Способ электрохимического получения кальция

 

Изобретение относится к электрохимии, в частности к способу электрохимического получения кальция. Способ включает получение кальция из расплава галогенидов. При этом при электролизе в расплав вводят моногалогенид кальция. Процесс электролиза ведут при катодной плотности тока 3-8 А/см². Моногалогенид кальция вводят в количестве 0,5-8,0 мол.%. Техническим результатом изобретения является повышение выхода по току. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения кальция.

Известны способы получения кальция электролизом расплавленных солей. К ним относится способ с использованием катода касания (В.В.Родякин. "Кальций, его соединения и сплавы", М.: Металлургия, 1967 г., стр.80-84). Суть его состоит в том, что кальций получают на катоде в жидком виде. По мере выделения его катод поднимают, а кальций, затвердевая, образует штангу. Катодная плотность тока - 50-60 А/см². Электролитом служит хлористый кальций, в который иногда добавляют фторид. Выход по току не превышает 40-50%. Напряжение на ванне с силой тока 2000 А равно 25 В. На один килограмм кальция расходуется до 8 кг хлорида (теоретически необходимо затратить 2,76 кг), 0,55 кг графитовых электродов, примерно 0,45 кг футеровочных материалов и до 97 квт.ч электроэнергии. Полученный металл содержит до 20% включений электролита. В этом способе - высокие нормы расхода основного и вспомогательного сырья, электроэнергии, низкий выход по току. Полученный кальций требует дополнительной очистки от электролита.

В настоящее время этот метод в промышленности не используется.

Известен способ "Усовершенствование в электролитическом извлечении легких металлов, содержащихся в сплавах" (Франция, гр.8, кл.2, №659,687, опубл. 2.07.1929 г.) Сущность этого способа заключается в том, что в электролизере открытого типа, анодом в котором служит сплав двух металлов, ведут электролиз с использованием катода касания. Электролит - смесь хлоридов и фторидов извлекаемого металла. Катодная плотность тока порядка 1 А/см².

Однако этот способ имеет ряд недостатков. К ним следует отнести невозможность организации непрерывного процесса и загрязнение получаемого продукта за счет взаимодействия графитовой футеровки с катодным металлом.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ получения кальция из сплавов электролизом расплавленных солей. Сущность способа заключается в том, что в качестве жидкого анода используется медно-кальциевый сплав, содержащий 60-70 мас.% кальция. Процесс ведется в герметичном электролизере под атмосферой инертного газа, при температуре 850-960°C, анодной плотности тока 1-5 А/см², катодной 10-20 А/см². Электролитом служит CuCl₂ с добавкой до 5 мас.% фторида кальция. При обеднении сплава до 30-50 мас.% по кальцию он заменяется на богатый. Выход по току составляет 70%.

Однако известный способ имеет существенный недостаток - малый выход продукта по току.

Целью настоящего изобретения является повышение выхода по току.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе электрохимического получения кальция из расплава галогенидов, в расплав вводят моногалогенид кальция и электролиз ведут при катодной плотности тока 3-8 А/см ². Концентрация моногалогенида кальция составляет 0,5-8 мол.%.

Способ осуществляется следующим образом. В ванну из малоуглеродистой стали загружается медно-кальциевый сплав, хлористый кальций или смесь хлорида кальция со фторидом. Ванна помещается в герметичном кожухе из нержавеющей стали, в котором создается атмосфера инертного газа. Температура процесса 850-950°C. Напряжение на ванне 2-4 В. Одновременно в расплав вводят моногалогенид кальция. Его содержание должно быть в пределах 0,5 мол.% и поддерживается постоянным за счет установления равновесия между электролитом и медно-кальциевым сплавом. Содержание в расплаве моногалогенида кальция менее 0,5 мол.% и выше 8 мол.% приводит к понижению выхода по току. Процесс ведут при катодной плотности тока 3-8 А/см². Ниже 3 А/см² начинает преобладать не выделение металла, а реакция перезаряда. Выше 8 A/см² происходит перегрев прикатодного пространства и значительно возрастает растворимость кальция. Это отрицательно влияет на выход по току.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом увеличивает выход по току до 80-90%, снижает себестоимость металла и расход электроэнергии на единицу получаемого металла.

Пример. В ванну из малоуглеродистой стали было загружено 500 г 60% по кальцию медно-кальциевого сплава и 500 г хлористого кальция. Ванна помещалась в герметичный кожух из нержавеющей стали, в котором создавалась инертная атмосфера гелия. Полученные осадки могли извлекаться через специальный переходный шлюз.

Катодная плотность тока рассчитывалась исходя из диаметра катода и диаметра капли жидкого кальция. Нужная концентрация моногалогенида задавалась в пределах 0,2-9 мол.%. Результаты опытов приведены в таблице.

Таблица № опыта Состав расплава, мол.% Катодная плотность тока, А/см² Выход по току, % CuCl₂ CaF₂ CuClCaF 1 99,80,2 3,8 602 99,5 0,5 3 803 90,0 53,0 2,05 904 92,0 8,0 8 855 91,0 9,0 8 706 91,0 9,0 9 707 92,0 8,0 2,5 70

Как видно из приведенных примеров, проведение способа при концентрации моногалогенида кальция ниже 0,5 мол.% и выше 8 мол.% (пример 1,5), а также при поддержании катодной плотности тока ниже 3 и выше 8 А/см² (пример 6, 7), приводит к снижению выхода по току.

Осуществление процесса получения кальция в присутствии моногалогенида кальция в количестве 0,5-8 мол.% и при катодной плотности тока 3-8 А/см² позволяет повысить выход по току по сравнению с прототипом с 70 до 80-90%.

Предлагаемый способ позволяет увеличить выход по току до 80-90% и, как следствие этого, снизить себестоимость продукции и расход электроэнергии на единицу полученного металла.

Формула изобретения

1. Способ электрохимического получения кальция из расплава галогенидов, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода по току, в расплав вводят моногалогенид кальция, и процесс ведут при катодной плотности тока 3-8 А/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что моногалогенид кальция вводят в количестве 0,5-8,0 мол.%.