[发明专利]一种稀土氧化物熔盐电解槽

说明书

技术领域

本发明涉及稀土电解设备领域，尤其涉及一种稀土氧化物熔盐电解槽。

背景技术

稀土金属和合金的制备采用的是火法冶金技术，该技术是在高温条件下通过还原稀土离子实现稀土金属的提纯过程。火法冶金技术主要包括熔盐电解法和金属热还原法，其中熔盐电解法由于具有成本低、成分均匀容易控制、质量好、易实现连续化生产等优点，成为了目前大规模化工业生产的稀土金属及其合金的主要生产工艺。熔盐电解法制备稀土金属根据熔盐体系可分为氯化物体系和氟化物体系两种，在氯化物熔盐中，金属的溶解度很大，导致其收率和电流效率降低，并导致电能消耗增高，同时熔盐的高挥发性会导致电解过程产生大量的氯气，造成操作上的困难。因此，氯化物熔盐体系已经逐渐被氟化物所取代。

氟化物熔盐体系氧化物电解工艺是以稀土氧化物(RE2O3)为原料，以熔融状态的REF-LiF体系为电解质，以石墨作为石墨阳极，钨棒为阴极，通过直流电解制备稀土金属。电解槽的结构如图1所示，根据槽体尺寸和电流大小，电解槽可分为3000A、8000A以及10000-28000A的大型电解槽。在电解过程中需要向熔融电解质中添加REO，电解过程的总反应式为：RE₂O₃+C＝2RE+3/2CO₂。整个反应过程消耗的物质是稀土氧化物和石墨阳极碳，反应产物之一是气体。在电解过程中，石墨阳极6是由4片石墨瓦片拼接而成，因此在电化学、化学反应、熔盐侵蚀和机械力的作用下，相邻两块石墨阳极石墨瓦片的拼接处缝隙会露出石墨槽5的槽壁，造成石墨槽5的消耗(如图2所示)。由于石墨大型化制造特定形状的槽结构非常困难，且规格越大制造价格越贵，因此该现有技术会导致石墨槽5很快被烧损而报废，使电解制备稀土金属的成本过高。

如图1所示，其中石墨槽5的损耗包括电化学反应损耗、化学反应损耗、熔盐腐蚀和机械力损耗，具体损耗机制如下：

(一)、电化学反应造成的石墨槽5损耗：

电解过程中，由于石墨阳极6的几片石墨瓦片间的缝隙会造成石墨槽5的槽壁作为石墨阳极被消耗，反应方程式如下：

O^2--2e^-＝1/2O₂………………(1)

1/2O₂+C＝CO………………(2)

2O^2-+C-4e^-＝CO₂………………(3)

2O²—4e^-＝O₂………………(4)

上述4个反应可能同时发生，在电解温度低于857℃或高电流密度下，石墨阳极主要产物是CO₂，但在较高(900℃)温度下，将生成CO和CO₂的混合气体。

(二)、化学反应造成的石墨槽5消耗：

石墨阳极6反应生成的一次性气体，通过熔融电解质从界面逸出，熔体上面灼热气体与石墨槽5作用将发生下列反应：

CO₂+C＝2CO………………(5)

O₂+C＝CO₂………………(6)

(三)、熔盐侵蚀造成的石墨槽5消耗：

熔盐侵蚀石墨槽5的方式主要有两种，首次，在电解炉使用过程中，熔盐与石墨槽5长时间的接触会导致石墨槽5材质晶粒的粗化；其次，在电解过程中，由于石墨阳极效应导致的CF_n型或COF_n型中间化合物也会在石墨槽5表面发生，进而造成石墨槽5的槽体被消耗和破坏。

此外，在更换石墨阳极6的石墨瓦片以及取样的过程中，由于机械外力造成的石墨槽5槽体损坏也会加剧石墨槽5的消耗。