ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ СВИНЦА В РАСПЛАВЕ СОЛЕЙ
ELECTROLYSER FOR REFINING LEAD IN SALT MELT

Изобретение относится к области цветной металлургии, к рафинированию цветных металлов и сплавов электрохимическим способом в расплавах солей.
Известны электролизеры и конструкции электролизных ванн для рафинирования металлов в расплавах:
1. Делимарский Ю.К., Зарубицкий О.Г. Электрохимическое рафинирование тяжелых металлов в ионных расплавах. - М., Металлургия, 1975, с.181, 235-236.
2. Патент СССР №389164, заявка №1673962 от 25.06.71 г. «Электролизная ванна для рафинирования металлов в расплавах».
Конструкция ванны включает емкость, футерованную огнеупорным материалом, аноды, вертикально расположенные металлические катоды с желобами для стока жидкого металла, сборник для катодного металла.
3. Патент СССР №449990, заявка №1889095 от 20.02.1973 г. «Электролизер для разделения сплавов жидких тяжелых цветных металлов».
Ванна электролизера выполнена из электропроводного материала с анодной емкостью из диэлектрика, в частности кварца, ванна снабжена вакуумным ковшом.
Общим недостатком аналогов является использование для сбора металла чащи из диэлектрика (кварц, базальт, муллит). Такую конструкцию трудно реализовать при многотоннажном производстве.
Наиболее близким к заявленному изобретению является Патент РФ №2114936, заявка №96122991/02 от 03.12.1996 «Электролизер для разделения металлов в расплаве солей». Электролизер включает круглую футерованную обогреваемую катодную ванну и помещенную в нее анодную чашу из кварца с графитовым токоподводом, изолированным кварцевой трубой, катод в виде кольцевого конусного экрана, укрепленный над анодной чашей, сборник в виде сифонного кармана с нижней сифонной щелью и сливное отверстие.
К недостаткам данной конструкции электролизера относится наличие хрупких деталей: анодная чаша из кварца, кварцевый чехол токоподвода. Использование конусного экрана в качестве катода, укрепленного над анодной чашей, приводит к уменьшению выхода конечного продукта из-за попадания катодного металла обратно в анодную чашу.
Полученный катодный металл в электролизере по прототипу оставляют в качестве оборотного металла, в результате он будет накапливаться, и периодически его нужно будет подгружать в электролизер с исходным сырьем, что уменьшит выход готовой продукции, кроме того, на его переработку будет расходоваться дополнительная электроэнергия.
Задача настоящего изобретения заключается в увеличении производительности электролизера, уменьшении энерго- и трудозатрат и повышении надежности работы электролизера.
В предлагаемом электролизере электролизная ванна прямоугольной формы выполнена из жаропрочного бетона, заключена в металлический кожух, анод размещен в углублении ванны и выполнен в виде графитовой подины со стальным токоподводом, катод выполнен в виде двух цилиндров из графита, непосредственно под катодами расположены желоба для стока катодного свинца в сборники. Роль желобов для транспорта и сборников для сбора катодного свинца выполняют углубления в бетоне под катодами. Это предотвращает контакт конструкционного металла с электролитом и загрязнение расплава примесями, в частности железом.
На фиг.1, изображен электролизер, продольный разрез, на фиг.2 - то же, поперечный разрез. Электролизная ванна выполнена в виде прямоугольной емкости из жаропрочного бетона на высокоглиноземистой связке, заключенной в металлический кожух (1). Анод выполнен в виде графитовой подины (2), ниппеля (3), прикрепленного к графитовой подине резьбовым соединением, стальной пластины (4) сечением 200×20, приваренной к ниппелю. Стальной токоподвод монтируется на стадии футеровки корпуса электролизной ванны. Катоды (5) выполнены в виде цилиндров из графита. Причем по окружности любая точка цилиндрического катода не выходит за край желоба, в который стекает выделившийся свинец. Такая конструкция катодов обеспечивает равномерное распределение плотности тока и высокий выход по свинцу. Токоподводы к катодам осуществляются с помощью ниппелей (6) и пластин (7). Сборники катодного свинца (8) выполнены в виде углублений в бетоне, в которые свинец стекает по желобам (9), находящихся непосредственно под катодами. Расстояние между цилиндрическим катодом и желобом для стока катодного свинца составляет 2-3 мм. Для теплоизоляции верхней части электролизной ванны и ее герметизации имеется съемная крышка (10).
2
+2
2
Электролизер работает следующим образом. В электролизную ванну загружается 120 кг чернового свинца (12), полученного из аккумуляторного лома, содержащего 2-3% сурьмы, 0,02-0,05% висмута, 0,01-0,02% мышьяка, серебра - менее 0,0005%, свинец - остальное; электролит PbCl-KCl (50-50 мол.%) (11). При прохождении постоянного тока происходит ионизация металлического свинца до катионов Рb, которые переходят в солевой расплав, а затем разряжаются на графитовых цилиндрических катодах (5). При этом металл стекает по поверхности катода в желоб и скапливается в сборнике катодного свинца (8). По мере уменьшения объема анодного металла электролизная ванна догружается черновым свинцом без остановки процесса электролиза. Катодная плотность тока 0,8-1,5 А/см. Напряжение на ванне 4,5 В. Расход электроэнергии 800 кВт·ч/т.
Электролизер испытали на нагрузку 500-700А в течение 17 суток в электролите из хлоридов калия и свинца в интервале температур от 500 до 600°С. Разогрев проводили за счет тепла, выделяющегося при прохождении постоянного тока через расплавленный электролит. Рафинированию подвергался черновой свинец, полученный из аккумуляторного лома. В результате рафинирования получен очищенный свинец, соответствующий марке С3С по ГОСТ 3778-98.
Химический анализ катодного свинца
Дата
Pb
Ag
Cu
Zn
Bi
As
Sn
Sb
Fe
Ni
7.07
99,76
0,0004
0,01
0,0004
0,0013
0,0341
0,0007
0,2
<0,0003
0,0012
8.07
99,87
0,0002
0,01
0,0003
0,0005
0,064
0,0014
0,046
<0,0003
0,0004
9.07
99,91
0,0003
0,01
0,0002
0,0006
0,025
0,0012
0,037
0,0008
0,0006
10.07
99,94
0,0002
0,01
0,0003
0,0005
0,011
0,0006
0,028
<0,0003
0,0003
11.07
99,95
0,0002
0,01
0,0003
0,0005
0,012
0,0016
0,015
<0,0003
0,0004
12.07
99,93
0,0002
0,01
0,0004
0,0005
0,006
0,0043
0,03
<0,0003
0,0007
13.07
99,92
0,0002
0,02
0,0003
0,0005
0,006
0,0026
0,03
<0,0003
0,0009
14.07
99,69
0,0002
0,09
0,0004
0,0005
0,005
0,0016
0,2
0,0011
0,0005
18.07
99,92
0,0001
0,09
0,0004
0,0005
0,0005
0,0007
0,032
<0,0003
0,0005
21.07
99,69
0,0003
0,09
0,0004
0,0015
0,0021
0,0016
0,2
<0,0003
0,0005
В конце испытаний не было замечено коррозионного разрушения графитовых электродов, бетонного корпуса, контактирующего с расплавом и металлом. В процессе электролиза обеспечиваются заданные технологические параметры, надежно фиксируются уровни электролита и металла. В отличие от прототипа разделение анодного и катодного металлов осуществляется перегородками из жаропрочного бетона, исключая наличие хрупких деталей: анодной чаши из кварца, кварцевого чехла токоподвода, что свидетельствует о повышении надежности работы электролизера.
Увеличение производительности достигается за счет более высокой катодной плотности тока. В нашем случае она в полтора раза превышает катодную плотность тока, предлагаемую в прототипе, следовательно, за одно и тоже время на единице площади катода выделится в расчете на массу в полтора раза больше катодного свинца. Уменьшение энерго- и трудозатрат достигается в результате получения на катоде свинца, который выводился из технологического цикла в качестве готового продукта. В прототипе катодный свинец направляется в оборот, что требует дополнительных энерго- и трудозатрат.
Предложенный электролизер может быть использован для разделения сурьмы и свинца - чернового свинца, полученного из аккумуляторного лома, и для разделения висмута и свинца висмутовых дроссов.