ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ

Заявляемая полезная модель относится к металлургии и касается конструкции аппарата для электролитического получения из солевых расплавов высокочистых порошков тугоплавких материалов.
Для получения высокочистых порошков тугоплавких металлов электролизом из расплавленных солей используют аппараты с твердым металлическим катодом.
Известна конструкция электролизера [А.С.Зеликман, «Металлургия редких металлов», М., Металлургия, 1980, стр.164], состоящая из герметизированной сварной ванны, четырех графитовых электродов: двух анодов и двух электродов переменного тока для разогрева и расплавления электролита и из металлического катода. Периодически катод с осажденным на нем электролитическим металлом в виде катодного осадка извлекают через шлюз в охладительную камеру, которую отсоединяют, а к шлюзу присоединяют камеру с новым катодом, который опускают в электролит. Для защиты от коррозии соприкасающихся с расплавленным электролитом стенок и дна ванны они выполнены водоохлаждаемыми, за счет чего на их внутренних поверхностях образуется гарнисаж из застывшего электролита, который защищает металл стенок и дна ванны от разрушения. Наличие разъемного вакуумного шлюза, позволяющего удалять катодный осадок сменой катодов и без нарушения вакуума, обеспечивает в некоторой степени непрерывность работы электролизера.
Однако вывод из электролита катода с катодным осадком вручную ведет к остановке электролизера, что обуславливает резкое снижение производительности аппарата, а также сопровождается увеличением трудозатрат в связи с наличием
ручных операций. Кроме того, наличие вакуума предполагает возможный подсос наружного воздуха и соответственно загрязнения получаемого порошка металла газовыми составляющими воздуха - азотом и кислородом.
За прототип выбрана конструкция герметичного электролизера непрерывного действия для получения циркония, включающего ванну, катоды, аноды, приемник катодного осадка, камеру для среза катодного продукта, нож, бункер для загрузки солей [«Металлургия циркония и гафния», М., Металлургия, стр.169, 1979 г.]. В этом электролизере использован принцип гарнисажной защиты стенок ванны от воздействия агрессивного электролита. Два катода криволинейной формы, расположенные между графитовыми анодами на вращающемся валу, обеспечивают непрерывность, работы. После образования достаточного количества катодного осадка катод на валу поворачивают в короб, где горячий осадок срезают ножом и подают через шлюз в приемник.
Недостатком данной конструкции электролизера является отсутствие охлаждения вращающегося вала и катодов, что не позволяет работать длительное время из-за разрушения катода агрессивной средой электролита, а также приводит к загрязнению полученного металла продуктами коррозии материала стенок электролизера. Все это приводит к сокращению времени непрерывной работы электролизера, ухудшению качества получаемого металла и низкому извлечению металла в процессе электролиза.
Заявляемой полезной моделью решается задача повышения эффективности работы электролизера при получении порошков тугоплавких материалов.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание высокопроизводительной конструкции электролизера, обеспечивающей осуществление процесса электролиза с высоким извлечением и высоким качеством получаемого
целевого продукта, упрощение обслуживания электролизера, исключение коррозии материалов конструкций электролизера, исключение взаимодействия получаемого целевого продукта с газовыми составляющими выделяющегося анодного газа, а также кислородом и азотом воздуха, непрерывность процесса электролиза в течение всего цикла работы электролизера.
Технический результат достигается тем, что электролизер для получения порошков тугоплавких материалов включает герметичный корпус с ванной для расплавленного электролита и рубашками охлаждения, катод, аноды, лотки с ножами для среза и сброса катодного осадка и приемники для катодного осадка, причем в корпусе горизонтально установлен, с возможностью вращательного движения, вал с закрепленными на нем катодами, сверху в ванну введены графитовые аноды, лотки с ножами установлены с возможностью перемещения и расположены над катодами, между стенкой ванны для расплавленного электролита и рубашками охлаждения герметичного корпуса размещены ребра для отвода тепла, а между приемниками для катодного осадка и ванной для расплавленного электролита размещены поворотные клапаны.
Передача тепла от охлаждаемых стенок и дна нижней части корпуса, в которой находится расплавленный электролит, осуществляется напрямую: стенка ванны - хладагент или стенка ванны - ребра - стенка рубашки охлаждения - хладагент.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующими чертежами.
На Фиг.1 представлен электролизер, содержащий герметичный корпус 1 с рубашками охлаждения, аноды 2 с охлаждаемыми анододержателями (на фиг. не показаны), вращающийся вал 3 с закрепленными на нем катодами 4, приемники 5
для катодного осадка, лотки с ножами 6, ванна электролизера 7, гарнисаж 8, бункер для загрузки солей 9, редуктор 10.
На Фиг.2 изображена угловая зона А нижней части электролизера, где 11 - ребра, через которые происходит теплопередача от стенки ванны; 12 - рубашки охлаждения герметичного корпуса.
На Фиг.3 изображен узел, отделяющий срезанный катодный осадок от ванны электролизера, состоящий из приемников 5 для катодного осадка, поворотных клапанов 13, рубашек охлаждения 14 приемников для катодного осадка.
Электролизер работает следующим образом.
В рубашки охлаждения 12 герметичного корпуса 1 электролизера, во вращающийся вал 3 и в закрепленные на нем катоды 4 подают хладагент. Затем из бункера 9 в ванну электролизера 7 загружают соли. Расплавление солей осуществляют за счет тепла, выделяющегося при пропускании переменного тока через графитовые перемычки (на фиг. не показаны), установленные между анодами 2. После расплавления электролита в него опускают катоды 4 поворотом вращающегося вала 3 посредством редуктора 10, включают постоянный ток и перемычки выбивают. После наращивания на катодах в течение 2-4 часов катодного осадка проводят его срез. Для этого отключают постоянный и переменный токи, опускают лотки с ножами 6, приводят во вращение вал 3, при повороте которого катоды 4 проходят через ножи в лотках. Катодный осадок при этом срезают и сбрасывают на лотки с ножами. Затем лотки с ножами перемещают и катодный осадок сбрасывают с них в приемники 5 для катодного осадка. Одновременно вал с катодами поворачивают и устанавливают в положение для ведения процесса электролиза. Приемники для катодного осадка перекрывают поворотными клапанами 13, заполняют аргоном и в рубашки охлаждения 14 приемника для катодного осадка
подают хладагент. Затем лотки с ножами устанавливают вертикально. Через ребра 7 происходит теплопередача от стенок ванны к рубашкам охлаждения корпуса электролизера и на стенках ванны образуется гарнисаж 8, защищающий ее от воздействия расплава солей. Вся операция среза катодного осадка длится не более 2-3 минут.
Пример
Примером может служить работа электролизера при получении циркония электролизом его из фторидно-хлоридных солей.
2
2
В подготовленный к пуску электролизер загружают хлорид калия и гексафторцирконат калия. Соли расплавляют в ванне пропусканием переменного тока через графитовые перемычки, установленные между анодами, катоды опускают в расплав солей и включают постоянный ток. Одновременно в рубашки охлаждения корпуса электролизера, в вал и в катоды подают хладагент. За счет этого в нижней части электролизера - ванне образуется гарнисаж, защищающий стенки и дно ванны от воздействия на них электролита. Гарнисаж также защищает материал внутри корпуса электролизера и вал с катодами от воздействия агрессивных анодных газов. Поворотом вала опускают катоды в расплав солей и включают постоянный ток. Электролиз ведут при анодной плотности тока 0,1-0,2 а/см и катодной плотности тока - 3-4 а/см пропусканием 10-11 кА постоянного тока. Температура процесса 740-760°С, время наращивания катодного осадка 3 часа. После этого проводят срез образовавшегося катодного осадка. Для этого отключают постоянный ток, опускают лотки, открывают поворотный клапан над приемниками и поворотным механизмом приводят во вращение вал с катодами. При прохождении катодов между ножами лотков происходит срез катодного осадка с катодов, он попадает на лотки, лотки поднимают, и катодный осадок сбрасывают в приемники.
Клапаны закрывают и перекрывают доступ анодных газов в приемники. Приемники вакуумируют и из них отсасывают анодные газы, попавшие при срезе катодного осадка, затем в приемники подают аргон. Одновременно вал с катодами устанавливают в первоначальное положение, подают постоянный ток и процесс электролиза повторяют. Вся операция среза катодного осадка длится 2-3 минуты.
Заявляемая конструкция электролизера с охлаждаемым корпусом, анододержателями и приемниками катодного осадка обеспечивает качество получаемого целевого продукта за счет устранения условий образования коррозии внутренней поверхности ванны, вала и шеек катодов, что исключает загрязнение электролита продуктами коррозии. Ребра охлаждения гарантируют технику безопасности проведения процесса электролиза за счет исключения попадания влаги в электролит в случае прогорания нижней части корпуса или дна электролизера. Данная конструкция также способствует длительной непрерывной работе электролизера, не менее 55 суток. Наличие узла разделения охлаждаемых приемников для катодного осадка от внутренней части электролизера - клапанов в виде восьмерки, обеспечивает качество получаемого катодного продукта за счет исключения взаимодействия агрессивного анодного газа с полученным металлом, а также за счет быстрого охлаждения солевой фазы катодного осадка и защиты застывшим электролитом порошка металла от анодных газов.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет увеличить непрерывность работы электролизера до 55 суток против 3-4 суток в прототипе, а также получить более чистый порошок металла на катоде путем исключения коррозии материала корпуса ванны, а также повысить на 4-7% производительность
электролизера за счет исключения взаимодействия анодных газов с полученным порошком металла в приемниках.