БИПОЛЯРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ ЧЕРНОВОГО СВИНЦА
BIPOLAR ELECTROLYSER FOR REFINING BLACK LEAD

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к конструкциям электролизных установок для получения и рафинирования легкоплавких цветных металлов и может быть использовано для проектирования аппаратов, производящих сортовой свинец.
Известна конструкция электролизера для рафинирования металлов в расплавах (Получение свинца и висмута электролизом в хлоридных расплавах / Зарубицкий О.Г., Омельчук А.А., Будник В.Г. и др. // Цветные металлы. - 1978. - №6. - С.14-1 [1]).
Известный электролизер включает анодную кварцевую емкость, катод в виде цилиндрической емкости из нержавеющей стали, одновременно являющейся емкостью для электролита и сборником свинца. Процесс ведут в расплавленной солевой смеси хлоридов свинца, цинка и щелочного металла. В результате электролиза на аноде получают висмут, содержащий 98,01% основного металла, а на катоде - свинец чистотой 99,0%. Использование стали в качестве материала для изготовления катодной емкости приводит к накоплению ионов железа в электролите и загрязнению катодного металла. Кроме того, применение кварца в анодной емкости отрицательно влияет на прочность конструкции электролизера.
Известен электролизер (Электрохимическое рафинирование легкоплавких цветных металлов в высокотемпературных реакторах с плоскопараллельным расположением жидких электродов / Омельчук А.А., Горбач В.Н., Будник В.Г. // Украинский химический журнал. - 1989. - Т.55. - №5. - С.518-522 [2]), состоящий из размещенных друг над другом плоскопараллельно жидких металлических электродов, помещенных в корпус из термостойкого диэлектрического материала. Пространство между электродами заполнено расплавом, металлическая фаза анода отделена от расплава с помощью специальных пористых диэлектриков, проницаемых для ионов металлов, в качестве которых использованы термостойкие ткани или войлок. Под действием электрического поля ионы растворенного металла движутся через пористый диэлектрик и слой расплавленного электролита к катоду и разряжаются на нем. Диэлектрики из тканей или войлока характеризуются низкой механической прочностью. С длительным применением в них могут появится микротрещины, через которые может перетекать расплавленный металл из анода в биполярный электрод, а из биполярного электрода в катод. Катодный металл при этом загрязняется.
Известен электролизер для рафинирования легкоплавких металлов (RU 2090660, опубл. 1997 [3]).
Известный электролизер [3] включает биполярный электрод, расположенный между катодным и анодным металлами с обеспечением контакта через пористые диэлектрики, пропитанные расплавом. При этом днище катодной камеры находится в контакте с поверхностью металла биполярного электрода, а днище биполярного электрода - в контакте с поверхностью металла анода. Жидкие металлические электроды расположены по вертикали сверху вниз в последовательности: катод, биполярный электрод, анод.
Ведение процесса в электролизере известной конструкции с применением пористых диэлектриков, пропитанных расплавом, приведет к большому сопротивлению ванны. Кроме того, по причине нахождения электролита в порах диэлектрика затруднена возможность контроля состава электролита, пропитывающего диэлектрик, и получение катодного металла высокой степени чистоты. Возможное нарушение диэлектрического слоя пористых диэлектриков способно привести к короткому замыканию между электродами, необходимости прекращения электролиза, замены биполярного электрода, пористых диафрагм, пропитанных электролитом, и полного удаления загрязненного катодного металла.
Задача настоящего изобретения заключается в повышении степени чистоты получаемого свинца и надежности работы электролизера. Для решения поставленной задачи электролизер для рафинирования чернового свинца содержит беспористую электропроводящую диафрагму, расположенную между катодом и анодом, установленную с возможностью погружения ее нижнего торца в биполярный жидкометаллический электрод.
Размещение беспористой электропроводящей диафрагмы между катодом и анодом таким образом, что нижний ее торец погружен в биполярный жидкометаллический электрод, приводит к тому, что разделение анодного, биполярного и катодного металлов осуществляется размещенными последовательно друг за другом горизонтальными перегородками из монолитного бетона. Такая конструкция исключает применение механически непрочных, приводящих к загрязнению металла пористых диэлектриков, обеспечивает стабильную работу электролизера при условии отслеживания состава электролита, температуры, уровня электролитов и жидкометаллических электродов. При этом установка беспористой электропроводящей диафрагмы с возможностью погружения ее нижнего торца в биполярный электрод на величину не менее 1 см исключает перетекание или смешивание анодного и катодного электролитов как факторов возможного загрязнения катодного металла.
Новый технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в снижении факторов загрязнения катодного металла, повышении стабильности его работы за счет возможности контроля параметров процесса рафинирования. В частном случае исполнения электролизера диафрагма со стороны катода имеет электроизоляцию.
Предлагаемая конструкция электролизера изображена на чертеже в продольном разрезе. Электролизер содержит корпус 1, выполненный в виде прямоугольной емкости из жаропрочного бетона, заключенной в металлический кожух 2. Внутреннее пространство корпуса разделено беспористой электропроводящей, например графитовой, диафрагмой 3 на две части: анодную и катодную. Со стороны катодной части диафрагма имеет электроизоляцию 4. Нижняя часть электролизера разделена бетонными перегородками 5 по металлу на три части - анодную 6, биполярную 7 и катодную 8 - таким образом, что биполярный металл имеет контакт как с анодным электролитом 9, так и с катодным 10. Температурный режим электролиза обеспечивается за счет джоулева тепла, выделяющегося при прохождении постоянного электрического тока через электролит, подвод тока к аноду осуществляется графитовым токоподводом 11, к катоду - 12. Загрузка, выгрузка металла и отбор проб для химического анализа осуществляются через алундовые стаканы 13.
Подготовка электролизера к работе и его эксплуатация осуществляются следующим образом. В анодную часть загружают черновой свинец, в среднюю - свинец марки С1. С помощью графитовых вставок, установленных между анодным токоподводом, диафрагмой и катодом, расплавляют электролит в анодной и катодной части до рабочего уровня. После этого графитовые вставки удаляют из электролизера и включают постоянный ток 500-700 А.
2+
При включении тока поверхность диафрагмы, обращенная к анодному электролиту, приобретает отрицательный заряд, а поверхность биполярного жидкометаллического электрода, контактирующая с катодным электролитом, - положительный заряд. Под воздействием электрического тока на аноде происходит растворение свинца до катионов Рb, которые переходят в солевой расплав. В то же время на графитовой поверхности, заряженной отрицательно, протекает процесс восстановления ионов двухвалентного свинца до металлического, который скапывает в среднюю часть электролизера. Далее процесс повторяется, и на графитовом катоде осаждается свинец, прошедший двойную электролитическую очистку.
Опытные испытания электролизера провели в течение 20 суток в расплаве из хлоридов калия и свинца при следующих технологических параметрах:
- анодная плотность тока
от 0,4 до 0,7 А/см<sup>2</sup>;
- катодная плотность тока
от 0,7 до 1,5 А/см<sup>2</sup>;
- концентрация сурьмы в анодном сплаве
от 2 до 34 мас.%;
- токовая нагрузка
от 300 до 500 А;
- температура процесса
от 530 до 500°С.
Рафинированию был подвергнут черновой свинец, содержащий, мас.%: сурьмы от 1,0 до 1,5; висмута от 0,01 до 0,02; мышьяка от 0,05 до 0,07. Результаты приведены в таблице.
Химический состав исходных материалов и продуктов электрорафинирования
Металл
Содержание компонентов, мас.%
Sb
Sn
Сu
Bi
Zn
Fe
As
Ag
Pb
Исходный
1,39
0,0006
<0,001
0,032
<0,0003
<0,0003
0,02
0,003
Ост.
Катодный
0,0004
0,0006
0,001
<0,003
<0,0003
<0,0003
<0,0005
<0,0003
Ост.
Анодный
33,10
0,0020
0,001
0,430
<0,0003
0,0025
0,31
0,040
Ост.
Результаты испытаний показали, что коррозионного разрушения графитовых электродов и бетонного корпуса, контактирующего с расплавом и металлом, не происходит. Использование заявляемой конструкции для рафинирования чернового свинца позволяет в одну операцию стабильно получать металл, по контролируемым примесям соответствующий марке С1 по ГОСТ 3778-98 (содержание свинца не менее 99,985 мас.%).
Дополнительным преимуществом заявляемого электролизера является возможность применения высокой катодной плотности тока и соответственно увеличения производительности процесса рафинирования.
Таким образом, заявляемая конструкция электролизера позволяет повысить степень чистоты получаемого металлического свинца, обеспечивает эксплутационную стабильность процесса рафинирования, показывает возможность ведения процесса при определенных технологических параметрах и может быть использована для проектирования электролизеров многотоннажного производства.