钨阴极装置及电解槽的制作方法

本实用新型涉及一种钨阴极装置及电解槽，尤其是一种适用于万安级稀土金属熔盐电解槽的钨阴极装置及电解槽。

背景技术：

稀土金属熔盐电解槽是熔盐电解法生产稀土金属及其合金的设备。该电解槽的阴极采用非自耗阴极，通常为钨阴极。由于钨阴极需要较高的导电率，目前使用的钨阴极皆为实心钨阴极。

目前的稀土金属熔盐电解槽以电解电流低于6000A的圆形槽为主。稀土金属熔盐电解槽大型化(例如万安级的电解槽)是提高生产效率，节能减排的必然发展方向。然而，现有的万安级稀土金属熔盐电解槽中，均采用增加钨阴极根数的设置方式来增大电解电流强度，因而电解槽均采用包含多个阴极的长方形槽型结构，失去了圆形电解槽电场、流场的均匀性和能量的集中性等优势。此外，长方形多阴极槽型中对阴极的频繁调整也给操作带来一定难度。例如，申请号为201310691602.1的中国专利文献公开了一种大型组合式稀土金属熔盐电解槽系统，包括大型组合式石墨槽、石墨阳极、钨阴极、钢保护壳、金属接收器、水冷炉盖板、电解电源，大型组合式石墨槽为分块榫卯连接组合在一起的两端为圆弧面的大型组合式石墨槽，在大型组合式石墨槽底部设有金属接收器，金属接收器与水平方向有5～10度的倾斜；每个钨阴极与一个独立的电解电源的负极连接，各电解电源的正极均与水冷炉盖板连接，各个石墨阳极均与水冷炉盖板连接。该电解槽采用多阴极长方形电解槽。再如，申请号为201220094120.9的中国专利文献公开了一种25kA氟盐体系稀土金属熔盐电解槽，包括外钢壳，外钢壳内依次安装保温层、钢质壳体、防渗层、方形石墨槽、盛装金属的容器、阳极片、阳极连接片、阳极导电架，还包括阴极升降架，阴极升降架上悬挂若干个钨阴极，阴极升降架可整体上下、前后移动。该电解槽也是采用多阴极长方形电解槽。

对于圆形电解槽而言，当电解电流扩大至万安级及以上时，必然会导致钨阴极的外径增大，从而导致钨阴极重量大幅增加，同时制造成本和生产成本大幅增加。

因此，需要一种具有更低的制造成本，且适用于万安级以上的稀土金属熔盐电解槽，特别是稀土金属熔盐圆形电解槽的钨阴极装置。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种钨阴极装置，该钨阴极适用于万安级以上的稀土金属熔盐电解槽，且制造成本低，使用寿命长，生产效率高。

本实用新型的另一目的在于提供一种万安级圆形电解槽，该电解槽适合万安级以上电流强度，且保持了电场、流场的均匀性和能量的集中性。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的。

本实用新型提供一种钨阴极装置，包括钨阴极和导电铜排；所述导电铜排的下部与所述钨阴极的上部连接；所述导电铜排内部设有冷却腔；所述导电铜排上设有用于向所述冷却腔注入冷却介质的注入口和用于将所述冷却腔的冷却介质导出的导出口；所述钨阴极内部设有钨阴极空腔，所述钨阴极空腔的开口设置在所述钨阴极的下端，所述钨阴极空腔的上部与所述钨阴极的外部连通。

本实用新型中，所述导电铜排优选为长方体状，所述的冷却腔的形状不限。本实用新型中，由于所述导电铜排内设有冷却腔，降低了电解时钨阴极的温度，有效缓解甚至避免了常规电解槽电解过程中钨阴极被氟化物气体腐蚀而导致的缩颈现象，大大提高了钨阴极的使用寿命，节约了成本，提高了生产效率。

在本实用新型中，所述注入口位于所述导电铜排的顶部，所述导出口位于所述导电铜排的侧壁。根据本实用新型的装置，优选地，所述注入口位于所述导电铜排的顶部，所述导出口位于所述导电铜排的侧壁的上部。采用这样的设置方式，冷却介质能够基本充满冷却腔的内部，从而起到更好的冷却效果。本实用新型中，所述的冷却介质种类不限，只要能够起到冷却效果即可，例如水。

根据本实用新型的装置，优选地，所述的装置还包括注入管和导出管；所述导出口与所述导出管连接；且所述注入管穿过所述注入口并伸入所述冷却腔的下部。这样，冷却介质能够得到充分利用。

根据本实用新型的装置，优选地，所述钨阴极的上部设有使钨阴极空腔与钨阴极的外部气体连通的孔洞。更优选地，所述的孔洞设置在钨阴极的顶部，或者所述孔洞设置在所述钨阴极的侧壁的上部。根据本实用新型的一个实施方式，所述的孔洞设置在钨阴极的顶部。本实用新型中，当钨阴极的下部浸入高温的液态电解质中，液态电解质进入钨阴极空腔内，同时钨阴极空腔内的空气从钨阴极空腔的上部导出至钨阴极外部，从而使电解质能够顺利浸入钨阴极空腔内。

根据本实用新型的装置，优选地，所述导电铜排底面的宽度小于所述钨阴极空腔的外径。这样所述导电铜排的底面不能全部覆盖所述钨阴极空腔，从而实现所述钨阴极空腔与钨阴极的外部连通。

根据本实用新型的装置，优选地，所述导电铜排的底面的长度大于所述钨阴极的外径，且所述导电铜排的下部设有与所述钨阴极的上部形状相匹配的凹槽，所述钨阴极的上部嵌入所述凹槽。

本实用新型中，所述的导电铜排的下部与钨阴极的上部连接在一起，包括但不限于导电铜排下端与钨阴极上端的连接，只要是能够实现二者牢固连接并能够实现电连通的连接方式均可采用。根据本实用新型的一个优选的实施方式，所述导电铜排的底面的长度大于所述钨阴极的外径，且所述导电铜排的下部设有与钨阴极的上部形状相匹配的凹槽，从而所述钨阴极的上部能够嵌入所述凹槽。采用这种方式，有效增大了导电铜排与钨阴极的接触面积，从而提高了导电率，减少了电能的消耗。本实用新型中，优选地，所述导电铜排与所述钨阴极通过焊接方式连接在一起。

本实用新型中，优选地，所述钨阴极空腔的截面为圆形，因而所述钨阴极的横截面为圆环形。钨阴极空腔至少延伸至钨阴极的下端。当钨阴极浸入液态电解质中时，液态电解质可进入钨阴极空腔内。采用这样的设置方式，可有效降低钨阴极的重量，在万安级以上的电解槽中仅使用一个钨阴极装置即可满足要求。钨阴极重量的降低也使材料成本明显降低。本实用新型中，优选地，所述钨阴极的外径为140～200mm，更优选为150～180mm。根据本实用新型的一个具体实施方式，所述钨阴极的外径为160mm。本实用新型中，优选地，所述钨阴极的长度为600～900mm，优选为650～780mm。根据本实用新型的一个具体实施方式，所述钨阴极的长度为720mm。

根据本实用新型的装置，优选地，所述钨阴极装置为万安级电解槽的空心钨阴极。

本实用新型还提供一种万安级圆形电解槽，所述电解槽包括电解槽本体、石墨阳极和唯一一个上述钨阴极装置。所述的电解槽本体可以包括电解槽壁和保温层，所述保温层位于所述电解槽壁的内侧，所述石墨阳极的一部分和所述钨阴极的一部分均位于所述保温层围成的空腔内。本实用新型的圆形电解槽优选为用于稀土金属熔盐生产稀土金属的圆形电解槽。仅采用一个所述钨阴极装置作为阴极即可满足万安级以上的电流强度要求。这样，电解槽重量大幅减轻，且保留了电解槽的圆形形状及电场、流场的均匀性和能量的集中性等优点。

本实用新型的钨阴极装置的钨阴极为空心结构，有效降低了钨阴极的重量，降低了钨阴极材料的消耗，万安级以上的圆形电解槽仅使用一个钨阴极装置即可满足要求，从而避免了传统电解槽扩容时钨阴极重量太大的问题，使万安级以上圆形电解槽成为可能，同时减低了成本。本实用新型的导电铜排内部设有冷却腔，从而降低了电解时钨阴极的温度，有效防治钨阴极的高温氧化，并降低了钨阴极的压降损耗。根据本实用新型优选的实施方式，钨阴极与导电铜排的接触面积增大，导电率明显提高。此外，本实用新型缓解甚至避免了常规电解槽在电解时钨阴极被氟化物气体腐蚀而导致的缩颈现象，从而大大增加了钨阴极的使用寿命，延长了更换时间，节约了成本，提高了生产效率。

附图说明

图1为实施例1的钨阴极装置的内部结构示意图。

图2为实施例1的钨阴极装置的俯视示意图。

图3为实施例2的稀土金属熔盐圆形电解槽的示意图。

附图标记说明如下：

1-钨阴极，11-钨阴极空腔，12-孔洞，2-导电铜排，21-冷却腔，22-注入口，23-导出口，24-注入管，25-导出管，3-电解槽壁，4-保温层，5-石墨阳极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

实施例1-钨阴极装置

如图1所示，本实施例的钨阴极装置包括钨阴极1和导电铜排2，导电铜排1的下部与钨阴极1的上部连接。导电铜排2内部设有冷却腔21，导电铜排2的顶部设有用于向冷却腔21注入冷却介质的注入口22，导电铜排2的侧壁的上部设有用于将冷却腔21的冷却介质导出的导出口23。导出口23与导出管25连接，注入管24穿过注入口22并伸入冷却腔21的下部。钨阴极1内部设有钨阴极空腔11，钨阴极1的横截面为圆环形。钨阴极1的外径为200mm，长度为720mm，重量为68.7kg。钨阴极空腔11的开口设置在钨阴极1的下端，且钨阴极空腔11的上部设有孔洞12，孔洞12将钨阴极空腔11与钨阴极1的外部连通。导电铜排2的底面的长度大于钨阴极1的外径，且导电铜排2的下部设有与钨阴极1的上部形状相匹配的凹槽(未图示)；钨阴极1的上部嵌入凹槽，并与导电铜排1焊接在一起。

本实用新型的钨阴极装置在使用时，将钨阴极1下端插入圆形电解槽中的液态电解质中，液态电解质进入钨阴极空腔11中，而钨阴极空腔11内的空气通过孔洞12从钨阴极空腔11的上部排出，从而保证了液态电解质顺利进入钨阴极空腔11内。冷却介质(例如冷却水)从注入管24注入导电铜排2的冷却腔21内，并从导出管25排出冷却腔21，从而通过降低导电铜排2的温度而降低钨阴极1的温度。

实施例2-稀土金属熔盐圆形电解槽

如图3所示，本实施例的稀土金属熔盐圆形电解槽包括电解槽壁3、保温层4、石墨阳极5和钨阴极装置，所述钨阴极装置如实施例1所述，其中，石墨阳极5与钨阴极的极距为90mm。

采用该电解槽进行稀土金属熔盐电解，起炉时加氟化钕126kg，氟化锂18kg，待电解质融化后，连续加入氧化钕，电解电压9V，电解电流12000A，生产效率高。

对比例1-传统的实心钨阴极与电解槽

钨阴极的直径为80mm，长度为720mm，重量为68.7kg。电解槽包含一根钨阴极。起炉时加氟化钕63kg，氟化锂9kg，待电解质融化后，连续加入氧化钕，电解电压9V，电解电流6000A，生产效率较低。

本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本实用新型的范围。