СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКОГО МЕТАЛЛА
METHOD OF PRODUCING METAL AND METHOD OF PRODUCING REFRACTORY METAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу получения металла электролизом расплавленной соли и, в частности, эффективному способу получения металла путем осуществления одновременно электролиза расплавленной соли в электролитической ячейке и нагрева расплавленной соли за счет выделения джоулевой теплоты от пары электродов для осуществления электролиза. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения тугоплавкого металла с использованием полученного таким образом металла.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В общем, производство металла путем использования устройства для электролиза расплавленной соли осуществляют путем электролиза для окисления и восстановления соли металла в расплавленном состоянии на поверхности пары электродов. Устройство для электролиза расплавленной соли конструктивно выполнено так, что поддерживается тепловой баланс с учетом теплоты, выделяемой от пары электродов во время процесса электролиза, и теплоизоляции электролитической ячейки. К тому же, процесс электролиза проводят, используя приемы и методы для исключения теплового нарушения, получающегося в случае подачи расплавленной соли в устройство для электролиза расплавленной соли во время электролиза. Однако может иметь место случай, когда температура расплавленной соли имеет тенденцию к понижению или повышению из-за различных факторов. В случае, когда температура расплавленной соли понижается, часть расплавленной соли затвердевает, и продолжение электролиза невозможно, и, следовательно, требуется нагревание расплавленной соли. Наоборот, в случае, когда температура расплавленной соли повышается, увеличивается повторная реакция между подвергнутым электролизу металлом и полученным газом, вызывая снижение выхода по току, и поэтому становится необходимым охлаждение электролитической ячейки.
К тому же, требуется нагревание расплавленной соли во время запуска производства металла. Здесь, термин "во время запуска производства металла" означает время сразу после загрузки расплавленной соли, приготовленной в отдельной емкости, в электролитическую ячейку. На этой стадии расплавленная соль находится в контакте с поверхностью стенки электролитической ячейки, из-за чего отводится некоторое количество имеющегося в расплавленной соли тепла, и поэтому становится необходимым нагревание расплавленной соли до рабочей температуры. В крайнем случае существует опасение, что расплавленная соль между парой электродов частично затвердевает, тем самым вызывая ситуацию, когда нормальный электролиз невозможно осуществлять.
[0003] При вышеизложенных обстоятельствах предлагались различные технологии, касающиеся регулирования температуры расплавленной соли в устройстве для электролиза расплавленной соли.
[0004] Например, как раскрыто в патентных документах 1 и 2, существует известный способ, в котором устанавливают теплообменник со встроенной газовой горелкой в электролитической ячейке устройства для электролиза расплавленной соли, и электролиз осуществляют при регулировании нагревания или охлаждения с помощью теплообменника так, что расплавленная соль поддерживается в полностью расплавленном состоянии.
[0005] Тем не менее, для того чтобы во время запуска электролитической ячейки расплавленная соль нагревалась и поддерживалась в полностью расплавленном состоянии только с помощью теплообменника со встроенной газовой горелкой до того, как она затвердевает, в электролитической ячейке необходимо устанавливать теплообменник, оснащенный довольно большим числом газовых горелок, а значит, такой режим не является экономичным.
[0006] К тому же, как раскрыто в патентном документе 3, существует также известный прием подачи газа, который подогрет в другом блоке электролитической ячейки, вовнутрь электролитической ячейки, что означает тем самым нагревание расплавленной соли.
Однако влага, образующаяся как побочный продукт сгорания газа, содержится в дымовом газе, производимом в другом блоке, и, следовательно, если этот газ вносится в электролитическую ячейку, то не только электроэнергия потребляется на электролиз воды из влаги, абсорбированной в расплавленной соли, но и электрод окисляется получающимся при электролизе воды газообразным кислородом, а значит, могут возникать нежелательные явления.
[0007] Таким образом, в способе получения металла с использованием устройства для электролиза расплавленной соли, в частности, способе эффективного нагревания расплавленной соли, процесс электролиза желателен без затруднения.
[0008] СПИСОК ПАТЕНТНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Патентный документ 1: JP-A-H04-214889
Патентный документ 2: JP-A-2005-089801
Патентный документ 3: JP-A-2012-251221
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема
[0009] Настоящее изобретение должно решить вышеописанную проблему, и его целью является обеспечение способа эффективного получения металла электролизом расплавленной соли без вызывания затруднения в электролитической ячейке.
Решение проблемы
[0010] Авторы настоящего изобретения провели обширные и интенсивные исследования относительно вышеописанной проблемы. В результате было найдено, что металл может быть эффективно произведен путем нагревания расплавленной соли, используя выделение джоулевой теплоты от пары электродов для осуществления электролиза в максимально возможной степени, без снижения эффективности электролиза расплавленной соли в электролитической ячейке, что привело к созданию настоящего изобретения.
[0011] Конкретно, как показано ниже, способ получения металла согласно настоящему изобретению относится к способу получения металла электролизом расплавленной соли с электролитической ячейкой и парой электродов, который характеризуется тем, что одновременно осуществляют электролиз расплавленной соли в электролитической ячейке и оптимальный нагрев расплавленной соли за счет выделения джоулевой теплоты от пары электродов для электролиза; и при этом устройство для электролиза расплавленной соли имеет по меньшей мере два комплекта пар электродов, и по меньшей мере один комплект из этих пар электродов разомкнут.
[0012] (1) Способ получения металла с использованием устройства для электролиза расплавленной соли, имеющего электролитическую ячейку и пару электродов, причем одновременно осуществляют электролиз расплавленной соли и нагрев расплавленной соли за счет выделения джоулевой теплоты между парой электродов для электролиза; и при этом устройство для электролиза расплавленной соли имеет по меньшей мере два комплекта пар электродов, и по меньшей мере один комплект из этих пар электродов электрически разомкнут.
[0013] (2) Способ получения металла по пункту (1), в котором электрически неразомкнутая пара электродов размещена так, что расплавленная соль равномерно нагревается за счет выделения джоулевой теплоты по соседству с электрически неразомкнутой электрической парой.
(3) Способ получения металла по пункту (1) или (2), в котором электролитическая ячейка представляет собой биполярную ячейку.
(4) Способ получения металла по любому из пунктов (1)-(3), в котором электрически разомкнутую пару электродов подсоединяют после того, как расплавленную соль в электролитической ячейке выдерживают полностью в расплавленном состоянии.
(5) Способ получения металла по любому из пунктов (1)-(4), в котором металлом является магний, алюминий или цинк.
[0014] (6) Способ получения тугоплавкого металла, который характеризуется восстановлением хлорида металла с использованием по меньшей мере одного металла, выбранного из металла по пункту (5).
(7) Способ получения тугоплавкого металла по пункту (6), в котором тугоплавким металлом является любой из титана, циркония, гафния и кремния.
[0015] Здесь, обозначенное терминами «пара электродов электрически разомкнута» понятие означает, что пара электродов не подключена к источнику питания, а более конкретно, это значит, что пара электродов не подсоединена к электрической шине, подключенной к источнику питания. Между разомкнутыми электродами электролиз расплавленной соли не осуществляется.
[0016] В способе получения металла согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы электрически неразомкнутая пара электродов была размещена так, чтобы расплавленная соль равномерно нагревалась за счет выделения джоулевой теплоты по соседству с электрически неразомкнутой парой электродов.
[0017] Конкретно, предпочтительно, чтобы на ранних стадиях работы электрически неразомкнутая пара располагалась возле поверхности стенки электролитической ячейки, в которой теплота считается недостаточной, и в центре электролитической ячейки с превосходной эффективностью нагрева.
[0018] В предпочтительном варианте воплощения, в случае, когда устройство для электролиза расплавленной соли имеет пять комплектов пар электродов, которые расположены в ряд с равномерными интервалами, и два комплекта пар электродов электрически разомкнуты, предпочтительно осуществлять электролиз при электрическом размыкании второй и четвертой пар электродов с ближней стороны (то есть, при электрическом подключении первой, третьей и пятой пар электродов). При электрическом размыкании пар электродов в таком режиме расплавленная соль может эффективно нагреваться благодаря повышению выделения джоулевой теплоты от пары электродов для осуществляющегося электролиза.
[0019] К тому же, в другом предпочтительном варианте воплощения, в случае, когда в устройстве для электролиза расплавленной соли имеются семь комплектов пар электродов, расположенных в ряд с равномерными интервалами, и три комплекта пар электродов электрически разомкнуты, предпочтительно осуществлять электролиз при электрическом размыкании второй, четвертой и шестой пар электродов с ближней стороны (то есть, при электрическом подключении первой, третьей, пятой и седьмой пар электродов).
[0020] В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящее изобретение также применимо к случаю, когда устройство для электролиза расплавленной соли имеет десять комплектов пар электродов, расположенных в ряд с равномерными интервалами, и три комплекта пар электродов электрически разомкнуты. В этом случае предпочтительно осуществлять электролиз при электрическом размыкании третьей, пятой и седьмой пар электродов с ближней стороны. К тому же, в случае, когда температура имеет тенденцию к повышению, основанному на тепловом балансе электролитической ячейки, может быть принят такой режим, что пятая пара электродов электрически присоединена к источнику питания, тогда как два комплекта третьей и седьмой пар электродов электрически разомкнуты.
[0021] В способе получения металла согласно настоящему изобретению, в случае электрического размыкания по меньшей мере одного комплекта пары электродов, с точки зрения равномерности потока расплавленной соли внутри камеры электролиза металла или теплового баланса электролитической ячейки, пара электродов электрически разомкнута в числе, предпочтительно изменяющемся в диапазоне от 10% до 50%, более предпочтительно изменяющемся в диапазоне 10-40%, а еще более предпочтительно изменяющемся в диапазоне 10-30% от общего числа пар электродов.
[0022] В настоящем изобретении с помощью электрического размыкания пары электродов в диапазоне от 10% до 70% среди пар электродов вызывается такой эффект, что нагревание расплавленной соли может осуществляться безопасно (не вызывая утечки газа и т.д.) и недорого (без затрат на дополнительное оборудование) по сравнению со случаем нагревания расплавленной соли с помощью дополнительного оборудования, такого как газовые горелки и т.д.
[0023] Кроме того, временное прекращение производства (временное прекращение электролиза) не происходит из-за реакции на сбой или работ по обслуживанию, осуществляемых по поводу установки нагревательного оборудования, поскольку дополнительное нагревательное оборудование излишне. Следовательно, вызывается такой эффект, что операция нагрева электролитической ячейки может осуществляться эффективно.
[0024] Следует отметить, что электрическое размыкание или подсоединение пары электродов осуществляется с помощью следующего устройства. То есть, устройство имеет ту особенность, что соединением или разъединением анода или катода с так называемой главной шиной питания для подачи к ним тока можно управлять дистанционно.
[0025] С принятием вышеописанной конструкции вызываются такие эффекты, что соединение между шиной источника питания и источником питания может быть проведено плавно и что электролитическую ячейку можно эксплуатировать эффективно.
[0026] Следует отметить, что пара электродов, применяемая в способе получения металла согласно настоящему изобретению, конкретно не ограничена, если только она является обычной парой электродов, пригодной для производства металла посредством электролиза. В качестве анода можно использовать, например, углеграфитовый электрод и тому подобное. К тому же, в качестве катода можно использовать, например, железный электрод.
[0027] В способе получения металла согласно настоящему изобретению электролитическая ячейка предпочтительно представляет собой биполярную ячейку.
В биполярной ячейке между парами электродов размещается биполярный электрод, а электролитическая реакция может проводиться даже на биполярном электроде. Поэтому биполярная ячейка предпочтительна с точек зрения хорошей производительности (в случае учета масштаба оборудования) и экономии электроэнергии.
Хотя биполярный электрод конкретно не ограничен, если только он является обычным биполярным электродом, который используется для биполярной ячейки, может использоваться, например, углеграфит и тому подобное.
[0028] В способе получения металла согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы электрически разомкнутую пару электродов соединяли после загрузки расплавленной соли в электролитическую ячейку.
Здесь под терминами "электрически разомкнутую пару электродов соединяли" подразумевается, что электрически разомкнутую пару электродов приводят в активное состояние, а более конкретно, это значит, что присоединенную к источнику питания шину переводят из электрически неподключенного состояния в подключенное к паре электродов состояние. Электролиз расплавленной соли осуществляется между соединенными электродами.
[0029] Хотя металл, полученный способом согласно настоящему изобретению, конкретно не ограничен, если только его возможно получать с помощью устройства для электролиза расплавленной соли, им предпочтительно является магний, алюминий или цинк.
Способ получения тугоплавкого металла согласно настоящему изобретению характеризуется восстановлением хлорида металла при использовании по меньшей мере одного металла, выбранного из вышеописанного металла.
К тому же, тугоплавкий металл в способе получения тугоплавкого металла согласно настоящему изобретению предпочтительно представляет собой титан, цирконий, гафний или кремний.
[0030] Хотя источник питания пары электродов, которая используется для способа получения металла согласно настоящему изобретению, конкретно не ограничен, предпочтительно использовать источник питания в форме, при которой общая сумма токов, текущих через пару электродов, является постоянной (источник питания постоянным, т.е. неизменным, током), так что ход выполнения электролиза не изменяется из-за присутствия или отсутствия незамкнутости других пар электродов.
[0031] Если способ получения металла согласно настоящему изобретению осуществляют во время запуска производства металла с помощью устройства для электролиза расплавленной соли, его эффект проявляется гораздо больше, а отсюда – таковой предпочтителен. Здесь термины "во время запуска производства металла" имеют тоже смысловое содержание, как описано выше.
Следует отметить, что во время запуска производства металла по меньшей мере расплавленная соль в окружающей пару электродов среде поддерживается в расплавленном состоянии. И электролиз может начинаться.
[0032] В способе получения металла согласно настоящему изобретению может быть добавочно использован в сочетании дополнительный источник тепла помимо выделения джоулевой теплоты от пары электродов.
В случае использования дополнительного источника тепла в сочетании расплавленную соль можно поддерживать полностью в расплавленном состоянии в течение более короткого времени, чем в случае неиспользования дополнительного источника тепла.
Хотя дополнительный источник тепла конкретно не ограничен, если только он не мешает способу получения металла согласно настоящему изобретению, предпочтительно использовать теплообменник. В качестве теплообменника могут использоваться, например, теплообменники погружного типа, описанные в вышеуказанных патентных документах 1 или 2.
В способе получения металла согласно настоящему изобретению, в случае использования теплообменника, предпочтительно, чтобы теплообменник устанавливали в электролитической ячейке, а расплавленную соль, которую расплавлена в отдельной емкости, загружали в электролитическую ячейку в состоянии, когда теплообменник поддерживается в нагретом состоянии.
Полезные эффекты изобретения
[0033] Способ получения металла согласно настоящему изобретению привносит тот эффект, что способ позволяет получать металл просто и эффективно одновременным осуществлением электролиза расплавленной соли в электролитической ячейке и эффективного нагрева расплавленной соли при регулировании величины выделения джоулевой теплоты от пары электродов для осуществления электролиза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0034] Фиг.1 - это схематическое изображение устройства для электролиза расплавленной соли.
Фиг.2 - это схематическое изображение, показывающее режим и способ соединения пар электродов.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
[0035] Предпочтительный вариант воплощения способа получения металла согласно настоящему изобретению объясняется с использованием схематических изображений устройства для электролиза расплавленной соли, которое можно использовать в настоящем изобретении, а также режима и способа соединения пары электродов.
[0036] Как показано на фигуре 1, устройство N для электролиза расплавленной соли окружено стенками электролитической ячейки 1 и потолочной стенкой 7, каждая из которых образована из огнеупора, а внутри устройства N для электролиза расплавленной соли установлены первая перегородка 5 и вторая перегородка 6, отделяющие друг от друга камеру L хранения металла и камеру M электролиза.
Электролитическая ванна 8, заполненная расплавленной солью, установлена в камеру L хранения металла и камеру M электролиза, и, кроме того, анод 2 и катод 3, составляющие пару электродов, погружены и расположены в электролитической ванне 8 камеры M электролиза. К тому же, между анодом 2 и катодом 3 помещены непоказанные множественные биполярные электроды.
[0037] В частности, предпочтительно осуществлять способ получения металла согласно настоящему изобретению в состоянии, когда устройство N для электролиза расплавленной соли имеет по меньшей мере два комплекта пар электродов, состоящих из анода 2 и катода 3, и по меньшей мере один комплект из этих пар электродов электрически разомкнут. Согласно этому методу температуру электролитической ванны 8 можно эффективно повышать при включении неразомкнутых анода 2 и катода 3, установленных в устройстве N для электролиза расплавленной соли для осуществления электролиза расплавленной соли.
[0038] Фиг.2 схематически изображает пару 11 электродов, состоящую из анода 2 и катода 3, установленных в устройстве N для электролиза расплавленной соли, и установленный между ними биполярный электрод 10. Фиг.2 отображает состояние, когда три или более комплекта пар электродов с расположенными в них двумя биполярными электродами соединены параллельно. Эти пары электродов присоединены к непоказанному источнику питания постоянным током (выпрямитель через главную шину).
[0039] В варианте воплощения, показанном на фиг.2, при электрическом размыкании части комплектов среди множественных комплектов пар электродов электрически разомкнутая пара электродов не включена, и приложенное напряжение постоянно, и поэтому величина запитывания присоединенной к источнику питания пары электродов может увеличиваться на величину, соответствующую этой части.
[0040] В результате, величина выделения джоулевой теплоты может быть увеличена на электрически незамкнутой паре электродов. В результате, выделение джоулевой теплоты в расплавленной соли, находящейся между парами электродов, может увеличиваться, тем самым вызывая тот эффект, что температура электролитической ванны 8 может быть эффективно повышена.
2
[0041] Таким образом, текущий через множественные пары электродов ток (I) увеличивается, и, если сопротивление, относящееся к электролитической ванне, существующей между электродами, обозначить как R, это значит, что ток, текущий через электролитическую ванну, существующую между парами электродов, увеличивается. То есть, выделение джоулевой теплоты W между электродами рассчитывается как IR и превышает уменьшение выделения джоулевой теплоты вследствие размыкания пары электродов.
2
2
[0042] Если выразить это общей формулой, то выделение джоулевой теплоты относительно комплектов пар электродов с числом n определяется как n×(I/n)R, и это может быть выражено в виде IR/n.
2
Выделение джоулевой теплоты W, то есть IR/n, выделившейся в электролитической ванне, означает, что чем меньше число пар электродов во время работы, тем больше увеличивается количество теплоты, выделившееся в электролитической ванне.
Таким образом, в случае, когда температура в электролитической ванне стремится к понижению, эффектным является уменьшать число пар электродов в рабочем состоянии, тем самым повышая количество теплоты, выделившейся электролитической ванне.
Соответственно, в случае, когда температура электролитической ванны имеет тенденцию к понижению, эффективно уменьшить число пар электродов, находящихся в рабочем состоянии, тем самым увеличивая количество тепла, выделившегося в электролитической ванне.
[0043] Наоборот, в случае, когда температура электролитической ячейки имеет тенденцию к повышению, с увеличением числа работающих электродов количество тепла, выделившегося в электролитической ванне, может быть подавлено, приводя к тому эффекту, что температура электролитической ванны может эффективно понижаться.
[0044] Хотя металл, который получают способом согласно настоящему изобретению, конкретно не ограничен, если только он может быть получен с помощью устройства для электролиза расплавленной соли, предпочтительно им является магний, алюминий или цинк.
[0045] Позволяя металлу, который получен способом согласно настоящему изобретению, реагировать с хлоридом металла в качестве восстановителя, можно получать тугоплавкий металл. Например, позволяя магнию, который получен способом согласно настоящему изобретению, реагировать с хлоридом титана, хлоридом циркония или хлоридом гафния, может быть произведен тугоплавкий металл, такой как титан, цирконий, гафний и т.д. К тому же, что касается цинка, который получен способом согласно настоящему изобретению, то используя хлорид кремния в качестве восстановителя, можно получать кремний.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
[0046] Подготовили устройство N для электролиза расплавленной соли, показанное на фиг. 1. Устройство N для электролиза расплавленной соли имеет десять комплектов пар электродов, присоединенных параллельно к источнику питания постоянным током, три биполярных электрода расположены между анодом 2 и катодом 3, составляющими каждую из пар электродов, и в электролитической ячейке установлен теплообменник.
[0047] Загружали расплавленную в отдельной емкости соль магния в электролитическую ячейку 1 устройства N для электролиза расплавленной соли, где теплообменник поддерживали в нагретом состоянии.
Затем, из десяти комплектов пар электродов семь комплектов пар электродов приводили в подключенное состояние (три комплекта пар электродов (30% пар электродов от общего числа пар электродов) были разомкнуты) и начинали электролиз. К тому же, теплообменник непрерывно поддерживали в нагретом состоянии даже во время электролиза.
[0048] На семи комплектах пар электродов постепенно получали газообразный хлор и расплавленный металлический магний сразу после подачи питания. К тому же, соль металла, затвердевшую на поверхности стенок и тому подобном, постепенно переводили в расплавленное состояние, и со временем затвердевшая соль металла исчезла, а значит, она была полностью переведена в расплавленное состояние.
После того, как путем визуального осмотра подтверждали исчезновение затвердевшей соли металла, электрически разомкнутые пары электродов подсоединяли, посредством чего электролиз расплавленной соли мог осуществляться в общей сложности десятью комплектами пар электродов.
Было измерено необходимое для достижения целевой температуры время от запуска электролизера.
К тому же, когда тетрахлорид титана восстанавливали с использованием произведенного магния для получения титана, то титан можно было получать без каких-либо проблем.
Пример 2
[0049] Электролиз расплавленной соли проводили в тех же условиях, как и в Примере 1, за исключением осуществления электролиза расплавленной соли путем использования электролитической ячейки, использующей девять комплектов пар электродов вместо десяти комплектов пар электродов и дополнительно использующей три комплекта пар электродов как электродные пары электрически разомкнутых электродов (30% общего числа пар электродов), и измеряли необходимое для достижения целевой температуры время от запуска электролизера. Следует отметить, что когда тетрахлорид титана восстанавливали с использованием произведенного магния для получения титана, то титан можно было получать без каких-либо проблем.
Сравнительный пример 1
[0050] Электролизную ячейку запускали методом, аналогичным тому, который описан в примере 1, за исключением того, что на всех этапах электролиза все пары электродов (десять комплектов) были присоединены к источнику питания без электрического размыкания части пар электродов. После начинания операции запуска электролитической ячейки температура расплавленной соли проявляла тенденцию к повышению; однако, по сравнению с Примером 1, время, необходимое от запуска электролизера до достижения целевой заданной температуры, увеличивалось дополнительно примерно на 50%.
[0051] Как описано выше, было подтверждено, что необходимое для достижения целевой заданной температуры время от запуска электролизера задерживалось по сравнению с таковым в Примере 1.
[0052] Можно считать, что в способе получения магния в Примере 1, напротив, с электрическим размыканием части пар электродов, погруженных и расположенных в расплавленной соли, выделение джоулевой теплоты между неразомкнутыми электродами может увеличиваться, а в результате в Примере 1 время повышения температуры расплавленной соли время могло быть ускорено по сравнению с таковым в Сравнительном примере 1.
К тому же, можно считать, что путем электрического размыкания части погруженных и расположенных пар электродов операция электролиза расплавленной соли могла быть ускорена со времени запуска электролизера.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0053] Настоящее изобретение может быть применено к способу производства для эффективного получения металла путем использования устройства для электролиза расплавленной соли.
[0053] ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1: Электролитическая ячейка
2: Анод
3: Катод
4: Крышка
5: Первая перегородка
6. Вторая перегородка
7. Потолочная стенка
8. Электролитическая ванна
9. Расплавленный магний
10. Биполярный электрод
11. Пара электродов
L: Камера хранения металла
M: Камера электролиза
N: Устройство для электролиза расплавленной соли