氣冷陰極、熔鹽電解裝置及電解方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域，具體涉及一種氣冷陰極、熔鹽電解裝置及電解方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熔鹽電解法是有色金屬冶煉的重要方法，尤其對于活潑或熔點較高的金屬的制備，例如:鎂、鋁、鈦、鋅、鋯等。熔鹽電解的原理是在直流電的作用下通過離子在電極上得失電子生成電解產(chǎn)物，通常在陰極上得到金屬產(chǎn)物。在電解過程中，金屬產(chǎn)物在陰極上的析出和匯集，嚴(yán)重影響電解的效率。故研宄金屬產(chǎn)物在陰極析出和匯集的形貌特征對于提高電解效率具有重要意義。
[0003]目前，對于液相產(chǎn)物的析出過程，如液鎂，已有研宄不同狀況下電解析出產(chǎn)物特征的報道，例如2006年8月公開出版的《鎂電解生產(chǎn)工藝學(xué)》中第225頁至第231頁及第461頁至第469頁就公開了一種采用石英管來盛電解質(zhì)對液鎂在陰極析出過程進行觀察的研宄，由于其是對液相產(chǎn)物進行觀察，電極位置和加熱方式使其觀察效果不佳，且當(dāng)電解質(zhì)中存在有色離子或雜質(zhì)時，電解質(zhì)透光性變差，甚至完全觀察不到鎂析出及匯集的形貌變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)⒁合喈a(chǎn)物迅速冷卻的的氣冷陰極，其利于研宄金屬在陰極的析出過程。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種氣冷陰極，包括陰極連桿和設(shè)置在陰極連桿下端的陰極板；所述陰極連桿的內(nèi)部設(shè)有氣體通道，氣體通道穿出陰極連桿上端的開口為氣體入口 ；所述陰極板的內(nèi)部設(shè)有冷卻通道，冷卻通道穿出陰極板上端的開口為氣體出口 ；所述氣體通道與冷卻通道連通。
[0006]進一步的是，所述氣體通道與冷卻通道的最下端連通。
[0007]進一步的是，所述冷卻通道是以其與氣體通道連通處為迷宮入口，并以氣體出口為迷宮出口的迷宮式通道。
[0008]進一步的是，所述迷宮式通道為“回”字形迷宮通道。
[0009]進一步的是，所述冷卻通道為多個“S”形通道彼此首尾相連組成的蜿蜒通道。
[0010]進一步的是，所述陰極板的各處壁厚均相等。
[0011]本發(fā)明還提供了一種能夠觀察液相產(chǎn)物析出過程的熔鹽電解裝置，包括反應(yīng)爐、陽極和電解質(zhì)；還包括冷氣供應(yīng)裝置和上述任意一種氣冷陰極；所述氣冷陰極通過陰極連桿設(shè)置在反應(yīng)爐上；陰極板部份沒入電解質(zhì)中，且氣體出口位于電解質(zhì)的外側(cè)；所述冷氣供應(yīng)裝置與氣體入口相連。
[0012]進一步的是，該熔鹽電解裝置還包括電解氣體導(dǎo)管、尾氣導(dǎo)管和加熱裝置；所述電解氣體導(dǎo)管設(shè)置在反應(yīng)爐上，且下端沒入設(shè)置在電解質(zhì)中；所述陽極設(shè)置在電解氣體導(dǎo)管的內(nèi)部，陽極的下端沒入設(shè)置在電解質(zhì)中且未超出電解氣體導(dǎo)管的下端；所述電解氣體導(dǎo)管上設(shè)有電解氣體出口，所述電解氣體出口位于反應(yīng)爐的外側(cè)；所述尾氣導(dǎo)管設(shè)置在反應(yīng)爐上，并使反應(yīng)爐的內(nèi)部與外界空氣連通；所述加熱裝置設(shè)置在反應(yīng)爐上用于加熱電解質(zhì)。
[0013]本發(fā)明還提供了一種能夠觀察液相產(chǎn)物析出過程的電解方法，其應(yīng)用上述任意一種熔鹽電解裝置進行電解，包括下列步驟:
[0014]步驟一、加熱電解質(zhì)并將其溫度控制在X±10°C ；
[0015]步驟二、在電解質(zhì)的溫度為(X+5)°C?(X+10)°C時，對陽極和氣冷陰極通電進行電解；
[0016]步驟三、電解0.5小時?I小時后，由冷氣供應(yīng)裝置向氣冷陰極的氣體通道中通入惰性氣體，通過惰性氣體將電解質(zhì)的溫度控制在(X-1O) °C?(x-5)°c ；
[0017]步驟四、繼續(xù)電解0.5小時?I小時后斷電停止電解，得到固相金屬產(chǎn)物；
[0018]其中，X為金屬產(chǎn)物的熔點溫度；陰極板沒入電解質(zhì)中的深度不超過陰極板高度的四分之三。
[0019]進一步的是，所述陰極板沒入電解質(zhì)中的深度為陰極板高度的三分之二；所述惰性氣體為氬氣；從冷氣供應(yīng)裝置中輸出的惰性氣體的流量為1mVh?20m3/h。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:通過向氣體通道中通入冷卻用惰性氣體，惰性氣體流經(jīng)冷卻通道使陰極板降溫，可以使電解過程中產(chǎn)生的液相產(chǎn)物迅速凝固析出得到固相金屬產(chǎn)物；從而可通過觀察金屬產(chǎn)物析出的過程和金屬產(chǎn)物匯集的形貌特征，以確定不同條件狀況下金屬在陰極的析出以及匯集的形貌變化，找出最佳的電解參數(shù)，提高電解效率。氣體通道與冷卻通道的最下端連通，使連通處距離氣體出口最遠，利于陰極板充分受冷。冷卻通道為迷宮式通道或蜿蜒通道，使得冷卻用氣體在陰極板中的停留時間更長，從而使得熱交換更充分，冷卻效果更佳。陰極板的各處壁厚均相等更利于電解質(zhì)與冷卻用氣體進行熱交換，冷卻效果好。電解氣體導(dǎo)管可以避免冷卻用氣體混入電解氣體中影響電解氣體的純度；尾氣導(dǎo)管利于冷卻用氣體的排出。通過使用該發(fā)明的研宄，可以提高電流效率。該發(fā)明通過在陰極制作過程中加入氣體通道即可，結(jié)構(gòu)簡單，無需大的設(shè)計投入，冷卻效果好，具有較強的應(yīng)用推廣前景。
【附圖說明】
[0021]圖1是氣冷陰極的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是陰極板沿圖1中A-A線剖開的一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是陰極板沿圖1中A-A線剖開的另一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4是熔鹽電解裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖中標(biāo)記為:陰極連桿1、氣體通道11、氣體入口 12、陰極板2、冷卻通道21、氣體出口 22、反應(yīng)爐3、陽極4、電解質(zhì)5、電解氣體導(dǎo)管6、電解氣體出口 61、尾氣導(dǎo)管7和加熱裝置8。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0027]如圖1所示，氣冷陰極，包括陰極連桿I和設(shè)置在陰極連桿I下端的陰極板2 ;陰極板2可以通過螺釘、螺栓或焊接等連接方式設(shè)置在陰極連桿I的下端，陰極板2也可以制作成與陰極連桿I為一個整體的一體式結(jié)構(gòu)；該氣冷陰極采用現(xiàn)有的熔鹽電解陰極制作材料進行制作；所述陰極連桿I的內(nèi)部設(shè)有氣體通道11，氣體通道11穿出陰極連桿I上端的開口為氣體入口 12 ;冷卻用氣體從氣體入口 12進入該氣冷陰極，并通過氣體通道11傳輸；冷卻用氣體通常選用常溫的惰性氣體；所述陰極板2的內(nèi)部設(shè)有冷卻通道21，冷卻通道21穿出陰極板2上端的開口為氣體出口 22;冷卻通道21的實施方式可以有多種，例如:迷宮式結(jié)構(gòu)的通道、蜿蜒式結(jié)構(gòu)的通道、直通式結(jié)構(gòu)的通道或直接將陰極板2內(nèi)部設(shè)置一個空腔作為冷卻通道21 ;氣體出口 22位于陰極板2的上端是為了避免陰極板2沒入電解質(zhì)5中時電解質(zhì)5進入氣體出口 22，并可以提高陰極板2沒入電解質(zhì)5中的深度；所述氣體通道11與冷卻通道21連通；因為熔鹽電解過程是一個高溫電化學(xué)反應(yīng)，電解過程中電解質(zhì)5是處于高溫狀態(tài)，而氣冷陰極的陰極板2部分侵入電解質(zhì)5中進行電解，所用陰極板2通常也處于高溫狀態(tài)；由氣體通道11傳輸過來的冷卻用氣體進入冷卻通道21與陰極板2進行熱量交換使陰極板2降溫，進而降低電解質(zhì)5的溫度，從而使電解過程中產(chǎn)生的液相金屬產(chǎn)物迅速凝固析出得到固相金屬產(chǎn)物。固相金屬產(chǎn)物利于實驗觀察，通過觀察金屬產(chǎn)物析出的過程和金屬產(chǎn)物匯集的形貌特征，可以確定不同條件狀況下金屬在陰極的析出以及匯集的形貌變化，找出最佳的電解參數(shù)，提高電解效率。
[0028]為了使陰極板2充分受冷，所述氣體通道11與冷卻通道21的最下端連通，這樣冷卻通道21與氣體通道11連通處距離氣體出口 22最遠，提高了冷卻用氣體的熱交換率。
[0029]為了使熱交換更充分，冷卻效果更佳，如圖2所示，所述冷卻通道21是以其與氣體通道11連通處為迷宮入口，并以氣體出口 22為迷宮出口的迷宮式通道；這樣設(shè)置使得冷卻用氣體在陰極板2中的停留時間更長，熱交換率更高。具體的，所述迷宮式通道為“回”字形迷宮通道；“回”字形迷宮通道是由多個“回”字形通道相互包含連通而成。所述迷宮式通道還可以是由多個六邊形組成的蜂巢式迷宮通道、由多個多邊形組成的迷宮通道等等。
[0030]為了達到更好的熱交換效果，我們還可以把冷卻通道21設(shè)置為如圖3所示的多個“S”形通道彼此首位相連組成的蜿蜒通道；當(dāng)然，我們還可以將冷卻通道22設(shè)置為其他形狀的蜿蜒通道，例如:多個首尾相連的“M”形、“N”形或“Z”形通道、多個“M”形、“N”形或“Z”形通道首尾相連的任意組合的通道。
[0031]考慮到冷卻用氣體與陰極板2有更大的接觸面積，以使冷卻用氣體帶走更多的熱量，所述陰極板2的各處壁厚均相等，例如:將陰極板2設(shè)計成一個殼體，其內(nèi)部的腔作為冷卻通道21。
[0032]如圖4所示，熔鹽電解裝置，包