электролизёр для получения сплавов щелочноземельных металлов

Формула изобретения

1. Электролизер для получения сплавов щелочноземельных металлов из расплавов солей, содержащий ванну-катод, укрытие с газоотводящими каналами и аноды в виде соединенных попарно графитовых блоков, отличающийся тем, что графитовые блоки имеют квадратное сечение со стороной а и закреплены на несущей траверсе с помощью анододержателя так, что зазор между блоками составляет в=(0,1-0,3)a.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что вал привода механизма вертикального перемещения анододержателя расположен на расстоянии с>1,5а от продольной оси электролизера, при этом подвеска анода выполнена из двух токоведущих деталей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к электролизерам для получения сплавов щелочно-земельных металлов из расплавов солей.

Известны конструкции электролизеров для получения сплавов щелочно-земельных металлов (Ю.В.Баймаков “Электролиз расплавленных солей”. М., “Металлургия”, 1966), например для получения медно-кальциевого сплава. Недостатком данной конструкции является низкий выход по току, составляющий 70-75%.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электролизер для получения щелочных и щелочно-земельных металлов из расплавов солей (SU 1526285 А1, 23.11.87), содержащий ванну-катод, укрытие с каналами газоотвода и аноды в виде соединенных попарно графитовых блоков.

Недостатком данной конструкции является высокое нестабильное напряжение при работе электролизера и низкий выход по току целевого металла.

Указанные недостатки обусловлены тем, что в процессе электролиза хлор выделяется на аноде в виде газовых пузырьков. Пузырьки имеют высокое, по сравнению с электролитом, удельное электросопротивление. Обладающие большой подвижностью пузырьки хлора образуют с электролитом газосолевую смесь. Такая смесь имеет постоянно изменяющееся по времени электросопротивление. Поэтому при работе электролизер имеет высокое нестабильное напряжение. При этом происходит нагрев рабочего объема электролизера, что приводит к снижению выхода по току целевого металла из-за повышения его растворимости в расплаве электролита. Кроме того, увеличиваются тепловые потери энергии, и усложняется работа источника тока.

Следует также отметить, что зазор между анодными блоками служит только для осуществления возможности их замены и не обеспечивает условия свободного омовения. Поэтому газосолевая смесь трудно разделяется. При этом отмечены случаи повышения температуры, при которой плотность электролита оказывается больше, чем плотность сплава. При этом сплав щелочно-земельного металла всплывает и окисляется на воздухе. Ванна шлакуется, процесс электролиза прекращается.

Кроме того, для осуществления возможности замены графитовых блоков анод имеет сложную подвеску, имеющую четыре токоведущие детали, что приводит к потерям электроэнергии из-за контактной разности потенциалов.

Предлагаемая конструкция решает задачу повышения выхода по току целевого металла за счет стабилизации напряжения при работе электролизера. Кроме того, в вариантном исполнении электролизер имеет простую конструкцию анододержателя, значительно снижающую потери электроэнергии.

Предлагаемый электролизер отличается тем, что анод выполнен в виде графитовых блоков квадратного сечения со стороной а, закрепленных на несущей траверсе так, что между блоками установлен равномерный зазор в=0,1-0,3a.

В вариантном исполнении электролизер отличается также тем, что вал привода вертикального перемещения анододержателя располагается на расстоянии c>1,5a от продольной оси электролизера. При этом подвеска анода выполнена из двух токоведущих деталей.

В результате анализа научно-технической и патентной информации электролизеры, обладающие совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, не выявлены.

Конструкция электролизера представлена на фиг.1. На фиг.2 представлено поперечное сечение электролизера А-А.

Электролизер содержит ванну-катод 1, канал 2 газоотвода, укрытие 3, соединенные попарно графитовые блоки 4, имеющие квадратное сечение со стороной a. Блоки крепятся к анододержателю 5 так, что между ними устанавливается зазор в. Такой же зазор в устанавливается между парами блоков 4 при креплении анододержателя 5 к несущей траверсе 6. Таким образом, между блоками устанавливается равномерный зазор в.

Соединение вала привода 7 с винтовым механизмом 8 осуществляется любой известной, например цепной 9, передачей. Траверса 6 с помощью гибких связей 10 соединена с токоподводящими шинами 11. Аналогично, с помощью гибких связей 12 выполнен электрический контакт ванны катода 1 с шиной 13.

В представленном варианте исполнения вал привода 7 винтового механизма 8 регулирования межполюсного расстояния располагается на расстоянии c>1,5а от продольной оси электролизера. Для вертикального извлечения или установки пары графитовых блоков на анододержателях 5 установлены проушины 14. Таким образом, анодная подвеска состоит из двух токоведущих деталей: графитового блока 4 квадратного сечения и анододержателя 5.

Электролизер работает следующим образом.

Через электрическую цепь, включающую катодную ванну, заполненную жидким сплавом щелочно-земельного металла, например Са-Сu, и расплавом электролита, например CaCl₂+КСl, а также графитовые блоки, подают постоянный ток. Между жидким сплавом (катодом) и графитовыми блоками (анодом) возникает межполюсное напряжение.

Под действием межполюсного напряжения происходит разложение хлорида щелочно-земельного металла. При этом на катоде 1, в частности на жидком медно-кальциевом сплаве, выделяется целевой металл-кальций. Хлор, выделяющийся на анодах 4, вначале образует газосолевую смесь с электролитом и далее отделяется от жидкой фазы. В электролизере всегда поддерживается давление ниже атмосферного. Вследствие этого воздух через негерметичное укрытие 3 попадает в полость электролизера и, проходя по зазорам в между блоками 4, образует с выделяющимся хлором хлорвоздушную смесь. Данная смесь удаляется из полости электролизера в газоотводы 2.

Извлечение сплава из электролизера производится через загрузочный люк любыми известными способами, например вакуумным ковшом.

Отличия заявляемой конструкции электролизера обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с прототипом. Так хлор, выделяющийся на графитовом блоке, легко удаляется с его нижней торцевой поверхности, имеющей ограниченную площадь поверхности S=a². Образующаяся при этом газосолевая смесь также легко разделяется благодаря установленному зазору в=0,1-0,3а, обеспечивающему также условие свободного омовения графитовых блоков анодными газами. Таким образом, за счет легкого разделения газосолевой смеси, имеющей повышенное непостоянное сопротивление (по сравнению с основной массой электролита), снижаются тепловые потери электроэнергии и увеличивается выход по току.

При установлении зазора между графитовыми блоками меньше 0,1a нарушается условие их свободного омовения. Установка зазора больше 0,3а приводит к необходимости увеличения габаритов ванны-катода, повышению массы электролита и сплава и, как следствие, необходимости расхода дополнительного количества электроэнергии для поддержания теплового баланса электролизера. Поэтому зазор между блоками, находящийся в пределах 0,1-0,3а, является оптимальным. На практике при использовании графитовых блоков квадратного сечения создаются симметричные магнитные поля, благодаря чему образующийся сплав лучше перемешивается, облегчается диффузия целевого металла в жидкий катод. Это приводит к дополнительному повышению выхода по току при эксплуатации предлагаемого электролизера.

Графитовые блоки, как правило, разрушаются с разной скоростью. При выходе из строя одного блока повышается анодная плотность тока, что приводит к нарушению режима электролиза, необходимости остановки электролизера. Поэтому в вариантном исполнении при разрушении одного анодного блока имеется возможность его вертикального извлечения и установки нового блока без остановки технологического цикла. Квадратное сечение блоков облегчает их установку благодаря тому, что при повороте вокруг оси на 90 их геометрия не изменяется. Это позволяет проводить более точную установку зазора между блоками. Вертикальное извлечение блоков осуществляется за счет того, что вал привода 7 механизма вертикального перемещения анододержателя 5 располагается на расстоянии c>1,5а, на практике 480 мм от продольной оси электролизера. При этом количество токоведущих деталей анодной подвески уменьшено с четырех (в прототипе) до двух. Это упрощает конструкцию подвески и переустановку блоков. Следует также отметить, что в предлагаемой конструкции значительно увеличена площадь контакта токоведущих деталей. Это позволяет исключить возникновение таких контактных явлений, как электрическая дуга, эрозия и другие.

При испытаниях опытных образцов электролизеров заявляемой конструкции выход по току составил 75-78%, напряжение на электролизере - 7,6-7,8 В.

Предлагаемая конструкция электролизера может использоваться для получения сплавов щелочно-земельных металлов, таких как медно-кальциевый, никелево-кальциевый, медно-магниевый и других.