СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ОКСИДНО-ФТОРИДНЫХ РАСПЛАВОВ В БИПОЛЯРНОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF MAGNESIUM AND DIOXIDE OF CARBON OF OXIDE-FLUORIDE MELTS IN BI-POLAR ELECTROLYSER

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству магния и диоксида углерода электролизом из оксидно-фторидных расплавов в биполярном электролизере. Способ может быть использован для получения магния и других металлов, оксиды которых растворяются во фторидных расплавах.
Известен способ получения магния и хлора электролизом из хлоридных расплавов (Стрелец Х.Л. Электролитическое получение магния. - М.: Металлургия, 1972. - 336 с.). Электролиз проводится в электролизерах различных конструкций. Основные недостатки такого способа:
1) Малая степень использования рабочего объема электролизера, что является причиной низкой удельной производительности и большого расхода электроэнергии.
2) Низкий выход по току из-за контакта всплывающего магния с хлором.
3) Образование шлама и высокие трудозатраты при его удалении. Шлам загрязняет магний, что вызывает пассивацию катодов и в итоге снижает выход по току.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и назначению является способ получения магния и диоксида углерода из оксидно-фторидных расплавов, включающий электролиз при непрерывном питании электролита оксидом магния и фтористыми солями с отводом диоксида углерода через систему удаления газов.
(«Цветные металлы», Металлургия, «Исследование процесса получения магния электролизом фторидно-оксидного расплава», №1, 2009, с.50-54).
Изобретение предусматривает электролиз из расплавленных фторидно-оксидных расплавов с выделением на катоде магния, а на аноде диоксида углерода в основном.
Недостатками такого способа являются:
1) Применение традиционного электролизера не может обеспечить его высокую производительность в расчете на единицу площади пода.
2) Изменение междуполюсного расстояния в результате сгорания анода вызывает увеличение падения напряжения в рабочей ячейке и в итоге ведет к повышению расхода электроэнергии.
3) Использование традиционного электролизера требует больших расходов на его ошиновку.
Задачей изобретения являются повышение выхода по току, уменьшение расхода электроэнергии, а также снижение капитальных затрат и расходов на ошиновку и обслуживание электролизеров.
Технический результат заключается в увеличении производительности и уменьшении удельного расхода электроэнергии за счет уменьшения размеров электролизера, повышении выхода по току в результате уменьшения взаимодействия газа с катодным металлом, а также снижение капитальных затрат и расходов на ошиновку и на отвод и утилизацию большого количества газов.
Достигается это тем, что в способе получения магния и диоксида углерода из оксидно-фторидных расплавов, включающем электролиз при непрерывном питании электролита оксидом магния и фтористыми солями с отводом диоксида углерода через систему удаления газов, согласно изобретению, электролиз проводят в биполярном электролизере с помощью подвешенных в электролите биполярных электродов с возможностью их смещения к стационарному катоду при расходовании анодных частей биполярных электродов при сохранении постоянных междуполюсных расстояний и непрерывном питании электролита оксидом магния и фтористыми солями подачей их сжатым воздухом для равномерного распределения по поверхности электролита с выделением на катодной стороне биполярного электрода жидкого магния и выводом в сборную ячейку биполярного электролизера.
Сущность способа заключается в следующем.
Электролиз осуществляется из оксидно-фторидных расплавов в биполярном электролизере с возможностью смещения биполярных электродов к стационарному катоду при расходовании их анодных частей при условии сохранения постоянными междуполюсных расстояний.
Поддерживаемая температура расплава лежит в пределах 660-750°С. Температура на внутренней поверхности футеровки электролизера выше температуры ликвидуса электролита на 10-50°С.
Отвод тепла от биполярного электролизера осуществляется кессонами с высокотемпературным теплоносителем, например, минеральным маслом (Чечеткин А.В. «Высокотемпературные теплоносители», М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, 424 с.). Кессоны закреплены на продольных стенках кожуха электролизера.
Способ иллюстрирован схематичным изображением биполярного электролизера. На фиг.1 изображен биполярный электролизер (вид сбоку); на фиг.2 показан биполярный электролизер (вид сверху).
Электролиз проводится в биполярном электролизере, включающем футерованную ванну 1 в металлическом кожухе 2, оборудованном кессонами 3 с высокотемпературным теплоносителем. Рабочее пространство электролизера разделено перегородкой 4 на два или несколько электролитических отделения с биполярными электродами 5, стационарными катодами 6, подвижными расходуемыми анодами 7 и сборной ячейкой 8 с отверстиями 9, в которой накапливается магний. Ток к электродам подводится по токоподводам 10.
Снизу электролизер имеет наклонную подину 11, а сверху укрывается секционным сводом 12, который при технической необходимости может полностью или частично сниматься. В своде предусмотрена система удаления газов 13 и система подачи оксида магния и фтористых солей 14.
Биполярные электроды 5 имеют катодную сторону 15 и анодную сторону 16 и составляют ряд электродов 17. Биполярные электроды 5 на анодной стороне 16 имеют пазы 18, расширяющиеся к верхней части электрода для направленного потока газ - электролит. Расстояния между электродами 5, 6, 7 ограничиваются фиксаторами 19.
Пуск начинается с того, что его внутреннее пространство нагревается электрическими нагревателями или газопламенным методом до температуры, приблизительно на 10-50° выше температуры ликвидуса электролита.
Нагрев выше температуры ликвидуса важен, так как наличие перемещающихся электродов не допускает твердых образований (настылей, коржей, гарнисажей и др.), способных осложнить технологический процесс.
После нагрева в ванну заливается предварительно наплавленный электролит в количестве, достаточном для того, чтобы покрыть электроды 5,6,7 слоем электролита.
Сразу после заливки в электролит погружаются и устанавливаются на балки с помощью стержней 20 предварительно прогретые электроды: биполярные электроды 5 и подвижные аноды 7. Затем устанавливается свод 12, включается ток и кессоны 3 для отвода тепла.
При пропускании электрического тока через токоподводы 10, на катодной стороне 15 биполярных электродов 5 выделяется жидкий магний, который с потоком электролита выносится в сборную ячейку 8 через отверстия 9 в перегородке 4. На расходуемой анодной стороне 16 выделяется кислород, в котором сгорает углерод, и образующийся газ, диоксид углерода в основном, поднимается в подсводовое пространство и выводится через систему удаления газов 13.
Катод 6 выполнен из материала, стойкого к воздействию электролита и магния, и установлен в электролизере стационарно. Биполярные электроды 5, анод 7 и стержни 20 образуют жесткую систему, которая передвигается по наклонной балке 21 синхронно с уменьшением толщины анодов 5, 7.
В процессе работы электроды 5, 7 расходуются и становятся тоньше, но расстояние между ними поддерживается постоянным фиксаторами 19 заданной длины.
Биполярный электрод 5 считается израсходованным, когда его толщина становится минимальной (30-50 мм). Для его замены свод 12 или его часть снимается и тонкий электрод извлекается из электролизера, после чего в рабочее пространство электролизера помещается новый прогретый биполярный электрод.
Пример.
Для осуществления предлагаемого способа выполняется следующая последовательность действий:
1) В электролизер помещаются электрические или газопламенные нагреватели, обеспечивающие разогрев шахты электролизера до температуры, превышающей температуру ликвидуса электролита на 10-50 градусов.
2) В шахту заливается предварительно наплавленный электролит.
3) В электролит помещаются нагретые до 100-200°С стационарные электроды.
4) Предварительно подогретые биполярные электроды погружаются в
электролит и подвешиваются на наклонную балку.
5) На электролизер устанавливается свод.
6) Стационарные электроды подсоединяются к источнику постоянного тока.
7) Включаются кессоны для отвода тепла от стенок электролизера.
8) Во время электролиза осуществляется непрерывная загрузка оксида магния и фторсолей и осуществляется отвод анодных газов.
к
2
2
Биполярный электролизер шириной 2 м и длиной 5 м и высотой электродов 1 м при средней толщине биполярного электрода 15 см и плотности тока i=0,4А/см при токе на рабочей ячейке 8 кА будет иметь такую же производительность на 1 м пода, как обычный электролизер на силу тока 220 кА.
Заявляемый способ позволяет повысить выход по току, за счет уменьшения взаимодействия между диоксидом углерода и магнием, в результате электролиза с помощью подвешенных в электролите подвижных биполярных электродов с возможностью смещения их к стационарному катоду при расходовании анодных частей биполярных электродов при условии сохранения постоянными междуполюсных расстояний, при этом доля байпасных токов на электролизере составляет 1-1,3%.
Электролиз при постоянных междуполюсных расстояниях способствует уменьшению падения напряжения на отдельной паре анод-катод и, следовательно, снижает расход электроэнергии.
2
Непрерывная загрузка оксида магния становится возможной, так как электролит не замерзает на границе с атмосферой. В этом случае порции оксида магния на 1 м поверхности подины малы, что способствует лучшему растворению его во фторидных расплавах.
При использовании оксидно-фторидных расплавов в электролизере отсутствуют шламы, требующие больших трудозатрат при их удалении.
Отвод тепла от продольных стенок кожуха электролизера осуществляется с помощью кессонов 3 с непрерывно циркулирующим высокотемпературным теплоносителем.
Отвод тепла от кожуха электролизера необходим вследствие того, что большая работа диссипации (джоулево тепло) выделяется в малом объеме, и без интенсивного теплоотвода электролизер работает при повышенной температуре.
Отвод высокопотенциального тепла теплоносителями делает возможным эффективное использование его для других целей, в том числе для получения электроэнергии или нагрева воды.
Применение съемного секционного герметичного свода вместо укрытия электролита секционными крышками, отсутствие подсосов и малый объем отсасываемых газов делает электролизер экологически и экономически целесообразным.