HU188704B - Electrode for melted salt-electrolysis - Google Patents

Description

A találmány tárgya elektród olvadt só elektrolízishez, elsősorban olyan fémeknek, mint alumínium, magnézium, nátrium, lítium vagy ezek vegyületeinek előállításához, amely elektród egy fémből vagy fémötvözetből kiképezett, hűtőszerkezettel ellátott, legalább részben hőálló szigetelő réteggel bevont felső szelvényt és legalább egy az aktív anyagból kiképezett alsó szelvényt tartalmaz.

Alumínium, magnézium, alkáli fémek, valamint ezen fémek vegyületeinek elektrolízis útján történő előállításakor elektródként túlnyomó részben szén alapanyagú elektródot, nevezetesen klinker-szén vagy grafit elektródot használnak. Az elektród szerepe az eljárás során elsősorban az áramvezelcs, ennek ellenére gyakran előfordul, hogy maga az elektród is részt vesz az elektrokémiai reakcióban. A tapasztalat azt mutatta azonban, hogy az elektródok az eljárások során gyorsabban kopnak az előzetesen elméletileg kiszámított mértéknél, ami a szén-alapanyagú elektródoknál az elektródoknak az eljárás során végbemenő oxidációjára vezethető vissza.

tonna alumínium előállításakor elméletileg 334 kg szén fogy el elektródonként, míg a ténylegesen mért érték 1 tonna alumínium esetében 450 kg. Hasonlóak a problémák magnézium, nátrium, lítium és cérium ötvözeteknél.

Mind az elektródnak a sóolvadékba merülő részén mellékreakcióként fellépő oxidáció, mind pedig a levegő oxigénjének hatására az olvadékból kinyúló elcktródrész leégése, az elektródnak időnek előtti és egyenetlen kopásához vezet. Ehhez járul még a grafit interszticiós vegyületeinek romboló hatása, amely az elektrolit, illetőleg származékainak hatására jön létre.

Történtek kísérletek arra is, hogy a szénelektródot impregnálás, majd azt követő termokémiai kezelés során egy szén-szilíciumkarbid vegyületté alakítják át, amely esetleg már alkalmas elektródként történő használatra. Ezek a kísérletek azonban a gyakorlatban kevés eredménnyel jártak.

A fent említett hátrányok, valamint a klinkerszén és a grafit egyre növekvő ára arra késztette a gyártókat, hogy formatartó elektródokat próbáljanak létrehozni. A fejlesztés eredményeként nemcsak azt várják el, hogy az olvadt só elektrolízishez évente a Német Szövetségi Köztársaságban a jelenlegi 500 000 tonna olajkoksz fogyasztás fog jelentősen lecsökkenni, hanem azt is, hogy energiarr.egtakaritás is jelentkezni fog.

Ebből a célból egy sor különféle kerámia alapanyagú elektródot próbáltak ki. Kerámia elektródot ismertet az 1 152 124 számú angol szabadalmi leírás, amely lényegében stabilizált cirkóniumoxid, a 4 057 480 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás, amely lényegében cinkoxid elektródot ismertet. Hasonló jellegű a 27 57 898 számú német szövetségi köztársaságbeli közrebocsátási irat, amely lényegében sziliciumkarbid szelepfémboridszén elektródot ismertet, valamint a 77/1931 számú dél-amerikai szabadalom, amely elektródkatalizátorral bevont yttriumoxid elektródot ismertet, vagy pedig a 24 46 314 számú német szövetségi köztársaságbeli közrebocsátási irat által ismertetett elektród, amely kerámia alapanyag spinellbevonattal.

A kerámia alapanyagú elektród betéteknél hát5 rányos, hogy bár vezetőképességet javító komponenseket tartalmaz, mégis legfeljebb közepes villamos vezetőképesség érhető el velük. Ez azonban csak abban az esetben fogadható el, amikor az elektród mérete kicsi, tehát az áramút rövid. Ez a 10 megoldás tehát elsősorban vizes közegű elektrolízisnél alkalmazható, olvadt só elektrolízisnél már nem, mivel az elektródok mérete például alumínium esetében már lényegesen nagyobb.

Alumínium előállításánál az elektród mérete el¹⁵ érheti akár a 950 x 750 mm-es méretet is, míg például magnézium előállításánál, az itt alkalmazott grafit elektród mérete típustól függően 1700 x 200 x 100 mm, illetve Φ 400 * 2200 mm. Ilyen méretű blokkok előállítása a fenti kerámiából ²⁰ rendkívül drága, ugyanakkor problémát jelent a nem megfelelő höállósága hömérsékletváltozáskor, valamint villamos belső ellenállása. Az utóbbi időben különösen előtérbe került az is, hogy a fajlagos ₂₅ energiafogyasztás is kicsi legyen, ami végülis egyik oka volt annak, hogy a kerámia elektródok nem terjedtek el.

A 331 054 számú osztrák szabadalmi leírásban ismertetve van, hogy a fém tartóelem egy részét, ₃Q célszerűen a celián belül található részét, különösen pedig azt a részt, amely az úgynevezett háromfázisú tartományon belül van, árnyékolni kell. Az azonban, hogy ez az árnyékolás hogyan valósítható meg a legelőnyösebben, nevezetesen, hogy például egy 35 oldhatóan elhelyezett alakos idom formájában, valamint az, hogy ez az alakos idom több egységből is állhat, nem tartalmazza a leírás és erre semmiféle ki tanítás sincs. Az alakos idomnak tehát azon kiviteli alakjai, amelyek a leírásban szerepelnek, nem találhatók meg az idézett szabadalmi leírásban.

A találmány célul tűzte ki, hogy olyan új típusú elektródot hozzon létre olvadt só elektrolízishez, amely a technika állásának jelenlegi hátrányait kiküszöbölheti és az elektród szigetelését az agresszív 45 anyagoktól szintén megvalósítja. Különös figyelmet szenteltünk annak a kérdésnek, hogy kicsi áram- és feszültségveszteség megvalósításával oldjuk meg a kitűzött feladatot, ugyanakkor az eddig ismert és elektród betétként alkalmazott aktív ^5Ű anyagok ugyanúgy továbbra is alkalmazhatók legyenek.

A találmányunk szerinti elektród előnyösen anódként alkalmazható. A találmány szerinti elektród azzal jellemezhető, hogy a szigetelő réteget egy ⁵⁵ oldhatóan elhelyezett félköpenyek sorozatából álló csőszegmensek és alakos idom képezi, amely a felső szelvény alsó tartományát, egészen a felső szelvényt és az alsó szelvényt egymással összekapcsoló csavaθθ ros csőkapcsolóig, vagy annak közvetlen közeiéig

Hasonló elektródot alkalmaznak elektroacél előállításához is, azonban éppen igénybevétel szempontjából'alapvető különbségek vannak, így ahhoz, hogy valaki az olvadt só elektrolízis területén 65 újszerű, az elektrolízis során kedvezően alkalmaz-2/

188 704 ható elektródot hozzon létre, semmiféle különleges ismeretekkel nem kell rendelkezzen az acélgyártás során alkalmazott elektródokkal kapcsolatosan. Ehhez kiegészítésül még hozzátesszük, hogy ívkemencékben történő acélgyártásnál az elektródok 5 teljes egészükben a kemence terében vannak és az elektród csúcsai és az olvadt vasanyag között keletkezik a villamos iv. ívkemencékben az elektródok igen nagy váltóáramú terhelésnek vannak kitéve és a mágneses tér változásának hatására állandó réz-10 géseknek is ki vannak téve. A működési hőmérséklet 1700 ’C tartományban van, de az elektródok csúcsa közelében, ahol az ív is képződik, a hőmérséklet még ennél is magasabb. A keletkező ív ezenkívül az elektród oldalfelülete mentén kúszni tud és ¹⁵ ez az oldalfelületek beégéséhez vezet. További alapvető különbség, hogy ívkemencékben az elektródok igen nagy mechanikus terhelésnek is ki vannak téve tekintettel arra, hogy az olvadékban lévő salak darabok és más egyéb szilárd hulladék gyakran ²⁰ spriccel felfelé is.

Más a helyzet az olvadt só elektrolízisnél, aholis az anódnak az aktív része az, ameiy az olvadékba merül. Villamos ivek itt nem keletkeznek, az elekt- _2g ród egyenárammal, mégpedig lényegesen kisebb egyenárammal van terhelve. Az olvadt só elektrolízisnél a működési hőmérséklettartomány is lényegesen kisebb, mint az acélgyártásnál, a problémát azonban az olvadt só elektrolízisnél keletkező ag- 33 resszív gázok és gőzök okozzák, továbbá az, hogy jóllehet az elektród akár teljes hosszában belemerülhet az olvadékba, vannak olyan részei is, amelyek az elektrolizáló berendezés gázterében vannak.

Ez a probléma különösen az úgynevezett háromfá- 35 zisú tartományban nagy, ilyen tartomány acélgyártásnál egyáltalában nincs is.

A találmányunk szerinti elektróda szigetelő rétegként előnyösen egy olyan alakos idomot tartalmaz, amely oldhatóan van elhelyezve. „Szigetelő” 40 kifejezésen a találmány keretén belül minden esetben az értendő, hogy az ezzel a jelzővel ellátott anyag, az elektrolízis anyagának ellenáll, és amely anyag adott esetben lehet villamosán is szigetelő.

A találmány szerinti elektród előnyös kiviteli 45 alakjánál az alakos idom és a felső szelvény külső peremrésze egymással alakzáróan van összekapcsolva.

További jellemzője a találmány szerinti elektródnak, hogy az alakos idom egy a felső szelvény ⁵⁰ fémrészében kiképezett bevágás és egy a csavarozható csőkapcsoló tartományában elhelyezett ellencsapágy, vagy a csőkapcsoló, az aktív rész, vagy ezek tetszőleges kombinációja érintkezésében van _g5 elhelyezve.

Jellemző továbbá a találmány szerinti elektródra, hogy az alakos idom a felső szelvény fém részében kiképzett bevágás és a csőkapcsoló tartományában elhelyezett ellencsapágy, valamint a cső- θθ kapcsoló az aktív rész vagy ezek tetszőleges kombinációjához van oldhatóan rögzítve.

A találmány szerinti elektród egy további előnyös kiviteli alakjára az jellemző, hogy az alakos idom a felső szelvény fém részében kiképezett fura- 65 tokban vezetett csapokkal vagy csavarokkal van az ellencsapágyhoz erősítve.

Egy további jellemzője a találmány szerinti elektródnak, hogy a felső szelvénynek az alakos idom belső része felé eső tartománya vastag, nagy igénybevételnek kitehető réteggel van bevonva.

A találmány szerinti elektród egy másik előnyös kiviteli alakjánál a szigetelő alakos idom hőálló kerámiából vagy szigetelő réteggel bevont grafitcsőből van kiképezve.

Jellemzője a találmány szerinti elektródnak ezenkívül, hogy az alakos idom a felső szelvények fémrészén kiképezett tartóelemekre van felfüggesztve.

A tatálmány szerinti elektródra jellemző továbbá, hogy a szigetelő alakos idom a fémrész felső tartományában szigetelő, hőálló, önthető anyaggal van helyettesítve, amely azután a tartóelemekre van rögzítve.

Újabb jellemzője a találmány szerinti elektródnak, hogy a szigetelő alakos idom egy-egy részszegmens kiesése vagy sérülése esetén a maradó részszegmensek vagy maga a szigetelőcső az elektród hossztengelye irányában az igénybevételi tartomány felé elmozdulóan van elhelyezve.

A találmány szerinti elektród egy újabb előnyös kiviteli alakjánál az aktív anyagból kiképezett alsó szelvény rudak, lemezek és csövekből van kiképezve, amelyek egymással adott esetben össze vannak kapcsolva.

Jellemző a találmány szerinti elektródra az is, hogy az alsó szelvény több egységből áll, amelyek egy vagy több csőkapcsoló által vannak megfogva, amely csőkapcsolók egységei egymás mellett és/ vagy egymás alatt vannak elhelyezve.

További jellemzője a találmány szerinti elektródnak, hogy az aktív anyag amorf szén, grafit vagy vezető kerámia, vagy nem-szerves szálak elektrokémiailag aktív anyaggal való vegyületet képezi.

A találmány szerinti elektród egy másik előnyös kiviteli alakjánál az alakos idom legalább az elektrolittal és a keletkező anyaggal érintkező részén gáz-, ill. folyadéktömítetten van elrendezve.

Aktív anyagként, amely aktív anyag egy vagy több csavarozható csőkapcsolón keresztül vagy esetenként menetesen van a felső szelvénnyel összekötve, használható amorf-szén, grafit, kerámia vezető vagy szervetlen rostok és elektrokémiailag aktív anyagok kombinációja.

Azokban az esetekben, amikor a felső szelvény nincs túl nagy hőhatásnak kitéve, a hűtőrendszer el is hagyható.

A találmány szerinti elektród egy sor előnyös tulajdonsággal rendelkezik. Ezek közül elsősorban azt kell kiemelni, hogy az elektródoknál az aktív részhez vezető úton különösen csekély az áram- és feszültségveszteség. Ezáltal a szokásos tömör egységekhez képest, legyen az szénből, grafitból vagy kerámia alapanyagból kialakítva, jelentős energiamegtakarítás érhető el. További előnye a találmány szerinti elektródnak, hogy az oldalbeégés minimális, mert nem a teljes elektród, csupán annak az aktív része van az elektrolízisben résztvevő közegnek és az eljárás során képződő gázok és gőzök

188 704 agresszív hatásának kitéve. Előnyként jelentkezik tovább, hogy az elektród igen sok helyen alkalmazható, gyakorlatilag az olvadt-só elektrolízis területén mindenütt, mivel az aktív anyagok cserélhetők.

További előny, hogy a szigetelő alakos idom az elektród előállítása során egyszerűen egy célszerű helyzetbe helyezhető el. Abban az esetben, ha kívül elhelyezett tömör szigetelőegységet alkalmazunk, a mechanikus tulajdonságok is tovább javulnak. Ha a külső szigetelő tartományt több szegmensre osztjuk fel, zavar vagy sérülés miatt nem szükséges a teljes elektródot kicserélni, elegendő csak a sérült részt, amely gyorsan és gazdaságosan megvalósítható.

Ha a szigetelő alakos idom lazán van elhelyezve, és több darabból van kialakítva, akkor egy részszegmens sérülés esetén, a következő, felette elhelyezett részszegmens az előbbi helyére csúszik, és :zt adott esetben egy rugóval is biztosítjuk. így az elektród sérülés esetén is továbbra is üzemképes marad, mivel az elektródnak a legalsó, legjobban veszélynek kitett tartományát a mindig utánálló ép szegmens továbbra is megvédi.

Annak ellenére, hogy a szigetelő alakos idom, vagy a szigetelő réteg, amennyiben ez több szegmensből vagy félköpenyekből van kialakítva, tengelyirányban, valamint a belső kitámasztás irányába is el tud mozdulni, és egy célszerűen kiképzett hornyos-eresztékes kialakítás megvalósításával, az elektród érzékeny fémrészének a teljesebb, jobb védelme valósítható meg. Ha azonban ennek ellenére az elektród védőrétegének alsó tartománya mégis megsérül, az esetek többségében az elektród mindaddig tovább működtethető, míg nem lesz szükség a fogyó résznek, ami például grqfitból van kialakítva, a cseréjére.

Ha az elektródot kiveszzük, akkor a sérült szegmens cseréje minden további nélkül, egyszerűen megoldható.

A továbbiakban a találmány szerinti elektródot példakénti kiviteli alakjai segítségével, ábrákon ismertetjük. A példaként ismertetésre kerülő elektród előnyösen anódként alkalmazható, amelyeknél a felső szelvény vezető fémből kiképzett, egy nagyobb átmérőjű felső részből és egy kisebb átmérőjű alsó részből áll. A kisebb átmérőjű rész van azután, legalább részben egy szigetelő alakos idommal borítva.

Az ábrákon az

1. ábra a találmány szerinti elektród egyik lehetséges kiviteli alakjának hosszirányú metszeti rajza, a

2. ábra a találmány szerinti elektród egy másik lehetséges kiviteli alakjának hosszirányú rcszmetszete, ahol a szigetelő réteg által védett tartományt, valamint a hozzá csatlakozó elfogyó részt az ábrán nem mutatjuk, a

3. és 4. ábrákon a felső fémszelvény, illetőleg annak alsó, kisebb átmérőjű résztartományának keresztmetszeti rajzai láthatók, két különböző változatban, és az

5. ábra az elektród aktív részének alulnézeti rajza.

Az 1. ábra i látható elektródnál a hűtőközeg, amely lehet \íz, levegő vagy semleges gáz, egy 2 előremenő csa.ornában van bevezetve, és egy 3 visszamenő csitornán keresztül van kivezetve. 5 Emellett a hűtőközeget, egy az 1 csőkapcsolóban kiképzett üregbe is bevezetjük. Az 1 csőkapcsoló kialakítható öntöttvasból, nikkelből, vagy más hőés korrózióálló fémötvözetböl. Az 5 felső szelvény fémből van kialakítva, és egy felső, nagyobb átmé10 rőjű tartományból, és egy alsó, kisebb átmérőjű tartományból áll, amely egészen az 1 csőkapcsolóig be van vonva, és amely 1 csőkapcsoló az alsó szelvényhez való kapcsolatot biztosítja, amely alsó szelvény elfogyó anyagból, grafitból vagy kerámia ⁱ⁵ aktív anyagból van. A felső tartományban a 4 alakos idomot a fémből készült nagyobb átmérőjű tartomány felső pereme határolja.

Az 1. ábrán bemutatott elektródnál a szigetelő 4 alakos idom szegmensekből van kiképezve, ame^2U Ivek. ha az egyik (alsó) szegmens eltörik, a tengely irányába el tudnak csúszni. Ezek lehetnek váltakozva elhelyezve, de 14 horgas elemek (2. ábra) által megfogottan is.

, - A 15 hütőfuratok mellett további 8 furatok (2. ábra) képezhetők ki, amelyeken át egy 9 csap segítségével egy 10 rugón keresztül a 4 szigetelő alakos idom megfelelő helyzete biztosítható.

A 2. és a 4. ábrákon a szigetelő a idom fémköpe2) nyék összekapcsolásával van megvalósítva, vagy gyűrűkből áll, például grafitból, amely azután egy szigetelő réteggel van borítva.

A 6 alsó szelvény elfogyó vagy tartós anyagból van kiképezve, és egy sor 20 rúdból van kialakítva, amelyeket az 1 csőkapcsoló köt össze.

Előnyös, ha az oldalsó áram hozzá vezetés 18 polákkal van biztosítva, amelyeket az ábrán nem látható, előnyösen fémből készült tartószerkezetek tartanak.

A 4 szigetelő réteg és az 5 felső szelvény között, az ábrán közelebbről nem jelölt gázszellőztető csatornák alakíthatók ki. Ezeken a csatornákon keresztül a szigetelő kerámia sérülése, például nyomásesés formájában érzékelhető, és könnyen ⁴⁵ megállapítható. A találmányhoz tartozik még az is, hogy az 5 felső szelvény és/vagy az 1 csőkapcsoló, illetőleg ezeknek a külső felülete nagy hőállóságú réteggel van borítva.

A nagy hőállóságú réteg, a nagy hőállóságú 4 szigetelő réteg méretezésétől függően, amely 4 szigetelő réteg az 5 felső szelvényt legalább részben körülveszi, kiképezhető villamosán vezető vagy akár villamosán szigetelő anyagból is. A szigetelt kivitelnek az az előnye, hogy egy további védelmet ^ü biztosít, amikor a külső 4 szigetelő réteg például eltörik. Abban az esetben, ha ezzel a ténnyel nem kell számolnunk, akkor a védőborítást célszerű nagy hőállóságú, vezető anyagból kiképezni, és ez₆₀ által az alatta lévő fémnek egy további „hőárnyékoló” védelme valósul meg.

Claims (5)

Szabadalmi igénypontok

1. Elektród olvadt-só elektrolízishez, előnyösen Al, Mg, Na, Li vagy ezek ötvözeteinek elektrolitikus úton történő előállítására, amely elektród egy 5 fémből vagy fémötvözetből kiképezett, hűtőszerkezettel ellátott, legalább részben höálló szigetelő réteggel bevont felső szelvényt és legalább egy az aktív anyagból kiképezett alsó szelvényt tartalmaz, azzal jellemezve, hogy a szigetelő réteget oldhatóan 10 elhelyezett, félköpenyek sorozatából álló csőszegmensek és alakos idom (4) képezik, amely a felső szelvény (5) alsó tartományát, egészen a felső szelvényt (5) és az alsó szelvényt (6) egymással összekapcsoló csavaros csőkapcsolóig (1), vagy annak ^1í> közvetlen közeiéig körülveszi.

2. Az 1. igénypont szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy az alakos idom (4) és a felső szelvény (5) külső peremrésze egymással alakzáróan van összekapcsolva. ²⁰

3. Az 1. igénypont szerinti elektród, azzal jellemezve. hogy az alakos idom (4) a felső szelvény (5) fém részében kiképzett bevágás és a csőkapcsoló (1) tartományában elhelyezett ellencsapágy (7), vala- ₂₅ mint a csőkapcsoló (1), az aktív rész vagy ezek tetszőleges kombinációjához van oldhatóan rögzítve.

4. Az 1. igénypont szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy az alakos idom (4) felső szelvény fém ₃₀ részében kiképezett furatokban (8) vezetett csapokkal vagy csavarokkal van az ellencsapágyhoz erősítve.

5. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy a felső szelvénynek 35 (5) az alakos idom belső része felé eső tartománya (12) vastag, nagy igénybevételnek kitehető réteggel van bevonva.

6. Az 1 - 5. igénypont bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy a szigetelő alakos idom (4) höálló kerámiából vagy szigetelő réteggel bevont grafitcsőből van kiképezve.

7. Az 1 - 6. igénypontok bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy az alakos idom (4) a felső szelvények fémrészén kiképezett tartóelemekre (14) van felfüggesztve.

8. Az 1 - 7. igénypontok bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy a szigetelő alakos idom (4) a fémrész félső tartományában, szigetelő, hőálló, önthető anyaggal van helyettesítve, amely azután a tartóelemekre van rögzítve.

9. Az 1 - 8. igénypontok bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy a szigetelő alakos idom (4) az elektród hossztengelye irányába az igénybevételi tartomány felé elmozdulóan van elhelyezve.

11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy az aktív anyagból kiképzett alsó szelvény (6) rudakból, lemezekből és csövekből van kiképezve, amelyek egymással adott esetben össze vannak kapcsolva.

12. Az 1-11. igénypontok bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy az alsó szelvény (6) több egységből (20) áll, amelyek egy vagy több csőkapcsoló által vannak megfogva, amely csőkapcsoló egységei egymás mellett és/vagy egymás alatt vannak elhelyezve.

13. Az 1-13. igénypontok bármelyike szerinti elektród, azzal jellemezve, hogy az alakos idom (4) legalább az elektrolittal és a keletkező anyaggal érintkező részén gáz-, ill. folyadéktömítetten van elrendezve.

5 db ábra