ЭЛЕКТРОЛИЗЕР СОЛЕВОГО РАСПЛАВА, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАГНИЯ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ТИТАНА Российский патент 2019 года по МПК C25C7/00 C25C3/00 C25C3/04 C22B34/12 C22B26/22 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к электролизеру солевого расплава, включающему две или более электролитических ячеек, и к способу получения металлического магния с его использованием, а также к способу получения губчатого титана.

Уровень техники

[0002] Электролизер солевого расплава, в частности, электролизер солевого расплава, в котором получают металлический магний из хлорида магния, применяется для регенерации металлического магния, использовавшегося в качестве восстановителя в производстве губчатого титана способом Кролла. Более конкретно, при получении губчатого титана по способу Кролла титановую руду хлорируют с образованием тетрахлорида титана, и тетрахлорид титана восстанавливают магнием с получением губчатого титана. Хлорид магния, который является побочным продуктом в реакции восстановления, преобразуют электролизом солевого расплава обратно в металлический магний, который повторно используют в качестве восстановителя.

В качестве электролизера солевого расплава этого типа, как правило, используют такие, которые имеют в электролизной камере анод и катод в форме плоских пластин, или биполярный электрод, размещенный между анодом и катодом (например, патентные документы PTL 1 и 2). Также было предложено электролитическое устройство со встроенным в него множеством ячеек, причем каждая ячейка представляет собой цилиндрический полиэлектрод, который имеет биполярный электрод и катод в виде цилиндра, размещенные так, что они окружают находящийся в центре анод (PTL 3), и электролитическое устройство со встроенным в него множеством ячеек, причем каждая ячейка представляет собой прямоугольный трубчатый полиэлектрод, который имеет электроды с прямоугольной трубчатой формой вместо вышеуказанных электродов в виде цилиндра (PTL 4).

Однако в случае электролитической ячейки с электродами в виде плоских пластин возникают проблемы низкого выхода по току и низкой чистоты полученного металла, которые обусловливаются загрязнением полученного металла примесями, вызываемыми реакцией между получаемым металлом и материалами внутренних стенок, и повреждением вследствие электрохимической коррозии или т.п. материалов внутренних стенок, образующих электролитическую ячейку, в результате проведения электролиза. С другой стороны, у электролитической ячейки со встроенные цилиндрическими или прямоугольными трубчатыми полиэлектродами имеются проблемы, например, в том, что возникает бесполезное пространство между ячейкой и стенкой электролитического устройства, или между одной ячейкой и другой ячейкой, так что становится плохой производительность получения металлического магния в расчете на единицу объема.

Список цитированной литературы

[0003] Патентная литература

[PTL 1] JP-A-2012-149301

[PTL 2] JP-A-2005-171354

[PTL 3] JP-A-11-503794

[PTL 4] Публикация заявки на патент США № 2013/0032487

Сущность изобретения

Техническая проблема

[0004] Настоящее изобретение решает вышеуказанные проблемы, и задача изобретения состоит в создании электролизера солевого расплава и способа получения металлического магния, которые могут дополнительно повысить выход по току и улучшить производительность получения металла в расчете на единицу объема электролитической ячейки и которые позволяют также получать металлический магний высокой чистоты, и в создании способа получения губчатого титана. Более конкретно, восстановление тетрахлорида титана с использованием металлического магния высокой чистоты обеспечивает высокую чистоту получаемого губчатого титана.

Решение проблемы

[0005] В качестве средства решения вышеуказанных проблем, настоящее изобретение заключается в следующем.

[1] Электролизер солевого расплава, имеющий две или более электролитических ячейки в электролизной камере,

причем каждая электролитическая ячейка имеет катод с полостью в форме призмы, анод в форме призмы и по меньшей мере один биполярный электрод с прямоугольной трубчатой формой,

причем биполярный электрод размещен во внутренней полости катода, а анод размещен во внутренней полости биполярного электрода,

причем по меньшей мере часть индивидуальных граней, образующих наружную сторону прямоугольного трубчатого биполярного электрода, ближайшего к катоду, обращена к грани, образующей полость катода в форме призмы,

причем по меньшей мере часть индивидуальных граней, образующих внутреннюю сторону прямоугольного трубчатого биполярного электрода, ближайшего к аноду, обращена к грани, образующей анод в форме призмы, и

при этом по меньшей мере одна грань катода составляет одну грань катода другой электролитической ячейки.

[0006] [2] Электролизер солевого расплава по вышеуказанному пункту [1], в котором по меньшей мере одно из расстояния между гранью катода на противоположной от металлосборной камеры стороне и гранью биполярного электрода, ближайшей к этой грани катода, расстояния между гранью биполярного электрода на противоположной от металлосборной камеры стороне и гранью другого биполярного электрода, ближайшей к упомянутой грани биполярного электрода, и расстояния между гранью биполярного электрода на противоположной от металлосборной камеры стороне и гранью анода, ближайшей к упомянутой грани биполярного электрода, является более коротким, чем расстояние между соответствующей гранью катода на стороне металлосборной камеры и гранью биполярного электрода, ближайшей к грани катода, расстояние между соответствующей гранью биполярного электрода на стороне металлосборной камеры и гранью другого биполярного электрода, ближайшей к грани биполярного электрода, или расстояние между соответствующей гранью биполярного электрода на стороне металлосборной камеры и гранью анода, ближайшей к грани биполярного электрода.

[3] Электролизер солевого расплава по вышеуказанному пункту [1] или [2], в котором анод электролитической ячейки размещен так, что отношение расстояния от центральной части анода до грани катода на противоположной от металлосборной камеры стороне и расстояния от центральной части анода до грани катода на стороне металлосборной камеры составляет от 1:0,5 до 1:2.

[4] Электролизер солевого расплава по любому из вышеуказанных пунктов [1]-[3], в котором анод имеет горизонтальное поперечное сечение, в котором отношение длинной стороны и короткой стороны составляет от 1:1 до 20:1.

[5] Способ получения металлического магния, включающий подвергание хлорида магния электролизу расплава с использованием электролизера солевого расплава по любому из вышеуказанных пунктов [1]-[4] с получением металлического магния.

[6] Способ получения губчатого титана, включающий восстановление тетрахлорида титана с использованием металлического магния, полученного способом по вышеуказанному пункту [5], с получением губчатого титана.

Полезные эффекты изобретения

[0007] Электролизер солевого расплава по настоящему изобретению имеет повышенный выход по току и поэтому может резко сократить расходы на получение металла и повысить производительность получения металла в расчете на единицу объема, а значит, проявляет такие полезные эффекты, что электролитическая ячейка может быть компактной и, кроме того, можно эффективно получать металлический магний, а также губчатый титан с низкими затратами.

Краткое описание чертежей

[0008] [Фиг. 1] Фиг. 1 представляет пояснительный вид, показывающий в горизонтальном разрезе электролизер солевого расплава согласно одному варианту осуществления изобретения.

[Фиг. 2] Фиг. 2 представляет пояснительный вид, показывающий в вертикальном разрезе электролизер солевого расплава согласно одному варианту осуществления изобретения.

[Фиг. 3] Фиг. 3 представляет пояснительный вид, показывающий еще один вариант осуществления из Фиг. 1.

[Фиг. 4] Фиг. 4 представляет пояснительный вид, показывающий в горизонтальном разрезе электролизер солевого расплава, используемый в качестве Сравнительного примера, который имеет размещенные в нем электролитические ячейки, размещенные концентрическими окружностями.

[Фиг. 5] Фиг. 5 представляет пояснительный вид, показывающий в горизонтальном разрезе электролизер солевого расплава, используемый в качестве Сравнительного примера, который имеет размещенные в нем электроды в форме плоских пластин.

Описание вариантов осуществления изобретения

[0009] Электролизер солевого расплава по изобретению имеет электролизную камеру для проведения электролиза, и металлосборную камеру для извлечения металла, полученного электролизом, и имеет между металлосборной камерой и электролизной камерой перегородку с отверстием. В электролизной камере предусмотрены две или более электролитических ячейки. В каждой электролитической ячейке анод в форме призмы размещен вблизи центра ячейки, а по меньшей мере один биполярный электрод с прямоугольной трубчатой формой и катод размещены так, что они окружают анод, и полость, образованная биполярным электродом и катодом, имеет призматическую форму, и по меньшей мере одна грань катода составляет одну грань катода другой или иной, смежной электролитической ячейки. В результате этого обе поверхности катодной пластины электролитической ячейки могут быть использованы для электролиза, что позволяет эффективно использовать ограниченное пространство. Кроме того, поскольку электролиз солевого расплава выполняется в полости, образуемой катодом, можно уменьшить реакцию между полученным металлом и материалами внутренних стенок или материалов перегородки, а также повреждение образующих электролитическую ячейку материалов внутренних стенок при проведении электролиза, что обеспечивает длительный срок службы электролизера солевого расплава и высокую чистоту полученного металла. Кроме того, катоды индивидуальных электролитических ячеек объединены друг с другом в единый электрический проводник, делая возможным упрощение проводных соединений с катодами.

[0010] Что касается электродов в изобретении, то форма горизонтального поперечного сечения является квадратной, прямоугольной или многоугольной, пространственная форма анода представляет собой куб, параллелепипед или многоугольный прут, а пространственная форма биполярного электрода и катода представляет собой трубчатую форму с вышеуказанным контуром. Предпочтительными являются те, которые имеют горизонтальное поперечное сечение в форме, которая представляет собой квадрат или прямоугольник, поскольку они являются простыми в сборке, и низка стоимость их обработки. Более предпочтительны такие, которые имеют горизонтальное поперечное сечение в форме прямоугольника, благодаря высокому выходу по току и возможности увеличить площадь электролиза.

Угловые участки этих электродов могут быть выполнены скругленными.

Кроме того, для достижения эффективного выведения металла предпочтительно, чтобы две или более электролитических ячейки были размещены вдоль направления металлосборной камеры.

[0011] В изобретении, как видно на горизонтальном поперечном сечении, анод размещен вблизи центра пространства, окруженного биполярным электродом или катодом. Анод предпочтительно размещен сдвинутым от середины окруженного катодом пространства к противоположной от металлосборной камеры стороне (далее часто называемой «стороной задней стенки электролитической ячейки»). В результате этого расстояние между электродами на стороне задней стенки электролитической ячейки является более коротким, чем расстояние между электродами на стороне металлосборной камеры, так что плотность тока на электродах с более коротким расстоянием между ними возрастает, приводя к энергичной реакции электролиза в электролитической ванне. Большое количество газа и металл, образовавшиеся в результате энергичного электролиза, имеют меньший удельный вес, чем у электролитической ванны, и поэтому поднимаются вверх между электродами более интенсивно, чем между электродами на стороне металлосборной камеры, и затем перетекают в металлосборную камеру. Следовательно, в электролизере солевого расплава создается разность наблюдаемых плотностей и формируется быстрое течение ванны, движущееся по направлению против часовой стрелки. Формирование быстрого течения ванны вызывает быстрый перенос образовавшегося в электролизной камере металла в металлосборную камеру, обеспечивая возможность предотвращения скопления металла. Кроме того, можно предотвратить дальнейшее реагирование металла с образующимся между электродами хлором (для контроля электролитической ванны).

[0012] В этом случае является более предпочтительным, чтобы электроды были размещены так, что по меньшей мере одно из расстояния между гранью катода на противоположной от металлосборной камеры стороне, а именно, на стороне задней стенки электролитической ячейки, и гранью биполярного электрода, ближайшей к грани катода, расстояния между гранью биполярного электрода на стороне задней стенки электролитической ячейки и гранью другого биполярного электрода, ближайшей к грани биполярного электрода, и расстояния между гранью биполярного электрода на стороне задней стенки электролитической ячейки и гранью анода, ближайшей к грани биполярного электрода, является более коротким, чем расстояние между соответствующей гранью катода на стороне металлосборной камеры и гранью биполярного электрода, ближайшей к катоду, расстояние между соответствующей гранью биполярного электрода на стороне металлосборной камеры и гранью другого биполярного электрода, ближайшей к грани биполярного электрода, или расстояние между соответствующей гранью биполярного электрода на стороне металлосборной камеры и гранью анода, ближайшей к грани биполярного электрода. Причина этого состоит в том, что улучшается течение ванны в электролизной камере, так что предотвращается возникновение дальнейшей реакции газа и металла между электродами после электролиза, обеспечивая возможность повышения выхода по току.

Вышеуказанное размещение электродов может быть достигнуто, например, способом, при котором один или оба из анода и биполярного электрода сдвинуты к стороне задней стенки электролитической ячейки, или толщина одной или обеих из грани биполярного электрода и грани катода на стороне задней стенки электролитической ячейки увеличена так, что сокращается индивидуальное расстояние между электродами.

В частности, в этом случае является более предпочтительным, чтобы расстояние между гранью катода на стороне задней стенки электролитической ячейки и гранью биполярного электрода, ближайшей к грани катода, было более коротким, чем расстояние между гранью катода на стороне металлосборной камеры и гранью биполярного электрода, ближайшей к грани катода. Кроме того, предпочтительно, чтобы анод электролитической ячейки размещался так, что отношение расстояния от центральной части анода до грани катода на стороне задней стенки электролитической ячейки и расстояния от центральной части анода до грани катода на стороне металлосборной камеры составляло от 1:0,5 до 1:2, более предпочтительно от 1:0,5 до 1:1,8, еще более предпочтительно от 1:0,5 до 1:1,5.

Что касается материала анода, то предпочтителен графит. Что касается размера анода, то длинная сторона в направлении стороны задней стенки электролитической ячейки и стороны металлосборной камеры (продольном направлении электролитической ячейки) составляет от 40 до 90% электролитической ячейки, а короткая сторона в перпендикулярном длинной стороне направлении (поперечном направлении электролитической ячейки) на виде сверху составляет от 10 до 100% длинной стороны, и анод имеет горизонтальное поперечное сечение, в котором отношение длинной стороны и короткой стороны составляет от 1:1 до 10:1, и имеет высоту, которая составляет 20-70% высоты электролитической ванны, и верхний конец катода предпочтительно размещен ниже, чем уровень электролитической ванны.

[0013] Катод в изобретении расположен так, чтобы окружать анод, но может окружать часть анода, и предпочтительно размещен так, чтобы охватывать нижнюю часть анода, позиционированную ниже сквозного отверстия в перегородке между металлосборной камерой и электролизной камерой.

Что касается материала катода, то предпочтительны железо или графит, а более предпочтительно железо. Когда используется железо, катод может быть изготовлен из единой железной плиты, но, принимая во внимание тепловое расширение, катод может быть изготовлен из сочетания множественных железных плит.

Предпочтительно, чтобы одна сторона катода размещалась на участке задней стенки электролитической ячейки, и другая сторона катода размещалась на перегородке.

Размеры катода в его продольном направлении (которое является тем же направлением, что и продольное направление электролитической ячейки) и поперечном направлении (которое является тем же направлением, что и поперечное направление электролитической ячейки) определяют размер электролитической ячейки, и предпочтительно, чтобы размер катода в продольном направлении был таким же, как расстояние между участком задней стенки электролитической ячейки и перегородкой, размер катода в поперечном направлении составлял 10-100% размера катода в продольном направлении, а что касается размера в направлении по глубине, то нижний конец катода находится на том же уровне, что и нижний конец анода, или выше, чем нижний конец анода, и катод имеет такую высоту, что верхний конец катода не выступает над уровнем ванны. Кроме того, толщина катода предпочтительно является меньшей для достижения более интенсивного течения в электролитической ванне, но толщина катода предпочтительно составляет 3-10 см ввиду необходимости сохранения прочности.

[0014] Биполярный электрод в изобретении размещается между анодом и катодом так, чтобы окружать анод, но может быть способен охватывать часть анода. Кроме того, биполярный электрод предпочтительно имеет такую высоту, что солевой расплав может проходить поверх верхней части биполярного электрода, и высота биполярного электрода предпочтительно выше, чем верхний конец катода, и ниже, чем нижняя поверхность верхней крышки.

Вводят по меньшей мере один биполярный электрод, предпочтительно вводят два биполярных электрода, а более предпочтительно могут быть введены три или более биполярных электродов.

Что касается материала биполярного электрода, то предпочтителен графит, и биполярный электрод может быть изготовлен из единой плиты графита, но, принимая во внимание тепловое расширение, биполярный электрод может быть изготовлен из сочетания множественных плит графита. Одна поверхность биполярного электрода может быть подвергнута обработке с нанесением стальной облицовки.

Толщина биполярного(-ых) электрода(-ов) варьирует в зависимости от числа введенных биполярных электродов, и предпочтительно выбирается так, чтобы зазоры между анодом и ближайшим к аноду биполярным электродом, между биполярным электродом и еще одним биполярным электродом, ближайшим к этому биполярному электроду, и между биполярным электродом и ближайшим к биполярному электроду катодом были одинаковыми в продольном направлении электролитической ячейки. Толщина биполярного электрода предпочтительно составляет 3-10 см.

[0015] Материалы внутренней стенки и перегородки в изобретении предпочтительно должны плохо реагировать с полученным металлом и не реагировать с солевым расплавом, обладая высокой стойкостью против коррозионного воздействия хлора. Для применения в электролизере солевого расплава могут быть использованы любые традиционные материалы внутренних стенок. Более конкретно, предпочтительны кирпичи, состоящие из следующих более чем одного кирпича, такие как кирпич с содержанием Al₂О₃ более 90%, кирпич с содержанием SiО₂ более 90%, кирпич с содержанием Si₃N₄ более 90%, кирпич с содержанием MgО более 90%, кирпич с содержанием Al₂О₃ и SiО₂ более 90%, кирпич с содержанием Al₂О₃, SiО₂, Si₃N₄ и MgО более 90%, а более предпочтительно кирпичи с содержанием Al₂О₃ более 90%, кирпичи с содержанием Al₂О₃ и SiО₂ более 90%, кирпичи с содержанием Al₂О₃ более 95%, кирпичи с содержанием Si₃N₄ более 90%, кирпичи с содержанием Al₂О₃ и SiО₂ более 95%, и еще более предпочтительно кирпичи с содержанием Al₂О₃ более 90%, в особенности кирпичи с содержанием Al₂О₃ более 95%, кирпич с содержанием Al₂О₃ и SiО₂ более 95%.

[0016] Составляющие кирпичи компоненты измеряются в соответствии со стандартом JIS 8856:1998.

[0017] Один вариант осуществления электролизера солевого расплава по изобретению описывается со ссылкой на Фигуры 1-3.

Фиг. 1 представляет пояснительный вид, показывающий в горизонтальном разрезе электролизер солевого расплава, Фиг. 2 представляет пояснительный вид, показывающий вертикальный разрез, проведенный вдоль линии A-A' на Фиг. 1, и Фиг. 3 представляет пояснительный вид, показывающий еще один вариант осуществления по Фиг. 1.

Как показано на Фиг. 2, корпус электролизера 1 солевого расплава имеет внутреннюю стенку 2, выполненную из огнеупорного кирпича, и наружную стенку 3, выполненную из изоляционного кирпича, и верхняя часть корпуса закрыта верхней крышкой 4. Электролизер 1 солевого расплава имеет электролизную камеру 5 для проведения электролиза и металлосборную камеру 6 для извлечения полученного электролизом металла, и между электролизной камерой 5 и металлосборной камерой 6 сформирована перегородка 7.

В электролизной камере 5, как показано на Фиг. 1, множество электролитических ячеек 8, 8' (две на Фиг. 1) расположены в направлении, параллельном металлосборной камере 6, аноды 9, 9' в форме призм размещены вблизи соответствующих центров электролитических ячеек 8, 8', и множество биполярных электродов 10, 10' (два на Фиг. 1) с прямоугольной трубчатой формой и один катод 11, 11' расположены так, чтобы окружать аноды 9, 9', и полость, образованная биполярными электродами 10, 10' и катодом 11, 11', имеет форму призмы.

Одна грань катода 11, 11' составляет одну грань катода соседней электролитической ячейки, и катоды отдельных электролитических ячеек объединены друг с другом в единый электрический проводник.

[0018] С другой стороны, предпочтительно, чтобы, как показано на Фиг. 2, в сформированной между электролизной камерой 5 и металлосборной камерой 6 перегородке 7 было выполнено сквозное отверстие 12, которое обеспечивает сообщение электролизной камеры и металлосборной камеры между собой, причем положение выполненного сквозного отверстия находится в верхней части перегородки и ниже поверхности электролитического раствора, и чтобы нижний конец перегородки 7 был зафиксирован на кирпиче, имеющем отверстие у дна электролизера 1 солевого расплава, и был предусмотрен проем 13, который обеспечивает сообщение электролизной камеры 5 и металлосборной камеры 6 друг с другом.

Анод 9 проходит сквозь верхнюю крышку 4 электролизной камеры 5 и выступает из верхней крышки, а катод 11 размещен так, что верхний конец катода находится на том же или более низком уровне, что и нижняя сторона сквозного отверстия 12 в перегородке 7. Биполярный электрод 10 размещен так, чтобы иметь такую высоту, что верхний конец биполярного электрода находится выше, чем верхняя сторона сквозного отверстия 12, и электролитическая ванна может проходить поверх биполярного электрода при работе электролизера солевого расплава. Нижние концы анода 9, биполярного электрода 10 и катода 11 размещаются так, чтобы быть выше, чем верхний конец проема 13, который обеспечивает сообщение электролизной камеры 5 и металлосборной камеры 6 друг с другом.

Пара анода и катода соединены с непоказанным источником питания постоянным током.

Кроме того, Фиг. 3 показывает еще один вариант осуществления электролизера солевого расплава, в котором аноды 9, 9' и биполярные электроды 10, 10' сдвинуты от середины окруженной катодами 11, 11' полости к стороне задней стенки электролитической ячейки.

[0019] Что касается металла, получаемого в электролизере солевого расплава по изобретению, то конкретного ограничения нет при условии, что может быть проведен электролиз солевого расплава, но предпочтителен металлический магний, металлический алюминий, металлический кальций или металлический цинк, а особенно предпочтителен металлический магний.

Далее приводится разъяснение одного варианта осуществления, в котором получают металлический магний электролизом солевого расплава с использованием электролизера 1 солевого расплава по изобретению.

На Фиг. 2, в электролизере 1 солевого расплава расплавленный при нагреве хлорид магния вводят из непоказанного впуска подачи сырья так, что уровень электролитической ванны поддерживается более высоким, чем сквозное отверстие 12 в перегородке 7.

При работе электролизера солевого расплава ток электролиза течет от анода 9 через биполярный электрод 10 к катоду 11, и хлорид магния подвергается электролизу между электродами с образованием металлического магния, а также газообразного хлора. Газообразный хлор поднимается через электролитическую ванну, создавая циркуляционное течение в электролитической ванне. Циркуляционное течение вызывает перенос образовавшегося на катоде металлического магния через сквозное отверстие 12 в перегородке 7 в металлосборную камеру 6, и металлический магний собирается на поверхности металлосборной камеры 6 вследствие разницы в удельном весе между металлическим магнием и электролитической ванной и выводится через непоказанный канал выпуска металла, с получением тем самым металлического магния.

С другой стороны, выделившийся газообразный хлор собирается в верхнем пространстве электролизной камеры 5 и выводится через непоказанный канал выпуска хлора.

[0020] Металлический магний, полученный с использованием электролизера солевого расплава по изобретению, может быть использован для восстановления тетрахлорида титана на стадии восстановления, которая представляет собой одну из стадий процесса получения губчатого титана. И восстановление тетрахлорида титана с использованием металлического магния высокой чистоты приводит к высокой чистоте получаемого губчатого титана.

Более конкретно, процесс получения губчатого титана включает стадию хлорирования титановой руды с получением тетрахлорида титана, стадию восстановления тетрахлорида титана магнием с получением губчатого титана, и дополнительную стадию, на которой полученный губчатый титан подвергают дроблению и сортировке частиц по размеру с получением продуктового губчатого титана, и стадию, на которой хлорид магния, полученный в качестве побочного продукта при восстановлении тетрахлорида титана магнием, подвергают электролизу солевого расплава для совместного получения металлического магния и газообразного хлора {см., например, публикацию «Production of metal titanium in Toho Titanium Co., Ltd.» («Производство металлического титана в фирме Toho Titanium Co., Ltd.»), Journal of MMIJ, том 123, с. 693-697 (2007)}.

При внедрении электролизера солевого расплава по изобретению на вышеуказанной стадии электролиза расплава губчатый титан может быть эффективно получен при низких затратах.

Примеры

[0021] В нижеследующих Примерах и Сравнительных примерах стоимость производства была оценена на основе выхода по току. Выход по току используется в качестве показателя, под которым может быть известно отношение величины тока, использованного на электролиз, к величине пропущенного тока и который показывает, что чем выше выход по току, тем ниже стоимость производства. Выход по току может быть определен путем расчета с использованием следующей формулы.

(Выход по току)=(масса извлеченного из электролитической ячейки металлического магния)/(масса теоретически образующегося металлического магния)

В вышеуказанной формуле масса извлеченного из электролитической ячейки металлического магния означает массу металлического магния, выведенного из верхней части металлосборной камеры по Фиг. 2 (далее называемую «фактически полученным количеством»), а масса теоретически образующегося металлического магния означает массу металлического магния, образующегося в том случае, когда пропущенный ток был полностью использован на электролиз хлорида магния без какой-либо потери тока (далее называемую «теоретически полученным количеством»).

В нижеследующих примерах массу металлического магния измеряют в электролитической ячейке, которая образована из внутренних стенок, состоящих из кирпичей с содержанием Al₂О₃ более 95%. Однако кирпичи по изобретению могут быть изготовлены из любых материалов, которые могут примешиваться в полученный металл, и в принципе не должны ограничиваться кирпичами с содержанием Al₂О₃ более 95%.

(Пример 1)

[0022] Как показано на Фиг. 1, в электролизере солевого расплава, имеющем показанные на Фиг. 2 электролизную камеру объемом 2 м³ и металлосборную камеру объемом 0,5 м³, разместили две электролитических ячейки и в электролизер солевого расплава ввели 2900 кг солевого расплава, содержавшего MgCl₂, CaCl₂, NaCl и MgF₂ с соответствующими массовыми процентными долями 20%, 30%, 49% и 1%. Хлорид магния загружали в электролитическую ячейку в надлежащем количестве, соответствующем получаемому количеству металлического магния, с проведением электролиза солевого расплава при средней плотности тока, установленной на 0,48 А/см². В этом случае величина пропущенного тока составляла 16,0 кА, а значит, теоретически полученное количество составляет 21,8 кг/ч. Однако фактически полученное количество составляло 18,5 кг/ч, и поэтому выход по току электролизера солевого расплава составлял 85%. Количество продукта, полученное в расчете на единицу объема электролизной камеры, составляло 9,3 кг/м³·ч.

(Пример 2)

[0023] С использованием по существу таких же электролизера и солевого расплава, как в Примере 1, за исключением того, что, как показано на Фиг. 3, электролитические ячейки были размещены так, что центральные положения анода и биполярного электрода были сдвинуты к стороне задней стенки электролитической ячейки на 5 мм, выполнили электролиз солевого расплава при средней плотности тока 0,48 А/см². В этом случае величина пропущенного тока составляла 16,0 кА, а значит, теоретически полученное количество составляет 21,8 кг/ч. Однако фактически полученное количество составляло 18,9 кг/ч, и поэтому выход по току электролизера солевого расплава составлял 87%. Количество продукта, полученное в расчете на единицу объема электролизной камеры, составляло 18,9 кг/м³·ч.

(Сравнительный пример 1)

[0024] Как показано на Фиг. 4, в электролизере солевого расплава, показанном на Фиг. 2, разместили две электролитических ячейки, выполненных в виде концентрических окружностей, и в электролизер солевого расплава ввели 3100 кг солевого расплава, содержавшего MgCl₂, CaCl₂, NaCl и MgF₂ с соответствующими массовыми процентными долями 20%, 30%, 49% и 1%. Хлорид магния загружали в электролитическую ячейку в надлежащем количестве, соответствующем получаемому количеству металлического магния, с проведением электролиза солевого расплава при средней плотности тока 0,48 А/см². В этом случае величина пропущенного тока составляла 13,8 кА, а значит, теоретически полученное количество составляет 18,8 кг/ч. Однако фактически полученное количество составляло 16,0 кг/ч, и поэтому выход по току электролизера солевого расплава составлял 85%. Количество продукта, полученное в расчете на единицу объема электролизной камеры, составляло 8,0 кг/м³·ч.

(Сравнительный пример 2)

[0025] Как показано на Фиг. 5, два набора из анода, биполярного электрода и катода, которые имеют форму плоских пластин и традиционно применяются, разместили в электролизере солевого расплава, показанном на Фиг. 2, и в электролизер солевого расплава ввели 2800 кг солевого расплава, содержавшего MgCl₂, CaCl₂, NaCl и MgF₂ с соответствующими массовыми процентными долями 20%, 30%, 49% и 1%. Хлорид магния загружали в электролитическую ячейку в надлежащем количестве, соответствующем получаемому количеству металлического магния, с проведением электролиза солевого расплава при средней плотности тока 0,48 А/см². Электролизер солевого расплава является по существу таким же, как электролизер солевого расплава в Примере 1, за исключением того, что отсутствует грань электрода, обращенная к стороне стенки катода и биполярного электрода. В этом примере величина пропущенного тока составляла 12,3 кА, а значит, теоретически полученное количество составляет 16,7 кг/ч. Однако фактически полученное количество составляло 13,9 кг/ч, и поэтому выход по току электролизера солевого расплава составлял 83%. Количество продукта, полученное в расчете на единицу объема электролизной камеры, составляло 7,0 кг/м³·ч.

(Пример 3)

[0026] После эксплуатации в стабильном режиме в течение 5 дней электролизера солевого расплава, который был использован в Примере 1, полученный металлический магний в количестве около 10 г был извлечен из верхней части металлосборной камеры, не будучи загрязненным хлоридом магния, и охлажден до твердого состояния при комнатной температуре. После этого полученный металлический магний растворили в соляной кислоте (1+1), измерили концентрацию Al в магнии с использованием оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, ICP-OES (спектрометр SPS3100(24H) фирмы HITACHI Hightech-Science). Извлечение металлического магния выполняли в стабильном режиме после 5 дней от начала эксплуатации. Без вариации измеренной концентрации выполняли извлечение 4 раза через каждые 2 часа, и рассчитали среднее значение SMA (простое скользящее среднее). Формула для расчета среднего значения является следующей.

SMA=(Р1+Р2+Р3+Р4+Р5)/5 … (1)

(Р1~5: соответственно концентрация Al в Mg, измеренная через 0, 2, 4, 6, 8 часов)

Результат показан в Таблице 1.

(Пример 4)

Эксперимент выполняли в таких же условиях, как в Примере 3, за исключением применения электролизера солевого расплава, использованного в Примере 2. Результат показан в Таблице 1.

(Сравнительный пример 3)

Эксперимент выполняли в таких же условиях, как в Примере 3, за исключением применения электролизера солевого расплава, использованного в Сравнительном примере 1. Результат показан в Таблице 1.

(Сравнительный пример 4)

Эксперимент выполняли в таких же условиях, как в Примере 3, за исключением применения электролизера солевого расплава, использованного в Сравнительном примере 2. Результат показан в Таблице 1.

[0027] Таблица 1

Пример Концентрация Al в металлическом магнии (млн^-1) Пример 3 38 Пример 4 37 Сравнительный пример 3 42 Сравнительный пример 4 102

Промышленная применимость

[0028] Электролизер солевого расплава по настоящему изобретению применим не только при производстве металлического магния, но и в производстве металлического алюминия, металлического кальция, металлического цинка и им подобных, и, кроме того, при внедрении электролизера солевого расплава по изобретению на стадии электролиза расплава хлорида магния при производстве губчатого титана можно эффективно получать губчатый титан при низких затратах.

[0029] Список условных обозначений

1: Электролизер солевого расплава

5: Электролизная камера

6: Металлосборная камера

7: Перегородка

8: Электролитическая ячейка

9: Анод

10: Биполярный электрод

11: Катод.

Группа изобретений относится к электролизу солевого расплава. Электролизер содержит металлосборную камеру, электролизную камеру и по меньшей мере две электролитических ячейки в электролизной камере. Каждая электролитическая ячейка имеет катод с призматической полостью, призматический анод и по меньшей мере один прямоугольный трубчатый биполярный электрод. Биполярный электрод размещен во внутренней полости катода, а анод - во внутренней полости биполярного электрода. По меньшей мере часть каждой грани, образующей наружную сторону прямоугольного трубчатого биполярного электрода, ближайшего к катоду среди биполярных электродов, обращена к грани, образующей призматическую полость катода, причем по меньшей мере часть каждой грани, образующей внутреннюю сторону прямоугольного трубчатого биполярного электрода, ближайшего к аноду среди биполярных электродов, обращена к грани, образующей призму анода. По меньшей мере одна грань катода является одной гранью катода другой электролитической ячейки. Предложены также применение электролизера для получения металлического магния, способ получения губчатого титана и способ получения металлического магния. Обеспечивается повышение выхода по току и улучшение производительности. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил., 4 пр.

1. Электролизер солевого расплава, имеющий металлосборную камеру и электролизную камеру и имеющий две или более электролитических ячейки в электролизной камере,

причем каждая электролитическая ячейка имеет катод с полостью в форме призмы, анод в форме призмы и по меньшей мере один биполярный электрод с прямоугольной трубчатой формой,

причем биполярный электрод размещен во внутренней полости катода, а анод размещен во внутренней полости биполярного электрода,

причем по меньшей мере часть индивидуальных граней, образующих наружную сторону прямоугольного трубчатого биполярного электрода, ближайшего к катоду, обращена к грани, образующей призматическую полость катода,

причем по меньшей мере часть индивидуальных граней, образующих внутреннюю сторону прямоугольного трубчатого биполярного электрода, ближайшего к аноду, обращена к грани, образующей призму анода, и

при этом по меньшей мере одна грань катода составляет одну грань катода другой электролитической ячейки.

2. Электролизер по п.1, в котором по меньшей мере одно из расстояния между гранью катода на противоположной от металлосборной камеры стороне и ближайшей к этой грани катода гранью биполярного электрода, расстояния между гранью биполярного электрода на противоположной от металлосборной камеры стороне и гранью другого биполярного электрода, ближайшей к упомянутой грани биполярного электрода, и расстояния между гранью биполярного электрода на противоположной от металлосборной камеры стороне и гранью анода, ближайшей к грани биполярного электрода, является более коротким, чем расстояние между соответствующей гранью катода на стороне металлосборной камеры и гранью биполярного электрода, ближайшей к грани катода, расстояние между соответствующей гранью биполярного электрода на стороне металлосборной камеры и гранью другого биполярного электрода, ближайшей к грани биполярного электрода, или расстояние между соответствующей гранью биполярного электрода на стороне металлосборной камеры и гранью анода, ближайшей к грани биполярного электрода.

3. Электролизер по п. 1 или 2, в котором анод электролитической ячейки размещен так, что отношение расстояния от центральной части анода до грани катода на противоположной от металлосборной камеры стороне и расстояния от центральной части анода до грани катода на стороне металлосборной камеры составляет от 1:0,5 до 1:2.

4. Электролизер по любому из пп. 1-3, в котором анод имеет горизонтальное поперечное сечение, в котором отношение длинной стороны и короткой стороны составляет от 1:1 до 10:1.

5. Применение электролизера солевого расплава по любому из пп. 1-4 для получения металлического магния электролизом хлорида магния.

6. Способ получения губчатого титана, включающий восстановление тетрахлорида титана магнием с получением побочного продукта в виде хлорида магния, отличающийся тем, что побочный продукт в виде хлорида магния подвергают электролизу в электролизере солевого расплава по любому из пп. 1-4 с получением металлического магния и газообразного хлора, при этом полученный металлический магний используют для восстановления тетрахлорида титана с получением губчатого титана.

7. Способ получения металлического магния, включающий введение расплавленного хлорида магния в электролизер солевого расплава и получение металлического магния электролизом хлорида магния, отличающийся тем, что используют электролизер солевого расплава по любому из пп. 1-4.