一种混合阴极以及应用其的电解炉的制作方法

1.本发明涉及稀土电解领域，具体涉及一种混合阴极，还涉及一种应用有混合阴极的电解炉，通过固定阳极，单独转动阴极即可稳定极距。


背景技术：

2.稀土元素，是元素周期表ⅲb族中镧系和钪、钇共17种元素的总称，常用re或ree表示，具有独特的光学、电学、磁学等性能，是当代高新技术领域的重要原材料。含稀土元素制造的新型功能材料、电子材料、光学材料、特殊合金及有机金属化合物等广泛用于电子信息、新能源、新材料、节能环保、航空航天等高新技术领域。中国稀土矿产资源丰富，为发展稀土工业发展提供了较好的资源条件。在稀土金属及其合金生产中，电解是常用生产方法，稀土金属及其合金生产的电解温度通常在约900℃以上。
3.现有的稀土熔盐电解炉有多种的结构，例如阴极上置、阴极下置和液态下阴极等结构，其中阴极上置的结构产品得率和质量较高，从大型高量产稀土金属冶炼生产看，选用液态阴极结构槽型被认为是稀土熔盐电解下一步的发展方向。与阴极上置相比，下置液态阴极的优势在于：阴极在底部，只有石墨阳极在电解槽上部，因此电解炉上部空间较大，便于操作，有利于提高自动化程度；金属直接在槽底析出，金属溶解损失和二次氧化降低，可以提高电流利用率；在上溢过程中阳极气体对熔体扰动相对较小，有利于稳定电解过程，提高槽体使用寿命；可实现底部出金属，便于连续大规模生产，能获得更高的生产效率。
4.但下置液态阴极还存在极距不稳定的技术问题，极距动态变化，且总体上呈现增大的趋势，导致电解速率无法准确控制，经分析，极距不稳定是由于两方面因素的叠加所导致的：其中一因素是阳极的消耗，电解反应属于氧化还原反应原理，阳极作为消耗品，其朝向阴极的电解面与阴极之间的距离即极距，随着阳极逐渐被消耗，极距也随之增大，基于阳极被消耗因素的影响，现有技术存在应对方案，将阳极连接在一升降装置上，通过升降装置将阳极下移以补偿阳极的消耗，但在实际中，极距难以精准获取，电解炉内温度高达900℃以上，常规探测无法适用，目前均是通过得到的金属液产出量换算得到阳极的消耗，以此反馈控制升降装置，但电解炉内反应复杂，无法获取较为可靠的阳极消耗量；另一因素在于，电解炉内反应情况复杂，以及需要添加来料维持反应，使得液态阴极的液面存在波动，因此即使能补偿阳极的消耗，但无法补偿液态阴极因不可预知因素导致的波动现象，再加之，金属液随着反应的进行液面逐渐升高，虽然一定程度补偿了阳极消耗，但无法控制完全补偿，况且达到一定量后，需要通过一定方法例如虹吸法向外抽取金属液，比如导致液态阴极液面骤降，属于可预知的不可避免的极距变动。
5.综上分析，目前下置液态阴极虽然符合大规模生产的发展方向，但极距的恒定控制依然是亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

6.根据背景技术提出的问题，本发明提供一种混合阴极以及应用其的电解炉来解
决，接下来对本发明做进一步地阐述。
7.一种混合阴极，包括托盘，所述托盘包括位于中部的底盘部和连接在底盘部边缘凸起的边缘部，所述底盘部内置固态阴极，固态阴极存在外露于底盘部的部分；托盘内承载液态阴极，固态阴极和液态阴极构成混合阴极。
8.作为优选地，混合阴极的固液体积比为5％:95％；固态阴极在电解初期提供了阴极，提升了电解效率并一定程度提高了托架的稳定性，液态阴极的高度恒定，不受金属液的生成和抽取的影响，维持极距恒定。
9.作为优选地，所述底盘部上设置凸起的突出部，突出部高度接近边缘部高度，突出部之间形成并行和/或交错的沟壑，所述固态阴极于沟壑处外露。作用在于，避免未熔原料或杂质进入液态阴极进而对液态阴极液面高度造成影响。
10.本发明还提供了一种应用有混合阴极的电解炉，混合阴极连接至电源装置的负极，还包括：
11.炉体；
12.托架，设于炉体底部，混合阴极设置在此托架上；
13.阳极，顶部连接升降装置，底部正对混合阴极，所述混合阴极连接至电源装置的负极，阳极连接至电源装置的正极；
14.接收器，设置在混合阴极下方，用于接收混合阴极溢出的金属液。
15.作为优选地，所述混合阴极在炉体炉底的投影落入接收器的范围内，作用在于使金属液能落入接收器内；所述接收器的边缘高于炉体底部，作用在于阻挡杂质成分进入到接收器内。
16.作为优选地，所述炉体顶部于阳极和炉体之间设置有进料口，用于向炉体内持续补充原料；来料的补充量满足维持电解质液面高度恒定。作用在于维持阳极所受浮力不变或小幅度波动。
17.作为优选地，所述阳极顶部通过称量装置连接至升降装置，通过称量装置数值的变动反馈至升降装置控制阳极下移，补偿阳极的消耗，维持极距的恒定。
18.作为优选地，炉体顶部设置有一集气罩，集气罩顶部连接有出气管道，所述阳极贯穿集气罩设置；集气罩上连接出气管道，出气管道在引风机的作用下维持负压；用于在集气罩内形成负压，将电解产生的废气排出。
19.作为优选地，炉体顶部设置有气刀管，气刀管连接至气泵，将保护气体喷向炉体内，对阳极进行保护，同时气流体将废气一同裹挟带出炉体。
20.作为优选地，所述集气罩呈下大上小的喇叭口状；提供部件例如进料口、气刀管的安装空间，底部扩大气体的覆盖面积，易于所产生的废气的排出；所述进料口的出料方向朝向集气罩，电解过程中所添加的原料由进料口泄出后自由落体运动先接触在集气罩上，集气罩的喇叭口状形状对原料存在降速和导向作用。
21.有益效果：与现有技术相比，采用本发明的混合阴极的电解炉，通过半径递增的结构特征补偿阳极在电解过程中的消耗，维持极距的稳定。。
附图说明
22.图1：本发明电解炉的结构示意图；
23.图2：本发明混合阴极的结构剖视示意图；
24.图中：炉体1、托架2、托盘3、底盘部301、边缘部302、突出部303、沟壑304、固态阴极4、阳极5、升降装置6、接收器7、进料口8、称量装置9、集气罩10、出气管道11、气刀管12。
具体实施方式
25.接下来结合附图对本发明的一个具体实施例来做详细地阐述。
26.参考附图1-2，一种混合阴极，设于炉体1底部的托架2上，包括连接在托架2顶部的托盘3，所述托盘3包括位于中部的底盘部301和连接在底盘部边缘凸起的边缘部302，所述底盘部301内置固态阴极4，固态阴极存在外露于底盘部的部分。
27.在电解初期，金属液接触底盘部外露的固态阴极，在固态阴极处发生还原反应，所得的金属液积聚在托盘上，当金属液覆盖底盘部后，金属液与固态阴极共同构成混合阴极，混合阴极继续对熔盐电解，托盘内的液态阴极液面高度逐渐上升，直至液面高度高于边缘部后，从托盘上溢出，维持了托盘内液面高度恒定。
28.本发明设置的混合阴极，包含有固态阴极，优选金属钨，在电解初期提供了阴极，不需要预置液态金属，并且在后续的电解过程中，相比于纯液态阴极，电解效率也更高，还在一定程度提高了托架的稳定性。基于底盘部301和边缘部302的高度差，维持了液态阴极的高度恒定，不受金属液的生成和抽取的影响，消除了背景技术所阐述的液态阴极液面波动对极距变动的不利影响因素。
29.混合阴极的固液体积比优选5％:95％，即固态阴极的体积为托盘3内满装的液态金属体积的十九分之一。
30.所述底盘部301上设置凸起的突出部303，突出部303高度略低于边缘部302，并且在突出部303之间形成并行和/或交错的沟壑304，所述固态阴极4于沟壑处外露，即固态阴极4作为沟壑的底部。作用在于，避免未熔原料或杂质进入液态阴极进而对液态阴极液面高度造成影响。
31.参考附图1，本发明还涉及了一种应用有前述混合阴极的电解炉，包括作为结构主体的炉体1，炉体1底部设置托架2，所述混合阴极设置在此托架2上；混合阴极上方正对设置阳极5，阳极5连接在升降装置6上；所述混合阴极连接至电源装置的负极，阳极5连接至电源装置的正极，所述阳极5采用石墨材质，阳极5、混合阴极之间形成一电场，其间间距即极距，熔盐在此电场内进行氧化还原反应，金属阳离子在混合阴极处得电子形成液态金属。
32.混合阴极正下方设置有接收器7，混合阴极处所得到的液态金属溢出托盘后落入接收器中被收集，所述混合阴极在炉体1炉底的投影落入接收器7的范围内，作用在于使金属液能落入接收器内。所述接收器7的边缘高于炉体底部，作用在于阻挡杂质成分进入到接收器内。
33.所述炉体顶部于阳极5和炉体1之间设置有进料口8，通过进料口向炉体内持续补充原料，来料的补充量满足维持电解质液面高度恒定，作用在于维持阳极所受浮力不变或小幅度波动。
34.进一步地，基于阳极所受浮力不变的特性，所述阳极5顶部通过称量装置9连接至升降装置6，称量装置9数值的变动反应的即使阳极的消耗重量，通过阳极底面积的除法运算即可得到极距的增加值，将增加值反馈至升降装置6，升降装置6控制阳极下移此增加值
距离，维持极距的恒定以及阳极所受浮力的恒定，通过pid反馈控制常规技术即可实现，本实施例不予详细阐述。
35.在电解过程中，阳极5表面存在阳极效应，所谓阳极效应，是阳极和电解质之间电流的传输受到抑制而产生的阻塞现象，高压下甚至能听到爆裂声。在阳极上，氧离子失去电子，被氧化成co2或co，电解的结果主要是稀土氧化物被分解，在混合阴极上析出稀土金属，在阳极上释放出co2和co。
36.为收集电解所产生的废气，炉体顶部设置有一集气罩10，集气罩10顶部连接有出气管道11，所述阳极5贯穿集气罩10设置；集气罩10上连接出气管道11，出气管道11在引风机的作用下维持负压，用于在集气罩10内形成负压，将电解产生的废气排出。所述集气罩10可独立设置，也可与阳极5一同连接在升降装置6上，阳极贯穿集气罩10后位于混合阴极上方。
37.进一步地，炉体顶部设置有气刀管12，气刀管连接至气泵，将保护气体例如n2喷向炉体内，对阳极进行保护，同时气流体将废气一同裹挟带出炉体。
38.所述集气罩10呈下大上小的喇叭口状，作用在于：于顶部增大与炉体炉壁的间隔，提供部件例如进料口8、气刀管12的安装空间，底部扩大气体的覆盖面积，易于所产生的废气的排出；并且，所述进料口8的出料方向朝向集气罩10，电解过程中所添加的原料由进料口8泄出后自由落体运动先接触在集气罩10上，集气罩10的喇叭口状形状对原料存在降速和导向作用，目的在于降低原料落入电解质中的速度，避免电解质液面波动较大和飞溅。
39.采用本发明的混合阴极的电解炉，通过半径递增的结构特征补偿阳极在电解过程中的消耗，维持极距的稳定。
40.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。