下陰極電解與原位鑄錠同步制備稀土金屬的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明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 鑄錠一自動抽錠出爐"一體化同步連續(xù)生產(chǎn)稀土金屬的方法和裝置。
【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、槽體熱量損失嚴(yán)重、槽況波動大、工人勞動強(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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對現(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 制備稀土金屬的方法和裝置，它操作簡單，能夠連續(xù)、自動制備稀土金屬。
[0007] 本發(fā)明的技術(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 升降進(jìn)給裝置上，自動升降進(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)襯的出口對中，鑄錠腔的下部配有滑動的引錠桿，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頻率為3~IOHz，攪拌電流為100~300A。
[0009] -種下陰極電解與原位鑄錠同步制備稀土金屬的方法，按以下步驟進(jìn)行：
[0010] 一、在電解開始時(shí)打開電解爐和鑄錠爐上的冷卻水閥，冷卻水流量20~40L/h，優(yōu) 選30L/h;將引錠桿置于鑄錠爐鑄錠腔中并固定于抽錠桿上，所述引錠桿為耐稀土金屬腐 蝕的鎢棒或鉬棒，優(yōu)選鎢棒；
[0011] 二、將預(yù)先熔化好的熔鹽電解質(zhì)加入到電解爐的爐膛中，在冷卻水的作用下，電解 質(zhì)在電解爐爐膛口和內(nèi)壁凝固形成一定厚度和形狀的保護(hù)層爐幫，將炭陽極浸入到熔鹽電 解質(zhì)中，在溫度為900~1200 °C下，優(yōu)選1000 °C，接通電源，在電壓5V~30V、電流1000A~ 10000A條件下進(jìn)行恒電壓或恒電流電解；電解過程中在電解爐的爐膛口陽極區(qū)直接加入 稀土氧化物，加料速度按每小時(shí)3~5. 5Kg進(jìn)行；
[0012] 三、當(dāng)通過電解析出的液態(tài)稀土金屬在電解爐的爐膛中熔鹽電解質(zhì)下方逐漸匯聚 形成5 ± Icm高度的稀土金屬恪池時(shí)，開啟電磁攪拌裝置，電磁攪拌的磁場為3~IOHz，攪拌 過程中攪拌電流控制在100~300A ;同時(shí)開始抽錠，抽錠速度調(diào)節(jié)范圍為lmm/s~10mm/s， 稀土金屬熔池中的液態(tài)稀土金屬不斷地流入鑄錠爐的鑄錠腔中，在冷卻水的作用下逐漸凝 固結(jié)晶，生成的鑄錠從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。
[0013] 所述熔鹽電解質(zhì)為氟化稀土和氟化鋰混合熔鹽，其質(zhì)量比為氟化稀土：氟化鋰= (9. 5-5) : (0. 5-5)，以9 :1為最佳，熔鹽電解質(zhì)在電解爐爐膛中的高度為30~50cm，優(yōu)選 40cm〇
[0014] 本發(fā)明的積極效果：
[0015] (1)本發(fā)明裝置優(yōu)化了電極配置方式，發(fā)明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)是炭陽極在自動升降進(jìn)給裝置的動作下自動連續(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。
[0016] ⑵本發(fā)明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同步連續(xù)出爐，實(shí)現(xiàn)了稀土金屬 連續(xù)化和自動化生產(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大，勞動條 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。
[0017] (3)本發(fā)明裝置采用了電磁攪拌裝置替代人工對稀土金屬熔池的攪拌，在電磁力 自動攪拌作用下，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。
[0018] (4)本發(fā)明裝置在爐壁外設(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