[发明专利]用于稀土金属的生产的电解池

说明书

技术领域

本公开大体上涉及电解池，具体地涉及适用于通过熔融氟化物或者氯化物电解浴中的电解过程来生产例如钕、镨、铈、镧及其混合物的稀土金属的电解池。

背景技术

用于在熔融氟化物或者氯化物盐浴中生产铝的电解池是公知的，并且许多它们的设计特点应对了重要的考量。特别地，重要的是维持稳定且小的阳极-阴极距离(anode-cathode distance，ACD)作为高度能量密集过程中的节能措施。在熔融铝蓄积在阴极表面上并且处于由强磁场强加的流体动力下的情况下，维持不变的ACD可以证实是困难的。因此，在一些池构造中，阴极可以悬吊在熔融铝蓄积在其上的池底板之上。在其它构造中，阴极可以配备熔融铝可以汇集到其上的沟道，因此一旦它形成就从阴极表面排出熔融铝，以维持不变的ACD。

同样重要的是，电解池被配置为从极间空间释放在电解期间在阳极表面放出的二氧化碳气体，以基本上防止当铝金属在阴极表面形成时与铝金属“逆反应”，从而降低电解过程的效率。

目前也在熔融混合氟化物盐浴中通过电解过程商业化地生产钕、镨及其混合物和其它稀土金属。与铝的电解生产形成对照，阳极和阴极布置在垂直取向上，并且熔融金属被汇集到池底板上的接收容器中。极间空间不受熔融金属积累的影响，然而它仍然受到由碳阳极表面的连续电解消耗而造成的变化。阴极通常包括惰性金属如钼或者钨。

随着阳极被消耗，没有有效的手段以保持阳极-阴极间隔距离均匀。由于过程热的主要部分由电极间距的欧姆电阻来传递，所以过程温度高度可变，并且通常通过减少供给池的电流来控制。这在将会电串联连接若干池的大规模操作中是不现实的。此外，贯穿电解过程的电流恶化也是不希望有的，因为它降低了池的生产能力。最重要的是，未能严密地控制过程温度降低了过程产出或者法拉第效率，并且导致了沉淀在池底板上的不溶沉淀物的形成。因此，必须定期暂停电解以从池中去除沉淀物，从而抑制了连续的电解。

过程温度的不佳控制也增加了来自池的蒸汽排放，蒸汽排放如果不受遏制，则对工作环境和自然环境是有害的。

此外，随着阳极被消耗，它们在电解质中的置换体积减少，并且池中的电解质水平下降。这减少了浸入在电解质中的阳极的工作面积，损害了包括功率消耗的过程效率，并且增加了生成高污染气体的“阳极效应”的可能性。

此外，在过程温度下，产物稀土金属与碳反应。碳对于某些稀土金属产物应用是非常不希望有的杂质。减少池中的游离碳与金属之间接触的可能性和/或产物金属在池中的停留时间是希望的设计属性，该设计属性在目前的商业池设计中不是明显的。这个特殊问题在用于铝的生产的电解池的设计中不是一个要素，因为在这些条件下铝不与碳反应。

此外，在目前用于稀土金属的电解池设计中，难以维持熔融状态下的产物稀土金属，因为操作温度优选地仅在产物稀土金属的熔点以上10至30℃。在用于电解生产铝的电解池中这个问题不成问题并且未被应对，因为过程温度在铝的熔点以上约300℃。

目前用于稀土金属的电解生产的商业活动是小规模的、劳动力密集的并且以半批量的方式来操作。几个缺陷妨碍了过程规模扩大到允许更高的生产率、连续的电解以及要达到的环境性能、职业健康和安全性的高标准。

首先，电解池通常以与低生产能力相应的5至10千安培的有限电流范围来操作。

存在对池的稀土氧化物给料的不良控制，导致了不溶性沉淀物的积累，这需要频繁的池清理，从而妨碍了连续电解。此外，手动地将给料传送给池，而没有对池中的当前氧化物浓度的已知参照。

现有技术使用垂直电极布置。这样的布置不适合于达到高法拉第效率。例如，从阳极表面放出并且上升的气泡很有可能被夹带在电解质流中，并且与阴极板上形成的产物金属接触，从而作为产物金属的逆向氧化的结果而降低了过程产出。