆驱动并滑动装配于阴极导轨上，阴极丝杆由驱动电机驱动后进而带动阴极滑块的升降，进一步地，由于阴极滑块固连于钨阴极200的顶部，因此可以实现钨阴极200高度的调整。应当理解的是，上述通过设置螺旋丝杆升降机来实现滑块上下移动的方案为本领域常见的技术手段，在此不予赘述。
进一步地，在阴极滑块上还设有钢板套，钢板套内还嵌有用于绝缘的电木。
在另一种优选实施例中，阴极升降组件300为螺旋丝杠升降机，该螺旋丝杠升降机包括阴极驱动装置和阴极丝杠。该阴极驱动装置依然采用驱动电机，驱动电机通过带动蜗杆、涡轮进而带动阴极丝杠的升降，钨阴极200直接固连于阴极丝杠的下端，由阴极丝杠带动钨阴极200来实现高度调整。在具体实现时，上述设置均为现有技术中比较常见的技术方案，在此不再赘述。
参考图2，在一种优选实施例中，石墨阳极400由N个石墨电极模块410围绕钨阴极200并联而成，优选的，6≤N≤10，在图2中优选的示例中为7个；进一步地，由于石墨阳极400位于电解液面以上的部分会被电解过程中排放的各种热气体所烧损，而浸泡在电解液中的部分则会在电化学、化学反应、熔盐侵蚀和机械力的作用下自耗，在现有技术中，石墨阳极400的寿命平均只有50～60小时，而石墨阳极400的消耗成本占稀土生产加工成本的1/5—1/4，且更换石墨阳极400会消耗大量时间，降低了稀土的生产效率，因此，提高石墨阳极400的寿命，减少其更换频率，在本实施例中，将N个石墨电极模块410的长度均设计为电解槽100内膛深度的2倍以上，在每个石墨电极模块410的顶部再固接阳极升降组件500，便于在下方的某个石墨电极模块410损耗后抬升其高度，进行局部裁剪处理后落回电解槽100，以继续进行稀土的电解。
在另一种优选实施例中，将N-1个石墨电极模块410的长度设计为电解槽100内膛深度的2倍以上，剩余1个石墨电极模块410的长度为电解槽100内膛深度的1.2倍，其中，长度大于2倍内膛深度的N-1个石墨电极模块410可以调节高度、裁剪并落回继续电解，而剩余一个石墨电极模块410不再连接阳极升降组件500，而是用于观察稀土的电解反应及便于金属的出炉操作。
参考图1、图4，优选的，阳极升降组件500为丝杠升降机，数量为N-1个，用以和长度大于2倍内膛深度的N-1个石墨电极模块410一一相连，以分别驱动每个石墨电极模块410的升降，当发现某个石墨电极模块410的损耗达到一定程度后，通过控制相应的丝杠升降机对其进行抬升，进行局部裁剪处理后再落回电解槽100，以继续进行稀土的电解。具体地，该丝杠升降机包括驱动装置、丝杠、导轨和滑块，具体设置可以参考上述的实施例，在此不再赘述。与此同时，本领域技术人员可知的是，也可以不设置滑块的导轨，通过驱动装置调节丝杠的升降，来带动相应的石墨电极模块410，而装置之间具体的连接方式为现有技术，在此不再赘述。
优选的，由于石墨电极模块410高度的限制，如图1，在阴极支撑平台310的上方设置阳极升降平台510，该阳极升降平台510与阴极支撑平台310相同：一端固定于墙体或其他支撑物上，另一端与阳极升降组件500相连；二者的具体形状可以相同也可以不同，只要是能稳定支撑阴极升降组件300和阳极升降组件500的支架均可。
在一种优选实施方式中，在距离石墨阳极400顶端约50mm处设有定位卡盘600，如图4，卡盘上设置与石墨电极模块410相配合的孔，用于在石墨电极模块410升降时保证其保持竖直角度。
参考图1、图5，电解槽100槽口覆盖有水冷式炉盖140，用来降低产品中非稀土铁杂质含量，延长石墨槽和阳极接头的使用寿命；在水冷式炉盖140上还设置有导电盘430，上述石墨电极模块410通过该导电盘430固定于水冷式炉盖140上。进一步地，在导电盘430上设有供石墨电极模块410穿过的阳极卡槽431，石墨电极模块410通过阳极紧固装置440紧固于所述导电盘430上；阳极紧固装置440包括手轮441、压紧螺母443及丝杠442，阳极导线420连接于该导电盘430上。
参考图2、图3，在一种优选实施方式中，在电解槽100底部设有金属接收器130，在电解槽100的外部设有电解炉内壳110及电解炉外壳120，该电解炉内壳110与电解炉外壳120均为无底的钢质保护壳，进一步地，可以在电解炉内壳110与电解槽100侧壁间填充耐火材料，以有效的将石墨槽外壁与空气隔绝，防止电解溶液渗漏现象，延长电解槽100使用寿命。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)本发明通过采用半圆柱状的集群式阴极和增加阳极长度的排列方式，实现了稀土熔盐电解扩容和增产的目的。
(2)本发明通过将稀土金属电解装置中钨阴极改为集群式电极，且将每个钨电极模块设计为半圆柱状，两个阴极相对的位置，电流密度低，使得电场线分布在阳极和阴极之间参与电解反应的区域，不但可以降低投入成本，还可以降低阴极之间电场相互影响。
(3)通过增长石墨阳极的长度，并且在每个石墨电极模块的上方均安装了阳极升降组件，当参与电解反应的相应石墨电极模块消耗至难以维持正常的电解反应时，可进行局部裁剪处理，无需整体更换，提高了生产效率。
(4)在钨阴极和石墨阳极的上方均安装了机械升降组件，降低了人工操作强度。
(5)在设计石墨阳极时将N-1片石墨电极模块设计为电解槽内膛深度的两倍长，留一片石墨电极模块仍保留为电解槽内膛深度的1.2倍长，便于观察稀土的电解反应及金属的出炉操作。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。
Claims (12)
1.一种集群式稀土金属熔盐电解装置，包括电解槽、钨阴极及石墨阳极，其特征在于，
所述钨阴极为集群式电极，由多个钨电极模块围绕所述电解槽的中心轴组合而成；
所述石墨阳极由多个石墨电极模块围绕所述钨阴极并联而成，且所述石墨阳极的长度为所述电解槽内膛深度的2倍以上；
所述电解装置还包括：
阴极升降组件，固定连接于所述钨阴极的顶部，用于驱动所述钨阴极的抬升与降落；
阴极支撑平台，用于固定所述阴极升降组件；
阳极升降组件，一一固接于所述石墨电极模块的顶部，用于分别驱动每个所述石墨电极模块的抬升与降落；
阳极升降平台，用于固定所述阳极升降组件。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述钨电极模块呈大致的半圆柱状，且所述钨电极模块的曲面与所述石墨阳极相对；多个所述钨电极模块的上部通过铜板焊接为一个整体，组成钨阴极。
3.根据权利要求2所述的电解装置，其特征在于，所述钨电极模块的数量大于4，且截面相对均匀地排布于所述电解槽中；两个相对的钨电极模块间的距离大于150mm。
4.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述阴极升降组件为螺旋升降机，所述螺旋升降机包括阴极驱动装置、与所述阴极驱动装置相配合的阴极丝杆、与所述阴极丝杆平行设置的阴极导轨、以及由所述阴极丝杆驱动并滑动装配于所述阴极导轨上的阴极滑块，所述阴极滑块固连于所述钨阴极的顶部，以驱动所述钨阴极的升降。
5.根据权利要求4所述的电解装置，其特征在于，所述阴极滑块上还设有钢板套，在所述钢板套内还嵌有用于绝缘的电木。
6.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述阴极支撑平台一端固定于墙体或其他支撑物上，另一端与所述阴极升降组件连接；所述阳极升降平台的一端亦固定于墙体或其他支撑物上，另一端与所述阳极升降组件连接，且所述阳极升降平台设置于所述阴极支撑平台的上方。
7.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述石墨电极模块的数量为N个，6≤N≤10；其中N-1个所述石墨电极模块的长度为所述电解槽内膛深度的2倍以上，剩余1个所述石墨电极模块的长度为所述电解槽内膛深度的1.2倍。
8.根据权利要求7所述的电解装置，其特征在于，所述阳极升降组件包括N-1个丝杠升降机，所述丝杠升降机与长度大于2倍内膛深度的所述石墨电极模块一一连接，以分别驱动所述每个所述石墨电极模块的升降。
9.根据权利要求8所述的电解装置，其特征在于，在距离所述石墨阳极顶端约50mm处设有定位卡盘，所述卡盘上设置与所述石墨电极模块相配合的孔，用于在所述石墨电极模块升降时保证其保持竖直角度。
10.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，还包括覆盖于所述电解槽槽口的水冷式炉盖，在所述水冷式炉盖上还设置有导电盘，所述石墨阳极通过所述导电盘固定于所述水冷式炉盖上。
11.根据权利要求10所述的电解装置，其特征在于，所述导电盘上设有供所述石墨电极模块穿过的阳极卡槽，所述石墨电极模块通过阳极紧固装置紧固于所述导电盘上；所述阳极紧固装置包括手轮、压紧螺母及丝杠。
12.根据权利要求1-11任一项所述的电解装置，其特征在于，还包括设置于所述电解槽底部的金属接收器、设置于所述电解槽外部的电解炉内壳及电解炉外壳，所述电解炉内壳与所述电解炉外壳均为无底的钢质保护壳。
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