СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНОДА СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФТОРА
METHOD OF MAKING ANODE FOR MEDIUM-TEMPERATURE ELECTROLYSIS CELL FOR PRODUCING FLUORINE

Изобретение относится к способам изготовления угольных анодов, используемых в среднетемпературных электролизерах для производства фтора.
В среднетемпературных электролизерах для производства фтора используют угольные аноды. Угольные аноды изготавливают из специальных углей, например, из термоантрацита или нефтяного кокса. Угольные аноды обладают большой пористостью. В промышленности используют, преимущественно, аноды в виде пластин, анододержатель (токоподвод) ввинчивают в угольную пластину либо скрепляют с ней при помощи болтов; токоподводами служат, например, медные стержни (Галкин Н.П., Крутиков А.В. Технология фтора. - М.: Атомиздат, 1968 г., с.90-92). Угольные пластины обладают недостаточной электропроводностью, высокое контактное сопротивление на стыке медного токоподводящего стержня с угольным электродным материалом приводит к снижению токовых нагрузок, воспринимаемых анодами, что, в свою очередь, ведет к повышению напряжения между электродами в процессе электролиза.
Известен способ изготовления угольного анода, содержащего медь, применяемого в среднетемпературных электролизерах для получения фтора (CN 101319331, опубл. 10.12.2008, МПК С25В 1/24, 11/12, 1/00, 11/00), обладающего повышенной прочностью и пониженным удельным электрическим сопротивлением. Согласно способу медь вводят на стадии подготовки угольного материала, из которого будут формовать аноды: угольный материал обжигают, дробят и измельчают, затем в измельченный уголь добавляют медный порошок и расплав связующего вещества, ингредиенты смешивают и из полученной массы формуют аноды путем прокатки (вальцевания). Этот способ выбран за прототип.
Задачей изобретения является расширение арсенала способов изготовления анодов фторных электролизеров, обладающих повышенной проводимостью; разработка способа изготовления анодов из готовых, выпускаемых промышленностью, угольных пластин.
Поставленную задачу решают тем, что в способе изготовления анода среднетемпературного электролизера для производства фтора с использованием угольной электродной пластины и ввинченных в нее токоподводов, включающем операцию введения меди, в пористой угольной пластине выполняют глухие отверстия, через которые в поры пластины нагнетают суспензию, содержащую медный порошок и расплав смеси эпоксидной смолы с малеиновым ангидридом, в количестве, обеспечивающем введение в пластину медного порошка 0,29-0,38% от массы пластины, а после полимеризации эпоксидной смолы, введенной в пластину в составе суспензии, в упомянутых глухих отверстиях пластины нарезают резьбу для ввинчивания токоподводов.
Суспензию нагнетают при температуре суспензии и пластины 120÷130°С. Суспензию нагнетают под давлением не ниже 0,7 МПа.
Массовое соотношение эпоксидной смолы и малеинового ангидрида в смеси составляет (4÷5):1.
Электропроводящая композиция в виде суспензии медного порошка в смеси эпоксидной смолы и малеинового ангидрида, при нагнетании ее вглубь объема пористой углеродной пластины через отверстия для токоподводов, заполняет поры пластины. Медный порошок повышает электропроводность пластины.
Медный порошок в области пластины, прилегающей к отверстиям для токоподводов и контактирующей с токоподводом, снижает контактное сопротивление на стыке токоподвода с анодной пластиной, что также повышает электропроводность анодов.
Нарезание резьбы в угольных анодных пластинах после введения в них меди в заявляемых количествах ведет к увеличению электропроводности анода, изготовленного из такой пластины, т.к. способствует надежному электрическому контакту пластины с ввинчиваемым токоподводом (после пропитки пластина становится прочнее, тверже, поэтому качество резьбы повышается, контакт пластины и токоподвода улучшается).
При введении меди сверх заявляемого количества повышенная механическая прочность (жесткость) пластины уже затрудняет нарезание резьбы, появляющиеся при нарезании резьбы сколы и неровности ведут в ухудшению контакта «токоподвод-пластина» и, как следствие, к снижению электропроводности анода.
Способ осуществляют следующим образом.
Используют угольные пластины, выпускаемые промышленностью. Угольные пластины-заготовки для анода имеют размеры, мм: 650×285×70 (ТУ 48-12-34-95 Пластины коксовые обожженные, ОАО «Челябинский электродный завод»).
Пластины изготовлены из прессованного кокса, имеют пористость 12÷25%, размер пор, мкм: 4,8÷37, масса пластины 24 кг.
В пластине, через ее торец, выполняют (высверливают) глухие длинномерные (протяженные) отверстия (каналы) симметрично ее оси, глубиной 465 мм, предназначенные в конечном итоге для нарезания резьбы под ввинчиваемые токоподводящие стержни (токоподводы).
3
Готовят суспензию, содержащую смесь эпоксидной смолы ЭД-20, ГОСТ 1058-84, с малеиновым ангидридом квалификации «ч» и высокодисперсный медный порошок. Медный порошок изготовлен восстановлением гидразином оксида меди, полученного плазмохимическим путем. Медный порошок чистотой 99,90% имеет следующий гранулометрический состав: частицы размером 3,0 мкм и менее - 30%, от 3,0 до 20,0 мкм - 65%, 20,0 мкм и более - 5%. В опытах 1-5 к порошку меди в количестве 60, 70, 90, 100, 110 г добавляют до заданного объема (600 см) расплав смеси эпоксидной смолы с малеиновым ангидридом, массовое соотношение эпоксидной смолы и малеинового ангидрида в смеси (4÷5):1. Ингредиенты перемешивают при температуре 120÷130°С до образования однородной суспензии.
Суспензию, нагретую до 120÷130°С, нагнетают в поры пластины, нагретой до этой же температуры 120÷130°С, под давлением не ниже 0,7 МПа, через глухие отверстия, выполненные в пластинах для токоподводов, следующим образом.
Пластину устанавливают вертикально, при этом глухие отверстия, выполненные в пластинах для токоподводов, также расположены вертикально. Суспензию подают из напорной емкости по трубкам, заканчивающимся штуцерами, герметично закрепленными в отверстиях пластины и уплотненными. Суспензия поступает в отверстия снизу. Давление нагнетания поддерживают газообразным азотом, подаваемым внутрь емкости в пространство над слоем суспензии. Из глухих отверстий суспензия поступает в поры пластины.
Нагнетание суспензии в заданном объеме проводят в течение 3÷5 мин, на поверхности пластины появляются влажные пятна эпоксидной смолы, продиффундировавшей к поверхности через сквозные поры пластины. По окончании пропитки анодные пластины выдерживают при температуре 130-150°С в течение времени, необходимого для отверждения (полимеризации) эпоксидной смолы, около суток. В опытах 1-5 пластины содержат меди соответственно 0,25; 0,29; 0,38; 0,42; 0,46% от массы пластины. Затем, после отверждения эпоксидной смолы, в отверстиях нарезают резьбу и ввинчивают в них медные токоподводящие стержни.
В опыте 6 пластину пропитывали таким же образом, как и в примерах 1-5, только в расплав смеси эпоксидной смолы и малеинового ангидрида не добавляли медный порошок.
При нарезании резьбы регистрировали мощность, потребляемую устройством для нарезания резьбы, по величине которой можно судить о механической прочности пластин.
Аноды, изготовленные из пластин, пропитанных суспензией, с закрепленными в них медными токоподводами испытывали на проводимость электрического тока. Измеряли электрический ток, проходящий через аноды при одном и том же подаваемом напряжении (измеряли воспринимаемую токовую нагрузку, т.е. предельную величину пропускаемого от токоподвода к поверхности пластины электрического тока при непосредственном подключении анодов к источнику питания). В зависимости от количества введенной меди был зафиксирован ток разной величины.
Результаты опытов представлены в таблице.
Таблица
№
Содержание меди в пластине, %
Электрический ток, А
Мощность, потребляемая при нарезании резьбы, кВт
1
0,25
820
0,73
2
0,29
950
0,75
3
0,38
900
0,79
4
0,42
850
0,88
5*
0,46
760
1,16
6
0
800
0,70
* - зафиксированы сколы и трещины при нарезании резьбы.
При заявляемых параметрах (опыты 2, 3) ток составляет 900-950 А, в то время как при меньшем или большем количестве введенной меди, а также при отсутствии меди, зафиксирован ток меньшей величины, от 760 до 850 А (опыты 1, 4, 5, 6). В опытах 4 и 5, особенно в опыте 5, излишнее количество введенной меди увеличило прочность пластин настолько, что привело к затруднениям при нарезке резьбы и ухудшению ее качества, что уменьшило электропроводность анодов.
Способ повышает электропроводность анодов, способствует уменьшению напряжения электролиза.