工艺参数对稀土电解槽的影响研究.pdf

Vol.42,No.2Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology第4 2 卷第2 期2023年6 月June,2023内蒙古科技大学学报工艺参数对稀土电解槽的影响研究冯小强，张学锋何金辉，刘中兴，马守营2（1.山东南稀金石新材料有限公司，山东济宁产2 7 2 6 2 0;2.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010;3.内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0）摘要：利用6 0 0 0 A稀土电解槽，在氟化锂一氟化钕熔盐体系中，通过熔盐电解制取金属钕，研究氟化锂含量、温度、阴极插入深度等对稀士电解过程的影响。研究结果表明，氟化锂的质量分数保持在8%左右，熔盐温度控制在1050，阴极插入深度距钼锅为7 cm时最优：上述最佳工艺条件可有效提高产品质量，减少物料损耗，降低生产成本，关键词：稀士；电解槽；氟化锂；温度；阴极深度中图分类号：TF845文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-2 2 9 5(2 0 2 3)0 2-0 1 9 6-0 4D0I:10.16559/ki.2095-2295.2023.02.018Study on the influence of process parameterson Rare Earth electrolytic cellFENG Xiaoqiang,ZHANG Xuefeng,HE Jinhui,LIU Zhongxing,MA Shouying(1.Shandong Nanxi Jishi New Material CO.,LTD,Jining 272620,China;2.Energy and Environment School,Inner Mongolia Uni-versity of Science and Technology,Baotou 014010,China;3.Materials and Metallurgy School,Inner Mongolia University of Scienceand Technology,Baotou 014010,China)Abstract:Using 6000 A Rare Earth electrolytic cell,the metal neodymium was prepared by electrolyzing the molten salt system of lith-ium fluoride and neodymium fluoride.The influence of lithium fluoride,temperature and cathode penetration depth on the electrolyticprocess of Rare Earth was studied.The results show that the optimum concentration of lithium fluoride is about 8%,the temperature ofmolten salt should be controlled at 1 050 C,and the best insertion depth of cathode is 7 cm away from the molybdenum pot.The aboveoptimum technological conditions can effectively improve product quality,reduce material loss and reduce production cost.Key words:Rare Earth;electrolysing cell;lithium fluoride;temperature;cathode insertion depth中国稀土电解工艺始于2 0 世纪5 0 年代，经过几十年的发展，已经从氯化熔盐电解法发展到氟化熔盐电解法，电解槽也从最初的小型槽（电流小于1000A)发展到6 0 0 0 A左右的电解槽，甚至万安培以上的大型电解槽，主要用于生产镧、铈、错、镝铁、铁等 稀土金属是制作钕铁硼永磁材料的重要原材料 2 .随着新能源产业及永磁材料的发展，对稀土金属的质量要求越来越高，控制生产成本是稀土生产企业生存和发展的永恒课题目前稀土电解在电*基金项目：国家自然科学基金资助项目（5 1 9 6 4 0 3 9）；内蒙古自治区自然科学基金资助项目（2 0 2 2 LHMS05004;2021CC0103）；白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室开放基金资助项目（2 0 2 1 H2275）.作者简介：冯小强（1 9 8 8），男，山东南稀金石新材料有限公司工程师，研究方向为稀土火法冶炼工艺研究.通信作者：e-mail:jinhui_收稿日期：2 0 2 3-0 3-1 6197冯小强，土电解槽的影响研究解过程中，多种因素影响着稀土电解槽的正常运行，如熔盐、温度、阴极插入深度等，直接影响着电解槽的各项技术指标，特别是对稀土电解原材料和辅助材料的消耗 3-1 2 。通过研究氟化锂含量、温度、阴极插人深度等影响因素，为进一步提高稀土电解槽的性能提供理论依据。1实验部分1.1原料主要原料有：Nd,03，质量分数9 9%；NdF3，质量分数9 9%LiF，工业纯.1.2实验设备电解槽结构简图如图1 所示，主要由4 部分组成分别是石墨埚、阴极钨棒、石墨阳极和金属收集器.实验运用直流整流器：1 2 V/8000A.实验所用测量设备、仪器主要有：高端电感耦合等离子体发射光谱仪（JY一ICP，上海莱瑟，法国）；红外碳硫分析仪（CS106，上海宝英光，中国）；氧氮仪（ON一3000，M i l u a u k e e，中国）；手持式红外线测温仪（CWH 一1 0 5 0，海纳环保科技，中国）；自制刚尺本文采用红外碳硫分析仪检测金属碳和硫含量；采用氧氮仪检测金属氧含量；采用手持式红外线测温仪测熔盐温度；采用自制刚尺测量阴极插人深度。23671钨阴极2 石墨阳极3 石墨埚4 刚保护壳5保温材料6 钼7 槽体外壳图1稀土电解槽结构简图1.3电解工艺技术条件本文研究的稀土电解槽，是在1 0 5 0 的高温环境下进行的，用NdF,-LiF电解质体系去电解Nd,O3，获得液态金属Nd,其他具体工艺技术条件如表1.表1电解工艺技术条件名称基本数据备注工作电流/A6000现场测定数据槽电压/V8.5现场测定数据阴阳极压降/V6.5现场测定数据电解温度/1050现场测定数据1.4实验操作过程在其他条件保持不变的情况下，选用多台同型电解槽，1）通过采用不同的熔盐配比（氟化锂的质量分数分别为1 0%，8%，6%），记录金属的生成量、原料的消耗量、合格率及电流等；2）通过采用不同的熔盐温度，记录金属的生成量、原料的消耗量、合格率及电流等；3）通过采用不同阴极插入深度（即阴极距金属收集器钼埚的距离），也是在不同阴极电流密度的情况下，记录金属生成量、原料的消耗量、合格率以及钼埚的使用寿命等，最终得到相关数据.2结果与讨论2.1氟化锂对稀土电解的影响试验是在稀土电解温度控制在1 0 5 0 条件下，研究熔盐中不同锂含量对稀土电解的影响从表2 和图2 中可以看出，在电解过程中，熔盐温度基本相同的情况下，熔盐中的锂的质量分数从6%到10%，其对应槽电压从9.8 V下降到9.1 V，说明锂含量越高，槽电压越低，表明氟化锂能增强熔盐的导电性，有助于提高电流效率，降低稀土电解的能耗.9.89.79.69.59.49.39.29.19.0678910锂的质量分数/%图2锂含量与槽电压的关系从表2 中可以看出，当熔盐中的氟化锂质量分数从6%提高到1 0%，电流效率从7 3.7 4%提高到1982023年6 月内蒙古科技大学学报第4 2 卷第2 期77.61%，日产量从1 7 2 kg提高到1 9 0 kg，但是金属合格率会先从9 5.6%升高到9 8.2%，后降低到96.5%，生产料比先从1.1 9 9 降低到1.1 9 7，后升高到1.2 1 1.这说明了氟化锂能够增强熔盐的导电性，提高稀土电解的电流效率，提高生产效率，适当增加氟化锂含量，能够提高金属的质量，同时也能够提高原料的利用率,降低物料损耗；反之，氟化锂含量增加过大的话，不仅会降低产品质量，而且也会增大物料的损耗，不利于降低生产成本在保持熔盐温度基本不变的情况下，保持熔盐中的氟化锂的质量分数为8%左右，有利于提高电流效率，提高产量，也能保证产品质量，降低物料损耗，提高原料的利用率，有利降低生产成本，表2不同氟化锂含量下电解槽的平均生产数据炉号氟化锂含量/%平均电流/A日产量/kg合格率/%料比电流效率/%1106 00019096.51.21177.6128580018398.21.19777.3336565017295.61.19973.742.2温度对稀土电解的影响本试验是保持熔盐中锂含量处于8%的条件下，研究熔盐中不同温度对稀土电解的影响。从图3 中可以看出，在稀土电解过程中，温度从1030提高到1 0 8 0，槽电压从1 0.6 V降到9.2V,说明槽电压随着熔盐的温度升高而降低，并趋向稳定这说明提高了熔盐温度有利于提高熔盐中离子的活性,增强导电性，提高电流效率,利于稀土电解过程.从表3 中可以看出，在保持熔盐成分基本不变的情况下，温度从1 0 3 0 到1 0 8 0，日产量从172kg增加到1 9 0 kg，合格率先从9 4.2%增加到98.2%然后降至9 6.5%.说明增大熔盐温度，实际相当于增大操作电流，金属的日产能会随之不断增大，产品合格率也会增大后降低，这说明适当提高熔盐有利于改善金属质量，但是温度过高会影响金属质量；另外，生产料比和电流效率也随着熔盐温度的升高出现先升高后降低现象，说明了适当提高熔盐温度有利于改善稀土电解过程，减少物料损耗，提高电流效率，降低生产成本，但是熔盐温度过高的话，不利于电解过程，会增大熔盐的蒸发，增大物料损耗，降低电流效率，进而会提高生产成本；熔盐温度在1 0 5 0 时，电解槽的各项技术指标相对较好，有利于降低生产成本.10.610.410.210.09.89.69.49.29.0103010401050106010701080温度/图3温度与槽电压的关系表3电解槽的3 个月平均生产数据炉号熔盐温度/日产量/kg合格率/%料比电流效率/%1#108019096.51.21375.642105018398.21.19777.333#103017294.21.20472.672.3阴极插入深度对稀土电解的影响从图4 中可以看，在保持熔盐成分基本不变及熔盐表面温度相同的条件下，阴极距钼的距离从5 cm到7 cm时，日产量从1 9 0 kg降低到1 8 5 kg，降幅为2.6%；从7 cm到9 cm时，日产量从1 8 5 kg降低到1 7 2 kg，降幅为7.0%.结果表明：随着阴极距钼埚距离的增长，金属的产量降低，且降幅增加.这说明了同等操作温度下，阴极插人深度越浅，责任编辑：张利萍）199冯小强，电解槽的影响研究布电解区域越小，则电解槽的电流会越小，稀土电解过程会越慢，金属产量也就越低。从图4，5 可以看出，当阴极距钼埚的距离为7cm时，钼埚的使用寿命为5 9 d，不再明显增加，而此时金属产量为1 8 5 kg，相对较高当阴极距钼埚的距离大于7 cm时，钼埚的使用寿命增长缓慢，而金属日产量急剧降低因此，综合生产成本及产量等因素,选择阴极距钼埚的距离为7 cm，对稀土电解过程影响较小，对降低生产成本有利.1901853/鲁日18017517016556789距离/cm图4阴极距钼的距离对产量的影响62605856P/婴54525048464456789距离/cm图5阴极距钼的距离对钼埚寿命的影响在探究上述各种因素对工艺条件影响的过程中发现，锂的质量分数、温度值以及阴极插入深度值过高或过低均会对电解槽的正常运行产生不利影响。6kA错钕电解槽也得到类似的结论，将影响因素控制在一个合理的范围内，得到一个最佳值 1 3 .3结论在稀土电解过程中，锂的质量分数、温度及以及阴极插人深度等起着重要作用，通过前面的实验数据分析，可以得出：1)氟化锂能够增强熔盐的导电性，提高稀土电解的电流效率，提高生产效率在氟化锂的质量分数8%，更有利于稀土电解过程，生产成本较低。2温度对稀土电解过程很关键，操作温度高于某一温度界限或低于某一温度界限均会产生不好的影响，熔盐温度在1 0 5 0 时，稀土的各项技术指标都相对较好。3）阴极插人深度对钼埚的寿命和稀土电解过程影响较大，控制好阴极的插人深度至关重要。当插人的阴极距钼埚7 cm时，对钼和稀土电解过程相对更好，利于降低生产成本。参考文献：1刘玉宝，陈国华，于兵，等.熔盐电解法制备稀土金属技术研究进展.稀士,2 0 2 1,4 2（5）：1 3 3.2王祥生，王志强，陈德宏，等.稀土金属制备技术发展及现状 J.稀土,2 0 1 5,3 6(5）：1 2 3.3刘中兴,米兰,王春慧，等.1 0 kA氧化钕电解槽热平衡计算 J.内蒙古科技大学学报,2 0 0 8,2 7（1）：8 7.4陈国华,刘玉宝.稀土熔盐电解技术研究进展.稀土信息,2 0 1 5,(1 0)：1 2.5廖春发，郭超，林觉远，等.电流密度对稀土熔盐电解影响的研究进展 .稀土,2 0 2 1,4 2（1）：1 2 2.6郭探，王世栋，叶秀深，等.熔盐电解法制备稀土合金研究进展 门.中国科学：化学,2 0 1 2,4 2（9）：1 3 2 8.7陈宇昕.氟化物体系电解稀土氧化物制备稀土金属研究 J.稀,2 0 1 4,3 5(2）：9 9.8卢小能,张小增，谢欣荣,等.2 5 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