江西有色金属  1989, Vol. 3 Issue (2): 9-11
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熔盐电解制取稀土金属技经指标与工艺条件的关系[PDF全文]
赵桂芳     
九江有色金属冶炼厂
摘要:本文介绍熔盐电解制取稀土金属过程的电流效率、电能效率和金属回收率与技术工艺条件的关系。
关键词稀土金属    熔盐电解    金属收率    电流效率    
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熔盐电解过程技术经济指标有二,一是预定指标,它包括电流强度、电流密度、电解质组成、电解温度、电解质和金属水平,以及阳极效应系数等。另一种是自然过程指标,它包括电流效率、电能效率、金属回收率等,为本文介绍的重点。

一 电流效率

电解时通过一定数量的电,所得的金属量(实际值)q1与按法拉第定律应析出的金属量(理论量)q2之比,

熔盐电解稀土金属,影响因素多(电解质温度、电流密度、极间距离、电解质组成等),因而电流效率不会很高。现分述如下:

表 1 熔盐电解稀土金属的电化当量
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1.电解质温度。电解质温度低,熔体粘度大,导电率低,形成较多的金属雾,难于聚结在阴极上,金属雾移到阳极区会遭到氧化,使电流效率降低,提高温度虽可得到改善,但温度太高,金属与电解质作用加强,金属溶解度增加,电解质循环及扩散加强,金属氧化损失增加,导致电流效率降低。为了在较低的温度下进行电解,采用多组份低溶点的熔盐,以降低金属在熔盐中溶解度,从而提高电流效率。通常电解质的温度高于电解质熔点50—200℃左右。

图 1列出电流效率与电解温度关系,如LaCl3—KCl电解质在900℃左右电解,CeCl3—KCl在850~900℃时进行电解,均能获得较高的电流效率。

1.Lacl375克+Kcl75克,阴极电流密度10安/厘米2
2.cecl375克+Kcl375克,阴极电流密度10安/厘米2
图 1 电流效率与电解温度关系

2.电流密度。有阳极电流密度,平均电流密度和阴极电流密度。阴极电流密度对电流效率影响最大,常以符号D阴表示,提高D阴产量增加,金属损失率相对减少,但D阴太高,会提高阴极电位差,在多组份电解质电解时,致使非主要金属离子如钾、钠离子在阴极放电,电流效率降低,析出的稀土金属不纯,同时增加槽电压和电能消耗。降低D阴,金属损失率上升,若过分低,只有部分金属离子在阴极放电析出,电流效率大大降低,甚至降到零。不同的金属离子,熔盐电解时,阴极控制的电流密度各不相同。图 2表示从LaCl3—KCl为电解质进行电解时,阴极电流密度为2—6A/cm2时,电流效率可达80%以上。

(Lacl275克+Kcl375克, 900℃) 图 2 阴极电流密度和电流效率关系

3.极间距离。极距长,金属损失量降低,电流效率升高。生产中常调整极距以保持一定的槽温,极距太长,会导致热槽出现,只有选用导电性很好的电解质,才能充分提高极距。通常熔盐电解时的极距3—10cm。

图 3, LaCl3-KCl电解时,极间距离在10—30mm内,电流效率不变。可见,根据具体金属盐类,确定极间距,才能收到好的效果。

Lacl375克+Kcl75克,D阴为3A/cm2, 900℃ 图 3 极间距离与电流效率关系

4 电解质组成。用多组份电解质,可得到低的金属溶解度和低的熔化温度,电解液对金属的界面张力大,是所希望的,这样可以降低金属在电解质中的化学和机械损失, 有利于提高电流效率。

1.Lacl3 900℃ D阴=10A/cm2
2.cecl3
图 4 氯化物开始浓度与电流效率的关系

为了避免非主要金属放电析出,应采用负电性很大的金属盐类,如钾盐、钠盐等作为混合电解质组成。不仅电解质组成与电流效率有关,稀土氯化物浓度亦然。Lacl3浓度为23—35%(克分子),cecl在10%(克分)以上,电流效率几乎不变。

二 电能效率

电能效率是指电能的利用情况,它本身包含电流效率,有下列关系:

式中:u理论—热力学上的分解电压(伏);

u平均槽电压—考虑了阳极效应电压升高和母线上的电压降的平均分摊值后的槽电压

凡是影响电流效率的因素都会影响电能效率;此外,平均槽电压对ηw有很大的影响,应设法降低。了降低槽电压,宜采用尽可能小的极间距,但考虑会降低电流效率(η1),只能采用适当的极距; 应该选用导电性能良好的电解质组成,使得在极距一定的条件下,熔体电阻电压降小。较低的电流密度也是所希望的,但过低时,又会降低电流效率和产量,提高产品成本;尽量降低超电压和效应系数,减少导电设备的电压降(如电接点、焊接、缩短导线长度、采用较大截面的导线等);同时要加强保温,减少热损失,以稳定热平衡状态;选用低熔化温度的电解质,采用低温作业,减少热损失,这些措施,都可以降低槽电压,应因地制宜选用。

三 金属回收率

是指同一时间内,直接到阴极金属产品中的金属量与加入原料中的金属量的比值。

影响熔盐电解金属收率的因素很多,除工艺是否合理外,还有金属在熔盐中熔解时,因相的吸收、扒渣带走和金属带走电解质的损失,挥发及更换电解质造成的损失等。虽可通过化学处理回收一部分,但必竟熔盐电解法的金属收率较之热还原法要低。故在制定熔盐电解工艺时,应充分考虑金属收率。

四 结语

熔盐电解过程技术经济指标不仅与操作者技术水平有密切关系,更重要的是与技术工艺条件有重大关系;在制定工艺过程中,必须考虑电流效率、电能效率和金属回收率,否则成本升高,会失去市场竞争能力。