Сменный смачиваемый твердотельный катод для получения алюминия электролизом

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.(5D 4 С 25 С 3/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н rlATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3482204/22-02 . (86) РСТ/СН 81/00127 (16.11.81) (22) 26.07.82 . (31) 8737/80 (32) 26. 11. 80 (33) СН (46) 07.07.86. Бюл. N - 25 (71) Швайцерише Алюминиум АГ (СН) (72) Тибор Куглер (СН) (53) 669,.713.7(088.8) (56) Заявка ФРГ N- 2838965, кл. С 25 С 3/08, опублик. 17.01.80. (54) (57) 1. СМЕННЫЙ СМАЧИВАЕМЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КАТОД ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ, включающий отдельные сменные одинаковые по горизонтали элементы, состоящие из соединенных креплениями подэлементов, при этом крепления выполнены из устойчивого к расплавленному алюминию изоляционного материала, подэлементы выполнены в виде вертикально располо„„SU „„124362 А 5 женных плат или стержней, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения экономичности, подэлементы выполнены из алюминида металла, выбранного из группы, содержащей титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам.

2. Катод по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что он выполнен из титанового сплава на основе -фазы.

3. Катод по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что отдельные элементы, расположенные в верхней части, выполнены из алюминидов, а расположенные в нижней части, находящиеся в жидком алюминии, выполнены из устойчивого к последнему изоляционного материала.

4. Катод по пп ° 1 — 3, о т л и— ч а ю шийся тем, что он выпол нен из алюминидных шариков.и/или гранул.

1 124

Изобретение относится к конструкциям сменного смачиваемого твердотельного катода для алюминиевого электролизера.

Целью изобретения является повьппение экономичности службы катода.

Цель достигается тем, что катод состоит из алюминида по меньшей мере одного металла из группы, образованной титаном, цирконием, гафнием, ванадием, киобием,танталом, хромом, молибденом и вольфрамом, без связующей фазы из .,металлического алюминия.

Неалюминиевые компоненты алюминида, следовательно, относятся к группе

ХУА, УА и/или VIA периодической системы элементов.

Алюминиды находятся в виде индивидуальных бинарных соединений или в виде тройных, четверных (четырехкомпонентных) или пятикомпонентных сплавов., Их химическая и термическая устойчивость делает возможным их использование как в расплавленных электролитах, так и в, расплавленном алюминии, хотя в последнем они растворимы ограниченно. Эта растворимость, однако, уменьшается с понижением температуры.

При рабочей температуре ячейки для электролизера алюминия, которая составляет округленно 950 С, растворимость металлической неалюминиевой компоненты алюминида в жидком алюминии составляет величину порядка примерно 3Х. Катодные элементы, следовательно, расплавляются до тех пор, пока выделяющийся жидкий алюминий не насытится одной или несколькими металлическими кеалюминиевыми компонентами.

Катодные элементы из алюминида могут принимать любую известную форму, они могут быть выполненынз соединенных креплением элементов (подэлементов), в особенности в виде вертикально расположенных пластин или стержней. Из-за расплавления алюминиевого катода, однако, не нужны прочно связанные с угольным дном (основанием) элементы; они могут быть заменены по техническим основаниям и причинам рентабельности. Так как алюминиевые катоды не только могут агломерироваться, но и также "отливаться", первоначальные катодкые элементы к крепления также могут быть выполнены в сложной форме и/или целыми (из одной части).

3629 3

Согласно другой форме осуществления,.элементы алюминиевых катодов расположены в огнеупорных, устойчивых к расплавленному алюминию креплениях из изоляционного материала.

Вместо катодкых пластин также можно насыпать в ячейки для электролиза алюминицные шарики и/или гранулы и равномерно распределять ток, проходя10 щий через ванну. При известных условиях шарики или гранулы, которые соприкасаются исключительно с жидким металлом, также состоят из соответствующего материала изолятора.

15 Для Всех геометрических форм катодных элементов существенное значение имеет то, что алюминид не содер-. жит никакой связующей фазы из жидкого алюминия. Алюминид плавился бы

20 при рабочей температуре ячейки для электролиза, вследствие чего катодные элементы разрушались бы в течение короткого времени.

Металлы титан, цирконий, гафний, 25 ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и/или вольфрам, напротив, могут

Легироваться алюминием в соотношении выше стехиометрического, так как их течка плавления всегда выше темпераЗ0 туры электролиза алюминия. Эти металлы также могут использоваться в качестве структурных частей в алюминиде, например, в виде ячеистой структуры, которая переливается или переавломерируется из алюминида.

Расплавляемые во время процесса электролиза алюминиды регекерируют из выделившегося металла и снова их можно использовать для изготовления катодных элементов.

Я

Таким образом, происходит циркуляция материала с относительно незначительными потерями.

По причинам рентабельности в качестве сменных смачиваемых твердотельных катодов используют алюминиды титана. Несмотря ка большую известность, в технике обычно используют только титаковые сплавы с нескольки50 ми процентами алюминия или алюминиевые сплавы с незначительным количеством в процентах титана. Лежащая по отношению к составу сплава между

TiA1 и TiA1 I -ôàçà очень хороший катодный материал. Эта tI -ôàçà с 5075 ат.X (35-63 мас.X) алюминия характеризуется внедренными в матрицу

TiA1 иглами TiA1 . Более богатый алю1243629

40

55 минием сплав не только отражается на стабильности катодов из твердых тел, но и также отрицательно влияет на рабочие условия ячейки для электролиза.

Из фазовой диаграммы Ti-Al-сплавов следует, что точка плавления -фазы находится между 1340 и 1460 С. Эти относительно низкие точки плавления . позволяют изготовлять фасонные детали из алюминидов путем как пирометаллургии, так и порошковой металлургии.

При рабочей температуре ячейки о примерно 950 С растворимость титана в.жидком алюминии составляет около

1,27, Выделяющийся из катодных элементов алюминий, следовательно, расплавляет титаналюминидные элементы до тех пор, пока содержание титана в ,нем не достигнет 1,27.. . Таким образом, на тонну электрически выделившегося алюминия растворяется примерно 30 кг материала катода из твердого тела. В случае TiA1 катода это означает расход 11,15 кг титана на тонну полученного алюминия.

Если используются катодные пластины параллельно к нижней стороне угольного анода, то на практике титаналюминид расплавляется округленно вплоть. до 507. первоначальной толщины.

При смене анода в ячейку для электролиза вносят 60 кг катодных элементов, которые целесообразно образуют соразмерно рабочей поверхности анода соответствующую единицу. Перед вставкой нового катодного элемента нужно остатки (в настоящем случае 30 кг) удалить из ячейки для электролиза.

Эти остатки подводятся непосредственно в установку для получения алю-, миниевых катодов.

Пример 1. Полученный путем электролиза алюминий, который наряду с 1,27. титана содержит обычные примеси, вносят в термостат для расплавленного металла, причем используются обычные устройства. В этом термостате температура жидкого металла медЭ ленно падает примерно до 700 С. Выкристаллизовавшийся при понижении температуры TiA1 имеет плотность

3,31 г/см и поэтому опускается в более легком жидком алюминии на дно.

С помощью известных средств, как разгрузка печи, отсасывание жидкого металла или центрифугирование, можно выделить еще содержащий 0,27 титана алюминид из осадка. Когда это необходимо, алюминий можно обрабатывать элементарным бором, боралюминиевым сплавом или соединием бора, как, например, борфторид калия, причем благо,даря выделению титана в виде диборида титана можно снизить количество титана в выделенном алюминиидо 0,01 мас.7.

Образовавшийся при охлаждении алюминия до 700 С осадок из TiA1 содержит еще маленькие количества металлического алюминия, которые удаляютпутем пригодной обработки, например промывкой. кислотой. Если желателен более богатый титаном сплав чем

TiAl ; в который идет применимая для алюминидных катодов фаза вплоть до

TiAl то алюминий можно удалять хлорированием. Полученный алюминид титана переводят в такое же устройство для приготовления катодов, как и указанные катодные остатки. Примерами таких устройств являются установки для отливки форм или для формообразования в порошковой металлургии, кото-. рые позволяют получать желательные формы катодов.

Незначительные, однако неизбежные потери титана могут компенсироваться добавкой двуокиси титана в электролиты, в глинозем или в щелочные растворы глиноземных фабрик.

П р и м.е р 2. Аналогично катодам из алюминидов титана можно изготовлять катодные элементы из других алюминидов и использовать при электролизе алюминия.

Результаты испытаний представлены в таблице.

На фиг. 1 и 2 представлены схематически связанные с несущими пластинами алюминидные катоды, вертикальный разрез.

На фиг. 1 показана прямоугольная катодная плата 1 из алюминида с идущей параллельно нижней стороне анода покрывающей поверхностью 2. Конструкция окна 3 улучшает условия обтекания в электролитах. На нижней стороне плата имеет "ласточкин хвост"

5, который может вводиться в соответствующую выемку в несущей пластине 6 из изоляционного материала.

Несущая пластина 6 в случае работающей электролизной ячейки всегда остается в области жидкого металла.

Подцерживающая конструкция несущих пластин оформлена так, что платы не могут сдвигаться в сторону.

1243629

Другой вариант катодных плат 1 из алюминидов представлен на фиг. 2.

Как конструкция окна 2, так и скощенная нижняя сторона должны экономить определенный для; этой цели смаАлюминидный катод, Al ат.7

Способ

Точка плавления, получения й

1490 (эвтектика) Литье

1600

Литье

Литье.

1650

MoA1 — МоА1 /90/

1650.Литье.

WAlq — WA1 g /82/

1400

Литье

ZrTi Alp . /71/

Составитель 0-. Голыжникова

Техред Н.Бонкало Корректор С. Шекмар

Редактор A. Шандор

Заказ 3723/60

Тираж 615.

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ЕгА1 — ZrA1 /735/

7А1э V Alp, /55 /

С" А1з Cr> Alj /65/ чиваемый материал и. оптимизировать условия обтекания в ванне. Плата 1 укреплена с помощью направленного вниз в центр отростка 3 в несущей и соответственно в опорной пластине 4.

Агломерация (1100 С) "1400