электролизер для получения щелочно-земельных металлов из расплавов

Формула изобретения

Электролизер для получения щелочно-земельных металлов из расплавов, содержащий ванну-катод, установленные вдоль ванны на траверсе аноды с анодными устройствами, привод вертикального перемещения траверсы, неподвижную раму с боковыми и центральным укрытиями и каналами газоотсосов, токоподводящие шины, отличающийся тем, что каждый анод выполнен в виде графитового моноблока с соотношением поперечных размеров 1:1,8÷2,1 и высотой 400÷600 мм, неподвижная рама с боковыми и центральным укрытиями размещена на борте ванны-катода, при этом центральное укрытие выполнено в виде плиты, а каналы газоотсосов размещены в торцах неподвижной рамы на уровне борта ванны-катода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано, например, для получения кальция.

Металлический кальций получают электролизом расплава хлорида кальция с жидким катодом в виде медно-кальциевого сплава с последующей вакуумной дистилляцией кальция из медно-кальциевого сплава и возвратом на электролиз остатка обедненного по кальцию медно-кальциевого сплава.

Электролиз сопровождается значительным расходом дорогостоящих графитовых анодов. Обычно анод представляет собой параллепипед размером 300×300×900 мм, изготовленный прессованием смеси нефтяного кокса и каменноугольного пека с последующей термо - и механической обработкой. В процессе электролиза каждый из графитовых анодов обычно представляет собой попарно соединенные графитовые блоки. Блоки погружены на 150 мм в расплав электролита, бурлящий от выделяющегося на их поверхности хлора. Верхняя часть анодных блоков открыта для воздействия потока воздуха при температуре 350÷680°С.

Значительная составляющая повышенного расхода анодов связана с окислением поверхности анода кислородом воздуха. При этом происходит постепенное изменение его геометрии и снижение механической прочности, что негативно влияет на характеристики процесса электролиза, а также приводит к разрушению целостности анода.

Решением этой проблемы электролизного производства является увеличение продолжительности эксплуатации графитовых анодов за счет увеличения стойкости графита к высокотемпературному окислению в процессе его эксплуатации в электролизере.

Известен электролизер для получения щелочных и щелочноземельных металлов из расплавов (а. с. СССР № 1526285, кл С25С 3/02, оп. 20.02.2000), содержащий ванну-катод, аноды с анодным устройством, размещенную на борте ванны неподвижную раму с боковыми и центральным укрытиями, каналы газоотсосов, токоподводящие шины анодов и ванны-катода.

Аноды представляют собой попарно соединенные графитовые блоки. Каждый графитовый блок выполнен из двух частей с размером поперечного сечения верхней части, составляющей 0,6÷0,9 размера поперечного сечения нижней части. Аноды установлены с выходом верхней части через центральное укрытие с зазором между анодами и укрытием.

Центральное укрытие выполнено в виде короба, а каналы газоотсосов расположены в торцевых частях электролизера. Анодное устройство включает привод вертикального перемещения анодов, траверсу, токоподводящую штангу, одним концом закрепленную в траверсе, а на другом имеющую два анододержателя, разъемно соединенных с графитовыми блоками.

При эксплуатации данного электролизера атмосферный воздух, попадая в полость электролизера через зазоры в укрытии, полностью омывает верхнюю часть анодов, доходит до ступеньки, где происходит его завихрение. Нижняя часть анодов, находящаяся над электролитом, омывается смесью воздуха и поднимающегося вверх хлора, выделяющегося на погруженной в электролит части анодов.

Недостатком данного электролизера является установка анодов с выходом верхней части анода через центральное укрытие с зазором между анодами и укрытием, что приводит к увеличению концентрации кислорода над поверхностью электролита. Вследствие этого не погруженная в электролит часть анода подвергается интенсивному окислению кислородом воздуха.

Значительный приток воздуха в рабочее пространство электролизера снижает концентрацию хлора в хлоро-воздушной смеси, что приводит к снижению степени извлечения хлора и увеличению выбросов хлора.

При этом уменьшение сечения анода, особенно в области крепления анододержателя, приводит к увеличению электросопротивления этого участка, а следовательно, к выделению большего количества тепла в этой области. Сочетание повышенного тепловыделения и прохода воздуха способствует интенсивному окислению графита в области крепления его к анододержателю, вызывая преждевременный выход из строя анода.

Значительный выступ анодов над ванной влечет увеличение габаритов центрального укрытия над ванной, что приводит к увеличению рабочего пространства ванны над электролитом. В свою очередь, это требует увеличения скоростей движения газов для обеспечения эффективной эвакуации хлора из электролизера, а также подсоса большего количества воздуха, что приводит к окислению графитовых анодов.

Из известных электролизеров для получения щелочноземельных металлов из расплавов наиболее близким по технической сущности является электролизер для получения кальция, описанный в а.с. СССР 771192, кл С25С 3/02, оп.15.10.80.

Этот электролизер содержит ванну-катод, аноды с анодным устройством, размещенную над ванной неподвижную раму с боковыми и центральным укрытиями, каналы газоотсосов, токоподводящие шины анодов и ванны-катода.

Аноды представляют собой попарно соединенные графитовые блоки. Каждый графитовый блок выполнен в виде параллепипеда с квадратным сечением. Анодное устройство включает привод вертикального перемещения анодов, траверсу, токоподводящую штангу, одним концом закрепленную на раме привода, а другим концом связанную с возможностью разъема с консолью, несущей два анододержателя, жестко связанных с графитовыми блоками. Аноды с анододержателями установлены под центральным укрытием, выполненным в виде короба. Каналы газоотсосов расположены в верхней части центрального укрытия.

Такой электролизер позволяет сократить количество вынужденных остановок электролизера, необходимых на замену анодных блоков или для очистки газоходов благодаря тому, что замена графитовых блоков проводится без подъема траверсы, а размещение газоходов в верхней части укрытия практически исключает захват пылевидных частиц шихты и унос их в газоходы. При этом установка анодов с анододержателями под укрытием способствует увеличению концентрации хлора в ХВС. Связанное с этим уменьшение концентрации кислорода в ХВС уменьшает скорость реакции окисления графита и, следовательно, увеличивает срок службы анодных сборок.

Недостаток данного электролизера заключается в выполнении анодов в виде попарно связанных графитовых блоков с вплавленными в них анододержателями. При выходе из строя одного из блоков потребуется замена не только изношенного, но парного блока, так как анододержатели жестко связаны с блоками и установлены на общей консоли.

Кроме того, выполнение центрального укрытия в виде короба из-за значительной высоты анодов и расположения каналов газоотсосов в верхней части центрального укрытия высоко над ванной, увеличивает рабочее пространство электролизера над электролитом, тем самым снижая эффективность эвакуации хлора. Так как в центре электролизера скорость движения газов минимальна, хлор, выделяющийся между анодными блоками, будет выходить за пределы укрытия и попадать в рабочую зону. Для обеспечения эффективной эвакуации хлора необходимо повысить скорости движения газов, обеспечить подсос большего количества воздуха, что приведет к окислению графитовых анодов.

Задача настоящего изобретения состоит в создании конструкции электролизера, позволяющего повысить ресурс работы анодных блоков и оптимизировать условия эвакуации выделяющегося хлора из электролизера.

Поставленная задача достигается тем, что в электролизере для получения щелочноземельных металлов из расплавов, содержащем ванну-катод, установленные вдоль ванны на траверсе аноды с анодными устройствами, привод вертикального перемещения траверсы, неподвижную раму с боковыми и центральным укрытиями, каналы газоотсосов, токоподводящие шины, согласно изобретению, каждый анод представляет собой графитовый моноблок с отношением поперечных размеров 1:1,8÷2,1 и высотой, составляющей 400÷600 мм, неподвижная рама с боковыми и центральным укрытиями установлена на борте ванны-катода, центральное укрытие выполнено в виде плиты, а каналы газоотсосов размещены в торцах неподвижной рамы на уровне борта ванны-катода.

Такое конструктивное выполнение электролизера для получения щелочноземельных металлов из расплавов солей позволяет повысить ресурс работы анодов за счет замены анодной сборки в виде попарно соединенных графитовых блоков на графитовый моноблок с соотношением поперечных размеров 1:1,8÷2,1 и высотой, составляющей 400÷600 мм. Изменение геометрии анодных блоков по сравнению с анодами из парных блоков приводит, как показали опытные испытания, к уменьшению площади поверхности моноблоков, подвергающейся окислению, в 1,65 раза и массы анодов - в 2 раза.

Уменьшение ширины анода на 40 см увеличивает расстояние между анодом и боковыми стенками ванны до 550 мм, что исключает возможность выделения кальция на боковой стенке ванны, а, значит, повышает выход по току. Высота моноблоков (от 400 до 600 мм) позволяет максимально приблизить укрытие к поверхности электролита и, тем самым уменьшить объем рабочего пространства электролизера над электролитом и увеличить концентрацию хлора в хлоровоздушной смеси (ХВС). Следовательно, связанное с этим уменьшение концентрации кислорода в ХВС уменьшает окисление графита, а значит, увеличивает срок службы анодов. Выполнение моноблоков с высотой, меньшей 400 мм, приводит к неработоспособности устройства, с высотой, большей 600 мм, к увеличению рабочего пространства электролизера.

Расположение газоотсосов на уровне борта ванны в торцах неподвижной рамы обеспечит эффективную эвакуацию выделяющегося хлора, так как выделяющийся хлор, ввиду большей, чем воздух, плотности, скапливается у поверхности электролита. Кроме того, меньший рабочий объем над электролитом и расположение газоходов обеспечивает меньшие скорости движения ХВС, что воспрепятствует уносу порошка соли вместе с ХВС в газоход.

Для пояснения изобретения ниже приводится пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображен предлагаемый электролизер общий вид с частичным поперечным разрезом.

Электролизер для получения щелочноземельных металлов из расплавов содержит ванну-катод 1 с футерованным корпусом 2, установленные вдоль ванны на траверсе 3 аноды 4 с анодными устройствами, привод 5 вертикального перемещения траверсы, установленную на борт ванны неподвижную раму 6 с боковыми 7 и центральным 8 укрытиями, каналы газоотсосов 9, токоподводящие шины анодов и ванны-катода, соответственно 10 и 11.

Каждый анод выполнен в виде графитового моноблока с соотношением поперечных размеров 1:1,8÷2,1 и высотой, составляющей 400-600 мм. Анодное устройство включает токоподводящую штангу 12, закрепленную на траверсе с возможностью съема и анододержатель 13, выполненный из стального круга с двумя концевыми резьбовыми участками. На одном участке предусмотрена внутренняя резьба для соединения со штангой 12, а на другом участке выполнена наружная резьба для соединения с моноблоком.

Каналы газоотсосов 9 расположены на уровне борта ванны в торцах неподвижной рамы 6.

Конструкция предлагаемого электролизера прошла опытные испытания в промышленных условиях на ОАО "Машиностроительный завод". Результаты испытаний показали, что средняя продолжительность анодных моноблоков составила 97 суток по сравнению с 65 сутками в случае применения парных анодов.

Электролизер работает следующим образом.

В электролизер загружают медь электролитическую, возврат остатка медно-кальциевого сплава после дистилляции, обедненного по кальцию с концентрацией кальция 15-40%. Устанавливают в электролизер четырнадцать анодов 3 (моноблоки с размерами 300×560×600 мм), засыпают электролит - безводный хлорид кальция с добавкой хлорида калия для снижения температуры плавления электролита. Через токоподводящие шины 10 и 11 подают электрический ток соответственно на аноды 3 и ванну 1. Для запуска электролизера в работу накоротко замыкают аноды на ванну, при этом образующаяся дуга расплавляет электролит. В дальнейшем аноды поднимают с одновременным добавлением дополнительных порций порошка хлорида кальция. После загрузки 600 кг электролита выставляют межполюсное расстояние 1÷4 см и корректируют содержание в электролите хлорида калия на уровне 15%. Загрузку ванны производят до борта ванны. Жидкий электролит, пропитывая верхнюю часть теплоизоляции ванны, застывает и герметизирует ее стык с ванной, тем самым, защищая ванну от воздействия хлора.

В процессе электролиза на жидком катоде выделяется кальций, образующий с медью медно-кальциевый сплав, на аноде - хлор. По мере протекания электролизного процесса сплав обогащается по кальцию до концентрации 60%, увеличивается в объеме с одновременным повышением его уровня в ванне. С помощью подъемного механизма аноды поднимают, сохраняя постоянным межполюсное расстояние 1-4 см (зазор между нижними торцами анодов и медно-кальциевым расплавом - жидким катодом). Это расстояние поддерживается автоматически исходя из значения падения напряжения на электролизере. По мере увеличения уровня медно-кальциевого сплава последний откачивают из электролизера вакуумным ковшом, после чего в электролизер добавляют шихту - сухой порошок хлорида кальция и обедненный по кальцию медно-кальциевый сплав после дистилляции.

Хлор, выделяющийся в процессе электролиза, собирается в пространстве между зеркалом электролита и центральным укрытием 7. В этом объеме постоянно поддерживается давление ниже атмосферного. Через неплотности в укрытии происходит подсос воздуха. С помощью газоотсосов 9 хлор в смеси с воздухом эвакуируется из электролизера по хлоропроводам в отделение абсорбции для его улавливания известковым молоком с получением электролизного сырья - порошка хлорида кальция.

При эксплуатации наблюдается постепенный износ анодов. В известных решениях наблюдается разрушение анодов, опоясывающее среднюю часть блока (т.н. шейки), на расстоянии 300 мм от нижнего торца блока. Разрушение моноблоков наблюдается только в верхней части. Однако, благодаря более глубокому резьбовому соединению моноблока с анододержателем (длина соединения 260 мм), не происходит «сползание» тяжелого (массой 135 кг) моноблока в ванну с анододержателя.

Для замены блоков отключают ток от электролизера, открывают центральное укрытие 8, отсоединяют от траверсы 2 штангу 11 с анододержателем 12 и моноблоком 4. Разрушенный моноблок удаляют вместе с резьбовым участком анододержателя.

Предложенный электролизер для получения щелочноземельных металлов из расплавов по сравнению с известными позволяет снизить удельный расход графита на единицу готовой продукции с 84 до 50,7 кг благодаря увеличению ресурса работы анодов.