Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_2079
.pdf
В ячейке с поперечным сечением электролита 9,6 квадратных футов было установлено, что
предпочтительный ток, как правило, составляет 8500 ампер, но при этом... T500 и 0,12 000 ампер. _.
Предпочтительная плотность тока в ячейке, имеющей Таким образом, допустимый ток составляет 885 ампер
на квадратный фут, при этом допустимый минимум составляет около 780 ампер, а допустимый максимум —
около 1250 ампер на квадратный фут. При предпочтительной плотности тока мужчины- Минимальное
напряжение элемента может составлять около 6 вольт. Более крупные ячейки могут работать с более низкими
плотностями тока и при более низких напряжениях, а за счет изменения размера ячейки, состава ванны,
проводимости ванны и эффективности теплоизоляции, настоящий процесс электролитической рафинировки
может быть реализован в промышленных масштабах при плотности тока от примерно 500 до примерно 2500
ампер на квадратный фут поперечного сечения ванны. В целом, нижний практически достижимый предел
напряжения составляет около 3,5 вольт, а верхний предел, конечно же, неопределен.
Ток отводится от расплавленного алюминиевого катода предпочтительно с помощью электродов или
токопроводящих элементов. Они изготовлены из графита в виде коротких, толстых стержней или цилиндров и
защищены от окисления на воздухе с помощью неокисляемого покрытия, которое может состоять из
расплавленного материала, нанесенного на стержни тонким слоем и подвергнутого застыванию. Следует
понимать, что изобретение не ограничивается деталями, конкретно изображенными или описанными здесь,
но может быть реализовано другими способами и с использованием другого оборудования без отклонения от
нормы.
=== НАЧАЛО ФАЙЛА: patent_208714.txt ===
ССЫЛКА: https://translationportal.epo.org/emtp/translate/?ACTION=description-retrieval&COUNTRY=GB&ENGINE=
google&FORMAT=docdb&KIND=A&LOCALE=sq_AL&NUMBER=208714&SRCLANG=EN&OPS=ops.epo.org/3.2&T
RGLANG=ru
========================================
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ GB208714A
[]
Усовершенствования в области электролитической рафинировки металлов или относящиеся к ней.
Мы, компания ALUMINUM COMPANY OF AMERICA, корпорация штата Пенсильвания, Соединенные Штаты
Америки, имеющая свой главный офис в здании Oliver Building, Питтсбург, Пенсильвания, Соединенные
Штаты Америки, являемся правопреемниками Уильяма Хупса и Фрэнсиса Коулза Фрэри, обоих граждан
Соединенных Штатов Америки. Оливер Билдинг, Питтсбург, Пенсильвания, и Окмонт, округ Аллегейни,
Пенсильвания, оба в Соединенных Штатах Америки, настоящим заявляют о характере данного изобретения и
о способе его осуществления, которые будут подробно описаны и установлены в следующем заявлении: —
Данное изобретение относится в целом к электрохимической рафинировке, в частности алюминия, путем
удаления или отделения металла от сплава или его смеси с другими веществами, и относится более
конкретно к процессу рафинировки, в котором электролит плавает в расплавленном состоянии на
расплавленном сплаве; последний используется в качестве анода, а удаленный алюминий осаждается на
слое расплавленного алюминия в качестве катода, плавающего на электролите.
В широко используемом процессе восстановления алюминия, при котором алюминий получают путем
восстановления его оксида, используется криолитовая ванна или электролит. Однако в описанном здесь
процессе, в котором желательно, чтобы очищенный металл плавал на поверхности электролита, такая ванна,
хотя и пригодна для других целей, не может использоваться отдельно, поскольку в расплавленном состоянии
она легче алюминия и, следовательно, позволит последнему опуститься на дно. Хотя для достижения
необходимой плотности можно добавлять и другие соли, такое добавление легко приводит к различным
трудностям, в результате чего не удается получить чистый металл, и, насколько нам известно, ни один из
предшествующих изобретателей до сих пор не добился коммерческого успеха ни таким, ни каким-либо другим
способом. Мы обнаружили, что успех может быть достигнут, и может быть получена ванна, сочетающая в
себе желаемые характеристики плотности, текучести, стабильности, способности растворять оксид алюминия,
проводимости, а также селективного растворения и осаждения алюминия в процессе электролиза, путем
добавления к криолиту (или, предпочтительно, к смеси фторидов алюминия и натрия, более богатой
фторидом алюминия, чем криолит) солей щелочноземельных металлов.
Эти металлы осаждаются из раствора гораздо медленнее, чем алюминий, и мы обнаружили, что некоторые из
их солей являются единственными общедоступными материалами, подходящими для повышения плотности
раствора. Мы обнаружили, что единственными материалами, в значительной степени обладающими другими
необходимыми или желательными характеристиками, являются фториды этих металлов (бария, стронция,
кальция и магния). Эти соединения образуются с криолитом, представляющим собой легкоплавкие смеси,
однако опыт показывает, что фторид магния оказывает меньшее влияние на повышение плотности раствора,
чем любой другой. Фторид бария предлагался в качестве компонента электролитов для других целей, но,
насколько нам известно, до настоящего времени никто не предлагал его использование для рафинирования
алюминия и не предоставлял необходимой информации о свойствах смесей фторида бария и криолита для их
успешного применения. Однако было установлено, что в определенных пределах смеси упомянутых веществ
образуют превосходные электролиты, и что такая смесь не теряет фторид алюминия в результате испарения
при рабочей температуре в значительной степени.
Его электропроводность и способность растворять оксид алюминия также хороши. Плотность алюминия
составляет 99. Чистота в процентах составляет приблизительно 2,29 грамма на кубический сантиметр при
температуре 1000°C. При этой температуре плотность расплавленного криолита составляет приблизительно
2,10 грамма на кубический сантиметр. Для повышения плотности при указанной температуре мы обнаружили,
что на каждые 80 частей криолита необходимо добавить около 20 частей фторида бария. Если использовать
фторид кальция, потребуется примерно 40 частей на 60 частей криолита. При этом вышеупомянутая смесь
криолита и фторида бария полностью находится в жидком состоянии при температурах выше 965 °C. Для
поддержания текучести смесей фторида кальция и криолита, содержащих около 40 процентов или более
первого по весу, требуется температура выше 1000 °C. Это привело бы к тому, что рабочая температура
ванны стала бы нежелательно, а в некоторых случаях и непрактично высокой. С другой стороны, смеси
криолита и одного или нескольких фторидов щелочноземельных металлов с атомной массой выше 80, как
правило, подходят; хотя, конечно, радий следует исключить по очевидным причинам.
Таким образом, смеси криолита и фторида бария, содержащие от 20 до 60 процентов последнего по весу,
легко плавятся при температурах ниже 1000 °C и имеют плотность в расплавленном состоянии в диапазоне от
2,38 до 3,15 грамма на см³ при 1000 °C. Даже самая тяжелая из этих смесей достаточно легкая, чтобы плавать
на любом из ряда расплавленных алюминиевых сплавов, пригодных для использования в качестве анода при
электролитическом рафинировании алюминия. Плавленая смесь криолита и фторида стронция, содержащая
от 20 до 60 процентов последнего, находится в пределах допустимого диапазона плотностей для наших
целей, однако такие смеси, содержащие более 40 процентов фторида стронция, как правило, не так легко
плавятся, как смеси, содержащие соответствующее количество фторида бария. При работе с ванной
описанного выше типа было замечено значительное осаждение металлического натрия на катоде, и этот
натрий, находясь в парообразном состоянии, проходит через расплавленный алюминиевый катод и
накапливается в образующейся сверху корке, где создает трудности в отводе тока от катодного металла.
Углеродистые стержни, используемые для отвода тока из плавающего слоя алюминия, подвергаются
воздействию натрия и в конечном итоге разрушаются. Однако мы обнаружили, что эту проблему можно
уменьшить, не оказывая серьезного влияния на плотность расплава, за счет увеличения доли фторида
алюминия по сравнению с фторидом натрия, хотя такое увеличение заметно повышает электрическое
сопротивление расплава. В качестве примера ванн или электролитов, которые, как показало практическое
использование, оказались подходящими, мы рекомендуем тот, который имеет приблизительно следующий
состав: фторид бария — от 30 до 38 процентов. Фторид натрия - от 25 до 30 процентов. Фторид алюминия —
от 30 до 38 процентов. Содержание оксида алюминия - - - от 0,5 до 3 процентов. Фторид кальция и магния
(присутствует в качестве неизбежных примесей — около 2 процентов). Такая ванна полностью расплавляется
при всех температурах выше 900 °C и позволяет проводить рафинирование при температуре около 950 °C.
При этой температуре ванна обладает удовлетворительной стабильностью, хорошей электропроводностью и
удовлетворительной плотностью, а также может растворить до 7% своего веса оксида алюминия.
Следует понимать, что фториды натрия и алюминия в электролите могут частично обеспечиваться
криолитом, состав которого общепринят как 3NaF·AlF. Было замечено, что плотность этих расплавленных
ванн уменьшается с повышением температуры быстрее, чем плотность расплавленного алюминия, поэтому
целесообразно обеспечить четкий запас прочности между этими двумя плотностями, чтобы в случае
перегрева ячейки ванна не стала настолько легкой, чтобы верхний слой алюминия опустился на дно.
Плотность ванны указанного выше состава составляет примерно от 2,5 до 2,7 при 950 °C и от 2,4 до 2,6 при
1100 °C, соответственно, чистый алюминий будет плавать на поверхности ванны при этих температурах,
поскольку плотность алюминия при 950 °C составляет около 2,30, а при 1100 °C – около 2,30. Содержание C
составляет примерно 2,26 грамма на кубический сантиметр. Ранее предлагались два электролита: один
состоял из криолита, насыщенного оксидом алюминия, а другой — из криолита и хлорида бария, однако мы
обнаружили, что добавление оксида алюминия к криолиту фактически уменьшает, а не увеличивает
плотность.
Добавление хлорида бария действительно увеличивает плотность ванны, но не так сильно, как добавление
фторида кальция, стронция или бария. Однако ванна, состоящая на 40 процентов из хлорида бария и на 1
процент из оксида графита, имеет такую плотность, что при 1000 °C алюминий чистотой 99,75% едва будет
плавать на ней, но если температуру повысить до 1050 °C, его плотность уменьшится до такой степени, что он
станет легче алюминия, и последний, следовательно, утонет. Для получения плотности около 2,48 при
1000°C, что дало бы плотность- Если температура ванны и алюминия составляет 1000 °C, а разница
составляет около 0,1 при 1050 °C, то необходимо использовать смесь, состоящую примерно из 10 частей
оксида графена, хлорида бария и 40 частей криолита. Хотя точки замерзания таких смесей выгодно низкие,
они имеют недостатки, заключающиеся в образовании чрезмерного количества паров при температурах около
1000 °C, а также в том, что они являются плохими растворителями оксида алюминия.
Таким образом, вышеупомянутая ванна, содержащая 60 процентов хлорида бария, способна растворить лишь
около 1 процента оксида алюминия. С другой стороны, электролит, содержащий криолит и 60% фторида
бария (вместо хлорида), растворит от 4 до 5% оксида алюминия; а аналогичный электролит, содержащий 40%
фторида бария, имеющий удельную плотность около 2,73, растворит от 8 до 9% оксида алюминия при
температуре 1000°C. Таким образом, электролиты такого типа выгодны по следующим причинам.
Растворимость оксида алюминия в любой из криолитовых ванн увеличивается с повышением их
температуры, но если добавлять оксид алюминия до насыщения ванны, то обнаружится, что небольшое
снижение температуры приведет к выпадению части оксида алюминия в осадок в виде корунда или
корундоподобной формы, с которой будет механически связано большее или меньшее количество ванны. В
работающей электролитической ячейке часть ванны, прилегающая к стенкам, вместе с той частью, которая
образует верхний слой или соприкасается с ними, имеет температуру значительно ниже, чем температура
основной части ванны. Таким образом, если в ванну попадает достаточное количество оксида алюминия для
ее насыщения, естественная циркуляция вызовет осаждение части оксида алюминия на стенках ячейки в виде
утолщенной корки.
Практическая эксплуатация такой ванны показала, что после кристаллизации оксида алюминия в этой форме
его повторное растворение в ванне крайне затруднительно. Наличие определенного количества такой корки
на внутренней поверхности ячейки желательно из-за ее тепло- и электроизоляционных свойств; однако, чтобы
предотвратить образование нежелательного количества этого отложения, которое в противном случае
постепенно заполнило бы ячейку и нарушило бы ее работу, важно поддерживать содержание оксида
алюминия ниже точки насыщения. Для поддержания этого состояния на практике желательно, чтобы ванна
была способна растворять значительное количество оксида алюминия, чтобы компенсировать неизбежные
колебания, связанные с условиями эксплуатации; поскольку добавление оксида алюминия в ванны может
быть вызвано любой из следующих причин: (A) гидролиз фторида алюминия под действием влаги.
Капиллярное действие постоянно поднимает часть раствора между верхним слоем металла и стенкой ячейки,
так что он образует корку на поверхности металла, где поддерживается высокая температура и контактирует с
воздухом.
Избыток раствора сверх того, что может затвердеть, образуя эту корку, время от времени просачивается
сквозь металл, и когда корка нарушается или разрушается, ее части опускаются сквозь металл и
возвращаются в основную массу раствора. (B) Реакция оксида (или гидроксида) натрия с фторидом
алюминия. В той или иной степени на катоде всегда выделяется натрий, часть которого поднимается через
металлический слой, вероятно, в виде пара, и достигает верхней корки, где окисляется при контакте с
воздухом. (C) Прямое окисление плавающего слоя алюминия воздухом, проникающим через трещины в
верхней коре. (D) Алюминиевая пыль, которая всегда присутствует на предприятии, где используется процесс
Холла для производства алюминия, осядет на корке рафинировочной камеры, если этот процесс
используется на том же предприятии. Ненасыщенность электролита настолько важна, что в реальных
условиях промышленной эксплуатации, как правило, необходимо периодически удалять оксид алюминия. Это
можно удобно сделать различными способами, например, с помощью одного из методов, описанных ниже.
Один из вариантов электролитической ячейки, используемой в настоящем процессе рафинирования
алюминия, с добавлением средств для снижения содержания оксида алюминия в ванне, показан на
прилагаемых к настоящему документу чертежах, на которых рис. ] представляет собой вид ячейки сверху. На
рисунках 2 и 3 представлены поперечные сечения по линиям 2-2 и 3 3, соответственно, рисунка 1. На рисунках
4 и 5 представлены детальные поперечные сечения по линиям 4 и 5-5, соответственно, рисунка 1,
иллюстрирующие соединения воды с водяными рубашками, а также соединения воды с ними. На рис. 6
представлен детальный поперечный разрез по линии 6 6 на рис. 1, демонстрирующий способ подключения
верхних электродов к отрицательным шинам. На рис. 7 представлен детальный поперечный разрез в той же
плоскости, что и на рис. 2, иллюстрирующий способ соединения верхней и нижней частей оболочки для
обеспечения надлежащего сцепления! механическая прочность без электрического соединения. На рис. 8
представлен детальный поперечный разрез, иллюстрирующий подходящий анод для использования в
процессе деоксидации электролита. На рис. 9 представлен детальный поперечный разрез в той же плоскости,
что и на рис. 2, иллюстрирующий огнеупорную электрически и термически изолирующую корку, которая
образуется и поддерживается над расплавленным катодным слоем.
Нижний корпус или секция корпуса 10 предпочтительно изготавливается из стали в виде цилиндрического
сосуда, диаметр которого значительно превышает высоту, а в верхней части или вблизи нее предусмотрена
водяная рубашка 11, которая наиболее удобно формируется путем размещения на верхнем крае секции
корпуса выступающего наружу фланца 12 соответствующей ширины и расширяющегося или конического
кольца 12a, приваренного или иным образом герметично соединенного с нижней стороной фланца и с
корпусом корпуса ниже. Над нижней секцией оболочки 10 расположена верхняя секция оболочки 13, которая
также может быть изготовлена из стали и иметь полые стенки, образующие верхнюю водяную рубашку 14.
Внутренняя поверхность верхней части корпуса предпочтительно имеет расширяющуюся форму, как показано
на рисунке. Для обеспечения электрической изоляции или разделения секций между ними может
использоваться плоское кольцо или прокладка 15 из асбеста или другого подходящего материала. Для
обеспечения достаточной механической прочности конструкции оболочки секции могут быть скреплены между
собой с помощью машинных шпилек 16, проходящих вверх через фланец 12 и ввинчивающихся в прокладки
17, приваренные к нижней части верхней оболочки внутри водяной рубашки.
Для предотвращения электрического замыкания в отверстиях фланца 12, через которые проходят шпильки,
могут быть установлены изоляционные втулки 18, а также могут использоваться изоляционные шайбы 19.
Если используются водяные рубашки, как это будет в большинстве случаев, втулки и шайбы не будут
подвергаться воздействию высоких температур, и поэтому их можно изготавливать практически из любого
изоляционного материала, который не размягчается при температурах ниже 100°C и который может
выдерживать сжимающее напряжение, создаваемое шпильками. Предусмотрены соответствующие
соединения для подачи воды в водяные рубашки, и для простоты и удобства эти соединения могут быть
сконструированы и расположены таким образом, чтобы вода протекала через две рубашки последовательно,
предпочтительно сначала через нижнюю рубашку. Для этой цели рубашка 11 может быть снабжена снизу
входным патрубком 20, соединенным трубой 21 с любым удобным источником воды, не показанным на
рисунке, а сверху (для предотвращения образования воздушных пузырьков) выходным патрубком 22,
соединенным трубой 23 с входным патрубком 24, через который вода из нижней рубашки подается в нижнюю
часть верхней.
Последний снабжен выходным патрубком 25 (вверху для предотвращения образования воздушных пробок),
который может быть соединен с канализационной трубой 26 посредством трубы 27. Во избежание
электрического замыкания трубы 21 и 27 могут быть выполнены из резинового шланга, как и труба 23,
обеспечивающая электрическую разобщенность двух секций корпуса. Вода, используемая при соединении
рубашек, должна быть достаточно чистой, чтобы предотвратить протекание тока от одной секции оболочки к
другой при напряжении, используемом в работе. В нижней части нижней оболочки может быть предусмотрен
слой 28 теплоизоляционного материала, например, порошкообразного боксита, оксида алюминия, оксида
магния или огнеупорных кирпичей, для уменьшения или минимизации потерь тепла через дно ячейки, а над
этим слоем находится нижняя облицовка 29 из огнеупорного электропроводящего материала,
предпочтительно углерода, и предпочтительно имеющая полость или углубление в своей верхней части для
размещения сплава или другого материала, подлежащего рафинированию. Дно можно удобно и качественно
изготовить, утрамбовав в оболочку смесь смолы, битума и гранулированного или порошкообразного кокса при
температуре, достаточно высокой для придания массе пластичности, и поместив оболочку с содержимым в
печь, в которой температура постепенно повышается, скажем, примерно до 600 градусов.
С., с целью обжига и затвердевания углеродистой массы. Надежное электрическое соединение между
корпусом и его нижней облицовкой может быть обеспечено с помощью металлических коллекторных пластин
31, приваренных к внутренней поверхности корпуса таким образом, чтобы обеспечить электрическую и
механическую непрерывность с ним. Эти пластины выступают внутрь, в нижнюю облицовку, которая
отформована вокруг них. В плоскости коллекторных пластин на внешней стороне корпуса могут быть
расположены металлические контактные площадки 32, предпочтительно приваренные к корпусу таким
образом, чтобы быть механически и электрически непрерывными с ним, к которым могут быть надежно
прикреплены болтами шины или стержни из меди, алюминия или другого подходящего металла. Шины могут
быть выполнены в виде длинных плоских пластин 33, охватывающих нижнюю часть корпуса, с концами,
выведенными с одной стороны ячейки для удобного подключения к одному из выводов подходящего
источника (не показан) непрерывного или однонаправленного тока. В процессе переработки эти шины
подключаются к положительному полюсу источника, так что ток поступает в ячейку снизу.
Углеродное дно или нижняя облицовка (29) представляет собой то, что для удобства можно назвать нижним
электродом ячейки. Верхний электрод может быть многокомпонентным, как указано, и предпочтительно
состоять из соответствующего количества коротких толстых стержней 34 из графита, расположенных
вертикально и имеющих медные или другие металлические стержни, навинченные или иным образом
надлежащим образом закрепленные на вершинах электродов. Эти металлические стержни служат для
поддержки верхних электродов и передачи тока к ним или от них, и для этой цели они могут быть надежно и
регулируемо закреплены, например, с помощью зажимов 36, на металлических шинах 37, расположенных
горизонтально поперек ячейки. Для удобства доступа к электродам, регулировки, замены и т. д. шины могут
быть расположены на двух или более разных уровнях, как указано, и могут опираться на множество ножек 38
и закрепляться на них, образуя жесткий каркас. Последние могут опираться на верхнюю часть корпуса, в этом
случае они изолированы от корпуса любым удобным и подходящим способом, не показанным на рисунке.
Признается, что, строго говоря, алюминиевый слой на ванне и слой сплава под ванной являются,
соответственно, верхним и нижним электродами, но эти слои здесь называются катодом и анодом, и поэтому
считается допустимым и удобным называть графитовые цилиндры и углеродное дно, или их эквиваленты,
верхним и нижним электродами. Металл или другой расплавленный материал может быть извлечен из
верхней части ячейки через смотровой паз 39, который может быть закрыт с помощью любого подходящего
огнеупорного материала. Расплавленный металл или другой материал может быть извлечен из нижней части
ячейки через отверстие или сливное отверстие 40, которое может быть закрыто пробкой из плотного
древесного угля. Внутри ячейки находится боковая облицовка 45, идущая вверх от углеродного дна 29, над
стыком между секциями оболочки и далеко вверх или даже над верхней частью верхней секции оболочки.
Боковая облицовка должна обладать тепло- и электроизоляционными свойствами, чтобы уменьшить или
минимизировать передачу тепла к водяным рубашкам, а также предотвратить обход тока вокруг любой части
содержимого ячейки, подвергающейся электролитической обработке в процессе рафинирования.
Футеровка также должна быть достаточно огнеупорной, чтобы оставаться твердой при температурах, которым
она подвергается в процессе электролитического рафинирования. В этих условиях футеровка, состоящая из
смеси фторидов металлов и оксида алюминия или образованная из них, оказалась весьма
удовлетворительной на практике. В процессе рафинирования алюминиевый сплав или смесь алюминия и
других веществ находится в расплавленном виде на дне ячейки, как показано на рисунке 46. На этом слое
плавает 47 расплавленного раствора или электролита, а на последнем — слой 48 расплавленного алюминия,
причем верхние электроды уходят в него достаточно глубоко, чтобы обеспечить хороший электрический
контакт. Предпочтительно, расплавленные слои формируются в ячейке путем последовательной заливки
предварительно сплавленных материалов на место, при этом для исходного слоя алюминия используется
самый чистый из доступных металлов. Однако, ячейку можно ввести в эксплуатацию и следующим образом.
Верхние электроды опускаются в контакт с угольным основанием, и через них подается ток, генерируя тепло и
сплавляя небольшое количество порошкообразного или гранулированного материала, помещенного вокруг
них.
По мере плавления верхние электроды поднимаются, и подается дополнительный материал для ванны до тех
пор, пока не будет получено достаточное количество расплавленного электролита. Затем расплавленный
анодный сплав или смесь заливается внутрь. Для рафинирования можно использовать практически любой
алюминиевый сплав, плотность которого выше плотности расплавленной ванны и который сохраняет
подвижность в процессе рафинирования. Его следует подавать в достаточном количестве, чтобы он
оставался в виде электрически непрерывного слоя на дне ячейки на протяжении всего процесса
рафинирования. Следует использовать слой электролита достаточной толщины, чтобы верхний слой металла
(чистый алюминий) ни в коем случае не соприкасался с какой-либо частью боковой корки, которая ранее была
покрыта анодным сплавом. В этой связи следует отметить, что изменения состава анодного сплава,
происходящие в процессе рафинирования, вызывают соответствующие изменения его объема и положения
верхней и нижней поверхностей слоя ванны. Расплавленный алюминий, предпочтительно максимально
чистого, помещают в расплавленную ванну, где он служит катодом.
Теперь можно начинать процесс рафинирования, при этом сплав выступает в качестве анода, а верхний слой
металла — в качестве катода; ток подается от верхнего слоя металла посредством графитовых электродов,
погружаемых в него. В этих условиях алюминий растворяется из анодного сплава и осаждается в
расплавленном виде на катоде. Этот процесс продолжается до тех пор, пока необходимое количество
алюминия не будет удалено с анода и добавлено к катоду. Затем часть верхнего слоя металла удаляется, а
обедненный анодный сплав отводится через выпускное отверстие 40. Свежий анодный сплав в
расплавленном состоянии подается любым удобным способом, предпочтительно таким, чтобы очищенный
металл, плавающий на поверхности, не был загрязнен. Эту операцию удобно выполнять с помощью угольной
воронки, которая после предварительного нагрева опускается до тех пор, пока вода почти не достигнет дна
ячейки, которая предпочтительно была вырезана из цепи. Застрявший в воронке металлический остаток
можно удалить ручным ковшом, после чего в воронку заливают свежий сплав.
Затем воронку извлекают, и процесс очистки возобновляется. Предпочтительно, количество вводимого
свежего анодного сплава должно быть достаточным для того, чтобы поднять уровень расплава и верхнего
металла до тех пор, пока поверхность последнего не окажется на том же уровне, что и до извлечения. Эти
операции могут повторяться время от времени по мере необходимости или желательности, не нарушая
серьезно процесс переработки, который в противном случае может продолжаться непрерывно. Несмотря на
большую плотность ванны, часть её поднимается за счёт капиллярного действия в зоне контакта жидкого
алюминия и твёрдой пограничной корки к поверхности последнего, где она растекается тонким слоем, вес
которого недостаточен для преодоления поверхностного натяжения жидкого алюминия. В результате он
распространяется по всей поверхности последнего и, благодаря отводу тепла в воздух, затвердевает там,
образуя верхний слой, как показано, например, на рис. 9 под номером 58. Этот процесс продолжается до тех
пор, пока земная кора не утолщится настолько, что (тем самым замедляя отток тепла) температура ее
подповерхностного слоя сможет подняться до точки плавления термической ванны.
При достижении такой толщины, значительное количество ненасыщенного раствора, впоследствии
поднимаемого капиллярным действием, может накапливаться в жидком виде под коркой и, в конечном итоге,
достигать массы достаточных размеров, чтобы просочиться сквозь алюминий. Следовательно, если раствор
остается ненасыщенным оксидом алюминия, верхний слой образуется до определенной толщины, после чего
его рост прекращается. С другой стороны, если температуру замерзания ванны повысить, позволив ей
наполниться жидкостью, то жидкая ванна, проникнув под поверхность земной коры, частично затвердеет там
и увеличит толщину коры. Если это не остановить, то в конечном итоге большая часть ванны поднимется
из-под алюминиевого слоя и прилипнет к его верхнему слою. Одновременно с этим, как уже описывалось
ранее, пограничная корка по краям ячейки утолщается, и в конечном итоге это приведет к более или менее
полному затвердению ванны. Кроме того, если содержание оксида алюминия в ванне слишком высокое, то
между ванной и катодом, или между ванной и анодом, или в обоих этих местах может образоваться корка
большей или меньшей степени.
В большинстве случаев корка прикреплена к клеточной выстилке и несколько выступает внутрь, напоминая
полку. В целом, такая корка вызывает возражения, на что он более подробно укажет далее. По
вышеуказанным причинам это Нормальный процесс переработки нефти. Описанная выше корка,
образующаяся на алюминиевом слое, служит удобным и хорошим теплоизоляционным материалом,
минимизирующим потери тепла с верхней части ячейки, так что крышка ячейки из металла, огнеупорного
кирпича и тому подобного, как правило, не требуется и, следовательно, может быть исключена, что устраняет
трудности и недостатки, связанные с использованием крышки. Как уже объяснялось, описанная корка
удерживает натрий, что приводит к увеличению содержания оксида алюминия в ванне, однако количество
натрия, которое таким образом выходит из ванны, можно минимизировать, используя в ней максимально
допустимое количество фторида алюминия. Вместо формирования теплоизолирующей верхней корки
способом, описанным выше, такую корку можно получить путем нанесения на верхнюю поверхность
алюминиевого слоя вскоре после его укладки слоя мелкодисперсного оксида алюминия, углерода, оксида
магния или другого подходящего порошкообразного материала.
Этот слой мелкодисперсного материала быстро скрепляется под действием жидкости, поднимающейся снизу
и смачивающей его. Теплоизоляционные свойства верхнего слоя корки можно повысить, посыпав его после
образования корки любым подходящим порошкообразным материалом, так чтобы он был покрыт слоем такого
материала, который благодаря своей пористой структуре является отличным изолятором. Дополнительный
теплоизоляционный материал, поступающий на поверхность верхней коры после ее затвердевания, не
сцементируется и, следовательно, сохраняет свою пористость. В целом, наилучшим материалом для этой
цели является порошкообразный электролит, поскольку, если его часть случайно или непреднамеренно
попадет под верхний слой металла, он не загрязнит электролит. В данном документе упоминается о корке,
которая может образовываться между электролитом и катодным металлом, а также между электролитом и
анодным сплавом. В последнем случае площадь контакта между ванной и анодом уменьшается, в результате
чего плотность тока на активной поверхности анода увеличивается.
Слишком высокая плотность тока на поверхности анода приводит к тому, что алюминий на ней растворяется в
электролите быстрее, чем он может быть вынесен на поверхность из основного сплава, что вызывает
обеднение последнего на поверхности, в результате чего увеличивается склонность более
электроотрицательных элементов к растворению (например, железа и кремния). С другой стороны, если
поддерживается достаточная площадь контакта между ванной и анодным сплавом, то не только уменьшается
вероятность растворения таких элементов, но и увеличивается вероятность их повторного осаждения при
контакте с анодом, где алюминий переосаждает их, предотвращая таким образом загрязнение ванны.
Аналогичным образом, наличие корки между электролитом и катодным металлом уменьшает площадь
контакта между этими поверхностями и, следовательно, увеличивает плотность катодного тока. Чрезмерно
высокая плотность тока в данном случае приводит к обеднению поверхности электролита, контактирующей с
катодом, алюминием, в результате чего могут откладываться и другие металлы, помимо алюминия (например,
в данном случае, щелочноземельные металлы и натрий).
Однако в нормальных условиях такие металлы, осажденные на катоде, в значительной степени мгновенно
растворяются в результате вторичной реакции с электролитом и замещаются эквивалентом алюминия, за
исключением случаев, когда натрий выходит из катода в виде пара. Описанное уменьшение площади
проводящей контактной поверхности между ванной и двумя металлическими слоями увеличивает
электрическое сопротивление ячейки; и, следовательно, поскольку на практике ячейки работают
последовательно в цепи с практически постоянным током, образование этой корки на поверхности приводит к
повышению напряжения на клеммах ячейки и, следовательно, к увеличению потребляемой мощности ячейки
без увеличения выхода металла. Как уже говорилось ранее, образование шельфовой корки в значительной
степени обусловлено слишком высоким содержанием оксида алюминия в ванне. Существует несколько
методов, позволяющих поддерживать содержание оксида алюминия в ванне ниже точки насыщения.
Например, верхний слой металла (алюминия) можно слить или разлить, а часть насыщенного или почти
насыщенного раствора вылить, добавив жидкий или твердый раствор без оксида алюминия или раскисленный
раствор, чтобы заменить удаленный.
В результате полученная смесь будет иметь концентрацию значительно ниже точки насыщения. Или же часть
верхней корки может быть отколота и удалена, после чего верхняя корка восстановится за счет насыщенной
среды внутри клетки. В качестве замены той ванны, которая послужила для образования нового верхнего
слоя, можно добавить новый бесоксидный или раскисленный раствор в твердом или жидком виде. В первом
способе насыщенный электролит, удаленный из электролитической ячейки, может быть регенерирован и
подготовлен к повторному использованию в процессе путем его измельчения и электролиза в отдельном
сосуде для восстановления оксида алюминия; полученный таким образом деоксидированный электролит
хранится для использования по мере необходимости. Еще один способ предотвращения насыщения ванны
оксидом алюминия — это непрерывное или периодическое деоксидирование оксида алюминия, например,
путем электролиза ванны по методу Холла для получения алюминия из оксида алюминия. Этого можно
добиться, поместив углеродный электрод в контакт с раствором и соединив его с положительным полюсом
ячейки, таким образом превратив углеродный электрод в анод.
Любой ток, выходящий из угольного анода, служит для электролиза оксида алюминия обычным способом,
осаждая алюминий на катодном металле, или на анодном металле, или на обоих, в зависимости от
используемого напряжения, при этом кислород выделяется на аноде и образует CO с частью углерода.
Образующийся углекислый газ поднимается через верхний металлический слой и может частично
восстанавливаться до монооксида, но тем не менее способствует удалению части кислорода из ванны и,
следовательно, лишает ее оксида алюминия, тем самым снижая его содержание до уровня ниже насыщения.
На практике введение угольного анода в ванну представляет определенные трудности, поскольку углерод
легче ванны и, следовательно, должен быть с усилием удерживаться в ней, а также потому, что любое
устройство, используемое для удержания электрода, обязательно проходит через верхний металлический
слой. Один из способов показан на рисунках 1 и 8. На этих рисунках 50 представляет собой углеродный диск,
в который ввинчен углеродный штифт 5], в верхний конец которого ввинчен охлаждаемый водой железный
вывод 52.
Последний ввинчивается в нижнюю часть трубы 53, которая служит для поддержки клеммы и диска, а также
для подачи электролитического тока и охлаждающей воды. В верхней части труба вставлена в нижнюю часть
закрытой камеры 54, через которую водопроводная труба 55 выступает вниз в трубу и доходит до дна
последней. Вода, таким образом, соприкасаясь с железным наконечником 52, поднимается по трубе 55 и
вытекает из камеры 54 по трубе 56. Труба 5:3 закреплена на изолированной опоре 57 таким образом, чтобы
удерживать угольный диск 50 погруженным в ванну под алюминиевым слоем 48. Вокруг углеродного штифта
51, водоохлаждаемого наконечника 52 и нижнего конца трубы 53 находится изолирующая и огнеупорная корка
58, которая может состоять из смеси хата и корунда, предварительно отлитых на месте. Эта корка
предотвращает контакт верхнего слоя алюминия с угольным диском или с электрически связанными
деталями, тем самым предотвращая короткое замыкание между верхним слоем металла и анодным
электродом.
Последний может питаться током от независимого источника, не показанного на рисунке, или может быть
электрически соединен с положительной шиной 33 любым удобным способом, предпочтительно через
подходящий автоматический выключатель, не показанный на рисунке, от которого ток может передаваться по
кабелю 59 (рис. 1), соединенному с трубой 53. В практической работе обычно достаточно периодически
проводить деоксидацию ванны, в зависимости от скорости (определяемой на основе опыта), с которой
кислород проникает в ванну. Если напряжение тока деоксидации значительно ниже напряжения основного
тока (подаваемого на углеродный слой ячейки), то первый ток будет протекать исключительно между
деоксидирующим анодом и катодным алюминием, и алюминий, образовавшийся в результате деоксидации
оксида алюминия, будет осаждаться в основном, если не полностью, на катоде. С другой стороны, если
напряжение деоксидации выше основного напряжения (между клеммами ячейки), то, по крайней мере, часть
тока деоксидации может протекать между деоксидирующим анодом и металлом под электролитом, вызывая
осаждение части алюминия в последнем металле.
Другой способ удаления оксидов из электролита заключается в удалении верхнего слоя алюминия и
изменении электрических соединений, в результате чего верхние электроды становятся анодом, а нижний
слой металла — катодом. Затем оксид алюминия восстанавливается, как в процессе Холла, и после того, как
операция продвинется до желаемого уровня, возобновляются нормальные условия. Энергоэффективность
электролитических процессов рафинирования алюминия во многом зависит от совершенствования мер по
предотвращению теплоотдачи. Теоретически для рафинирования требуется практически нулевое количество
энергии; однако на практике, при отсутствии другого адекватного источника тепла, необходимо затратить
достаточное количество электрической энергии для поддержания анода, ванны и катода в расплавленном
состоянии, и, следовательно, количество необходимой электрической энергии практически точно равно
количеству тепла, которое может уйти. После того как теплоизоляция ячейки будет усовершенствована до
максимально возможной степени, дальнейшее ограничение количества тепла, отводимого от нагреваемого
тела заданных размеров, станет невозможным, и при минимальных теплопотерях потребность ячейки в
энергии также будет минимальной.
В целях экономии энергии ячейку следует эксплуатировать при минимально возможном напряжении.
Соответственно, электролит, обеспечивающий основную часть сопротивления, должен быть нанесен как
можно более тонким слоем, и было установлено, что слой толщиной от 2,5 до 4 дюймов в целом является
удовлетворительным. При использовании ванны или электролита любой заданной рабочей глубины
допустимая плотность тока варьируется от нижнего предела, достаточного для поддержания анода, ванны и
катода в расплавленном состоянии, до верхнего предела, при котором испарение ванны становится
чрезмерным или при котором слишком большая доля примесей анода переходит в раствор. Эти пределы, при
различных практически осуществимых составах ванн, составляют приблизительно 800°C и 1100°C. C.,
соответственно, с предпочтительной рабочей температурой около 950°C. Допустимый нижний предел
плотности тока также обратно пропорционален размерам ячейки, поскольку тепловые потери на единицу
объема в большой ячейке меньше, чем в малой ячейке, из-за меньшего отношения площади теплоотводящей
поверхности к объему.
В ячейке с поперечным сечением электролита 9,6 квадратных футов было установлено, что
предпочтительный ток, как правило, составляет 8500 ампер, но процесс возможен и при токах от 7500 до 12
000 ампер. Таким образом, предпочтительная плотность тока в ячейке с указанной площадью поперечного
сечения электролита составляет 885 ампер на квадратный фут, при этом допустимый минимум составляет
около 780 ампер, а допустимый максимум — около 1250 ампер на квадратный фут. При указанной
предпочтительной плотности тока суммарное напряжение между клеммами элемента может составлять около
6 вольт. Более крупные ячейки могут работать с более низкими плотностями тока и при более низких
напряжениях, а путем изменения размера ячейки, состава ванны, проводимости ванны и эффективности
изоляции, настоящий процесс электролитического рафинирования может быть осуществлен при плотности
тока от примерно 500 до примерно 2500 ампер на квадратный фут поперечного сечения ванны. В целом,
нижний практический предел напряжения составляет около 3,5 В, а верхний предел, конечно же,
неопределен.
Ток отводится от расплавленного алюминиевого катода предпочтительно посредством электродов или
токопроводящих элементов. Они изготовлены из графита в виде коротких толстых стержней или цилиндров и
защищены от окисления на воздухе с помощью неокисляемого покрытия, которое может представлять собой
расплавленный каучуковый материал, нанесенный на стержни тонким слоем и подвергнутый застыванию.
Практически любой сплав алюминия, плотность которого превышает плотность электролита и который
остается достаточно текучим или подвижным на протяжении всего процесса, может быть очищен с помощью
нашего процесса. Однако предпочтительнее использовать сплав, основными компонентами которого
являются алюминий и медь. Слой алюминия, плавающий на расплавленной ванне или электролите, должен
быть достаточно большим, чтобы соприкасаться с боковой облицовкой ячейки по всему ее периметру, и
должен быть достаточно толстым, чтобы обеспечить плотный контакт с этой облицовкой, во избежание или
минимизации испарения ванны, которое в большей или меньшей степени происходит при рабочих
температурах и усиливается с повышением температуры.
В силу поверхностного натяжения расплавленного алюминия верхний слой должен быть достаточно толстым,
поэтому желательно постоянно поддерживать его толщину не менее двух дюймов. Следует понимать, что
изобретение не ограничивается деталями, конкретно проиллюстрированными или описанными здесь, но
может быть реализовано и другими способами и с использованием других устройств, без отступления от его
сущности. Подробно описав и определив природу нашего изобретения и способ его осуществления, мы
заявляем, что то, что мы
=== НАЧАЛО ФАЙЛА: patent_208715.txt ===
ССЫЛКА: https://translationportal.epo.org/emtp/translate/?ACTION=description-retrieval&COUNTRY=GB&ENGINE=
google&FORMAT=docdb&KIND=A&LOCALE=sq_AL&NUMBER=208715&SRCLANG=EN&OPS=ops.epo.org/3.2&T
RGLANG=ru
========================================
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ GB208715A
[]
Соседние файлы в папке патенты