CZ20004226A3 - Způsob a zařízení na úpravu taveniny - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu přidávání kovu do taveniny materiálu v nádobě, přičemž se roztavená sloučenina kovu nebo roztok sloučeniny kovu připravuje v kontejneru a kontejner je umístěn mimo nádobu.

Vynález se dále týká zařízení pro přidávání kovu do taveniny materiálu v nádobě, přičemž zařízení zahrnuje kontejner pro roztavenou sloučeninu kovu nebo roztok sloučeniny kovu.

Vynález se týká zejména přidávání kovu skupiny A periodické tabulky do taveniny jiného kovu, například hliníku nebo zinku. Kovem skupiny A tedy může být například sodík nebo lithium.

Přednostně se vynález týká zejména přidávání sodíku do roztaveného hliníku nebo do hliníkové slitiny a, ačkoliv se způsob neomezuje na tento proces, výhody vztahující se specificky na tyto kovy budou popsány níže

Dosavadní stav techniky

Přidávání stopových množství sodíku, například množství menších než asi 200 milióntin celku, do hliníkové taveniny, je dobře známé. Výsledkem bývá zlepšená jakost odlitků a odlitky lze snadněji vyjímat z forem, přičemž se omezí smršťování.

• · · ·· ···· ·· • · · ·· · ···

Konvenčně byl sodík přidáván do hliníkové taveniny v kovové formě jako tyče nebo v hliníkových nádobách nebo ve formě tablet sodíkové sloučeniny a přestože jsou tyto způsoby výhodné svou jednoduchostí, jsou velmi neefektivní. Vzhledem k prudkosti probíhající reakce se ztrácí mnoho přidávaného sodíku oxidací a vytváří se mnoho kouře. Časté přídavky jsou tudíž nezbytné a způsob je velmi nehospodárný, nepříznivý k životnímu prostředí a není možné určit kontrolované množství efektivního přídavku.

Způsob, který tyto nevýhody překonává je znám ze spisu EP-A0688881. Je to způsob přidávání sodíku do taveniny hliníku nebo hliníkové slitiny, kde je elektroda skládající se z taveného sodíku nebo z taveného sodíkového kompozita ponořena do hliníkové taveniny a od této taveniny je oddělena elektrolytem v pevné fázi, který vede ionty sodíku. Provozní napětí mezi touto elektrodou a taveninou je zajišťováno upravením druhé elektrody v tavenině. V principu má tato metoda mnoho výhod, ale tato technologie může vést k problémům v tavenině, například pokud se vyskytne porucha kontejneru pro elektrolyt v pevné fázi.

Úkolem vynálezu je tedy poskytnout další zlepšení prostředků pro doplňování kovů.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje způsob přidávání kovu do taveniny materiálu v nádobě, přičemž se roztavená sloučenina kovu nebo roztok sloučeniny kovu připravuje v kontejneru, kontejner je umístěn mimo nádobu, sloučenina se elektrolyticky rozkládá a ionty kovu se přimějí procházet stěnou elektrolytu v pevné fázi, kterým je proto vodič, mezi první stranou stěny a druhou protilehlou stranou této stěny, a slučovat ·· ·· ···· ·· • · · · · · · ··· ·· · ·· ··· ·· ·· ·· ··· se s elektrony na druhé straně stěny a potom téci jako roztavený kov z kontejneru do taveniny.

Tento úkol splňuje dále zařízení pro přidávání kovu do taveniny materiálu v nádobě, zařízení zahrnující kontejner pro roztavenou sloučeninu kovu nebo roztok sloučeniny kovu, kontejner umístěný mimo nádobu, prostředky k elektrolytickému rozkládání taveniny nebo rozpuštěné sloučeniny, stěnu umístěnou uvnitř kontejneru a vytvořenou z elektrolytu v pevné fázi, kterým je vodič pro ionty kovu, jehož pomocí mohou vytvořené kovové ionty procházet stěnou z první strany na protilehlou druhou stranu, zdroj elektronů na druhé straně stěny pro slučování s kovovými ionty, a prostředky k přecházení roztaveného kovu takto vytvořeného z druhé strany stěny do taveniny.

Zařízení, respektive kontejner pro roztavenou sloučeninu, přednostně zahrnuje prostředky pro zahřívání kovové sloučeniny až do jejího roztavení.

Ve smyslu vynálezu se používá rozpouštědlo kovu, zejména organické rozpouštědlo, například acetamid nebo glycerol. Používá-li se rozpouštědlo, zahrnuje vynález prostředky pro zamezení podstatných ztrát rozpouštědla vypařováním nebo varem. Jak bylo naznačeno výše, je taveninou v nádobě obvykle kovová tavenina, například zinek, nebo zejména hliník, ale vynález je možné v zásadě aplikovat i u nekovových tavenin.

Jak bylo tedy výše naznačeno, je kovem který má být do taveniny přidáván obvykle kov skupiny IA periodické tabulky a vynález je výhodný zejména pro používání sodíku.

• · · ·· · · · · ·· ··· ·· · ··· ···· ·· · ··

Kovová sloučenina je přednostně iontová sloučenina, ale stejně tak je vynález použitelný pro nevodivé kovové sloučeniny. Může být použito větší množství kovových sloučenin (iontových nebo neiontových).

Pokud je jedna nebo všechny kovové sloučeniny iontová, může být mezi první elektrodou umístěnou v roztavené sloučenině a druhou elektrodou umístěnou za nebo na druhé straně stěny z elektrolytu v pevné fázi veden elektrický proud, kdežto pokud je použita jedna nebo více nevodivých kovových sloučenin, první elektroda musí být pórovitá a musí být umístěna na první straně stěny.

Elektrolytický rozklad kovové sloučeniny je tedy efektivní, pokud je roztavený kov ukládán na druhé elektrodě a aniontové druhy na elektrodě první. Kovová sloučenina je přednostně kovová sůl, například sůl kovového hydroxidu, uhličitanu nebo oxalátu. Aniontové druhy se přednostně rozkládají na jeden nebo více plynů, například při použití sodíku jako kovové sloučeniny, se vytváří vodní pára a kyslík. Použije-li se uhličitan sodný, vytváří se oxid uhličitý a kyslík. (Při vyvíjení vodní páry je výhodné, že ta může být běžně odváděna, aby se zamezilo možnému kontaktu s taveninou v nádobě.) Na začátku procesu může být na druhé straně stěny z elektrolytu v pevné fázi nutné použití iniciace. Toho může být dosaženo kontaktem mezi druhou stranou a druhou elektrodou, nebo upravením množství taveného kovu.

Stěna z elektrolytu v pevné fázi může vhodně vytvářet kontejner. V jednom provedení tento kontejner může rovněž zajišťovat kontejner, přičemž je uložena kovová sloučenina. První elektroda může tudíž pro požadovaný průtok proudu zasahovat do kovové sloučeniny v kontejneru nebo ležet na vnitřku (první straně) stěny. Kovové ionty

tedy procházejí přes stěnu kontejneru na vnější stranu, vybíjejí se a tekutý kov potom přechází z vnější strany stěny přes soustavu trubek do taveniny v nádobě. Ve druhém provedení je kontejner tvořený elektrolytem v pevné fázi umístěn uvnitř jiného kontejneru. Tento vnější kontejner může vhodně působit jako jedna z elektrod pro požadovaný průtok proudu.

Ve druhém provedení může být kovová sloučenina uložena buď ve vnitřním kontejneru z elektrolytu v pevné fázi nebo mimo kontejner, ale uvnitř vnějšího kontejneru. Kovové ionty pak protékají buď stěnou vnitřního kontejneru z vnitřku ven a naopak a elektrické obvody jsou upraveny podle potřeby. Tekutý kov je tudíž dopravován spojovacím potrubím z vnitřní nebo vnější strany vnitřního kontejneru, jak je vhodné, do taveniny v nádobě.

Elektrody mohou být vytvořeny z jakéhokoliv vhodného elektricky vodivého materiálu. První elektroda může být tedy zhotovena například z niklu, nerezové oceli nebo grafitu a druhá elektroda může být vytvořena například z niklu, železa nebo oceli, v závislosti na použité kovové sloučenině.

Pokud je kovem, který má být do taveniny přidáván, sodík, sodíková sloučenina zajišťující zdroj sodíkových iontů může být například, jak je výše naznačeno, hydroxid sodný nebo uhličitan sodný. Bez ohledu na to, jaká sloučenina se použije, měla by být přednostně slučitelná s elektrolytem v pevné fázi, měla by být netoxická a přednostně by měla být zdrojem neškodných vedlejších produktů.

Pokud je žádoucí použití uhličitanu sodného, může být výhodné jej smísit s dílčím množstvím chloridu sodného, aby se snížila tavící • ♦ · · ···· ·· • · · · · · · • · · · · · ·· • · · · · ·· ·· · teplota čistého uhličitanu sodného z 858 °C na teplotu zhruba 635 °C sloučeniny. (Výhodné je když v těchto podmínkách nejsou emitovány chloridové ionty.) Podobně, pokud je žádoucí použít hydroxid sodný, může být výhodné mísit jej s dílčím množstvím uhličitanu sodného pro snížení taviči teploty čistého hydroxidu sodného z 322 °C na asi 285 °C pro sloučeninu.

Pokud je zařízení provozováno za zvýšené teploty, je nezbytné během přidávání kovové sloučeniny věnovat péči doplňování sloučeniny použité při procesu, protože teplotní šok by mohl například poškodit pevný elektrolyt. Čerstvá sloučenina může být například přidávána ve stálém pomalém podílu, nebo může být pevný elektrolyt konstruován tak, aby tepelném šoku odolal. Toho je možné dosáhnout například tím, že u elektrolytu se provede rádius nebo zakřivení, zejména malý rádius nebo zakřivení všech ploch v nejméně dvou směrech. Například, v případě trubkovitého elektrolytu, by měl být průměr omezen na nejmenší praktickou hodnotu. Rovněž pevné elektrolyty jako beta oxidohlinité mohou být zpevněny přidáním 12 % zirkonu do jejich struktury. Metoda, které se však ve vynálezu dává přednost, je použití zvláštního oddílu, kde se čerstvá kovová sloučenina zahřívá na teplotu blízkou takové jaká je teplota kapaliny obklopující pevný elektrolyt. V jednom provedení vynálezu je pevný hydroxid sodný taven v separátním kontejneru a roztavená sůl z kontejneru je doplňována do elektrolytické sekce za účelem udržení hladiny roztavené soli na přiměřeně konstantní úrovni. Ve druhém provedení odkapává vodný roztok hydroxidu sodného do kontejneru s roztaveným hydroxidem sodným. Výsledkem je rychlé vysoušení a tavení roztoku. Sušicí oddíl je opět zejména dostatečně oddělen od elektrolytického oddílu aby se zabránilo poškození pevného elektrolytu termálním šokem nebo chemickým napadením vodou.

Ί

Dodávka energie pro elektrolytický proces často tvoří hlavní část celkových nákladů, je tedy věnována velká pozornost minimalizaci spotřeby energie a velikosti zařízení. Požadavek na elektrické napětí může být snížen použitím soli, která se snadno rozkládá a zajištěním toho, že části podílející se na vedení proudu jsou co nejmenší a mají co největší praktickou oblast průřezu. Spotřeba elektrického proudu může být snížena odstraněním přerušovaných operací zařízení. Protože potřeba přivádění kovu do nádoby přerušovaným způsobem je častá, zahrnuje vynález zejména prostředky pro ukládání malého množství kovu v rámci zařízení dokud je to zapotřebí. Tyto prostředky zahrnují rovněž možnost přepravy skladovaného a vyrobeného kovu kdykoliv je to požadováno. Kovový sodík a ostatní kovy skupiny IA nicméně představují bezpečnostní problém, protože zařízení přednostně obsahuje prostředky zajišťující, že v jakékoliv určité etapě procesu přidávání kovu je jeho dodávané množství minimální. K tomuto účelu je ve výhodném provedení vynálezu použit pro čerpání roztaveného kovu z elektrolytického oddělení do nádoby inertní plyn, vyrovnávající tlak. Pokud se k přepravě kovu z zařízení do nádoby používá sekundární čerpací systém, je žádoucí instalace čidla pro indikaci proudu kovu tak, že tento proud může být nastaven optimálním způsobem. Takové čidlo může také napomáhat například detekci ucpávání trubky pro dopravu roztaveného kovu. V případě, kdy se používá tlakový plyn, je přednostně nasazeno jedno nebo více čidel pro tlak plynu.

Elektrolyt v pevné fázi pro přidávání sodíku je přednostně beta oxid hlinitosodný. Beta oxid hlinitosodný má sodíkové ionty podobné iontům roztavených solí se zápornou elektronickou vodivostí ve velkém rozsahu teplot, ale je možné použít jakýkoliv vhodný elektrolyt vodivý pro ionty sodíku. Elektrolyt v pevné fázi pro přidávání lithia je přednostně beta oxid lithiohlinitý. Opět je možné použít vhodný elektrolyt vodivý pro ionty lithia.

Je tudíž možné pomocí prostředků vynálezu řídit přidávání kovu do taveniny řízením náboje v elektrolytu v pevné fázi. Množství materiálu, který je čerpán skrz elektrolyt v pevné fázi je určeno Faradayovým zákonem. Po 26,8 ampérhodin je jeden mol jednomocného ionizovaného kovu čerpán přes elektrolyt v pevné fázi.

Čidlo přidávaného kovu, například sodíku, může být vloženo do taveniny a přidávání kovu je monitorováno a řízeno až se dosáhne předem určené požadované hladiny. Hladinu je pak možné udržovat bez nutnosti přidávání přebytků, což znatelně omezuje odpad, výpary a strusku při výrobě a tyto výhody jsou dosaženy bez rizika poškození kontejneru v oblasti taveniny.

V průběhu procesu se může používat značné množství plynu, takže uspořádání první elektrody by mělo být přednostně takové, aby minimalizovalo působení plynu na elektrolytický proces. Plyn, vznikající při elektrolýze, může například obtížně unikat mezi anodou a elektrolytem. Vzdálenost mezi anodou a elektrolytem může být kompromisem mezi její velikostí, která má být dostatečně malá pro zajištění výkonné elektrolýzy a dostatečně velká aby umožnila únik plynu vytvořeného na anodě. V jednom provedení vynálezu je použití určeno skutečností, že plyn vytvářející se na anodě bude snižovat celkovou hustotu výchozího materiálu (to znamená kovové sloučeniny nebo roztoku kovové sloučeniny) do kterého vytéká. Tento rozdíl hustoty je používán pro vytváření toku výchozího materiálu mezi anodou a výchozím materiálem ve směru, který podporuje odstraňování plynu z této oblasti. Anoda může být výhodně prostupná pro plyn, například může být porézní. První elektroda může být například

složena z elektricky vodivé vrstvy, prostupné pro plyn, na elektrolytu v pevné fázi.

Uspořádání druhé elektrody relativně vůči kontejneru může být takové, aby se minimalizoval obsah kovu. Alternativně může být roztavený kov vyroben elektrolyticky na kontinuální bázi a udržován v zásobníku mezi kontejnerem a nádobou a čerpán pokud je to zapotřebí. Tím je možné podpořit míru elektrolýzy.

První elektroda může mít například obecně tvar válce, zejména dutého válce. Je výhodné, když mohou být první elektroda a elektrolyt v pevné fázi vytvořeny tak, že jsou odděleny přibližně konstantní minimální vzdáleností přes v podstatě celou jejich protilehlou plochu. To může podstatně zabránit vytváření koncentrace proudu na určitém místě v elektrolytu v pevné fázi. To je obzvlášť důležité, pokud je elektrolyt vytvořen z beta oxidu hlinitého.

Zařízení podle vynálezu zahrnuje zejména regulační prostředky, například časovač a/nebo monitorovací prostředky, které působí tak, že kovová sloučenina nebo roztok kovové sloučeniny mohou být odstraňovány periodicky. Způsob podle vynálezu zahrnuje zejména krok k periodickému odstraňování roztavené kovové sloučeniny nebo roztoku kovové sloučeniny. Toto periodické odstraňování (nebo „vyplachování“) roztavené kovové sloučeniny nebo roztoku kovové sloučeniny zejména zabraňuje vytváření usazenin, které mohou být například utvářeny z nečistot nebo v důsledku reakce kovové sloučeniny se vzduchem. Například, pokud se použije jako výchozí materiál pro kov (v tomto případě sodík), může na vzduchu reagovat s hydroxidem sodným na vytvoření uhličitanu, který se obvykle elektrolyticky rozkládá pomaleji než hydroxid sodný a může tudíž narůstat s časem a vytvořit usazeninu, která může vytvořit ucpávku.

Produkce uhličitanu může alternativně zvýšit bod tání výchozího materiálu nad operační teplotu a způsobit tuhnutí, které může zabránit kontaktu výchozího materiálu s první elektrodou.

Protože kontejner v zařízení podle vynálezu je umístěn mimo nádobu obsahující taveninu, může být využito širší rozpětí operačních teplot kontejneru, umožňující širší rozpětí použití kovové sloučeniny. Zejména může být minimalizována provozní teplota zařízení (v porovnání s teplotou tavné nádoby), tím normálně umožněno použití ekonomičtějších materiálů a jednodušší konstrukce. Utěsnění systému, pokud je požadováno, je také obvykle mnohem snadněji proveditelné.

Navíc je možné se díky navržení zařízení podle vynálezu vyhnout problémům s tepelným šokem, spojeným s dřívějším způsobem konstrukce, kde musel být kontejner ponořen do taveniny v nádobě, zejména u hliníkových tavenin, a překonat problém, že elektrolyty v pevné fázi jsou v roztaveném hliníku nestabilní.

Zařízení zahrnuje zejména potrubí, například přívodní trubku pro dopravu roztaveného kovu do taveniny. Potrubí může být plně zapouzdřeno tak, že kov je izolován od vnějšího prostředí, například může být ponořeno do taveniny. To je zvlášť důležité například při přidávání sodíku. Přívod může být jednoduchá trubka nebo podobně, ale přednostně je to rotor, například jak je schématicky znázorněno na obr. 5. Přívod může být vytvořen z žáruvzdorného materiálu, například z keramického materiálu (oxid hlinitý je jednou z možností), nebo je možné jej vyrobit z kovu, který má vyšší bod tání než je teplota taveniny, například z oceli.

Zařízení může alternativně zahrnovat prostředky, zejména čerpadlo, které dopravuje roztavený materiál z nádoby pro přidávání • 0 ···· ·« % · · » · · • » ♦ · · • « · » · * kovu do roztaveného materiálu do místa mimo nádobu. Roztavený materiál je dopravován zejména do zařízení, nebo do sousedního zařízení pro přidávání kovu do roztaveného materiálu v zařízení nebo v sousedním zařízení.

Zařízení obvykle zahrnuje vnější plášť obklopující ostatní komponenty, například pro termální izolaci (k ochraně obsluhy) a rovněž jako opěru pro jeho umístění do příslušné polohy a instalaci s ohledem na taveninu v nádobě.

Přehled obrázků na výkresech

Provedení vynálezu budou nyní popsána podle příkladů na přiložených výkresech, na kterých znamená obr. 1 detailní pohled v částečném řezu na kontejner pro kovovou adiční sloučeninu pro použití v zařízení podle jednoho provedení vynálezu, obr. 2 podobný pohled na uspořádání podle alternativního provedení vynálezu, obr. 3 další provedení vynálezu v řezu, obr. 4 alternativní provedení vynálezu v řezu, obr. 5 další provedení vynálezu v řezu a obr. 6 schématické uspořádání dalšího provedení vynálezu.

• » • · · • · ···· ·· • · · · · · • · · · · • · · · · ·

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněno uspořádání kontejneru 12 z nerezové oceli a vložka 14 z beta oxidu hlinitého.

Vložka 14 z beta oxidu hlinitosodného je uložena uvnitř kontejneru 12 a tato vložka obsahuje na svém nejnižším konci lázeň 15 z roztavené sodíkové sloučeniny. Niklová trubicová anoda 30 dosahuje směrem dolů ke dnu vložky 14 do lázně 15 z roztavené sodíkové sloučeniny a má topný element 31 obepínající její horní oblast, který představuje prostředek pro tavení sodíkové sloučeniny. Trubice obsahuje síťovinu 32 z niklu, která zabraňuje unikání sodíkové sloučeniny dokud není roztavena.

Kontejner 12, který působí jako katoda, je v kontaktu se síťovinou 33 z oceli, která je umístěna mezi kontejnerem 12 a vložkou 14 a zajišťuje elektrický obvod mezi nimi.

Kontejner 12 má vnější nákružek 34 přiléhající k jeho hornímu konci, s jehož pomocí se může opírat o přídavné zařízení tak, aby konstrukce byla vyhovující v jakékoliv požadované poloze. Tepelně odolný těsnicí kroužek 3 5 utěsňuje prstencový prostor 36 mezi vnitřním a vnějším kontejnerem, to znamená kontejnerem 12 a horním nástavcem 37 vložky 14. Tento horní nástavec může být vytvořen z alfa oxidu hlinitého nebo jiného materiálu, kompatibilního s beta oxidem hlinitým. Přívod 38 inertního plynu, to znamená argonu, vede do prstencového prostoru 36, aby se zabránilo nežádoucím reakcím a/nebo se omezily zásoby roztaveného sodíku.

Při průtoku proudu procházejí sodíkové ionty přítomné v roztavené sloučenině stěnou vložky, vybíjejí se a roztavený sodík

• · «· · · potom teče dolů výstupem 39. na základně kontejneru 12 a do kontejneru hliníkové taveniny (není znázorněn).

Na obr. 2 je znázorněno uspořádání kontejneru 23 a vložky 24 ve tvaru elektrolytu v pevné fázi, přičemž je vložka opět umístěna uvnitř kontejneru a roztavená sodíková sloučenina v kontejneru 23 leží mimo vložku 24, vložka zasahuje do roztavené sloučeniny.

V tomto uspořádání je pevná sloučenina sodíku dopravována dolů z násypky 40 přes podavač 41 do trubice 42, která je opatřena vnější niklovou síťovinou 43.. Topný článek 44 obklopuje nižší část trubice 42. takže se pevná sodíková sloučenina zadržovaná síťovinou 43 může tavit. Roztavená sloučenina teče dolů do kontejneru 23, který obsahuje niklovou trubici 22 působící jako anoda. Kontejner 23 je obepínán topným článkem 45, který udržuje sloučeninu v roztaveném stavu.

Uvnitř kontejneru 23 je vložka 24 z beta oxidu hlinitosodného. Základna vložky 24 směřuje do odtokové rýhy vytvořené katodovou trubicí 47 z nerezové oceli, která zasahuje přímo do vložky. Odtoková rýha vede přes plnicí trubici 48 oxidu hlinitého do nádoby obsahující hliníkovou taveninu (není znázorněna). Mezi vložkou 24 a katodou 47 leží ocelová síťovina 46. která je s oběma v kontaktu a poskytuje tak elektricky vodivou trasu.

Kontejner 23 a topný článek 45 jsou obklopeny izolací 49 a zařízení je celý uložen v ochranném krytu 50, kterým trubice 47 prochází.

Při průtoku proudu procházejí sodíkové ionty přítomné v roztavené sloučenině stěnou vložky 24 do jejího vnitřku, vybíjejí se • · a roztavený sodík potom teče směrem dolů přes trubice 47 a 48 do hliníkové nádoby. Plyn vytvořený v průběhu procesu uniká směrem vzhůru přes průduch 51 na horním konci kontejneru 23. V tomto uspořádání se může plyn vyvíjet mimo vložku, kde může unikat snadněji.

Obr. 3 znázorňuje alternativní způsob těsnění katody 132 ve vložce tvořené elektrolytem 14 v pevné fázi. Hermetické těsnění je vytvořeno mezi vložkou a kroužkem 57 z oxidu hlinitého vhodným skleněným nebo cementovým těsněním 56. Kroužek má v průřezu tvar písmene L, je vyroben z tenkého kovového dílu a je připojen na kroužek z oxidu hlinitého v bodě 77. Kovový kroužek je přivařen ke katodě v bodě 58 za použití vhodné techniky, například svařováním laserem. Agregát je tedy umístěn v anodovém kontejneru 131. respektive kontejneru 131 výchozího materiálu za použití opěrného kroužku 134. Když se elektrolýzou vyrobilo dostatečné množství kovu na to, aby vyplnil elektrolyt do hladiny otvoru 133. může být kov čerpán trubkou 137 do taveniny v nádobě pomocí dopravního inertního plynu, přiváděného trubkou 38..

Výchozí materiál 15 v anodě/kontejneru 131 je zahříván na požadovanou teplotu topným článkem 130. Čerstvý výchozí materiál 13 9 v kontejneru 13 8 je přidáván roztavením topným článkem 140 a kapky 141 roztaveného materiálu jsou znázorněny schématicky.

Elektrická energie pro elektrolýzu je ke katodě dodávána kabelem 13 5 a elektrickým konektorem 136 je provedeno spojení s anodou. Plyn vytvořený elektrolytickým procesem uniká otvorem 55. Celá jednotka je smontována a chráněna pouzdrem 50, které může obsahovat tepelnou izolaci.

Na obr. 4 se plyn vyvíjený na válcové anodě nebo první elektrodě 71 akumuluje v kovovém výchozím materiálu v prstencovém prostoru mezi prostorem mezi anodou a elektrolytem 70 v pevné fázi, vytvářejícím vložku. Plyn stoupá a unáší s sebou výchozí materiál 69 na povrch, jehož typická hladina 91 je označena příslušnou vztahovou značkou. Plyn vystupuje z výchozího materiálu a stoupá do lapače par nebo filtru 85.. Potom je vypuzován ze zařízení (přes vhodné potrubí pokud je to potřebné). Odplyněný výchozí materiál pak klesá ke dnu zařízení trubkou 72.· Výchozí materiál tudíž cirkuluje ve směru znázorněném šipkou 94. Topný článek pro oddíl 74 elektrolýzy obklopuje anodu. Upraven je topný článek 92 pro vyhřívací oddíl výchozího materiálu a přepážka 93 rozděluje oba oddíly a zabraňuje tepelnému šoku elektrolytu je-li ventil 88 otevřen, aby vpustil čerstvý, studený výchozí materiál přes přívodní trubku 90.

Pružný úsek vodivého materiálu 79 upravuje polohu pevného elektrolytu 70, aby byl vytvořen první elektrický kontakt mezi elektrolytem a druhou elektrodou 75.. Jakmile je elektrolýza zahájena, sodík vyplňuje elektrolyt dokud nedosáhne otvoru 76 a nevznikne tak elektrický kontakt s většinou vnitřku elektrolytu. Druhá elektroda nebo katoda 75 obsahuje otvor, kterým protéká sodíkový kov vytvořený elektrolýzou. Roztavený sodík klesá ke dnu duté katody a za použití tlakového plynu může být čerpán trubkou 73 do taveniny v nádobě (není znázorněna). Tlakový plyn je zaváděn ventilem 84 a pokud je žádoucí monitorovat míru průtoku sodíku, může být namontováno čidlo 78. Řídicí systém se zpětnou vazbou pro míru průtoku sodíku může být upraven za použití čidla 78 a ventilu 84.. Nákružek 77 z oxidu hlinitého je připojen k pevnému elektrolytu za použití vhodného plynotěsného materiálu, například keramického cementu a/nebo plynu a je utěsněn. Obr. 4 znázorňuje příklad těsnicího mechanismu, kterým jsou grafitové těsnicí vložky 82 silně přitlačovány mezi elektrody, které jsou v kontaktu a kroužek z oxidu hlinitého. Tlak je vytvářen vhodným mechanismem, který stlačuje pružinu 80. směrem k povrchu, těsnícím anodu. Vyčnívající břitový kroužek na katodě 117 se zařezává do hliníkového kroužku 81 a brání sodíku v kontaktu s grafitem. Vyčnívající kroužek 116 na anodě chrání grafitové těsnicí vložky před přílišným nebo nerovnoměrným stlačením, protože nerovnoměrné stlačení může způsobit kontakt elektrolytu s jednou z elektrod a rozpojení. Dodatkové pojištění proti této události je zajištěno kroužky 95 na anodě a katodě, které udržují souměrný odstup mezi elektrolytem a oběma elektrodami.

Nádrž na tekutý výchozí materiál 87 je spojena se zařízením pomocí pružné trubky 89. Jestliže z nějakého důvodu překročí tlak v zařízení (například když výchozím materiálem je vodný roztok a lapač 85 ve výstupním otvoru plynu začíná blokovat uvolňování páry vzniklé vypařováním vody), trubka 89 se oddělí od trubky 90 a výchozí materiál už do zařízení nevstupuje. K vyrovnání tlaku v kontejneru 87 je upraven vzduchový průduch 86c

Obr. 5 znázorňuje další provedení vynálezu znázorněné v řezu, které je určeno specificky pro použití výchozího materiálu s nízkým bodem varu. Výchozí materiál je dopravován trubkou nebo kanálkem

106 pomocí plynu vytvářeného uvnitř anody 71. Plyn opouští výchozí materiál když ten vstupuje do záchytné nádrže 112 a poté vychází z nádrže přes mlhový filtr 85. Čerstvý výchozí materiál je přidáván otvorem 100 odstraněním krytu nebo víka 101 tak, že hladina je udržována na čáře 102. Zarážka 110 je upravena pro zajištění toho, aby výchozí materiál vystupující z kanálku nebo trubky 107 obsahoval minimální množství plynu. Výchozí materiál zbavený plynu v trubce

107 je těžší než materiál v trubce 106. který plyn obsahuje, což podporuje cirkulaci materiálu v prostoru mezi anodou 71 a elektrolytem 70.. Záchytná nádrž 112 je vysoká, což způsobuje rychlejší cirkulaci, takže vzdálenost mezi anodou 71 a elektrolytem 70 může být minimalizována pro snížení odporu elektrolytického obvodu. Termočlánek 99 je použit pro zpětnou vazbu řídicího obvodu, k zapínání a vypínání topného článku 92. z důvodů udržování materiálu v nádrži 112 na optimální teplotě. Zábrana ve vedení 108 může sloužit jako plocha pro výměnu tepla tak, že materiál v trubce 106 je ochlazován materiálem v trubce 107. který se tak ohřívá. To dovoluje, aby teplota na termočlánku 103 byla znatelně vyšší než teplota na termočlánku 99. Topný článek 74 napomáhá udržování tohoto rozdílu. Tato charakteristika umožňuje, aby byl oddíl elektrolýzy provozován při teplotě, která je blízká nebo mírně vyšší než bod varu výchozího materiálu. Například pokud je výchozím materiálem uhličitan sodný rozpuštěný v acetamidu, je z důvodů jeho ceny žádoucí minimalizovat jeho ztráty odpařováním. Oddíl elektrolýzy by měl být typicky udržován na teplotě blízké bodu varu acetamidu, který by mohl způsobit nepřijatelně rychlé vypařování v nádrži 112. pokud není ochlazován výměnou tepla na povrchu vedení 108. Ve spojení s mlhovým filtrem 85 může být dodatkově upravena kondenzační jednotka (není znázorněna).

Válcová katoda 115 může být upravena jako pohyblivá nahoru a dolů ve vedení 111 přes těsnění 98.. Když je kov čerpán elektrolýzou do elektrolytu, katoda se zvedá. Je-li kovu zapotřebí v nádobě, katoda je stlačována dolů a kov odtéká trubkou 73. která vede do nádoby (není znázorněna). Pro sledování poměrů v toku kovu je upraveno čidlo 78.. Poloha katody je řízena zejména mechanismem ovládaným plynem nebo solenoidem (nebo jiným vhodným mechanickým prostředkem). Nákružek 77 a stlačitelné kroužky 82 vytvářejí, jak již bylo dříve popsáno, těsnění, ale kompresní síla je vyvíjena třemi nebo více svorníky 96.. Ty jsou společně chráněny před elektrickým

zkratováním elektrod izolačními rozpěrkami 97. Vedení 111 katody je dlouhé, protože je třeba zajistit, že katoda nenarazí do elektrolytu a rovněž těsnění 98 se udržuje co možná nejstudenější. Přívodní elektrické kabely 108 a 109 proudu pro elektrolýzu k anodě a katodě jsou označeny příslušnými vztahovými značkami.

Výpustná zátka 104 je upravena tak, že výchozí materiál je možné trubkou 105 vypustit za účelem výměny vložky a/nebo odstranění nashromážděných usazenin z povrchu materiálu po určité době provozu.

U provedení znázorněných na obr. 1 až 5 je výhodné, že v případě prasknutí vložky může roztavený materiál vytékající z této prasklé vložky ztuhnout ve výstupní trubce, čímž je zabráněno nebezpečnému vytékání roztaveného materiálu do taveniny. Velký počet dílů, znázorněných na obr. 1 až 5, je vhodné opatřit tepelně a elektricky izolačními materiály. Vhodné uspořádání může být rovněž potřebné pro montáž zařízení vedle nádoby. Žádoucí je rovněž řízení dodávky proudu pro elektrolýzu, které využívá informace z čidla kovu v tavenině. Všechna popsaná zařízení mohou být rozšířena použitím vícenásobných částí pevného elektrolytu. Namísto vertikální polohy znázorněné na obrázcích je také možná horizontální montáž elektrolytu ve tvaru vložky.

Na obr. 6 je znázorněno zařízení, který zlepšuje difúzi roztaveného kovu, například sodíku, do taveniny, například hliníku. Zařízení 60 podle vynálezu elektrolyticky produkuje požadovaný roztavený sodík mimo kontejner 61 hliníkové taveniny 62.. Roztavený sodík teče směrem dolů dopravní trubkou 63 v základně zařízení 60 a odtud do duté hřídele 64 rotoru 65.. Hřídel 64 zasahuje do taveniny 62 a zajišťuje distribuci inertního plynu přes dopravní trasu 66 a sodík do taveniny hlavicí 67 rotoru.

Rotor 65 má přednostně konstrukci popsanou v evropském patentovém spisu č. 0332292. Vynikající distribuce materiálu, prováděná rotorem do taveniny je dosažena tak, jak je znázorněno šipkami v tavenině. Zarážka 68 je do taveniny umístěna z důvodů omezení turbulencí.

0X4 00

Seznam vztahových značek kontejner 12, 23 elektrolyt, (vložka) 14, 24 lázeň 15 topný článek 3 1 niklová síťovina 32, 43 ocelová síťovina 33, 46 vnější nákružek 34 kontejneru těsnicí kroužek 35 prstencový prostor 36 nástavec 37 vložky přívod (trubka) 38 inertního plynu výstup 39 násypka 40 podavač 41 trubka 42 topné těleso 44, 45 katodová trubice 47 plnicí trubice 48 izolace 49 ochranný kryt 50 průduch 51 otvor 55 skleněné nebo cementové těsnění 56 kroužek 57 z oxidu hlinitého bod 58 přivaření kroužku zařízení 60 kontejner 61 hliníková tavenina 62 dopravní trubka 63

hřídel 64 rotor 65 dopravní trasa 66 hlavice 67 rotoru zarážka 68 elektrolyt 70 v pevné fázi anoda (první elektroda) 71 trubka 72, 73, 90 oddíl 74 elektrolýzy druhá elektroda 75 otvor 76 bod 77 připojení kovového úseku (nákružek z oxidu hlinitého) čidlo 78 toku sodíku vodivý materiál 79 pružina 80 hliníkový kroužek 81 těsnicí vložka 82 (stlačitelný kroužek) filtr 8 5 ventil 84, 88 pružná trubka 89 hladina 91 materiálu topný článek 92 přepážka 93 šipka 94 pro znázornění směru cirkulace kroužek 95 svorník 96 izolační rozpěrka 97 těsnění 98 termočlánek 99, 103 víko 101 čára 102 hladiny y! 22-

0* · výpustná zátka 104 elektrický vodič 108, 109 zarážka 110 vedení 111 katody záchytná nádrž 112 válcová katoda 115 vyčnívající kroužek 116 topný článek 130, 140 kontejner 131 výchozího materiálu katoda 117, 132 otvor 100, 133 opěrný kroužek 134 přívodní kabel 135, 136 trubka 105, 106, 107, 108, 137 kontejner 87, 138 výchozí materiál 69, 87, 139 kapky 141 roztaveného materiálu

Claims (32)

1. Způsob přidávání kovu do taveniny materiálu v nádobě, přičemž se roztavená sloučenina kovu nebo roztok sloučeniny kovu připravuje v kontejneru, kontejner je umístěn mimo nádobu, sloučenina se elektrolyticky rozkládá a ionty kovu se přimějí procházet stěnou elektrolytu v pevné fázi, kterým je proto vodič, z první strany stěny na druhou protilehlou stranu, a slučovat s elektrony na druhé straně stěny a potom téci jako roztavený kov z kontejneru do taveniny.

2. Zařízení pro přidávání kovu do taveniny materiálu v nádobě, zařízení zahrnující kontejner pro roztavenou sloučeninu kovu nebo roztok sloučeniny kovu, kontejner umístěný mimo nádobu, prostředky k elektrolytickému rozkládání taveniny nebo rozpuštěné sloučeniny, stěnu umístěnou uvnitř kontejneru a vytvořenou z elektrolytu v pevné fázi, kterým je vodič pro ionty kovu, jehož pomocí mohou vytvořené kovové ionty procházet stěnou z první strany na protilehlou druhou stranu, zdroj elektronů na druhé straně stěny pro slučování s kovovými ionty, a prostředky k přecházení roztaveného kovu takto vytvořeného z druhé strany stěny do taveniny.

3. Způsob podle nároku 1, nebo zařízení podle nároku 2, přičemž je upraven kontejner pro roztavenou sloučeninu kovu a topné prostředky, které ohřívají sloučeninu kovu do roztavené formy.

4. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, přičemž kovem je kov skupiny IA periodické tabulky, zejména sodík nebo lithium.

_ Β . · · · · ^W ’

2-7 :: : · : :. : · : i i r ····· ·· ·· ·· ···

5. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, přičemž kovová sloučenina je kovová sůl, zejména hydroxidová, uhličitanová nebo oxalátová sůl.

6. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, přičemž taveným materiálem je kov, zejména hliník nebo zinek.

7. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, přičemž mezi první elektrodou umístěnou v roztavené sloučenině a druhou elektrodou umístěnou za nebo na protilehlé druhé straně stěny z elektrolytu v pevné fázi prochází elektrický proud

8. Způsob nebo zařízení podle nároku 7, přičemž první elektrodou je anoda a druhou elektrodou je katoda a zdroj elektronů.

9. Způsob nebo zařízení podle nároku 7 nebo 8, přičemž první elektroda a elektrolyt v pevné fázi jsou tvarovány tak, že jsou odděleny přibližně konstantní minimální vzdáleností v podstatě přes celé jejich protilehlé povrchy.

10. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, přičemž je elektrolytické rozkládání iniciováno kontaktem mezi druhou stranou stěny z elektrolytu v pevné fázi a druhou elektrodou a/nebo provedením kontaktu určitého množství roztaveného kovu s druhou stranou stěny z elektrolytu v pevné fázi před zahájením elektrolytického rozkládání.

11. Způsob a zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, přičemž stěna z elektrolytu v pevné fázi vytváří (první) kontejner.

12. Způsob nebo zařízení podle nároku 11, přičemž je kovová sloučenina obsažena v prvním kontejneru a první elektroda je umístěna ve vnitřku prvního kontejneru v kontaktu s kovovou sloučeninou.

13. Způsob nebo zařízení podle nároku 11 nebo 12, obsahující dále vnější kontejner, přičemž je umístěn první kontejner vytvořený z elektrolytu v pevné fázi.

14. Způsob nebo zařízení podle nároku 13, závisející na nároku 7, přičemž uvedenou elektrodu obsahuje vnější kontejner.

15. Způsob nebo zařízení podle nároku 14, přičemž je kovová sloučenina obsažena ve vnějším kontejneru ale mimo první kontejner.

16. Způsob nebo zařízení podle nároku 7 nebo kteréhokoliv nároku na něm závislém, přičemž je první elektroda vytvořena z niklu, nerezové oceli nebo z grafitu a druhá elektroda je vytvořena z niklu, železa nebo z oceli.

17. Způsob nebo zařízení podle nároku 7 nebo kteréhokoliv nároku na něm závislém, obsahující dále množství kombinací první elektrody, elektrolytu a druhého elektrolytu, přičemž každá taková kombinace je přednostně ve formě modulu.

18. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, obsahující dále prostředek, například skladovací kontejner pro kovovou sloučeninu, pro doplňování elektrolyticky rozložené kovové sloučeniny v průběhu procesu .

19. Způsob nebo zařízení podle nároku 18, přičemž prostředky pro doplňování elektrolyticky rozložené kovové sloučeniny během

9 9 · · · · · · procesu zahrnují prostředky umožňující vypouštění kovové sloučeniny po ukončení procesu.

20. Způsob nebo zařízení podle nároku 18 nebo 19, přičemž prostředky pro doplňování elektrolyticky rozložené kovové sloučeniny během procesu zahrnují prostředky pro zahřívání kovové sloučeniny, zejména dokud se kovová sloučenina neroztaví.

21. Způsob nebo zařízení podle nároku 20, přičemž prostředky pro doplňování elektrolyticky rozložené kovové sloučeniny během procesu umožňují roztoku této kovové sloučeniny aby se vyvařovala a výsledná kovová sloučenina se roztavila.

22. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, přičemž je elektrolyt v pevné fázi tvořen beta oxidem hlinitosodným nebo beta oxidem hlinitolithiovým.

23. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, obsahující dále čidlo kovu vložené nebo vložitelné do taveniny pro monitorování a řízení množství kovu přidávaného do taveniny.

24. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, obsahující dále trubkové vedení k dopravě roztaveného kovu do taveniny.

25. Způsob nebo zařízení podle nároku 24, přičemž roztavený kov je dopravován do taveniny v proudu inertního plynu.

·· · · ···· · · • r · · · · · ··· ·· · ·· • · · · · ··· ·

26. Způsob nebo zařízení podle nároku 25, přičemž je tlak inertního plynu monitorován prostřednictvím nejméně jednoho měřidla tlaku.

27. Způsob nebo zařízení podle jednoho z nároků 24 až 26, přičemž je trubkové vedení obsaženo v rotoru.

28. Způsob nebo zařízení podle jednoho z nároků 24 až 27, včetně čidla pro měření úrovně průtoku roztaveného kovu trubkovým vedením.

29. Způsob nebo zařízení podle nároku 25 nebo kteréhokoliv nároku na něm závislém, přičemž trubkové vedení zahrnuje uzavírací ventil pro zabránění oxidace roztaveného kovu v případě že proud inertního plynu je zastaven.

30. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, obsahující dále prostředky pro dočasné ukládání roztaveného kovu.

31. Způsob nebo zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, obsahující dále prostředky, zejména čerpadlo, které dopravuje kovový materiál z nádoby pro přidávání kovu do roztaveného materiálu, umístěné mimo nádobu.

32. Zařízení podle nároku 31, přičemž je roztavený materiál dopravován do zařízení pro přidávání kovu do roztaveného materiálu nebo do sousedního zařízení.