在稀土熔盐电解生产过程中, 电解温度是一个很重要的技术参数。稀土金属的反应活性随温度的升高而增强^[1], 所以在稀土金属及其合金的电解制备过程中, 温度的影响较大。在氯化物熔体中, 对钕而言, 温度的影响更大。因为钕可溶于氯化钕, 摩尔分数可达33 %。因而尽量降低操作温度, 是提高电流效率行之有效的方法。

用可耗阴极熔盐电解制备稀土中间合金时, 由于电解电流和生成稀土中间合金所放出的热量, 使得可耗固体阴极表面温度明显高于周围电解质的温度。这一点对制备高熔点的稀土中间合金或适当控制稀土中间合金中稀土的含量是很有意义的。另外, 还可根据电解时各因素对电解槽中温度分布的影响来选择合适的电解条件, 在保证可耗阴极周围熔体温度有利于合金化的前提下, 适当降低电解质整体温度, 从而减少其挥发损失, 减少生成的合金与电解质的二次作用, 提高电流效率。为此, 对氯化物体系电解制备富钇-镍稀土中间合金时电解槽熔体温度分布进行了测定。

1 实验条件

氯化物体系熔盐电解制备富钇-镍中间合金的实验在f_内 =70mm, h_内 =105m m的石墨电解槽中进行。阴极为f10m m的镍棒, 靠外加热来维持电解正常进行。测定温度时, 可耗阴极Ni棒插入熔体18mm。用三支套有f5mm刚玉瓷管的PtRh-Pt热电偶固定成一排, 分别插入熔体与阴极棒相同的深度, 同时测定可耗阴极棒表面温度(t₁)、阴极棒与电解槽内壁温度之间中心熔体的温度(t₂)和电解槽内壁温度(t₃)。

2 实验结果与讨论 2.1 电解温度对熔体温度分布的影响

固定阴极电流密度J为14A/ cm², 电解电流为77A, 在不同的熔体温度下进行电解。熔体温度相对平衡后, 测定t₁、t₂和t₃, 结果如表 1所示。

从表 1的结果可以看出, 随着电解槽内壁电解温度t₃的升高, t₂和t₁基本上平行地上升, 从△t_1-2和△t_2-3变化不大可明显地说明这一点。证明电解温度对熔体温度分布影响较小。图 1是△t与温度变化(t₃)的关系图。三条线基本上是平行的直线。

△t_1-2明显小于△t_2-3, 说明从可耗阴极表面到电解槽内壁的熔体温度梯度递降不是均匀的。△t_2-3与△t_1-3相对来说相差较小, 说明在可耗阴极附近形成了一个高温熔体区域。在较高阴极电流密度的电解实验中, 这个高温区域可明显用肉眼观察到。由于温度较高, 因而在颜色上与周围电解质有明显的区别, 显得更为鲜亮。

2.2 阴极电流密度和电流强度对熔体温度分布的影响

增大电流强度I以改变阴极电流密度J, 在不同阴极电流密度下, 测定t₁、t₂和t₃, 结果见表 2。

根据表 2数据, 以槽内熔体距电解槽内侧边缘的距离d对△t作图, 得到如图 2所示的电解制备Ymm-Ni合金时的熔体温度分布图。由图可见, 随着阴极电流密度和电解电流强度的增大, 熔体中温度分布变化也越来越大。在阴极棒附近的范围曲线上升较为平缓, 这就是前面所说的“高温熔体区域”。

图 3是阴极电流密度对△t作图, 由图 3可知, 在一定电流密度范围内, △t与J有较好的线性关系。△t基本上随J的增加而呈直线上升。用数据拟合法求得实验范围内各△t与J的线性关系式为:

(1)

(2)

(3)

以电解电流强度I对△t作图, 如图 4。

由图 4可知, 在一定电流强度范围内, △t与I有较好的线性关系。△t基本上随I的增加而呈直线上升。用数据拟合法可求得实验范围内△t与I的关系式为:

(4)

(5)

(6)

3 结语

通过对氯化物熔盐电解制备富钇-镍稀土中间合金过程中的熔体温度分布变化测定, 得到了熔体温度分布与阴极电流密度和电解电流的线性关系。试验表明, 阴极电流密度和电解电流强度直接影响着熔体的温度分布。阴极电流密度大可使阴极棒周围形成一个高温熔体区域。这对控制熔盐电解制备稀土中间合金组成具有重要指导意义。