用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽。该电解槽包括电解槽槽体及设置在电解槽槽体内的阳极和阴极，阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，阳极单元组与阴极单元组交替排列。应用本发明专利技术的技术方案，由于阳极单元组与阴极单元组是交替平行排列的，因此，本发明专利技术的电解槽阴、阳极电流密度小，尤其是阴极电流密度较小，减少了电解槽的能耗。另外，本发明专利技术的槽型结构简单，电解槽电解容量易于扩大：与现有技术比较，本发明专利技术电解槽无中心布局特征，阴阳极交替平行排列，槽型易于大型化，本发明专利技术电解槽电解容量可扩展至几万安培甚至十几万安培。

【技术实现步骤摘要】
用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺
本专利技术涉及稀土火法冶炼
，具体而言，涉及一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺。
技术介绍
我国稀土金属及其合金产量占世界产量的90%以上，熔盐电解法是生产轻稀土金属和中重稀土合金的主流工艺，其中又以氟化物体系氧化物电解工艺为主，90%以上稀土金属产品是由熔盐电解法生产。目前，国内熔盐电解法工业化生产主流槽型为6000-8000安培，少数厂家单槽容量达到10000安培。25000安培电解槽型由于经济技术指标有待于进一步完善仅在个别企业运行。中国专利CN85100748A公开了一种连续生产金属钕及钕铁合金的槽型结构（图1所示），该槽型由石墨槽体、带有凸缘的石墨筒阳极和钼棒（或铁棒）阴极组成，电极由一根钼（或铁）棒阴极和一个石墨桶组成，即一组阴阳极构成，钼（或铁）棒从石墨桶阳极中心垂直插入盐浴，阴极为电解槽中心，阳极（石墨桶）对其进行环绕。它适用于连续电解生产金属钕、镧、铈、镨及其合金，扩大试验为1000～1100A规模。中国专利01212927.5公开了一种多阴极多阳极电解槽（图2所示），多个阳极板沿石墨槽内壁围成一个矩形框，阴极依次间隔排列于阳极板之间，电解槽内多个阴极在其纵向轴线上排列，阳极围成长方形框对阴极环绕，形成明显的以多阴极为中心的布局结构。该技术用于熔盐电解制备稀土金属，实施例显示，其阴极电流密度6A/cm2、阳极电流密度1.6A/cm2，规模可达几万或十几万安培。中国专利02240881.9公开了一种熔盐电解生产稀土金属的圆形万安培电解槽（图3所示），这种电解槽采用圆形石墨槽，阳极为多层，阴极为多个；从电解槽中心位置向外，中心位置为圆柱状阳极，环绕中心圆柱状阳极为多根阴极，最外层为圆环型的阳极。该电解槽型为环形结构，阴极为一组，阳极为两组，槽中心为柱状阳极，双层阳极对环形多阴极形成环绕。中国专利200510054067.4公开了一种熔盐电解法生产镝铁合金的工艺及设备（图4所示），其采用的电解槽由棒状铁阴极和多块弧型石墨阳极板构成，电解槽压8～10V。目前镝铁合金工业化生产即采用这种槽型结构。以上现有技术涉及的稀土氧化物熔盐电解槽型结构及工艺的共同特点主要是：1、阴极均被阳极通过各种形式进行环绕；2、电解槽阴阳极的布置中心特征明显，或以阴极为中心，或以阳极为中心，向四周依次排布；3、阴阳极面积均为不对称设计，使得阴极电流密度>5A/cm2，明显偏高于阳极电流密度；4、电解槽压普遍较高，达8V以上。但是上述电解槽存在电流密度偏高，能耗较大等技术问题。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺，以解决现有技术中电解槽存在电流密度偏高，能耗较大的技术问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽。该电解槽包括电解槽槽体及设置在电解槽槽体内的阳极和阴极，阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，阳极单元组与阴极单元组交替排列。进一步地，阳极和阴极的下缘齐平，与电解槽槽底平面的距离＜20cm。进一步地，电解槽槽体包括：石墨槽体；依次设置在石墨槽体外表面的内保护套、保温层和外保护套；坩埚，设置在石墨槽体的底部；绝缘板，设置在石墨槽体、保温层和外保护套的顶端；以及炉台板，设置绝缘板的上表面。进一步地，电解槽槽体为矩形槽体，阳极单元组中的阳极单元和阴极单元组中的阴极单元平行于电解槽槽体的一个侧壁平行排布。进一步地，稀土金属为选自镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、镥、钪、钇中的一种或多种；合金为选自镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土镁合金、稀土铝合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金或稀土锰合金中的一种或多种。进一步地，阳极单元组的材料为石墨。进一步地，电解槽用于制备稀土金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土镁合金和稀土铝合金时，阴极的材料为金属钨或金属钼；在制备稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金和稀土锰合金时，阴极的材质为待电解稀土金属相对应的金属铁、金属铜、金属钴、金属镍、金属钛、金属铬、金属锰。进一步地，坩埚的材质为选自金属钨、金属钼、金属钛中的一种。根据本专利技术的另一个方面，提供一种制备稀土金属及其合金的电解工艺，采用上述电解槽进行制备稀土金属及其合金。进一步地，在氟化物熔盐电解质体系中，电解稀土氧化物或稀土氧化物与合金化金属氧化物的混合物时，阳极单元组和阴极单元组间的距离控制在4～10cm，电解电压小于7V，阴极电流密度为1～5A/cm2，阳极电流密度为0.5～1A/cm2，电解温度控制在1000～1200℃。进一步地，在制备金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金、稀土锰合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3和氟化锂LiF组成，电解原料为稀土氧化物REO，并根据所制备的稀土金属或稀土合金选择相应的稀土氟化物和稀土氧化物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（80～95）：（20～5）的REF3：LiF。进一步地，在制备稀土镁合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和氟化镁MgF2组成，电解原料为稀土氧化物REO、氧化镁MgO、和稀土氟化物的混合物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（70～90）：（0～5）：（5～30）的REF3：MgF2：LiF，电解原料包括重量比为（40～90）：（60～10）的REO：MgO。进一步地，在制备稀土铝合金时，氟化物熔盐电解质体系由稀土氟化物REF3、氟化锂LiF和冰晶石nNaF·AlF3组成，电解原料为稀土氧化物REO、氧化铝Al2O3和稀土氟化物的混合物，其中，氟化物熔盐电解质体系包括重量比为（60～90）：（5～20）：（5～20）的REF3：nNaF·AlF3：LiF，电解原料包括重量比为（60～92）：（40～8）的REO：Al2O3。应用本专利技术的技术方案，由于阳极单元组与阴极单元组是交替平行排列的，因此，本专利技术的电解槽阴、阳极电流密度小，尤其是阴极电流密度较小，减少了电解槽的能耗。另外，本专利技术的槽型结构简单，电解槽电解容量易于扩大：与现有技术比较，本专利技术电解槽无中心布局特征，阴阳极交替平行排列，槽型易于大型化，本专利技术电解槽电解容量可扩展至几万安培甚至十几万安培。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了中国专利CN85100748A公开的一种连续生产金属钕及钕铁合金的槽型结构；图2示出了中国专利01212927.5公开的一种多阴极多阳极电解槽；图3示出了中国专利02240881.9公开的一种熔盐电解生产稀土金属的圆形万安培电解槽；图4示出了中国专利200510054067.4公开的一种熔盐电解法生产镝铁合金的工艺及设备；图5示出了根据本专利技术实施例的电解槽槽型热场分布示意图；图6示出了根据本专利技术实施例的电解槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽，包括电解槽槽体及设置在所述电解槽槽体内的阳极和阴极，其特征在于，所述阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，所述阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，所述阳极单元组与所述阴极单元组交替排列。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备稀土金属及其合金的电解槽，包括电解槽槽体及设置在所述电解槽槽体内的阳极和阴极，其特征在于，所述阳极由两组或两组以上的阳极单元组组成，所述阴极由两组或两组以上的阴极单元组组成，所述阳极单元组与所述阴极单元组交替排列，所述阳极单元组由两个或两个以上的阳极单元线性排列组成，所述阴极单元组由两个或两个以上的阴极单元线性排列组成。2.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述阳极和阴极的下缘齐平，与所述电解槽槽底平面的距离＜20cm。3.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽槽体包括：石墨槽体；依次设置在所述石墨槽体外表面的内保护套、保温层和外保护套；坩埚，设置在所述石墨槽体的底部；绝缘板，设置在所述石墨槽体、所述保温层和所述外保护套的顶端；以及炉台板，设置所述绝缘板的上表面。4.根据权利要求2所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽槽体为矩形槽体，所述阳极单元组中的所述阳极单元和所述阴极单元组中的所述阴极单元平行于所述电解槽槽体的一个侧壁平行排布。5.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述稀土金属为选自镧、铈、镨、钕、钐、钆、铽、镝、钬、铒、镥、钪、钇中的一种或多种；所述合金为选自镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土铁合金、稀土镁合金、稀土铝合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金或稀土锰合金中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述阳极单元组的材料为石墨。7.根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽用于制备稀土金属镧、铈、镨、钕、混合稀土金属、镨钕合金、镨钕镝合金、铽镝合金、稀土镁合金和稀土铝合金时，所述阴极的材料为金属钨或金属钼；在制备稀土铁合金、稀土铜合金、稀土钴合金、稀土镍合金、稀土钛合金、稀土铬合金和稀土锰合金时，所述阴极的材质为待电解稀土金属相对应的金属铁、金属铜、金属钴、金属镍、金属钛、金属铬、金属锰。8.根据权利要求3所述的电解槽，其特征在于，所述坩埚的材质为选自金属钨、金属钼...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗安，庞思明，王志强，陈德宏，朱琼，王祥生，徐建林，陈博雨，周林，徐立海，赵斌，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，有研稀土新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11