CN103614747B - 大型组合式稀土熔盐电解槽系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型组合式稀土熔盐电解槽系统，包括大型组合式石墨槽、石墨阳极、钨阴极、钢保护壳、金属接收器、水冷炉盖板、电解电源，其特征是：大型组合式石墨槽为分块榫卯连接组合在一起的两端为圆弧面的大型组合式石墨槽，在大型组合式石墨槽底部设有金属接收器，金属接收器与水平方向有5^。～10^。的倾斜；每个钨阴极与一个独立的电解电源的负极连接，各电解电源的正极均与水冷炉盖板连接，各个石墨阳极均与水冷炉盖板连接。其优点是：槽体结构紧凑，阴、石墨阳极排布合理、电能消耗低、电流效率高、环境效益好、布线结构合理、生产成本低、维护方便。

Description

大型组合式稀土熔盐电解槽系统

技术领域

本发明涉及一种熔盐电解法生产稀土金属及合金的大型组合式稀土熔盐电解槽系统，属于熔盐电解技术领域。

背景技术

我国稀土熔盐电解工业起源于20世纪80年代，随着科技的不断发展，4000～6000A稀土电解槽往往存在电解工艺参数不稳定、产能低、产品均一性和稳定性差，难以实现大规模生产的要求。随着稀土工业的革新，高效、节能、大型模是稀土熔盐电解槽的发展方向，通过检索如专利：CN98104785.8，CN02240881.9，CN200820138112.3，CN200952043Y、CN10184541A都进行了大型稀土电解槽的研究。目前稀土电解工业所使用的电解槽主要有以下几种结构：

1、专利CN85100748A，采用石墨电极加工而成的整体石墨坩埚，阳极为上插筒状，阴极为上插钨、钼、铁阴极，由于受到石墨材质尺寸的限制，该槽体较小，一般为3000～6000A，并且产品质量和稳定性差。

2、专利CN2372329Y，其石墨槽内衬为石墨块砌筑，外部有碳质打结层和耐火保温层，此结构不受石墨材料尺寸的限制，单槽容量可达10KA同时阳极改为分体片状石墨槽置于阴极周围，产品中碳含量得到了降低，但该种石墨槽砌筑较为繁琐，极易发生熔盐渗漏现象，不易实现工业化生产应用。

3、专利CN2464744Y，一种多阴极多阳极电解槽，砌筑槽体内壁连续环绕多个阳极板，多个阴极间隔排列于石墨槽纵向轴线上，单槽容量达10KA，但同样该专利石墨槽砌筑较为繁琐，极易发生熔盐渗漏现象，不易实现工业化生产应用。

4、专利CN232099Y，一种圆形万安电解槽，该专利电解槽增加了有效容积，但多组阴、阳极同时置于炉口，操作空间较小。

5、专利CN200952043Y电解生产稀土金属及其合金的液态阴极电解槽，在石墨内衬之间设有绝缘材料，阴极连接线路从电解槽体侧壁或底部导入电解槽内，与设置槽底的金属接收器连接，接受器内装有液态金属，电解槽上部设有阳极升降装置。该专利善属于研究阶段，国内未见报道槽型使用情况，难以实现工业化应用。

6、专利CN101845641A沉浸式稀土电解槽，在石墨槽中部设有阳极支座，阳极悬挂在电解质溶液中，改变了上挂式阳极布置方式，简化了电解槽扩容时不限结构复杂的限制。但该类电解槽阳极为筒状整体，且沉浸在电解溶液下方，难以更换。

随着稀土电解工业的不断完善和发展，诸多学者和专家进行了大型稀土电解槽的研究与试验，大致可分为敞口式上插阴阳极稀土电解槽、下埋式阴极稀土电解槽及沉浸式阳极稀土电解槽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种槽体结构紧凑，阴极、石墨阳极排布合理、电能消耗低、电流效率高、环境效益好、布线结构合理、生产成本低、维护方便的大型组合式稀土熔盐电解槽。

本发明包括大型组合式石墨槽、石墨阳极、钨阴极、钢保护壳、金属接收器、水冷炉盖板、电解电源，其特征是：大型组合式石墨槽由底座、两端部半圆形侧壁、与半圆形侧壁对应的半圆形侧壁上沿、设置在两端部半圆形侧壁间的两组方形侧壁、与方形侧壁对应的方形侧壁上沿构成，其中底座由一块以上的底座连接块构成，每组方形侧壁由与底座连接块数量相等的方形侧壁连接块构成，方形侧壁上沿由与方形侧壁连接块对应的方形侧壁上沿连接块构成，所有的半圆形侧壁、半圆形侧壁上沿、底座连接块、方形侧壁连接块和方形侧壁上沿连接块通过榫卯连接组合在一起形成两端为圆弧面的大型组合式石墨槽，在大型组合式石墨槽底部设有金属接收器安放槽，金属接收器安装在大型组合式石墨槽底部的安放槽中，金属接收器与水平方向有5^。～10^。的倾斜；沿大型组合式石墨槽侧壁的环形区域内均匀设置有竖直的石墨阳极，每个石墨阳极与大型组合式石墨槽侧壁保持1～2厘米间距；在大型组合式石墨槽的长度方向的对称中心线上均匀设有一个以上竖直的钨阴极；水冷炉盖板覆盖在大型组合式石墨槽的口沿上，且在大型组合式石墨槽的口沿与水冷炉盖板间设有耐高温绝缘层；每个钨阴极与一个独立的电解电源的负极连接，各电解电源的正极均与水冷炉盖板连接，各个石墨阳极均与水冷炉盖板连接。

榫卯连接是在连接部件的连接位置设置凹槽或凸槽，连接部件凹槽和凸槽进行榫卯连接，榫卯连接部位用耐火粘结剂粘接，耐火粘结剂采用稀土氧化物、绝缘漆、松节油，按重量比（20-30）:（1-10）：（1-10）比例混合后，均匀涂抹凹槽上，涂抹厚度3～5mm,烧结后组合成一个整体。

所述钢保护壳包括内层钢保护壳和外层钢保护壳，内层钢保护壳和外层钢保护壳均为无底的壳，在内层钢保护壳与大型组合式石墨槽的侧壁间填充有耐火材料，在内层钢保护壳和外层钢保护壳之间的间隙中，下半部分填充有耐火材料，上半部分填充有保温材料。

所述水冷炉盖板由两层钢板中空焊接而成，在水冷炉盖板中间留出炉口，在水冷炉盖板的侧壁上设有冷却水进口和冷却水出口，在水冷炉盖板内冷却水进口和冷却水出口之间设有冷却水分隔板；

在所述水冷炉盖板的侧壁上设有阳极接线端，在水冷炉盖板的板面上设有与石墨阳极对应的阳极卡头，每个阳极卡头通过一个阳极接线板与一个对应的石墨阳极连接。

所述金属接收器为钨钼复合金属接收器，侧壁采用钼板制作，底部焊接钨板，上口用钼条焊接。

本发明的优点是：大型组合式石墨槽采用分块榫卯连接组合结构，不受石墨材料尺寸的限制，槽体容积能够做大；采用两台或多台供电设施分别供电，大大降低了电解槽扩容时对电解设备性能和规格的要求；石墨阳极的分布形式能够加大石墨阳极尺寸，有效的降低了槽体电压和电场分布不均匀的问题，提高了产品品质；钨钼复合金属接收器材质和构造的设计，防止了高温作业下金属接收器发生变形；水冷炉盖板的设置进一步降低了产品中非稀土铁杂质含量，延长了石墨槽和阳极接头的使用寿命，降低了生产成本；钢保护壳分内、外两层设置，内层钢保护壳与大型组合式石墨槽的侧壁间填充有耐火材料，有效的将石墨槽外壁与空气隔绝，防止了电解溶液渗漏现象，延长了电解槽使用寿命；金属接收器与水平方向呈5^。～10^。倾斜设置，当采用虹吸装置出金属时无需停止电解电源，方便快捷，提高了金属收率，降低了碳含量；采用耐高温绝缘材料使水冷系统与石墨槽隔离，杜绝了石墨槽参与电解反应，提高了大型组合式石墨电解槽使用寿命；降低了敞形式石墨电解槽因炉口温度较高，而造成石墨槽上沿及阳极接头、炉盖板等损耗严重的问题。本发明的电场分布均匀，电流效率明显提高，与除尘回收装置配合，实现了节能、高效生产，同时解决了大型稀土电解槽对供电设施和线路布置合理的要求。

附图说明

图1是本发明的大型组合式稀土熔盐电解槽系统的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是大型组合式石墨槽的结构示意图；

图4是钨钼复合金属接收器的结构示意图；

图5是水冷炉盖板的结构示意图；

图6是本发明的大型组合式稀土熔盐电解槽系统的进电方式示意图；

图7是阳极连接示意图；

图8是40KA大型组合式稀土熔盐电解槽系统的结构示意图；

图9是图8的俯视图。

具体实施方式

参照附图1至7，本发明的大型组合式稀土熔盐电解槽系统，包括：大型组合式石墨槽5、钨阴极6、钨钼复合金属接收器7、石墨阳极8、水冷炉盖板9、内层钢保护壳11、外层钢保护壳12、电解电源19。大型组合式石墨槽为分体式结构，包括：半圆形侧壁上沿a、第一方形侧壁上沿b、第二方形侧壁上沿c、半圆形侧壁d、第一方形侧壁e、第二方形侧壁f、第一底座g、第二底座h，半圆形侧壁上沿a侧方的凹槽与第一方形侧壁上沿b侧方的凸槽、第一方形侧壁上沿b侧方的凸槽与第二方形侧壁上沿c侧方的凹槽、第二方形侧壁上沿c侧方的凸槽与另一端半圆形侧壁上沿a侧方的凹槽组合成石墨槽上沿；半圆形侧壁d侧方的凹槽与第一方形侧壁e侧方的凸槽、第一方形侧壁e侧方的凸槽与第二方形侧壁f侧方的凹槽、第二方形侧壁f侧方的凸槽与另一端半圆形侧壁d侧方的凹槽组合成石墨槽侧壁；半圆形侧壁d下方的凹槽与第一底座g侧方的凸槽、第一底座g侧方的凸槽与第二底座h侧方的凹槽，第二底座h侧方的凸槽与另一端半圆形侧壁d下方的凹槽组合成石墨槽底座；a、b、c下方的凹槽与e、d、f上方的凸槽组合成一个整体，其中a、b、c是针对上插阴阳极敞口式石墨槽炉沿烧损严重而设计的，如炉口烧损严重致使熔盐泄露时，可更换替代。其中c、f、h，只需配套增加相应部件即可实现石墨槽扩容的要求。

本发明的大型组合式稀土熔盐电解槽系统，采用地下安装，槽体底部用耐火水泥1填充，石墨阳极8分别沿大型组合式石墨槽5的侧壁的环形区域排列，钨阴极6在大型组合式石墨槽的长度方向的对称中心线上竖直放置，两阴极间距为50cm，钨阴极6与最近的石墨阳极8边距为7～9cm；每个钨阴极对应一个独立的电解电源19，与电解电源上的负极接线端20对应设有阴极支架22，阴极支架上固定有铜板23，铜板23通过铜辫子24与钨阴极连接，电解电源上的负极接线端20用导线与铜板23连接；水冷炉盖板9由两层厚度10mm的钢板中空焊接而成，中间留出炉口16的位置，两侧焊接有阳极接线端13，在一侧壁上设有冷却水进口17和冷却水出口18，上方焊接有阳极卡头15，内部设置冷却水路进出口分隔板14，使得实现保护石墨槽的目的。电解电源正极接线端21与水冷炉盖板上的阳极接线端13连接，每个阳极卡头15通过一个阳极接线板10与一个对应的石墨阳极8连接，与电解电源正极接线端和负极接线端连接的线路铺设在地下；大型组合式石墨槽放置于内层钢保护壳11正中间，其间隙用耐火材料2填充压实，在内层钢保护壳11和外层钢保护壳12之间的间隙中，下半部分填充有耐火材料2，上半部分填充有保温材料3，大型组合式石墨槽5下方铺设耐火材料2，所述耐火材料2采用冷捣糊、石墨粉等。钨钼坩复合金属接收器7放置于组合式石墨槽5底部，周围用稀土氧化物填充、压实；大型组合式石墨槽5上沿采用石棉、耐火骨料及水玻璃混合制成的绝缘材料4填充，上部放置水冷炉盖板9，其内设有冷却水循环水路。

实施例1

本发明为15KA组合式稀土熔盐电解槽系统，将两块半圆形侧壁上沿a侧方凹槽与两块第一方形侧壁上沿b侧方的凸槽组合成15KA石墨槽上沿；分别将两块半圆形侧壁d侧方的凹槽与两块第一方形侧壁e两侧的凸槽组合，两块半圆形侧壁上沿a下方凸槽，与两块第一方形侧壁上沿b下方的凸槽组合成石墨槽侧壁；将两块第一方形侧壁e下方的凹槽与第一底座g侧方的凸槽组合成石墨槽底部；水平地面设置一长1800*宽1300*深1400的安装槽，安装槽底部用耐火水泥1填充，上方铺垫20mm的耐火材料2，将钢制保护壳11、12、组合式石墨槽5放置于安装槽内，保证其水平、中心位置一致，在内层钢制保护壳11与大型组合式石墨槽5之间，采用冷捣糊、石墨粉等耐火材料2填充，内、外层钢制保护壳11、12之间，下部用耐火材料2填充，上部采用保温材料3填充，大型组合式石墨槽5上沿采用骨料、石棉板、水玻璃混合均匀制成绝缘材料4填充，然后将水冷炉盖板9放置其上方与外层钢制保护壳12焊接，水冷炉盖板内部设置循环水路，边缘加工有两个阳极接线端。将钨钼复合金属接收器放置于大型组合式石墨槽5底部，与水平位置倾斜5^。～10^。，周围用稀土氧化物填充、压实，便于收集金属和提高收率；

将两根直径80㎜、长度570㎜的钨阴极6分别固定在长1000㎜*宽120㎜*厚20㎜的铜板上竖直放置于半圆形石墨电解槽侧壁的中心位置，八根直径110㎜、长度570㎜的棒状石墨阳极和长570㎜*厚80的四块截面为扇形的石墨阳极排列于组合式石墨槽侧壁周围，保证阴阳极最近距离为7～9cm，阴极附近为均匀加料区域，在槽体侧壁空闲位置放置脉冲加料机；将两台12V8KA电解电源分别与阴极、阳极接线端连接，为两个电场供电。

实施例2

参照附图8、9本发明为40KA多阴极供电组合式稀土电解槽，将两块半圆形侧壁上沿a分别与两块第一方形侧壁上沿b、四块第二方形侧壁上沿c组合成石墨槽上沿。两块半圆形侧壁d侧面分别与两块第一方形侧壁e、四块第二方形侧壁f进行组合石墨槽的侧壁主体；石墨槽底部由两块半圆形侧壁d的底部与一块第一底座g和两块第二底座h组合而成，将组合成的石墨槽上沿与石墨槽侧壁主体以及石墨槽底再次进行组合，使其成为一个大型组合式石墨槽整体。

水平地面设置一长3500㎜*宽2200㎜*深1400㎜的安装槽，安装槽底部用耐火水泥1填充，上方铺垫20mm的耐火材料2，将内层钢保护壳11、外层钢保护壳12、大型组合式石墨槽5放置于安装槽内，保证其水平且中心位置一致，在内层钢制保护壳11与大型组合式石墨槽5之间，采用冷捣糊、石墨粉等耐火材料2填充，内外层钢制保护壳11、12之间，下部用耐火材料2填充，上部采用保温材料3填充，大型组合式石墨槽5上沿采用骨料、石棉板、水玻璃混合均匀制成绝缘材料4填充，然后将水冷炉盖板9放置其上方与外层钢制保护壳焊接，水冷炉盖板内部设置循环水路，边缘加工有5个阳极接线端。将钨钼复合金属接收器放置于大型组合式石墨槽5底部，与水平位置倾斜5^。～10^。，周围用稀土氧化物填充、压实，便于收集金属和提高收率；

将五根直径80㎜、长度570㎜的钨阴极6分别固定在长1000㎜*宽120㎜*厚20㎜的铜板上竖直均匀放置于大型组合式石墨槽的对称中心线上，四块长570㎜*厚80的四块截面为扇形的石墨阳极沿大型组合式石墨槽半圆形侧壁两端排列（每端两块），10块长570㎜*宽350㎜*厚80的方形石墨阳极，排列于中间三根阴极周围，保证阴、阳极最近距离为7～9cm，阴极附近为均匀加料区域，在槽体侧壁空闲位置放置脉冲加料机；将五台12V8KA电解电源分别与阴极、阳极接线端连接，为各个电场供电。

Claims (5)

1.一种大型组合式稀土熔盐电解槽系统，包括大型组合式石墨槽、石墨阳极、钨阴极、钢保护壳、金属接收器、水冷炉盖板、电解电源，其特征是：大型组合式石墨槽由底座、两端部半圆形侧壁、与半圆形侧壁对应的半圆形侧壁上沿、设置在两端部半圆形侧壁间的两组方形侧壁、与方形侧壁对应的方形侧壁上沿构成，其中底座由一块以上的底座连接块构成，每组方形侧壁由与底座连接块数量相等的方形侧壁连接块构成，方形侧壁上沿由与方形侧壁连接块对应的方形侧壁上沿连接块构成，所有的半圆形侧壁、半圆形侧壁上沿、底座连接块、方形侧壁连接块和方形侧壁上沿连接块通过榫卯连接组合在一起形成两端为圆弧面的大型组合式石墨槽，在大型组合式石墨槽底部设有金属接收器安放槽，金属接收器安装在大型组合式石墨槽底部的安放槽中，金属接收器与水平方向有5度～10度的倾斜；沿大型组合式石墨槽侧壁的环形区域内均匀设置有竖直的石墨阳极，每个石墨阳极与大型组合式石墨槽侧壁保持1～2厘米间距；在大型组合式石墨槽的长度方向的对称中心线上均匀设有一个以上竖直的钨阴极；水冷炉盖板覆盖在大型组合式石墨槽的口沿上，且在大型组合式石墨槽的口沿与水冷炉盖板间设有耐高温绝缘层；每个钨阴极与一个独立的电解电源的负极连接，各电解电源的正极均与水冷炉盖板连接，各个石墨阳极均与水冷炉盖板连接；榫卯连接是在连接部件的连接位置设置凹槽或凸槽，连接部件凹槽和凸槽进行榫卯连接，榫卯连接部位用耐火粘结剂粘接，耐火粘结剂采用稀土氧化物、绝缘漆、松节油，按重量比（20-30）:（1-10）：（1-10）比例混合后，均匀涂抹凹槽上，涂抹厚度3～5mm，烧结后组合成一个整体。

2.根据权利要求1所述的大型组合式稀土熔盐电解槽系统，其特征是：所述钢保护壳包括内层钢保护壳和外层钢保护壳，内层钢保护壳和外层钢保护壳均为无底的壳，在内层钢保护壳与大型组合式石墨槽的侧壁间填充有耐火材料，在内层钢保护壳和外层钢保护壳之间的间隙中，下半部分填充有耐火材料，上半部分填充有保温材料。

3.根据权利要求1所述的大型组合式稀土熔盐电解槽系统，其特征是：所述水冷炉盖板由两层钢板中空焊接而成，在水冷炉盖板中间留出炉口，在水冷炉盖板的侧壁上设有冷却水进口和冷却水出口，在水冷炉盖板内冷却水进口和冷却水出口之间设有冷却水分隔板。

4.根据权利要求3所述的大型组合式稀土熔盐电解槽系统，其特征是：在所述水冷炉盖板的侧壁上设有阳极接线端，在水冷炉盖板的板面上设有与石墨阳极对应的阳极卡头，每个阳极卡头通过一个阳极接线板与一个对应的石墨阳极连接。

5.根据权利要求1所述的大型组合式稀土熔盐电解槽系统，其特征是：所述金属接收器为钨钼复合金属接收器，侧壁采用钼板制作，底部焊接钨板，上口用钼条焊接。