電解精煉及原位定向凝固制備高純稀土金屬的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種高純稀土金屬的制備裝置，特別是涉及一種具有保護氣氛下 的"下陰極倒三層液電解精煉一磁力攪拌一原位定向凝固精煉一自動抽錠出爐"一體化的 同步連續(xù)生產(chǎn)高純稀土金屬的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，高純稀土金屬廣泛用于核工業(yè)、超導(dǎo)體工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)以及電子工業(yè)等 高精尖產(chǎn)業(yè)，且需求量逐年增加。但稀土金屬與金屬雜質(zhì)、非金屬雜質(zhì)，如Fe、C等，有很強 的結(jié)合能力，且形成的化合物嚴重影響稀土金屬的電、力、磁等性能，所以近年來稀土金屬 提純技術(shù)是一項熱門的研宄熱點。
[0003] 從20世紀60年代末開始研宄提純稀土金屬的方法，目前稀土金屬的提純技術(shù)主 要有固相電迀移法、外吸氣法、液相外吸氣法、電解精煉法、電子束熔煉法、真空蒸餾法、區(qū) 域熔煉法等幾種單獨或聯(lián)合方法用于提純稀土金屬。其提純稀土金屬的原理主要分為兩 種：一種是對被提純稀土金屬中的雜質(zhì)元素進行再分布降低雜質(zhì)濃度而達到純化的目的； 另一種是從被提純金屬中直接"去除"雜質(zhì)元素而達到提純的效果。
[0004] 其中固相電迀移法是在低溫固相下提純稀土金屬，是去除間隙雜質(zhì)和部分金屬雜 質(zhì)較為有效的方法，但這種方法對原料的形狀、操作條件和雜質(zhì)含量的要求苛刻，導(dǎo)致產(chǎn)品 生產(chǎn)周期長等問題，不適合大批量生產(chǎn)。
[0005] 另一種提純金屬的方法是外吸氣法，該方法是利用金屬基體中間隙雜質(zhì)結(jié)合力很 強的活性物質(zhì)將體系中的雜質(zhì)氣體分壓降至極低，使金屬基體中的雜質(zhì)氣體析出，實現(xiàn)稀 土金屬的提純，但是該法只適用于提純一些熔點較高如Er、Y等元素，不能面向大多數(shù)稀土 元素，所以這種方法有較大的局限性。而液相外吸氣法是對外吸法的一種改進方法，是將 粗稀土金屬和鈣一起置于坩堝中，共同密封在惰性氣體氣氛中的鐵制容器內(nèi)，加熱并保持 反應(yīng)容器溫度為870°C，反應(yīng)時間應(yīng)超過12小時，整個反應(yīng)過程中液態(tài)稀土金屬在鈣熔體 和鈣蒸汽內(nèi)。但提純稀土金屬的效果并不理想，如Tb、Dy等稀土金屬元素在反應(yīng)完成后的 金屬基體中，氧含量增加，這是因為鈣與稀土形成合金后，鈣吸收了稀土中的雜質(zhì)氧形成氧 化鈣，但雜質(zhì)氧沒被釋放出來，沒有達到提純的目的，所以這種方法不能應(yīng)用于實際的生產(chǎn) 中。
[0006] 電解精煉法是在選定的電解熔鹽體系中進行提純稀土金屬的方法，其陽極為粗稀 土金屬。該法在一定條件下使陽極稀土金屬優(yōu)先以離子態(tài)形式熔解在熔鹽中，然后沉積在 陰極上而達到提純的目的，對于除去Fe、Al、Mg等金屬雜質(zhì)有較好的的效果，但是對氣體和 非金屬雜質(zhì)提純效果不佳；由于當(dāng)前稀土電解精煉槽陰陽電極擺放的位置采用上部陰極和 下部陽極的配置方式，這對使用的坩堝和電解質(zhì)純度要求很高，并且不能連續(xù)生產(chǎn)；電解精 煉出的稀土金屬是以液態(tài)的形式采用人工間歇式出爐，該方式存在著稀土金屬液出爐時間 長、純稀土金屬氧化嚴重，對槽況波動大、嚴重損失槽體熱量等缺點，降低了高純稀土金屬 生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此當(dāng)前電解精煉法存在著比較大的缺陷，目前只停留在實驗室 階段。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種電解精煉及原位定向凝固 制備高純稀土金屬的裝置，它操作簡單，能夠連續(xù)、自動制備高純稀土金屬。
[0008] 本實用新型的技術(shù)方案：一種電解精煉及原位定向凝固制備高純稀土金屬的裝 置，包括安裝于機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，在電解爐的爐膛口設(shè)置有保護氣氛罩，保護氣氛罩與電解爐固接，保護氣氛罩上布有 進氣管和出氣管，其上還設(shè)置有通孔，通孔上穿有自耗陽極，通孔與自耗陽極間密封；自耗 陽極與電源陽極導(dǎo)線連通，自耗陽極固定于自動升降進給裝置上，自動升降進給裝置安裝 于機架上；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。
[0009] 所述的電磁攪拌裝置的磁場頻率為3~10Hz，攪拌電流為100~300A。
[0010] 本實用新型的積極效果：
[0011] (1)本實用新型裝置優(yōu)化了電極配置方式，實用新型了上插式復(fù)合陽極和液態(tài)稀 土金屬作為下陰極的倒三層液連續(xù)電解精煉池，其優(yōu)點是通過自動升降進給裝置實現(xiàn)了粗 稀土金屬自耗陽極的自動連續(xù)進料，保證了電解精煉提純的持續(xù)正常進行；并且電解精煉 出的高純稀土金屬能夠直接連續(xù)匯聚在實用新型裝置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)純稀土金屬被空氣氧化，提高了電流 效率。
[0012] (2)本實用新型裝置通過下陰極原位定向凝固技術(shù)，將電解精煉和定向凝固精煉 融為一體，真正實現(xiàn)了兩種精煉的無縫對接，不僅使電解精煉后的純稀土金屬通過原位定 向凝固得到了進一步連續(xù)提純，而且定向凝固精煉后的高純稀土金屬通過抽錠桿能夠自動 同步連續(xù)出爐，實現(xiàn)了高純稀土金屬連續(xù)化和自動化生產(chǎn)的目的。
[0013] (3)本實用新型裝置在稀土金屬精煉過程中，電解精煉和定向凝固精煉均在一個 密封和保護性氣體的環(huán)境中進行，避免了稀土金屬的二次氧化。另外，由于在爐壁外則設(shè)置 了冷卻水套，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層 爐幫，使稀土金屬的電解和鑄錠均在同一個密封的環(huán)境中進行，所形成的爐幫還能有效的 阻止電解質(zhì)對爐內(nèi)壁的腐蝕，避免了爐內(nèi)壁對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。
[0014] (4)本實用新型裝置在稀土金屬熔池的外圍設(shè)置了電磁感應(yīng)攪拌裝置，在電磁攪 拌的作用下，加強了固液界面前沿的稀土金屬液連續(xù)不繼地更換，從而減小了擴散層的厚 度，有利于固相中的雜質(zhì)元素更快速擴散轉(zhuǎn)移到液相中去，加快了雜質(zhì)元素在固液相間的 偏析速度，從而提高了定向凝固精煉提純的效率和稀土金屬的純度。
【附圖說明】
[0015] 附圖為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖中附圖標記：1陽極導(dǎo)線，2保護氣氛罩，3進氣管，4罩體緊螺栓，5上部出水管， 6電解爐，7絕緣內(nèi)襯，8高純稀土金屬鑄錠，9緊螺栓，10下部出水管，11引錠桿，12陰極導(dǎo) 線，13自耗陽極，14密封圈，15出氣管，16液態(tài)稀土合金池，17熔鹽電解質(zhì)，18上冷卻水套， 19稀土金屬熔池，20電磁攪拌裝置（電磁感應(yīng)線圈），21上部進水管，22下冷卻水套，23爐 幫，24鑄錠爐，25下進水管，26抽錠桿。
【具體實施方式】
[0017] 本實用新型可以根據(jù)以下實例實施，在本實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，這些實施例只是為了舉例說 明本實用新型，而非以任何方式限制本實用新型的范圍，在以下的實施例中，未詳細描述的 內(nèi)容是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)技術(shù)。
[0018] 本實用新型也可以不采用自動升降進給裝置（現(xiàn)有通用裝置），而是通過手工來 調(diào)整自耗陽極插入電解爐爐膛中液態(tài)稀土合金池的深度，此時自耗陽極通過夾子直接安裝 在機架上。
[0019] 實施例一：
[0020] 如附圖所示，在通電前，同時開啟本實用新型裝置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。將預(yù)先熔化好的液態(tài)合金Nd-Sn 和熔鹽電解質(zhì)質(zhì)量比（NdF3:LiF= 9:0. 9)加入到電解爐中，蓋上保護氣氛罩，通入Ar氣保 護性氣體，此時熔融的電解質(zhì)置于電解爐的中間層，電解質(zhì)的高度為30cm，高度為2cm的液 態(tài)合金Nd-Sn浮于電解質(zhì)之上，將98. 52 %粗Nd金屬陽極浸入到液態(tài)Nd-Sn合金池中；開 啟自動升降進給裝置，在溫度1100 °C下，接通電源進行恒電流電解精煉，陽極電流密度為 0. 9A/cm2,電解精煉提純出的稀土金屬Nd逐漸在引錠桿的上方析出，匯聚形成熔池；當(dāng)稀土 金屬熔池液面上升至5cm時，開啟電磁攪拌裝置，電磁攪拌的磁場為5Hz，攪拌過程中攪拌 電流控制在150A;同時開始抽錠，抽錠速度為3mm/s，此時純稀土金屬的析出速度和鑄錠的 凝固速度相當(dāng)，進而確保稀土金屬熔池液面高度保持不變，生成的高純稀土金屬鑄錠從鑄 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走，平均每小時可生產(chǎn)出高純稀 土金屬Nd約3Kg(99. 95% )，其中雜質(zhì)元素見下表：
[0021] 表1電解精煉前后的雜質(zhì)含量（xio_5)
【主權(quán)項】
1. 一種電解精煉及原位定向凝固制備高純稀土金屬的裝置，其特征是：包括安裝于機 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 爐膛口設(shè)置有保護氣氛罩，保護氣氛罩與電解爐固接，保護氣氛罩上布有進氣管和出氣管， 其上還設(shè)置有通孔，通孔上穿有自耗陽極，通孔與自耗陽極間密封；自耗陽極與電源陽極導(dǎo) 線連通，自耗陽極固定于自動升降進給裝置上，自動升降進給裝置安裝于機架上；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。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電解精煉及原位定向凝固制備高純稀土金屬的裝置，其 特征是：所述的電磁攪拌裝置的磁場頻率為3~IOHz，攪拌電流為100~300A。
【專利摘要】本實用新型涉及一種電解精煉及原位定向凝固制備高純稀土金屬的裝置，包括安裝于機架上的電解爐和鑄錠爐，在電解爐的爐膛口設(shè)置有保護氣氛罩，保護氣氛罩上布有進氣管和出氣管，其上還設(shè)置有通孔，通孔上穿有自耗陽極，通孔與自耗陽極間密封；自耗陽極固定于自動升降進給裝置上，自動升降進給裝置安裝于機架上；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；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。它能夠連續(xù)、自動制備高純稀土金屬。
【IPC分類】C22B9-02, C25C3-34, C22B59-00
【公開號】CN204608180
【申請?zhí)枴緾N201520305402
【發(fā)明人】劉慶生, 湯衛(wèi)東, 江小華
【申請人】江西理工大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月13日