Сменный смачиваемый твердотельный катод для получения алюминия электролизом Советский патент 1986 года по МПК C25C3/08 

1

Изобретение относится циям сменного смачиваемотельного катода для алюм электролизера.

Целью изобретения, явл ниа экономичности службы

Цель достигается тем, состоит из алюминида по одного металла из группы

ной- титаном, цирконием, гафнием, ванадием, ниобием танталом, хромом молибденом и вольфрамом, без связующей фазы из ; металлического алюминия Неалюминиевые компоненты алюминида, следовательно, относятся к группе 1УА, УА и/или У1А периодической системы элементов,

Алюминиды находятся в виде индивидуальных бинарных соединений или в виде тройных, четверных (четырех- компонентных) или пятикомпонентных сплавов.. Их х имическая и термическая устойчивость делает возможным их использование как в расплавленных электролитах, так и в. расплавленном алюминии, хотя в, последнем они растворимы ограниченно. Эта растворимость, однако, уменьшается с понижением температуры.

При рабочей температуре ячейки для электролизера алюминия, которая составляет округленно 950 С, растворимость металлической неалюминиевой компоненты алюминида в жидком алюминии составляет величину порядка примерно 1%. Катодные элементы, следовательно, расплавляются до тех пор, пока выделяющийся жидкий алюминий не насытится одной или несколькими металлическими неалюминиевыми компонентами.

Катодные элементы из алюминида . могут принимать любую известную форму,, они могут быть выполнены из соединенных креплением элементов (под- элементов) , в особенности в виде вертикально расположенных пластин или стержней. Из-за расплавления алюминиевого катода, однако, не нужны прочно связанные с угольным дном (онованием) элементы; они могут быть заменены по техническим основаниям и причинам рентабельности. Так как алюминиевые катоды не только могут агломерироваться, но и также отливаться, первоначальные катодные элменты и крепления также могут быть вьшолнены в сложной форме и/или целыми (из одной части).

Согласно другой форме осуществления, ,элементы алюминиевых катодов расположены в огнеупорных, устойчивых к расплавленному алюминию креплениях из изоляционного материала.

Вместо катодных пластин также можно насыпать в ячейки для электролиза алюминидные шарики и/или гранулы и равномерно распределять ток, проходя- щий через ванну. При известных условиях шарики или гранулы, которые соприкасаются исключительно с жидким металлом, также состоят из соответст- вукщего материала изолятора, 5 Для йсех геометрических форм катодных элементов существенное значение имеет то, что алюминид не содер-. жит никакой связующей фазы из жидкого алюминия. Алюминид плавился бы 0 при рабочей-температуре ячейки для элек тролиза, вследствие чего катодные элементы разрушались бы в течение короткого времени.

Метаплы титан, цирконий, гафний, 5 ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и/и,пи вольфрам, напротив, могут У1егироваться алюминием в соотношении Bbmie стехиометрического, так как их точка плавления всегда выше темпера- 30 туры электролиза алюминия. Эти метал- :лы также могут использоваться в качестве структурных частей в алюмини- де, например, в виде ячеистой струк- туры, которая переливается или переар- ломернруется из алюминида,

Расплавляемые во время процесса электролиза алюминиды регенерируют из выделившегося металла и снова их можно использовать для изготовления катодных элементов.

Таким образом, происходит циркуляция материала с относительно незначительными потерями.

35

-80

По причинам рентабельности в качестве сменных Смачиваемых твердотельных катодов используют алюминиды титана. Несмотря на большую известность, в технике обычно используют только титановые сплавы с несколькими процентами алюминия или алюминиевые сплавы с незначительным количеством в процентах титана. Лежащая по отношению к составу сплава между TiAl и TiAlj | -фаза очень хороший катодный материал. Эта (Г -фаза с 50- 75 ат.% (35-63 мас,%) алюминия характеризуется внедренными в матрицу TiAl TiAl, . Более богатый алюминием сплав не только отражается на стабильности катодов из твердых тел, но и также отрицательно влияет на рабочие условия ячейки для электролиза

Из фазовой диаграммы Т1-А1-сш1авов следует, что точка плавления -фазы находится между 1340 и . Эти относительно низкие точки плавления . позволяют изготовлять фасонные детали из алюминидов путем как пирометал лургии, так и порошковой металлургии

При рабочей температуре ячейки примерно 950 С растворимость титана в.жидком алюминии составляет около 1,2%. Выделяющийся из катодных элементов алюминий, следовательно, расплавляет титаналюминидные элементы до тех пор, пока содержание титана в .нем не достигнет 1,2%.

. Таким образом, на тонну электрически выделившегося алюминия растворяется примерно 30 кг материала катода из твердого тела. В случае катода это означает расход 11,15 кг титана на тонну полученного алюминия Если используются катодные пластины параллельно к нижней стороне угольного анода, то на практике титаналюми- нид расплавляется округленно вплоть . до 50% первоначальной толщины.

При смене анода в ячейку для электролиза вносят 60 кг катодных элементов, которые целесообразно образуют соразмерно рабочей поверхности анода соответствующую единицу. Перед вставкой нового катодного элемента нужно остатки (в настоящем случае 30 кг) удалить из ячейки для электролиза.

Эти остатки подводятся непосредственно в установку для получения алю-- миниевых катодов.

Пример 1. Полученный путем электролиза алюминий, который наряду с 1,2% титана содержит обычные примеси, вносят в термостат для расплавленного металла, причем использзтотся обычные устройства. В этом термостате температура жидкого металла медленно падает примерно до 700 С. Выкристаллизовавшийся при понижении

температуры TiAlj имеет плотность 3,31 г/см и поэтому опускается в более легком жидком алюминии на дно. С помощью известных средств, как разгрузка печи, отсасывание жидкого металла или центрифугирование, можно выделить еще содержащий 0,2% титана алюминид из осадка. Когда это необходимо, алюминий можно обрабатывать

s 10

43629

элементарным бором, боралюминиевым сплавом или соединием бора, как, например, борфторид калия, причем благо- ,даря выделению титана в виде диборида титана можно снизить количество титана в вьщеленном алюминии до 0,0 мае. %. Образовавшийся при охлаждении алюминия до 700 С осадок из TiAlj содержит еще маленькие количества ме

ют путем пригодной обработки, например промьшкой.кислотой. Если желателен более богатый титаном сплав чем TiAlj j в который идет применимая для

апюминидиых катодов фаза вплоть до TiAlj, то алюминий можно удалять хло- рированием. Полученный ал« 1инид титана переводят в такое же устройство для приготовления катодов, как и указанные катодные остатки. Примерами таких устройств являются установки для отливки форм или для формообразования в порошковой металлургии, которые позволяют получать желательные

формы катодов.

Незначительные, однако неизбежные потери титана могут компен- ; сироваться добавкой двуокиси титана в электролиты, в глинозем или

в щелочные растворы глиноземных фабрик .

Пример 2. Аналогично катодам из алюминидов титана можно изготовлять катодные элементы из других алюминидов и использовать при электролизе алюминия.

Результаты испытаний представлены в таблице.

40

45

50

На фиг. 1 и 2 представлены схематически связанные с несущими пластинами алюминидные катоды, вертикальный разрез.

На фиг. 1 показанд прямоугольная катодная плата 1 из алюминида с идущей параллельно нижней стороне анода покрывающей поверхностью 2. Конструк- |щия окна 3 улучшает условия обтекания в электролитах. На нижней стороне плата имеет ласточкин хвост

5, который может вводиться в соответствующую выемку в несущей пластине 6 из изоляционного материала. Несущая пластина 6 в случае работающей электролизной ячейки всегда ос- 55 тается в области жидкого металла. Поддерживающая конструкция несущих пластин оформлена так, что платы не могут сдвигаться в сторону.

Другой вариант катодных плат 1 из алюминидов представлен на фиг. 2. Как конструкция окна 2, так и скошенная нижняя сторона должны экономить определенный для;этой цели смачиваемый материал и- оптимизировать условия обтекания в ванне. Плата 1 укреплена с помощью направленного вниз в центр отростка 3 в несущей и соответственно в опорной пластине 4.

Редактор А, Шандор

Составитель ()„ Голыжникова

Техред Н.Ботсало Корректор С. Шекмар

Заказ 3723/60Тираж 615. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий ,113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

03и, i.