Способ извлечения лития из отходов алюминиево-литиевых сплавов Советский патент 1992 года по МПК C22B7/00 C25C3/02 

Изобретение относится к способам переработки отходов алюминиево-литиевых сплавов.

Учитывая бурный рост производства этой категории сплавов при низком выходе годной продукции, а также тот факт, что до 80% металла уходит в стружку при механической обработке слитков этих сплавов, проблема переработки отходов алюминиево-литиевых сплавов остро стоит перед предприятиями, занятыми их выпуском. Задачей переработки является извлечение из сплавов ценного компонента лития в пригодном для дальнейшего использования виде.

В опубликованной литературе имеется техническое решение, аналогичное заявляемому по максимуму сходных признаков, которое и послужило прототипом. В известном способе - прототипе для извлечения лития из алюминиево-литиевых сплавов предложено проводить их плавку под флюсом KCl(NaCI)-AICI, при перемешивании расплава аргоном В результате взаимодействия флюса с металлом получают шлак, состоящий из хлоридов лития, магния и калия и металлический алюминий. Из шлака хлорид лития выщелачивают спиртом в присутствии гидроксидов щелочных металлов или карбоната лития для предотвращения растворения хлоридов магния и алюминия. Электролизом расплава хлорида лития получают металлический литий.

К недостаткам данного способа следует отнести высокую гигроскопичность применяемого хлорида алюминия, что требует специальных мер при хранении и работе с ним, а также применение методов экстрактивной гидрометаллургии. Эти моменты приводят к определенным техническим трудностям и усложняют технологический процесс выделения лития из сплава.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение технологического процесса переработки алюминиево-литиевых сплавов с получением металлического лития.

(Л

С

ч|

о ь.

-

оо

Для решения поставленной задачи предлагается использова ть металлический свинец, который обладает по отношению к алюминиево-литиевым сплавам рядом специфических свойств: 1) при контакте с ли- тийсодержащими алюминиевыми сплавами свинец выступает как экстрагент лития из лития сплавов, что объясняется его более высоким химическим сродством к литию; 2) система Al-Pb характеризуется широкой областью расслоений и очень низкой растворимостью свинца в алюминии, что позволяет легко разделять металлические фазы; 3) свинец имеет низкую температуру плав- дёния (по сравнению с алюминием), что позволяет использовать его сплав с литием в качестве растворимого анода при низкотемпературном (300-400°С) электролитическом получении лития из расплавов солей методом трехслойного рафинирования.

На основе перечисленных свойств разработан способ переработки отходов алю- миниево-литиевых сплавов с применением металлического свинца. Способ основывается на переводе лития из сплава с алюми- нием в сплав со свинцом при их контактировании в жидком виде, разделении металлических фаз свинца и алюминия и дальнейшем электрорафинировании полученного свинцово-литиевого сплава по трехслойному методу, с получением на катоде металлического лития.

Переход лития в сплав со свинцом протекает самопроизвольно при контэктирова- нии жидкого свинца с жидким алюминиево-литиевым сплавом с перемешиванием или без него, от чего зависит только скорость достижения системой состояния равновесия. Экспериментально установлено, что при соотношении массы свинца к массе алюминиево-литиевого сплава более чем 3:1 достигается практически полное извлечение лития из сплавов, типа 1420 и 1450. до остаточных концентраций менее 0,05 мас.%, что позволяет беспрепятственноутилизироватьпереработанный алюминий, потому что снимаются ограничения, связанные с примесью лития.

Разделение металлических фаз достигается легко в силу того, что они хорошо расслаиваются и имеют большое различие е плотности. После выливки расплава в изложницу алюминий, находящийся на поверхности и обладающий большой теплопроводностью, затвердевает раньше и в твердом виде легко отделяется от жидкой свинцовой фазы.

Для выделения лития из получаемого свинцово-литиевого сплава применили метод трехслойного электрорафинирования в расплавах солей, селективно растворяя литий из сплава и осаждая его на катоде. В качестве солевого расплава хорошо подходит смесь LICI-KC (1:1), имеющая температуру плавления 361°С,- Этот солевой расплав широко применяется для получения металлического лития электролизом в промышленном производстве. Температура

0 электрорафинирования свинцово-литиевого сплава составляет 380-400°С. Такой тем- пературный интервал обеспечивает вязкость электролита за счет небольшого перегрева относительно точки плавления,, и

5 вместе с тем, не допускает сильного разогрева, приводящего к повышенной испаряемости солевого расплава и снижению катодного выхода по току. Свинцово-литие- вый сплав при такой температуре находится

0 в жидком состоянии, что важно для обеспечения высокой интенсивности анодного растворения лития из сплава. Приведенный температурный интервал можно считать оптимальным.

5 Схема переработки алюминиево-литие- вых сплавов с применением оборотного свинца приведена на чертеже. Продуктами переработки являются металлический литий и вторичный алюминий.

0 Описанный способ достигает цели изобретения - упрощения по сравнению с прототипом технологического процесса выделения лития из сплавов за счет сокращения числа операций. Общими операция5 ми остаются: контактирование фаз; разделение фаз; получение лития электролизом. Исключаются методы экстрактивной гидрометаллургии и мероприятия, связанные с хранением очень гигроскопичного

0 хлорида алюминия и работой с ним.

В силу того, что в основу предлагаемого способа переработки отходов алюминиево- литиевых сплавов, с получением в качестве продукта металлического лития, положен

5 качественно новый принцип - использование тяжелого металла (свинца) в качестве экстрагента лития из алюминиевого сплава и основы анодного сплава при дальнейшем электрорафинировании - считаем, что пред0 лагаемое изобретение соответствует критериям новизна и существенные отличия. В настоящее время на отечественных предприятиях отходы алюминиево-литие- вых сплавов не подвергаются какой-либо

5 переработке с целью извлечения из них ценного компонента лития, поэтому применение предлагаемого способа для утилизации отходов может дать значительный экономический эффект по сравнению с переработкой этих отходов на предприятиях

еторцветмета по существующим на настоящий момент технологиям.

Пример выполнения способа, В лабораторных опытах использовали чистый металлический свинец (ЧДА) и сплав марки 1450, содержащий 1,95 мас.% лития.

Контактирование проводили в керамическом тигле (алунд или силицированный графит) при 700°С под небольшим слоем жидкого флюса (хлорид лития), предохраняющим металл от окисления атмосферой воздуха. Сначала расплавляли навеску алюминиево-литиевого сплава, а затем порциями добавляли металлический свинец. Расплав выдерживали при заданной температуре в течение 10 мин при периодическом перемешивании керамической палочкой и затем выливали в изложницу (алундовый конусообразный тигель). После выливки до начала кристаллизации происходит очень быстрое расслоение фаз - на дне находится слой жидкого свинцово-лмтиевого сплава, затем слой жидкого алюминия и сверху небольшой слой жидкого флюса. Алюминиевый расплав кристаллизуется значительно быстрее свинцового, что и позволяет сравнительно просто (без применения вакуум- насосов и пр.) рэздолить металлические фазы. Для этого в алюминиевый жидкий слой погружали небольшую скобу из медной проволоки, ждали ее закристаллизовывэ- ния вместе с алюминием и после этого легко вынимали алюминиевый слиток из конусообразной изложницы. При этом жидкий свинцово-литиевый сплав оставался в изложнице и направлялся на электрорафинирование. Алюминиевый слиток отмывали от корки флюса и анализировали на содержание лития методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

Электрорафинирование проводили в лабораторном электролизере с внешним обогревом. Основой электролизера является стальной стакан (железо хорошо совместимо со свинцом и литием), на дно которого помещается свинцово-литиевый сплав, затем слой электролита LiCI-KCI (1:1) и вэлектролит сверху погружается стальной катод (метод трехслойного электрорафинирования). Контроль за температурой осуществляли при помтэщи хромель-алюмелевой термопары в кварцевом чехле. После наплавления электролита LiCI-KCI (44 мзс.% LiC, 56 мас.% KCI) загружали свинцово-литиевый сплав, который подлежал рафинированию, погружали в электролит катод и включали постоянный ток. Количество пропускаемого электричества рассчитывали на полное селективное извлечение лития из сплава и не превышали теоретически необходимого количества, чтобы не допустить ионизации свинца в конце электролиза.

Ионы лития, разряжаясь на катоде, образуют металлическую каплю, всплывающую на поверхность электролита. Катодный литий вычерпывали из электролизера железной ложкой, взвешивали и определяли катодный выход по току.

В таблице приведены результаты опыта по переработке сплава марки 1450 с применением металлического свинца, включая стадии контактирования и электролиза.

Формула изобретения Способ извлечения лития из отходов алюминиево-литиевых сплавов, включаю: щий перевод лития в несмешивающуюся с

алюминием фазу, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии, перевод лития осуществляют путем экстрак пч металлическим свинцом, разделяют фазы охлаждением, а свинцово-литиевый сплав

подвергают анодному растворению в расплаве солей - LiCI-KCI, взятых е соотношении 1:1, при 380-400°С с выделением на катоде металлического лития.

Параметр

Значение

Использование: в области металлургии алюминиево-литиевых сплавов, при производстве перспективных материалов для авиа- и ракетостроения. Сущность: контактируют жидкий алюминиево-литиевый сплав с жидким свинцом, разделяют фазы охлаждением с получением свинцово-лити- евого сплава, который подвергают анодному растворению в расплаве солей LiCI-KCI, взятых в соотношении 1:1 при 380-400°С с выделением на катоде металлического лития, 1 ил.. 1 табл.

Контактирование

Масса сплава 1 5081,7 т

Касса свинца ,,0 г

Отношение масс3 1

Температура контактирования,

Масса флюсаЮ г

Начальная концентрация лития1,95 мас.

Остаточная концентрация лития0,03 мас.

Извлечение лития из сплава ИЗО981

Электролиз

Масса свинцово-литиевого сплава2(2,0 г

Масса электролита LiCl-KCl (isО1 15 г

Температура электролиза1)

Сила токаЮ А

Время электролиза3 мин

Анодная плотность тока0,5 А-см

Извлечение лития из сплава92,3%

Анодный выход по току98t7$

Катодная плотность тока2-0,2 А-с

Катодный выход по току87,3%

оборотный свинец

Способ Извлечения лития

металлический

литий

вторичнии алюминий