下陰極電解與原位鑄錠同步制備稀土金屬的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于稀土金屬電解生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及集"下陰極電解一磁力攪拌一 原位鑄錠一自動(dòng)抽錠出爐"一體化同步連續(xù)生產(chǎn)稀土金屬的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，電解槽槽型在大型化生產(chǎn)過程主要有兩個(gè)發(fā)展方向：第一種電解槽是在電 極配置方式上仍然沿用20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的敞開式上插陰陽極模式，即將陰極從槽體外 部豎向垂直插入到電解質(zhì)中，陽極與陰極之間的距離固定；第二種電解槽是有人針對(duì)第一 種電解槽存在問題，提出將電解過程的液態(tài)稀土金屬作為陰極的模式。
[0003] 第一種電解槽的不足之處主要有以下幾點(diǎn)：第一，在電解過程中隨著陽極的消耗， 極距不斷增大，電壓也隨之升高，導(dǎo)致較嚴(yán)重的電能損失；第二，上插陰極下端浸泡在液面 下，剩余部分則暴露于空氣中，氣液界面處會(huì)發(fā)生復(fù)雜的多相反應(yīng)及機(jī)械摩損，導(dǎo)致該處成 為易損部位，降低了陰極的使用壽命；第三，槽體上部使用空間緊張，工人操作難度較大，也 不利于槽體規(guī)模的擴(kuò)大，如中國(guó)專利CN02240881. 9,這種結(jié)構(gòu)在放大過程中由于其布線結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致電解槽敞口較大；第四，槽體無保溫措施，生產(chǎn)過程明顯受環(huán)境溫度和熱換條 件的影響，導(dǎo)致槽體被嚴(yán)重氧化、槽口熱量散失嚴(yán)重、電解質(zhì)揮發(fā)較大、電解過程電能利用 率低，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步發(fā)展的可能。
[0004] 第二種電解槽解決了上插式結(jié)構(gòu)的布線問題，但是由于在該結(jié)構(gòu)中電解出的稀土 金屬一直處在電解區(qū)域內(nèi)，電解槽溫度分布不均勻，底部爐溫低而上部爐溫高，造成爐底造 渣，使得設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)的電流遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，溫度隨之逐漸降低，產(chǎn)生的少量稀土金屬又很 容易與稀土電解質(zhì)混合形成硬塊，造成電解槽況急劇惡化。然而，國(guó)內(nèi)目前的電解槽產(chǎn)業(yè)化 生產(chǎn)中，槽中電解稀土金屬液的出爐方式主要采用鈦勺人工S出或用不銹鋼坩堝鉗夾出方 式。由于人工出爐時(shí)間長(zhǎng)、槽體熱量損失嚴(yán)重、槽況波動(dòng)大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、福射熱量大、 操作環(huán)境惡劣等缺點(diǎn)，導(dǎo)致電解不連續(xù)、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本偏高。為此，在稀土 熔鹽電解領(lǐng)域中，虹吸出金屬裝置已被廣泛研宄和應(yīng)用。但存在的問題有：（1)極容易發(fā)生 稀土金屬冷凝在虹吸管及進(jìn)爐端口堵塞，極難清理，這與虹吸管形狀、長(zhǎng)短以及無保溫措施 有關(guān)；（2)熔融態(tài)金屬進(jìn)入真空出爐包時(shí)無法確定何時(shí)虹吸完畢而停止虹吸操作；（3)由美 國(guó)專家提出的預(yù)埋鉬引出管電加熱后流出和氮化硼虹吸管虹吸方法，但存在出槽時(shí)需要在 密封體系中，氬氣保護(hù)狀態(tài)下、僅適用于低熔點(diǎn)的稀土金屬。另外虹吸管的制作工藝復(fù)雜、 成本較高，且易發(fā)生金屬堵塞管道或吸管驟冷驟熱，因此，這兩種出爐方式在實(shí)際生產(chǎn)中也 難以得到推廣和應(yīng)用，更不適用于我國(guó)敞口體系下大型化稀土金屬的實(shí)際生產(chǎn)。
[0005] 綜上所述，現(xiàn)有槽型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品存在的綜合成本較高，爐口熱量損失嚴(yán)重，熱場(chǎng)分布 不合理，電流效率和電能的利用率較低，原輔材料單消耗較高，人工取液操作困難、勞動(dòng)強(qiáng) 度大，虹吸取液容易發(fā)生金屬堵塞管道等問題，遠(yuǎn)不能滿足稀土電解生產(chǎn)大規(guī)模發(fā)展的需 求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種下陰極電解與原位鑄錠 同步制備稀土金屬的裝置，它操作簡(jiǎn)單，能夠連續(xù)、自動(dòng)制備稀土金屬。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案：一種下陰極電解與原位鑄錠同步制備稀土金屬的裝置， 包括安裝于機(jī)架上的電解爐和鑄錠爐，電解爐和鑄錠爐按上下位置通過緊固件連接在一 起，在電解爐的爐膛口通過陽極導(dǎo)電桿懸掛有炭陽極并與電源正極連通，陽極導(dǎo)電桿固定 于自動(dòng)升降進(jìn)給裝置上，自動(dòng)升降進(jìn)給裝置安裝于機(jī)架上；電解爐爐膛的下部設(shè)置有漏斗 狀絕緣內(nèi)襯；在電解爐的爐壁外布置有上冷卻水套，上冷卻水套外側(cè)的下部布置有電磁攪 拌裝置，電磁攪拌裝置布置高度與絕緣內(nèi)襯高度相同；鑄錠爐上設(shè)有鑄錠腔，鑄錠腔與漏斗 狀絕緣內(nèi)襯的出口對(duì)中，鑄錠腔的下部配有滑動(dòng)的引錠桿，引錠桿的底部連接抽錠桿并與 電源陰極導(dǎo)線連通；在鑄錠爐的爐壁外布置有下冷卻水套。
[0008] 所述的電磁攪拌裝置的磁場(chǎng)頻率為3~10Hz，攪拌電流為100~300A。
[0009] 本實(shí)用新型的積極效果：
[0010] (1)本實(shí)用新型裝置優(yōu)化了電極配置方式，實(shí)用新型了上插式陽極和液態(tài)金屬作 為下陰極的的連續(xù)電解池，其優(yōu)點(diǎn)是炭陽極在自動(dòng)升降進(jìn)給裝置的動(dòng)作下自動(dòng)連續(xù)進(jìn)料， 保證了電解的連續(xù)正常進(jìn)行；并且電解出的稀土金屬能夠直接連續(xù)匯聚在設(shè)備中下部的稀 土金屬熔池中，這樣既保證了極距的最佳范圍，降低了電解電壓，又防止了液態(tài)稀土金屬被 空氣氧化，提高了電流效率。
[0011] (2)本實(shí)用新型裝置通過下陰極原位鑄錠技術(shù)，將稀土金屬電解、鑄錠和出爐融為 一體，真正實(shí)現(xiàn)了這三個(gè)工序的無縫對(duì)接，不僅使電解出的稀土金屬在爐內(nèi)進(jìn)行了原位水 冷凝固結(jié)晶，而且生成的稀土金屬鑄錠通過抽錠桿能夠自動(dòng)同步連續(xù)出爐，實(shí)現(xiàn)了稀土金 屬連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。解決了原有人工間歇式出爐鑄錠造成的爐溫波動(dòng)大，勞動(dòng) 條件差，鑄錠金屬表面質(zhì)量差、夾雜物多的問題。既提高了爐況的穩(wěn)定性，又改善了稀土金 屬鑄錠的表面質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)晶組織，從而大幅度提高了稀土金屬鑄錠的質(zhì)量和成材率。
[0012] (3)本實(shí)用新型裝置采用了電磁攪拌裝置替代人工對(duì)稀土金屬熔池的攪拌，在電 磁力自動(dòng)攪拌作用下，不僅使沉積于電解爐金屬熔池中的稀土氧化物能夠快速重新溶解到 熔鹽電解質(zhì)中去，而且能使雜質(zhì)和稀土金屬得到更有效的分離，使電解效率和稀土金屬純 度大大提高；同時(shí)還使得夾雜物及氣泡上浮，降低了鑄錠內(nèi)氣泡及夾雜質(zhì)的含量，減少了凝 固的裂紋，提高了鑄錠的純凈度，減少了中心偏析、中心疏松和縮孔、改變了稀土金屬鑄錠 的凝固組織，降低了產(chǎn)生裂紋和拉漏的可能性，從而有利于實(shí)現(xiàn)快速鑄錠和抽錠。
[0013] (4)本實(shí)用新型裝置在爐壁外設(shè)置冷卻水套，在冷卻水的作用下，電解質(zhì)在爐口和 內(nèi)壁凝固形成一定厚度和形狀的保護(hù)層（上表面凝固電解質(zhì)和爐幫），使稀土金屬電解和 鑄錠均在同一個(gè)密封的環(huán)境中進(jìn)行，所形成的內(nèi)壁爐幫還能有效的阻止電解質(zhì)對(duì)爐內(nèi)壁的 腐蝕，避免了爐內(nèi)壁對(duì)稀土金屬溶液的二次污染，不僅提高了爐壁的使用壽命，而且最大限 度提高了稀土金屬產(chǎn)品的純度。
【附圖說明】
[0014] 附圖為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖中附圖標(biāo)記：1陽極導(dǎo)電桿，2上部出水管，3電解爐，4上冷卻水套，5電磁攪拌 裝置（電磁感應(yīng)線圈），6絕緣內(nèi)襯，7下部出水管，8下冷卻水套，9爐幫，10陰極導(dǎo)線，11炭 陽極，12上表面凝固電解質(zhì)，13熔鹽電解質(zhì)，14稀土金屬熔池，15鑄錠，16上部進(jìn)水管，17 緊螺栓，18引錠桿，19鑄錠爐，20下部進(jìn)水管，21抽錠桿。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 在本實(shí)用新型中所使用的術(shù)語，除非有另外說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 通常理解的含義，應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為了舉例說明本實(shí)用新型，而非以任何方式限制 本實(shí)用新型的范圍，在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的內(nèi)容是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)技術(shù)。
[0017] 本實(shí)用新型也可以不采用自動(dòng)升降進(jìn)給裝置（現(xiàn)有通用裝置），而是通過手工來 調(diào)整炭陽極插入電解爐爐膛中熔鹽電解質(zhì)的深度，此時(shí)陽極導(dǎo)電桿直接安裝在機(jī)架上。本 實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下：
[0018] 實(shí)施例一
[0019] 如附圖所示，本實(shí)用新型電解爐的直徑D= 600mm，高度為800mm，置于鑄錠爐之 上。在通電前，同時(shí)開啟設(shè)備上下兩部分的冷卻水閥，冷卻水流量30L/h，將引錠桿鎢棒置 于鑄錠爐鑄錠腔中作為陰極。把預(yù)先熔化好的熔鹽電解質(zhì)（NdF3:LiF= 9:0. 9)倒入電解 爐爐膛中，將長(zhǎng)度為450mm、寬度為450mm、高度為300mm的長(zhǎng)方體石墨陽極插入電解爐爐膛 的熔鹽電解質(zhì)中，開啟炭陽極自動(dòng)升降進(jìn)給裝置，在溫度ll〇〇°C下，接通電源進(jìn)行恒電流電 解，陽極電流密度為〇. 9A/cm2,在電解過程中按每小時(shí)加入約5. 5Kg氧化釹的速度直接在陽 極區(qū)加料，保證稀土電解連續(xù)進(jìn)行，電解出的稀土金屬釹逐漸在引錠桿的上方析出，匯聚形 成熔池。當(dāng)稀土金屬釹熔池液面上升至5cm時(shí)，開啟電磁攪拌裝置，電磁攪拌的磁場(chǎng)為5Hz， 攪拌過程中攪拌電流控制在150A;同時(shí)開始抽錠，抽錠速度為3mm/s，此時(shí)稀土金屬釹的析 出速度和鑄錠的凝固速度相當(dāng)，進(jìn)而確保稀土金屬熔池液面高度保持不變，生成的稀土金 屬鑄錠從鑄錠爐鑄錠腔下方出口連續(xù)同步拉出爐外，并被不斷切割成鑄坯運(yùn)走，平均每小 時(shí)可生產(chǎn)出稀土金屬釹約3. 2Kg，電解稀土金屬產(chǎn)品的化學(xué)成分見表1。
[0020] 表 1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種下陰極電解與原位鑄錠同步制備稀土金屬的裝置，其特征是：包括安裝于機(jī)架 上的電解爐和鑄錠爐，電解爐和鑄錠爐按上下位置通過緊固件連接在一起，在電解爐的爐 膛口通過陽極導(dǎo)電桿懸掛有炭陽極并與電源正極連通，陽極導(dǎo)電桿固定于自動(dòng)升降進(jìn)給裝 置上，自動(dòng)升降進(jìn)給裝置安裝于機(jī)架上；電解爐爐膛的下部設(shè)置有漏斗狀絕緣內(nèi)襯；在電 解爐的爐壁外布置有上冷卻水套，上冷卻水套外側(cè)的下部布置有電磁攪拌裝置，電磁攪拌 裝置布置高度與絕緣內(nèi)襯高度相同；鑄錠爐上設(shè)有鑄錠腔，鑄錠腔與漏斗狀絕緣內(nèi)襯的出 口對(duì)中，鑄錠腔的下部配有滑動(dòng)的引錠桿，引錠桿的底部連接抽錠桿并與電源陰極導(dǎo)線連 通；在鑄錠爐的爐壁外布置有下冷卻水套。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種下陰極電解與原位鑄錠同步制備稀土金屬的裝置，其特 征是：所述的電磁攪拌裝置的磁場(chǎng)頻率為3~IOHz，攪拌電流為100~300A。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種下陰極電解與原位鑄錠同步制備稀土金屬的裝置，包括安裝于機(jī)架上的電解爐和鑄錠爐，在電解爐的爐膛口通過陽極導(dǎo)電桿懸掛有炭陽極并與電源正極連通，陽極導(dǎo)電桿固定于自動(dòng)升降進(jìn)給裝置上，自動(dòng)升降進(jìn)給裝置安裝于機(jī)架上；電解爐爐膛的下部設(shè)置有漏斗狀絕緣內(nèi)襯；在電解爐的爐壁外布置有上冷卻水套，上冷卻水套外側(cè)的下部布置有電磁攪拌裝置，電磁攪拌裝置布置高度與絕緣內(nèi)襯高度相同；鑄錠爐上設(shè)有鑄錠腔，鑄錠腔與漏斗狀絕緣內(nèi)襯的出口對(duì)中，鑄錠腔的下部配有滑動(dòng)的引錠桿，引錠桿的底部連接抽錠桿并與電源陰極導(dǎo)線連通；在鑄錠爐的爐壁外布置有下冷卻水套。它操作簡(jiǎn)單，能夠連續(xù)、自動(dòng)制備稀土金屬。
【IPC分類】C25C3-34, C25C7-00
【公開號(hào)】CN204608181
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520305403
【發(fā)明人】劉慶生, 湯衛(wèi)東, 江小華
【申請(qǐng)人】江西理工大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月13日