一种覆盖式上插阴极稀土电解槽

1.本发明属于稀土熔盐电解设备领域，具体涉及一种覆盖式上插阴极稀土电解槽。


背景技术：

2.熔盐电解法是生产轻稀土金属的主要方法。目前采用的稀土熔盐电解槽为敞口的上插式阴极和上插式阳极电解槽。
3.这种上插式电极电解槽，电流效率较低，一般介于60％-75％之间。由于上部敞口，热量散失大，能量利用率低。此外，阳极在熔盐表面的区域处于气-液-固三相交界面，在电化学反应、化学反应及机械冲刷共同作用下，此区域阳极消耗快，导致残极率较高。
4.专利cn101845641b发明了一种沉浸式稀土电解槽，阳极从槽的侧部进电，阳极浸入熔盐中，有助于提高电解电流利用率，降低槽电压，但阳极的更换和连接较为困难；专利cn204174293u发明了一种带炉盖的电解槽，能够提高电能利用率，但炉盖将增加换极操作的难度；专利cn202626314u、cn103397350a、cn209162215u根据阳极的实际消耗状态，发明了阳极上部厚，下部薄的结构，即加厚处于三相界面部分阳极，以此提高阳极的使用寿命，提高阳极利用率，然而减小液面附近极距将降低电流效率。


技术实现要素：

5.针对上述不足之处，本发明提供了一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，通过在熔盐表面添加覆盖块，增加电解槽保温、减少表面电流、进而减弱表面电化学反应，达到提高能量利用率，减少残极率，提高电流效率的目的。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳、位于电解槽槽壳内部周围的上插式阳极，位于电解槽槽壳中间的上插式阴极，位于上插式阴极下方盛接液态金属的坩埚，位于上插式阴极、上插式阳极之间部分浸入熔盐电解质的覆盖块。
8.其中，所述的覆盖块，选用的材料为石墨、氮化硼、碳化硼、钨、钼、不锈钢中的一种或几种。
9.所述的覆盖块的形状为连续或不连续的环形柱体，环形的形状为圆形、方形、多边形中的一种，环形的内边界不接触上插式阴极，环形的外边界不接触上插式阳极。
10.所述的覆盖块位于上插式阴极和上插式阳极之间，与上插式阴极和上插式阳极绝缘。
11.所述的覆盖块部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极浸入熔盐电解质的深度；
12.所述的位于上插式阴极、上插式阳极之间部分浸入熔盐电解质的覆盖块，还可以用在上插式阳极和/或上插式阴极表面涂覆涂层的方式替代，更优选为在上插式阴极表面涂覆涂层；
13.所述的涂层选用的材料为绝缘材料；
14.在上插式阴极和/或上插式阳极涂覆的涂层，部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极插入熔盐电解质的深度；
15.当为上插式阳极和上插式阴极表面均涂覆涂层时，优选为涂覆长度一致。
16.采用上述覆盖式上插阴极稀土电解槽，进行稀土熔盐电解时，所述的电解槽电流效率大于80％。
17.与现有的技术相比，本发明的特点和有益的效果是：
18.(1)能够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；
19.(2)能够提高阳极使用寿命，降低残极率，表面覆盖降低了三相界面处的反应程度，减少了界面处的消耗，进而提高了阳极整体的使用寿命；
20.(3)熔盐表面采用覆盖块覆盖，增加了熔盐保温，减少了热量散失，进而达到降低能耗的目的。
21.(4)采用阴极表面涂覆涂层的方法，不仅能够达到与覆盖块相同的电流效率，而且涂覆涂层与阴极为一体，便于操作。
附图说明
22.图1为本发明实施例的一种覆盖式上插阴极稀土电解槽主视图；
23.图2为本发明实施例的一种覆盖式上插阴极稀土电解槽俯视图；
24.图3为本发明实施例的一种覆盖式上插阴极稀土电解槽中的不连续覆盖块的结构示意图；
25.以上图中，1—上插式阳极；2—石墨坩埚；3—电解槽槽壳；4—熔盐电解质；5—盛装稀土金属的坩埚；6—上插式阴极；7—连续的覆盖块；8—孔隙；9—加料孔；10—不连续的覆盖块。
具体实施方式
26.下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
27.实施例1
28.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩埚5，在上插式阴极6、上插式阳极1之间部分浸入熔盐电解质的连续的覆盖块7；其中，连续的覆盖块7和上插式阳极1和上插式阴极6之间形成孔隙8，或用绝缘材料填充孔隙8。本实施例采用的连续的覆盖块7为环形柱体石墨，在连续的覆盖块7中间设置有加料孔9，覆盖式上插阴极稀土电解槽的俯视图见图2，环形柱体石墨部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极浸入熔盐电解质的深度。
29.本实施例的稀土金属为镧，通过电解实验，电流效率为85％。
30.实施例2
31.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电
解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩埚5，在上插式阴极6、上插式阳极1之间部分浸入熔盐电解质的不连续的覆盖块10；其中，不连续的覆盖块10和上插式阳极1和上插式阴极6之间形成孔隙8，或用绝缘材料填充孔隙8。本实施例采用的不连续的覆盖块10为多边形金属钨，其结构见图3，多边形金属钨部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极浸入熔盐电解质的深度。
32.本实施例的稀土金属为铈，通过电解实验，电流效率为95％。
33.实施例3
34.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩埚5，在上插式阴极6、上插式阳极1之间部分浸入熔盐电解质的连续的覆盖块7；其中，连续的覆盖块7和上插式阳极1和上插式阴极6之间形成孔隙8，或用绝缘材料填充孔隙8。本实施例采用的连续的覆盖块7为圆环形的碳化硼，圆环形的碳化硼部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极浸入熔盐电解质的深度。
35.本实施例的稀土金属为镨，通过电解实验，电流效率为90％。
36.实施例4
37.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩埚5，阴极表面涂覆绝缘涂层，绝缘涂层部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极插入熔盐电解质的深度；其中，当为上插式阳极和上插式阴极表面均涂覆涂层时，优选为涂覆长度一致。
38.本实施例的稀土金属为钕，通过电解实验，电流效率为80％。
39.实施例5
40.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩埚5，在上插式阴极6、上插式阳极1之间部分浸入熔盐电解质的不连续的覆盖块10；其中，不连续的覆盖块10和上插式阳极1和上插式阴极6之间形成孔隙8，或用绝缘材料填充孔隙8。本实施例采用的不连续的覆盖块10为环形柱体不锈钢，环形柱体不锈钢部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极浸入熔盐电解质的深度。
41.本实施例的稀土金属为镝铁合金，通过电解实验，电流效率为88％。
42.实施例6
43.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩
埚5，在上插式阴极6、上插式阳极1之间部分浸入熔盐电解质的不连续的覆盖块10；其中，不连续的覆盖块10和上插式阳极1和上插式阴极6之间形成孔隙8，或用绝缘材料填充孔隙8。本实施例采用的不连续的覆盖块10为环形柱体不锈钢，环形柱体不锈钢部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极浸入熔盐电解质的深度。
44.本实施例的稀土金属为铽铁合金等稀土铁合金，通过电解实验，电流效率为89％。
45.实施例7
46.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩埚5，在上插式阴极6、上插式阳极1之间部分浸入熔盐电解质的连续的覆盖块7；其中，连续的覆盖块7和上插式阳极1和上插式阴极6之间形成孔隙8，或用绝缘材料填充孔隙8。本实施例采用的连续的覆盖块7为环形柱体氮化硼，环形柱体氮化硼部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极浸入熔盐电解质的深度。
47.本实施例的稀土金属为铈，通过电解实验，电流效率为92％。
48.实施例8
49.一种覆盖式上插阴极稀土电解槽，其主视图见图1，包括用于盛装熔盐电解质的电解槽槽壳3、在电解槽槽壳3的内壁设置有石墨坩埚2，在石墨坩埚2内部周围设置有上插式阳极1，设置在电解槽槽壳3中间的上插式阴极6，位于上插式阴极6下方盛接稀土金属的坩埚5，阴极表面涂覆绝缘涂层，绝缘涂层部分露于熔盐电解质外面，部分浸入熔盐电解质中，浸入熔盐电解质的深度小于上插式阴极插入熔盐电解质的深度；其中，当为上插式阳极和上插式阴极表面均涂覆涂层时，优选为涂覆长度一致。
50.本实施例的稀土金属为镧，通过电解实验，电流效率为88％。
51.对比例1
52.同实施例1，不同之处在于，未设置覆盖块，则电解稀土金属镧、铈、镨、钕、稀土铁合金等的电流效率均小于80％。