[00115829]新型氧化物熔盐电解炉的研制并应用于制备高纯稀土金属及合金

稀土元素因其独特的电子层结构，使其具有优异的磁、光、电等特性，稀土永磁材料、发光材料、储氢材料等稀土功能材料在高新技术产业中的大规模应用，已成为拉动国民经济及国防建设持续稳定发展的重要支撑条件，并促进了相关产业的发展和科学进步。而制备稀土功能材料需要高纯的稀土金属、稀土合金及稀土铁合金，如制备钕铁硼稀土永磁材料就需要高纯钕、钕镨、钕镨铁合金、镝铁合金、铽铁合金、钆铁合金、钬铁合金等。为此本项目研究新型熔盐电解炉及制备高纯稀土金属、稀土合金或铁合金有重要意义。　　由于熔盐电解技术一般用石墨及铁作电极材料，在电解温度较高及波动较大时，造成电流效率下降，碳含量高达500～600ppm，铁杂质含量高达2000～3000ppm，影响金属或其铁合金的纯度及性能。为此，本项目研发了新型熔盐电解设备【已申请国家发明专利《氧化物熔盐电解生产用的4000A电解炉》（专利申请号200910186319.7）】，并引进有研稀土新材料股份有限公司的熔盐电解专利技术（《一种稀土合金、制备工艺及其应用》，ZL200710063648.3）进行了消化后再集成创新，可用之降低稀土金属、稀土合金或稀土铁合金产品中的杂质含量50％以上，电解炉寿命由2～3个月提高至2～3年。　　本项目以典型的4000A规模熔盐电解炉为例，研制稀土氧化物熔盐电解的电解炉炉型、炉体结构、炉体填料层的材料及其比例、筑炉技术，考察炉体上方加设散热器对电解过程及产品质量的影响；寻求提高炉寿命、稳定炉温、降低产品中杂质含量的最佳电解炉炉型、构造以及筑炉工艺技术；并研究电解工艺流程、电解质配方、电解操作条件对电解产品质量的影响及其对炉寿命的影响，寻求制备高纯金属钕、镨钕合金、镧铈合金、镝铁合金、钆铁合金、钬铁合金、钕铁合金、镨钕铁合金等的最佳电解工艺流程、电解质配方、电解操作条件。　　本项目的主要创新点是，研制了新型氧化物熔盐电解炉，并应用于稀土氧化物的熔盐电解，可改进现有电解工艺，制备出高纯稀土金属及合金。　　1、新型电解炉自主创新技术：　　（1）炉体填料层由水泥、粗砂、锯末、珍珠岩材料构成，起耐高温、抗氧化、保温、紧固石墨槽的作用。此外，其筑炉工序简化炉龄到期后只需更換石墨内衬即可，其余部分可长期使用，降低生产成本低。与现有的石墨粉加粘接剂的填料层相比，炉寿命可有2～3个月提高至2～3年，即提高10倍以上。　　（2）电解槽槽体容积缩小10～15％，电解质用量相应减少从而降低投资，且使电解质循环流动速度加快，有利于电解质温度的均匀，消除浓差极化现象。　　（3）炉体上方加设散热器起热平衡稳定炉温作用，因此生产时电解温度易控制在最佳范围，不出现电解温度大起大落現像。　　2、引进专利电解技术并应用自行研制的新型电解炉改进了稀土氧化物熔盐电解工艺条件：　　（1）采用氟盐电解质体系，与现有工业氟盐电解体系相比，在氟化稀土及氟化锂基础上，引入低比例的氟化镁，其中氟化锂为5～12wt％，氟化镁为0.5～3wt％。氟化镁可增加电解质与稀土金属或稀土合金液之间的界面张力，使稀土金属或合金与电解质自然分层，降低杂质尤其是电解质及Si、Ca等成分，电解槽底部渣显著减少，电解质粘度下降，流动性好，提高电解质的导电率从而提高电流效率，降低能耗。　　（2）由于将现有电解生产中添加单一稀土氧化物原料，改为添加由稀土氧化物与氟化物等配制而成的新型复合原料，可使电解温度进一步降低。　　（3）由于炉体保温好、炉体上方加设了散热器，因而电解温度相对恒定，其波动范围可控制在±2％。由于电解温度相对恒定，因而可是电解过程保持在略高于电解质熔点的较低的电解温度下进行，一般典型的钕镨金属电解温度控制在最佳温度1050℃±10℃，降低能耗。由于电解温度低、槽容积缩小，可采用相对大电流操作，即电流密度可升高30％，主金属产率相应提高，而杂质含量相对减少。　　（4）由于上述电解槽及其电解工艺的改进，可使稀土氧化物熔盐电解过程在较佳的高电流密度、低电解温度、小电解温度波动的条件下进行，电解产品中易受筑炉材料、碳及其它金属电极材料或其它工装器具材质汚染的杂质含量可降低50％以上，从而制备出碳杂质含量≤200～300ppm、非稀土杂质Zn、Mo、Mg、Ca、Si、Cr、Pb、Ti、Cu、W等含量≤50～100ppm的高纯稀土金属或其铁合金以及铁杂质含量≤500ppm的高纯稀土金属或稀土金属合金。　　本项目核心技术获1项发明专利授权并已受理1项发明专利申请，已经科技部西南信息中心技术查新及江西省钨与稀土产品质量监督检验中心产品测试，产品具有良好的市场化前景。