Электролитическая ячейка для производства редкоземельных металлов
Изобретения относятся к электролитическому производству редкоземельных металлов. Электролитическая ячейка включает корпус, выполненный с одним или более наклонными каналами на дне корпуса для стекания расплавленных редкоземельных металлов. Один или более катодов подвешены в корпусе ячейки в вертикальном выравнивании с одним или более каналами. Соответствующие противолежащие поверхности катодов наклонены вниз и наружу под углом от вертикали. Одна или более пар анодов подвешены в корпусе ячейки. Каждый анод в одной или более парах имеет лицевую поверхность, отклоненную от вертикали и разнесенную в параллельном выравнивании с соответствующими противолежащими наклонными поверхностями одного или более катодов. Электролитическая ячейка также включает сборник для приема расплавленных редкоземельных металлов из канала. Отделение расплавленных редкоземельных металлов от катода (-ов) и анода (-ов) предотвращает загрязнение летучим углеродом, поднимающимся с анода (-ов), или обратную реакцию с отходящими газами. Техническим результатом является повышение эффективности потребления энергии и снижение загрязнения продукта. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится в целом к электролитическим ячейкам, в частности -электролитическим ячейкам, приспособленным для производства редкоземельных металлов, таких как неодим, празеодим, церий, лантан, и их смесей, с применением процесса электролиза в электролитической ванне фторидного или хлоридного расплава.
Предпосылки изобретения
Электролитические ячейки для производства алюминия в ванне расплава фтористой или хлористой соли хорошо известны, и многие их конструкционные особенности решают важные задачи. В частности, важно поддерживать стабильное и малое анодно-катодное расстояние (АКР) в качестве меры энергосбережения в крайне энергоемком процессе. Поддержание постоянного АКР может оказаться сложным, когда расплавленный алюминий накапливается на поверхности катода и находится под воздействием гидродинамических сил, прикладываемых сильными магнитными полями. Соответственно, в некоторых конфигурациях ячеек, катоды могут подвешиваться над дном ячейки, на котором накапливается расплавленный алюминий. В других конфигурациях катоды могут снабжаться каналами, в которые может собираться расплавленный алюминий, таким образом отводя расплавленный алюминий с поверхности катода, как только он образовывается, чтобы поддерживать постоянное АКР.
Также важно, что электролитическая ячейка приспособлена выпускать углекислый газ, который выделяется на поверхности анода во время электролиза, из междуэлектродного пространства, чтобы в значительной мере предотвращать "обратную реакцию" с металлическим алюминием, когда он образуется на поверхности катода, тем самым сокращая эффективность процесса электролиза.
Неодим и празеодим, их смеси и другие редкоземельные металлы, также в настоящее время производятся в промышленном масштабе с применением процесса электролиза в ванне расплава смешанной фторидной соли. В отличие от электролитического производства алюминия, аноды и катоды расположены в вертикальной ориентации, а расплавленный металл собирается в приемный сосуд на дне ячейки. Междуэлектродное пространство не подвергается воздействию накопления расплавленного металла, но, тем не менее, подвержено изменению непрерывным электролитическим истощением поверхностей угольного анода. Катоды, как правило, состоят из инертного металла, такого как молибден или вольфрам.
Поскольку аноды истощаются, не существует эффективного способа поддерживать анодно-катодное разделение равномерным. Поскольку основная часть технологического тепла вырабатывается омическим сопротивлением расстояния между электродами, температура процесса крайне изменчива и в общем контролируется уменьшением тока, подаваемого в ячейку. Это непрактично в операциях более крупного масштаба, в которых ряд ячеек соединяются электрически последовательно. Кроме того, ослабление тока в ходе процесса электролиза также является нежелательным по той причине, что это сокращает производственную мощность ячейки. Что наиболее важно, неспособность точно контролировать температуру процесса сокращает технологический выход, или эффективность Фарадея, и приводит к образованию нерастворимого осадка, который осаждается на дно ячейки. Следовательно, электролиз приходится периодически останавливать, чтобы изымать из ячейки осадок, тем самым препятствуя непрерывному электролизу.
Плохой контроль над температурой процесса также увеличивает выбросы пара из ячейки, которые вредны для рабочей атмосферы и окружающей среды, если их не сдерживать.
Дополнительно, по мере истощения анодов, вытесняемый ими объем в электролите уменьшается, и уровень электролита в ячейке падает. Это уменьшает рабочую площадь анода, погруженного в электролит, в ущерб эффективности процесса, включая потребление питания и увеличенную вероятность "анодных эффектов", создающих сильно загрязняющие газы.
Более того, редкоземельный металл продукта может реагировать с углеродом при температуре процесса. Углерод является крайне нежелательной примесью для некоторых приложений редкоземельного металла продукта. Уменьшение вероятности контакта между летучим углеродом в ячейке и металлом и/или времени нахождения металла продукта в ячейке являются желательными конструкционными признаками, которые отсутствуют в имеющихся конструкциях промышленных ячеек. Эта конкретная задача не является фактором при проектировании электролитических ячеек для производства алюминия, поскольку при таких условиях алюминий с углеродом не реагирует.
Дополнительно, в существующих конструкциях электролитических ячеек для редкоземельных металлов трудно поддерживать редкоземельные металлы продукта в расплавленном состоянии, поскольку рабочие температуры предпочтительно составляют только на 10-30°C выше точки застывания редкоземельных металлов продукта. Этот недостаток не составляет проблемы и не решается в электролитических ячейках для электролитического производства алюминия, поскольку температура процесса составляет приблизительно на 300°C выше точки застывания алюминия.
Существующая коммерческая деятельность по электролитическому производству редкоземельных металлов имеет малый масштаб, является трудоемкой и осуществляется в полупериодическом режиме. Несколько недостатков мешают увеличить масштаб процесса, чтобы позволить достичь большей продуктивности, непрерывного электролиза и высоких стандартов экологичности, гигиены труда и безопасности.
Во-первых, электролитические ячейки обычно работают в ограниченном диапазоне тока, от 5 до 10 килоампер, соответствующем низкой мощности производства.
Имеется плохое управление загрузочным материалом редкоземельных оксидов в ячейку, приводящее к накоплению нерастворимых осадков, которые требуют частой очистки ячейки, таким образом препятствуя непрерывному электролизу. Дополнительно, загрузочный материал подается в ячейку вручную, без известной ссылки на текущую концентрацию оксида в ячейке.
Существующая технология использует вертикальные устройства электрода. Такие устройства не склонны достигать высокой эффективности Фарадея. Например, пузырьки газа, которые возникают и поднимаются с поверхности анода, с высокой вероятностью увлекаются в потоки электролита и контактируют с металлом продукта, образующимся на катодных пластинах, тем самым сокращая технологический выход вследствие обратного окисления металла продукта.
Keller в патенте США №5810993 описывает способ производства неодима в электролитической ячейке, спроектированной работать без возникновения анодных эффектов, следовательно, избегая создания и выпуска крайне загрязняющих перфторуглеродных (ПФУ) газов. В этом изобретении цели достигаются, во-первых, путем предоставления множества анодных пластин, так что плотность анодного тока остается существенно ниже той, при которой может возникнуть анодный эффект, и, во-вторых, путем физического отделения вертикальных катодов от вертикальных анодов с помощью инертного барьерного материала, который остается проницаемым для ионов неодима, так что в области анода может поддерживаться более высокая концентрация растворенного оксида неодима, чем в области катода. Однако раскрытое изобретение имеет ряд недостатков и непрактичных признаков. В приведенных примерах не показывается, что барьерный материал (нитрид бора) в действительности является проницаемым для ионов неодима, как требуется для непрерывного процесса электролиза.
Кроме того, предложенная конструкция анода является сложной, и можно ожидать, что скорость износа анодных пластин будет крайне неравномерной и расточительной. Разделение на отсеки анодной и катодной областей также приводит к большому междуэлектродному расстоянию разделения, и результирующему неэффективному потреблению энергии. Кроме того, изобретение предлагает использовать уголь в качестве инертного катодного материала, хотя хорошо известно, что уголь реагирует с металлом продукта и загрязняет его.
Следовательно, имеется потребность в альтернативных или усовершенствованных электролитических ячейках и процессах для производства редкоземельных металлов.
Приведенные выше ссылки на имеющийся уровень техники не являются признанием того, что этот уровень техники является частью обычного общеизвестного знания специалиста обыкновенной квалификации в данной области техники. Вышеприведенные ссылки также не предназначены для ограничения электролитической ячейки, как она описывается в данном документе.
Суть изобретения
В первой особенности раскрывается электролитическая ячейка для производства редкоземельных металлов, содержащая:
корпус ячейки, снабженный одним или более наклонными каналами, расположенными на дне корпуса ячейки, по этому каналу (-ам) могут стекать расплавленные редкоземельные металлы, произведенные в электролитической ячейке;
один или более катодов, подвешенных в корпусе ячейки в значительной мере в вертикальном выравнивании с одним или более каналами, при этом соответствующие противолежащие поверхности одного или более катодов наклоняются вниз и наружу под углом от вертикали;
одну или более пар анодов, подвешенных в корпусе ячейки, при этом каждый анод в одной или более парах имеет лицевую поверхность, отклоненную от вертикали и разнесенную в параллельном выравнивании с соответствующими противолежащими наклонными поверхностями одного или более катодов, чтобы определять в значительной мере постоянное анодно-катодное расстояние между ними; и
сборник для приема расплавленных редкоземельных металлов из канала, причем сборник находится на расстоянии и изолирован от одного или более катодов и одной или более пар анодов, подвешенных в корпусе ячейки.
Во второй особенности раскрывается электролитическая ячейка для производства редкоземельных металлов, содержащая:
корпус ячейки для содержания электролитической ванны;
один или более катодов, подвешенных в корпусе ячейки;
одну или более пар расходуемых анодов, подвешенных в корпусе ячейки, каждый анод в одной или более парах находится на расстоянии от соответствующих противолежащих сторон катода; и
устройство вытеснения, чтобы управлять высотой электролитической ванны, содержащейся в корпусе ячейки.
В одном варианте осуществления указанное устройство вытеснения управляет высотой электролитической ванны, содержащейся в корпусе ячейки, в ответ на расход анода и объем продукта редкоземельного металла, содержащегося в корпусе ячейки.
В третьей особенности раскрывается электролитическая ячейка для производства редкоземельных металлов, содержащая:
корпус ячейки;
один или более катодов, подвешенных в корпусе ячейки;
одну или более пар расходуемых анодов, подвешенных в корпусе ячейки, каждый анод в одной или более парах находится на расстоянии от соответствующих противолежащих сторон катода; и
устройство, функционально связанное с одной или более парами расходуемых анодов, чтобы управлять расстоянием между анодами и катодом в ответ на расходование анода.
В еще одной особенности раскрывается система для электролитического производства редкоземельных металлов, содержащая:
электролитическую ячейку в соответствии с одной из первой, второй или третьей особенностей, как определяется выше;
загрузочный материал, содержащий одно или более соединений редкоземельного металла, способных подвергаться электролизу, чтобы производить редкоземельные металлы;
электролит, в расплавленном состоянии которого может растворяться загрузочный материал; и
источник постоянного тока, приспособленный проводить ток между анодом и катодом электролитической ячейки, чтобы подвергать электролизу загрузочный материал и таким образом производить продукт расплавленного редкоземельного металла.
В другой особенности раскрывается процесс для электролитического производства редкоземельных металлов, содержащий:
предоставление электролитической ячейки в соответствии со второй особенностью;
заполнение электролитической ячейки загрузочным материалом, содержащим одно или более соединений редкоземельного металла, способных подвергаться электролизу, чтобы производить редкоземельные металлы, и электролитической ванны, содержащей расплавленный электролит, в котором может растворяться загрузочный материал;
пропускание постоянного тока между по меньшей мере одним расходуемым анодом и катодом в электролитической ячейке, чтобы производить электролиз загрузочного материала и таким образом производить продукт расплавленного редкоземельного металла; и
вытеснение расплавленного электролита в электролитической ячейке, чтобы поддерживать высоту электролитической ванны в электролитической ячейке.
В одном варианте осуществления этап вытеснения выполняется в ответ на скорость расходования анода и/или изменение объема продукта редкоземельного металла, содержащегося в электролитической ячейке.
В еще одной особенности раскрывается процесс для электролитического производства редкоземельных металлов, включающий:
предоставление электролитической ячейки в соответствии с третьей особенностью;
заполнение электролитической ячейки загрузочным материалом, содержащим одно или более соединений редкоземельного металла, способных подвергаться электролизу, чтобы производить редкоземельные металлы, и расплавленным электролитом, в котором может растворяться загрузочный материал;
пропускание постоянного тока между по меньшей мере одним расходуемым анодом и катодом в электролитической ячейке, чтобы производить электролиз загрузочного материала и таким образом производить продукт расплавленного редкоземельного металла; и
перевод каждого расходуемого анода по направлению к катоду в ответ на скорость расходования анода, чтобы поддерживать постоянное анодно-катодное расстояние в электролитической ячейке.
Раскрытые варианты осуществления обеспечивают усовершенствованную способность управления анодно-катодным расстоянием (АКР), а следовательно и температурой процесса, усовершенствованное управление высотой электролитической ванны в электролитической ячейке и погружением анода, лучшее смешивание электролита, чтобы облегчать растворение загрузочного материала, и более высокую эффективность Фарадея, путем ограничения возможности обратной реакции анодного газа с произведенным металлом.
Краткое описание графических материалов
Независимо от других форм, которые могут попадать в рамки объема изобретения, как оно излагается в кратком описании, теперь будут описаны конкретные варианты осуществления, исключительно в качестве примера, со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:
Фигура 1 представляет собой изображение сбоку электролитической ячейки в соответствии с одним конкретным вариантом осуществления; и
Фигура 2 представляет собой изображение в поперечном сечении электролитической ячейки, представленной на Фигуре 1.
Подробное описание конкретных вариантов осуществления
Описание в общих чертах относится к электролитической ячейке, приспособленной для производства редкоземельных металлов с применением процесса электролиза в ванне расплавленной электролитической соли.
Редкоземельные металлы, производимые в электролитической ячейке, раскрытой в данном документе, включают редкоземельные металлы, имеющие точку плавления ниже 1100°C. Приведенные в качестве примера редкоземельные металлы включают, но без ограничения, Се, La, Nd, Pr, Sm, Eu, и их сплавы, включая дидим и мишметалл. Электролитическая ячейка, раскрытая в данном документе, также подходит для производства сплавов редкоземельных металлов с железом.
Ванна расплавленной электролитической соли ведет себя по отношению к загрузочному материалу как растворитель. Электролит для использования в ванне расплавленной электролитической соли может содержать галидные соли, в частности, фторидные соли.
Примеры "фторидных солей" включают, но без ограничения, металфторидные соли, включая фториды редкоземельных металлов, такие как LaF3, CeF3, NdF3 и PrF3, фториды щелочных металлов, такие как LiF, KF, и фториды щелочноземельных металлов, такие как CaF2, BaF2.
Выбор загрузочного материала для процесса электролиза зависит от желаемого продукта редкоземельного металла и состава электролита. Когда электролит состоит из фторидных солей, загрузочный материал, который подвергается процессу электролиза, может содержать оксиды редкоземельных металлов.
Термин "оксид редкоземельного металла" в широком смысле относится к любому оксиду или любым предшественникам таких оксидов редкоземельного металла, включая гидроксиды, карбонаты или оксалаты редкоземельных металлов. Редкоземельные металлы представляют собой набор семнадцати химических элементов в периодической таблице, а именно пятнадцать лантаноидов плюс скандий и иттрий. Скандий и иттрий считаются редкоземельными металлами, поскольку они, как правило, встречаются в тех же залежах руды, что и лантаноиды, и демонстрируют подобные химические свойства. Лантаноиды включают лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.
Подходящие примеры загрузочного материала для электролитического производства неодима или празеодима включают оксид неодима (Nd2O3) или оксид празеодима (Pr6O11). Когда желаемым продуктом является сплав, такой как дадим, загрузочный материал может содержать два или более оксидов редкоземельных металлов (например, Nd2O3 и Pr6O11) в желаемом стехиометрическом отношении желаемого сплава. Мишметалл может быть приготовлен из оксидов нескольких редкоземельных металлов, таких как Се, La, Nd, Pr, причем отношение редкоземельных металлов в мишметалле соответствует отношению оксидов редкоземельных металлов в загрузочном материале.
В другом случае, когда электролит состоит из хлоридных солей, загрузочный материал может содержать хлоридные соли редкоземельных металлов.
В одном варианте осуществления электролит содержит один или более фторидов редкоземельных металлов и фторид лития. Один или более фторидов редкоземельных металлов могут присутствовать в электролите в диапазоне приблизительно 70-95 вес.% с остатком в виде фторида лития. Необязательно электролит может также содержать до 20 вес.% фторида кальция и/или фторида бария.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что рабочая температура электролитической ячейки зависит от целевого продукта редкоземельного металла или сплава редкоземельного металла, состава электролита и, следовательно, соответствующих точек отвердевания редкоземельного металла, сплава и электролита. В одном варианте осуществления рабочая температура электролитической ячейки может находиться в диапазоне 5-50°C выше точки отвердевания электролита, и предпочтительно 10-20°C выше точки плавления электролита. Состав электролита выбирается так, что ликвидус электролита может находиться в диапазоне 5-50°C выше точки отвердевания металла.
В некоторых вариантах осуществления, когда целевым продуктом редкоземельного металла является мишметалл (смесь церия, лантана, неодима и празеодима), точка отвердевания является изменчивой, в зависимости от состава мишметалла и относительных отношений редкоземельных металлов в нем, но, как бы то ни было, составляет приблизительно 800°C. В этих вариантах осуществления электролит может включать фториды бария или кальция, как описано выше, чтобы достигать ликвидуса электролита в диапазоне 5-50°C выше точки отвердевания мишметалла.
В других вариантах осуществления, когда точки отвердевания сплавов или смесей редкоземельных металлов составляют 800°C или ниже, электролит может необязательно содержать одну или более хлористых солей редкоземельных металлов и хлористых солей лития.
Обращаясь к Фигурам 1 и 2, на которых подобные номера относятся к подобным частям, представляется вариант осуществления электролитической ячейки 10 для производства редкоземельных металлов. Ячейка 10 включает корпус 12, имеющий дно 14, сборник 16, один или более катодов 18 и одну или более пар анодов 20.
Корпус 12 образован из антикоррозийных материалов, которые являются инертными в виду состава электролита и рабочих условий, как было описано в предыдущих параграфах. В частности, антикоррозийные материалы, используемые, чтобы облицовывать корпус 12 изнутри, должны быть устойчивыми к образованию сплава с редкоземельными металлами, производимыми в нем. В одном варианте осуществления корпус 12 может быть облицован изнутри тугоплавкими материалами. Подходящие тугоплавкие материалы включают, но без ограничения, углерод, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид бора или определенные нержавеющие стали, такие, как известны специалистам в данной области техники.
Наклонное дно 14 имеет один или более наклонных каналов 22, расположенных на нем, по которым могут стекать расплавленные редкоземельные металлы, произведенные в электролитической ячейке 10. В одном варианте осуществления один или более наклонных каналов 22 отклонены от горизонтали на угол α до 10°.
В варианте осуществления, представленном на Фигуре 2, канал 22 имеет прямоугольное поперечное сечение. Однако будет понятно, что в альтернативных вариантах осуществления поперечное сечение канала 26 может принимать иные формы такие как V-образная или U-образная.
В некоторых формах изобретения дно 14 может быть снабжено более чем одним наклонным каналом 22, как представлено на Фигуре 2. В этих конкретных формах каналы 22 приспособлены в смежном боковом параллельном выравнивании друг с другом. В целом, канал(ы) 22 могут быть выровнены вдоль или равноудалены от центральной продольной оси дна 14 в корпусе 12. В этом устройстве канал(ы) 22 на дне 14 могут располагаться рядом с нижней стороной 24 одного или более катодов 18, чтобы принимать расплавленные редкоземельные металлы, производимые на одном или более катодах 18.
Дно 14 или верхняя поверхность дна 14 может быть образована из антикоррозийных материалов, тех же, или подобных тем материалам, которые выбраны для облицовки корпуса 12 ячейки. Все поверхности, имеющие прямой контакт с продуктом редкоземельного металла, включая канал(ы) 22 и сборник 16, должны быть устойчивыми к образованию сплавов с редкоземельными металлами, производимыми в электролитической ванне. Подходящие облицовочные материалы для канала (-ов) 22 и сборника 16 включают, но без ограничения, такие металлы как вольфрам, молибден или тантал.
Сборник 16 приспособлен принимать, при использовании, расплавленный редкоземельный металл, произведенный на одном или более катодах 18, который собирается в канале и стекает к нижнему концу 26 канала 22. Сборник 16 находится на расстоянии и изолирован от одного или более катодов 18 и одного или более анодов 20.
Сборник 16 может быть снабжен нагревателем, чтобы поддерживать температуру выше ликвидуса расплавленного редкоземельного металла. Сборник 16 может также быть снабжен отверстием (не показано), из которого редкоземельный металл при необходимости может выливаться. Сборник 16 может быть образован из инертных металлов, подобных используемым для корпуса 12.
Устройство позволяет непрерывно удалять продукт расплавленного редкоземельного металла с дна 14 ячейки 10, что предотвращает накопление продукта расплавленного редкоземельного металла и, следовательно, обеспечивает несколько преимуществ. В электролитических ячейках имеющегося уровня техники, где позволяется образование накопления продукта расплавленного редкоземельного металла, в частности на дне ячейки или на катодной поверхности, продукт расплавленного редкоземельного металла часто загрязняется "осадком", который содержит не растворившийся и частично расплавленный редкоземельный загрузочный материал, промежуточные продукты реакции и побочные продукты. В электролитической ячейке 10, раскрытой в данном документе, в отсутствие продукта расплавленного редкоземельного металла, осадок остается в контакте с расплавленным электролитом и, таким образом, получает возможность повторного растворения в расплавленном электролите.
Продукт расплавленного редкоземельного металла, собранный в сборнике 16, находится на расстоянии и изолирован от одного или более катодов 18 и одного или более анодов 20. Следовательно, расплавленный редкоземельный металл защищен от реакции и/или загрязнения летучим углеродом, поднимающимся с одного или более анодов 20, и обратных реакций с газами, отходящими с одного или более анодов 20.
Один или более катодов 18 подвешиваются в электролитической ванне 11, содержащейся в корпусе 12 ячейки, над каналом 22 во в значительной мере вертикальном выравнивании с ним. В представленной форме катоды 18 содержат пластины катодного материала, имеющие верхнюю поверхность 28 и противолежащие продолговатые поверхности 30, причем нижняя сторона 24 располагается над каналом 22 так, что расплавленный редкоземельный металл, производимый на противолежащих поверхностях 30, может падать под действием силы тяжести прямо в нижележащий канал 22. Противолежащие поверхности 30 катодов 18 поддерживаются инертным огнеупорным заполняющим материалом 32, который дополнительно устраняет образование неактивной электролитической зоны в ячейке 10.
Катоды 18 приспособлены в смежном выравнивании друг с другом, благодаря чему противолежащие продолговатые поверхности 30 смежных катодов 18 соответственно выровнены друг с другом в продольном направлении, а соответствующие противолежащие торцевые поверхности смежных катодов 18 обращены друг к другу. Специалистам в данной области техники будет понятно, что промежуток между лицевыми противолежащими торцевыми поверхностями смежных катодов 18 является насколько можно узким.
Пластины катодного материала имеют соответствующий размер, так что, в устройстве наподобие описанного выше, эффективная длина расположенных рядом катодов 18 в значительной мере такая же или незначительно короче длины канала 22.
В другом случае в электролитической ячейке 10, наподобие описанной в данном документе, может использоваться единственный катод 18, имеющий длину, подобную длине канала 22.
Противолежащие продолговатые поверхности 30 катодов 18 наклонены вниз и наружу под углом от вертикали, благодаря чему форма поперечного сечения катода 18 в значительной мере треугольная. Противолежащие продолговатые поверхности 30 могут быть отклонены от вертикали на угол β до 45°, и предпочтительно 2° от 10°.
Угол наклона выбирается на основании оптимизированного движимого пузырьками потока электролита, чтобы получать хорошее смешивание с загрузочным материалом и сохранение высокого выхода Фарадея. Желаемый угол β может определяться численным моделированием для конкретной геометрии ячейки.
В вариантах осуществления, в которых желаемым электролитическим продуктом является единственный редкоземельный металл или сплав редкоземельных металлов, катоды 18 могут быть образованы из электропроводящего материала с достаточными резистивными тепловыми свойствами, чтобы гарантировать свободный поток расплавленных редкоземельных металлов при температурах незначительно превышающих их точки плавления. Такие материалы должны быть стойкими к образованию сплавов с редкоземельными металлами, производимыми в электролитической ванне. Подходящие материалы включают, но без ограничения, такие металлы как вольфрам, молибден или тантал.
В альтернативных вариантах осуществления, когда желаемым является сплав железа с одним или более редкоземельными металлами, катод 18 может быть образован из железа. Специалистам в данной области техники будет понятно, эти в этих конкретных вариантах осуществления катод 18 будет расходоваться во время процесса электролиза для производства сплава железа и редкоземельного металла.
В варианте осуществления, представленном на Фигурах 1 и 2, в корпусе 12 ячейки подвешено множество пар анодов 12. Каждый анод 20 в паре находится на расстоянии от соответствующих противолежащих продолговатых поверхностей 30 катодов 18. В такой форме, как показана, аноды 20 содержат плиты расходуемого анодного материала, имеющие верхнюю поверхность 32, нижнюю поверхность 34, противолежащие дальнюю и ближнюю продолговатые поверхности 36а, 36b и противолежащие концы 38. Дальняя продолговатая поверхность 36а каждого анода 20 может быть в значительной мере вертикальной или может быть отклонена от вертикали. Ближняя продолговатая поверхность 36b отклонена от вертикали. Ближняя продолговатая сторона 36b может быть отклонена от вертикали на угол β' до приблизительно 45°, и предпочтительно от 2° до 10°, сужаясь к нижней поверхности 34 анода 20.
Ближние продолговатые поверхности 36b анодов 18 обращены к соответствующим противолежащим продолговатым поверхностям 30 катодов 18. Обе поверхности 36b и 30 отклонены от вертикали на соответствующий угол β', так что указанные поверхности 36b и 30 разнесены параллельно друг от друга, так чтобы определять во в значительной мере постоянное анодно-катодное расстояние между ними.
Аноды 20 приспособлены в смежном выравнивании друг с другом, благодаря чему противолежащие продолговатые поверхности 36а, 36b смежных анодов 20 соответственно выровнены друг с другом в продольном направлении, а соответствующие противолежащие концы 38 смежных анодов 20 обращены друг к другу. Специалистам в данной области техники будет понятно, что промежуток между лицевыми противолежащими концами 38 смежных анодов 20 является насколько можно узким.
Пластины анодного материала имеют соответствующий размер, так что, в устройстве наподобие описанного выше, эффективная длина расположенных рядом анодов 20 в значительной мере такая же или незначительно короче длины канала 22.
В другом случае в электролитической ячейке 10, наподобие описанной в данном документе, может использоваться единственная пара анодов 20, имеющая длину, подобную длине канала 22.
Подходящие примеры расходуемого анодного материала включают, но без исключения, материалы на основе углерода, в частности уголь высокой чистоты, графит электродного класса, составы из прокаленного нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Такие составы хорошо известны специалистам в области техники, относящейся к электролитическому производству редкоземельных металлов и других металлов, таких как алюминий.
Аноды расходуются по мере прохождения процесса электролиза, а угол наклона β ближней продолговатой стороны 36b остается в значительной мере постоянным. Пузырьки газа, выпускаемые из анода 20, следовательно удерживаются у ближней продолговатой поверхности 36b, когда пузырьки газа поднимаются к поверхности электролита, с помощью наклонного профиля ближней продолговатой поверхности 36b, как представлено на Фигуре 2. Это выгодно сокращает возможность контакта возникшего газа с металлом, образующимся на катоде 18, таким образом улучшая эффективность Фарадея и избегая образование нерастворимых осадков, образующихся обратной реакцией с ними.
В большинстве рабочих условий АКР в электролитической ячейке, наподобие раскрытой в данном документе, может составлять от приблизительно 30 мм до приблизительно 200 мм, хотя предпочтительным является АКР от приблизительно 50 мм до приблизительно 100 мм. Специалист в данной области техники может легко определить надлежащее АКР в зависимости от желаемого тепловыделения в электролитической зоне, электролитических потоков для оптимальной растворимости загрузочного материала и оптимизации технологического выхода (эффективности Фарадея).
Анод расходуется во время электролиза, а значит по мере прохождения электролиза АКР может возрастать. Электролитическая ячейка 10, раскрытая в данном документе, может быть снабжена устройством 40, функционально связанным с одним или более анодами 20, чтобы управлять АКР, в частности, чтобы поддерживать в значительной мере постоянное АКР. Указанное устройство 40 может содержать аппарат горизонтального позиционирования в функциональной связи с одним или более анодами 20. При использовании аппарат горизонтального позиционирования может перемещать в сторону один или более анодов 20 к катоду 18 в ответ на скорость, с которой расходуется анод 20, так что АКР может оставаться в значительной мере постоянным. Скорость расходования анода может определяться ссылкой на электрический ток. В другом случае аппарат горизонтального позиционирования может перемещать один или более анодов 20 в ответ на изменение сопротивления ячейки от предопределенного значения.
Вследствие расходования анода объем, занимаемый анодами 20 в электролитической ячейке 10, сокращается, тем самым понижая высоту электролитической ванны в корпусе 12. Аналогично, прерывистые операции с ячейкой, такие как замена использованных анодов новыми анодами и удаление продукта редкоземельного металла из ячейки, приводит к существенному и нежелательному изменению высоты электролитической ванны и глубины погружения электрода. Электролитическая ячейка 10, раскрытая в данном документе, может быть снабжена устройством 42 вытеснения, чтобы управлять высотой электролитической ванны в корпусе 12, в частности, чтобы поддерживать в значительной мере постоянную высоту электролитической ванны в корпусе 12. Устройство 42 вытеснения может содержать инертное тело, которое подвешивается в корпусе 12 и может позиционироваться в вертикальном направлении. При использовании инертное тело может перемещаться вниз или вверх в ответ на конкретную операцию с ячейкой, так что высота электролитической ванны может сохраняться в значительной мере постоянной. Инертное тело может иметь любую подходящую форму, например, форму балки, как представлено на Фигурах.
Устройство 42 вытеснения может быть образовано из тех же огнеупорных материалов, что и внутренняя отделка корпуса 12, как описано выше.
При применении, процесс электролиза может выполняться путем загрузки расправленного электролита в электролитическую ячейку 10, как описано в данном документе. Переменный ток может подаваться между катодами 18 и анодами 20, и сопротивление электродов 18, 20 поднимает рабочую температуру электролитической ячейки 10 до предопределенной температуры. Загрузочный материал затем загружается в электролитическую ячейку 10 и растворяется в расплавленном электролите. Постоянный ток в диапазоне 5-10 килоампер подается на аноды 20, после чего начинается электролиз растворенного загрузочного материала. В электролитической реакции загрузочный материал восстанавливается до расплавленного редкоземельного металла (металлов) на противолежащих продолговатых поверхностях 30 катода 18. Расплавленный редкоземельный металл (металлы) затем падает в канал 22 и стекает по каналу 22 в сборник 16, который опустошается по мере необходимости. Загрузочный материал может регулярно загружаться в электролитическую ячейку 10 в области сильного потока электролита, со скоростью, более или менее соответствующей норме потребления. Специалистам, знакомым с данной областью техники, будет понятно, что скорость загрузки может точно контролироваться, чтобы достигать целевого сопротивления ячейки, соответствующего желаемой концентрации загрузки в электролите.
Процесс электролиза может выполняться при инертной или низкокислородной атмосфере в электролитической ячейке 10. Инертная атмосфера может устанавливаться и поддерживаться подачей инертного газа или газовых смесей в электролитическую ячейку 10, чтобы исключать оттуда воздух и таким образом предотвращать нежелательные реакции с расплавленным электролитом и/или электродами 18, 20. Подходящие примеры инертных газов включают, но без ограничения, гелий, аргон и азот.
Многочисленные изменения и модификации сами будут понятны специалистам в соответствующей области техники, в дополнение к тем, которые уже описаны, без отхода от основных новаторских идей. Все такие изменения и модификации следует полагать попадающими в объем настоящего изобретения, природа которого должна определяться по предшествующему описанию.
В последующих пунктах формулы изобретения и в предшествующем описании, кроме случаев, когда контекст требует иного вследствие точного выражения или необходимого логического вывода, слово "содержать" и его варианты, такие как "содержит" или "содержащий", используются в инклюзивном смысле, т.е. чтобы определять наличие заявленных признаков, но не исключать наличие или добавление дополнительных признаков в различных вариантах осуществления устройства и способа, как они раскрыты в данном документе.
1. Электролитическая ячейка для производства редкоземельных металлов, содержащая:
корпус ячейки, выполненный с одним или более наклонными каналами, расположенными на дне корпуса ячейки для стекания расплавленных редкоземельных металлов, произведенных в электролитической ячейке,
один или более катодов, подвешенных в корпусе ячейки в значительной мере в вертикальном выравнивании с одним или более каналами, при этом соответствующие противолежащие поверхности одного или более катодов наклонены вниз и наружу под углом от вертикали,
одну или более пар анодов, подвешенных в корпусе ячейки, при этом каждый анод в одной или более парах имеет лицевую поверхность, отклоненную от вертикали и разнесенную в параллельном выравнивании с соответствующими противолежащими наклонными поверхностями одного или более катодов для определения в значительной мере постоянного анодно-катодного расстояния между ними, и
сборник для приема расплавленных редкоземельных металлов из канала, причем сборник находится на расстоянии и изолирован от одного или более катодов и одного или более анодов.
2. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство вытеснения для управления высотой электролитической ванны, содержащейся в корпусе ячейки.
3. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство, функционально связанное с одним или более анодами для управления расстоянием между анодами и противолежащими сторонами катода при расходовании анода.
4. Электролитическая ячейка по п. 2, отличающаяся тем, что устройство вытеснения содержит инертное тело, которое подвешено в корпусе и имеет возможность позиционирования в вертикальном направлении.
5. Электролитическая ячейка по п. 3, отличающаяся тем, что устройство, функционально связанное с одним или более анодами, содержит устройство горизонтального позиционирования.
6. Электролитическая ячейка по п. 5, отличающаяся тем, что устройство горизонтального позиционирования выполнено с возможностью в поперечном направлении перемещать один или более анодов к катоду в соответствии со скоростью, с которой расходуются аноды.
7. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что один или более каналов в корпусе отклонены от горизонтали на угол до приблизительно 10°.
8. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что один или более каналов имеют форму поперечного сечения, которая является прямоугольной, V-образной или U-образной.
9. Электролитическая ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что противолежащие стороны катода и лицевые стороны анода отклонены от вертикали на угол до 45°.
10. Электролитическая ячейка по п. 9, отличающаяся тем, что противолежащие стороны катода и лицевые стороны анода отклонены от вертикали на угол от 2 до 10°.
11. Система для электролитического производства редкоземельных металлов, содержащая:
электролитическую ячейку по любому из пп.1-10,
загрузочный материал, содержащий одно или более соединений редкоземельного металла, способных к электролизу и производству редкоземельных металлов,
расплавленный электролит, способный растворять загрузочный материал, и
источник постоянного тока, приспособленный проводить ток между анодом и катодом электролитической ячейки для электролиза загрузочного материала и производства продукта расплавленного редкоземельного металла в электролитической ячейке.
12. Способ электролитического производства редкоземельных металлов, включающий:
использование электролитической ячейки по п. 2,
заполнение электролитической ячейки загрузочным материалом, содержащим одно или более соединений редкоземельного металла, способных подвергаться электролизу для производства редкоземельных металлов, и электролитической ванны, содержащей расплавленный электролит, способный растворять загрузочный материал,
пропускание постоянного тока между по меньшей мере одним расходуемым анодом и катодом в электролитической ячейке для проведения электролиза загрузочного материала и производства продукта расплавленного редкоземельного металла на катоде и
вытеснение расплавленного электролита в электролитической ячейке для поддержания высоты электролитической ванны в электролитической ячейке.
13. Способ электролитического производства редкоземельных металлов, включающий:
использование электролитической ячейки по п. 3,
заполнение электролитической ячейки загрузочным материалом, содержащим одно или более соединений редкоземельного металла, способных подвергаться электролизу для производства редкоземельных металлов, и расплавленным электролитом, способным растворять загрузочный материал,
пропускание постоянного тока между по меньшей мере одним расходуемым анодом и катодом в электролитической ячейке для проведения электролиза загрузочного материала и производства продукта расплавленного редкоземельного металла на катоде и
перемещение каждого расходуемого анода по направлению к катоду в соответствии со скоростью расходования анода для поддержания постоянного анодно-катодного расстояния в электролитической ячейке.
