Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_2237
.pdf
примерами являются восстановления сульфидов с помощью кремния и титана, поскольку оба этих элемента
при высоких температурах обладают высокой сульфидовосстанавливающей способностью из-за летучести
содержащихся в них сульфидов. Кремний особенно важен, поскольку летучесть сульфида позволяет
извлекать чистый кремний. ферросилиция, который вступит в реакцию только после удаления всего
металлического алюминия. Использование титана в качестве восстановителя сульфидов важно, поскольку
одновременно представляет собой метод извлечения чистого TiS2 из нечистых титансодержащих металлов,
таких как, например, ильменит, путем электротермического получения ферротитания и последующей реакции
его с сульфидом, например, FeS, в результате чего в качестве побочного продукта получается сырое железо,
содержащее серу, которое, согласно моему процессу разложения сульфидов, даст ценное железо.
Диоксид титана (TiS2) может легко, путем эквирования или иными способами, превратиться в диоксид титана
(TiO2), который образует превосходный пигмент. Когда речь идет о нелетучих металлах или сульфидах
металлов, температура не оказывает существенного влияния на полноту реакции, если она достаточно
высока лишь для того, чтобы расплавить вещества, которые, как указано выше, восстанавливаются в
определенной последовательности, в некоторой степени зависящей от теплоты образования
соответствующего сульфида. Реакция, как правило, протекает в том направлении, в котором выделяется
тепло, и если выделение тепла очень велико, реакция будет иметь тенденцию к завершению. Из моего
предыдущего утверждения известно, что металлический характер сульфидов уменьшается с увеличением
теплоты образования, а неметаллический, или, скорее, электролитический характер одновременно
возрастает. Следовательно, металлы, сульфиды которых являются неметаллическими, то есть
электролитически проводящими в расплавленном состоянии, будут восстанавливать металлические
сульфиды до металла с выделением тепла, а во многих случаях и полностью, что очень важно.
Кроме того, я получаю (согласно моему предыдущему объяснению) четкое разделение на две фазы: одна
представляет собой образовавшийся сульфид, а другая — металл. Таким образом, преимущества
восстановления сульфидов тяжелых металлов с помощью металлов или элементов, сульфиды которых
являются неметаллическими, то есть электролитически проводящими в расплавленном состоянии, станут
легко понятны. Подобное сокращение характерно для моего нынешнего метода работы. Вместо того чтобы
поставлять новые количества восстанавливающего металла для процесса восстановления, я во многих
случаях обнаружил, что выгоднее использовать электрохимическую регенерацию. Это легко сделать, когда
сульфид электролитически активен. Эта операция может проводиться одновременно с процессом редукции,
но, конечно, каждая операция может также выполняться отдельно, при этом детали операций будут
соответственно различаться. Если процесс осуществляется в два этапа, он может быть циклическим, при
этом исходные сульфиды восстанавливаются металлом, сульфид которого электролитически проводящий
(например, Al2S3) или который может подвергаться электролизу легче, чем исходные сульфиды (например,
FeS легче, чем ZnS), после чего «металл-агент» извлекается путем электролиза образовавшегося
расплавленного сульфида, и таким образом один и тот же металл-агент может использоваться непрерывно.
Однако во многих случаях будет гораздо выгоднее использовать металл-агент в нечистом состоянии. Если,
например, в качестве металлического агента используется алюминий, то он может применяться в виде сырого
алюминия указанного ранее состава. Затем из него будет извлечен алюминий в форме сульфида, а другие
составляющие сырого алюминия будут иметь меньшее сродство к сере и, следовательно, оставаться в
металлическом состоянии до тех пор, пока весь алюминий не будет извлечен. Количество сырого алюминия,
разумеется, может быть выбрано таким образом, чтобы весь алюминий был соединен с сульфидом,
подлежащим восстановлению. Таким образом, получают чистый Al2S3, который после электролиза дает
чистый алюминий, готовый к продаже. Во многих случаях очищенные сульфиды сами по себе могут
представлять собой востребованный товар (например, сульфид щелочного металла) или сырье для его
производства (например, TiS2 для производства TiO2). В таких случаях последний этап электролиза не
потребуется. Преимущества данной модификации процесса, заключающейся во введении новых количеств
металла-агента вместо его извлечения в процессе, очевидны, если учесть элементы, которые могут
выступать в качестве металлов-агентов.
Во-первых, все они таковы: (например, земные металлы, алюминий и т. д.), а также другие химически очень
активные (неблагородные) элементы (например, кремний, титан, фосфор, бор и т. д.) и некоторые из
наиболее активных тяжелых металлов, например, цинк, кадмий, марганец, хроний, ванадий, вольфрам и т. д.
Многие из этих элементов встречаются в природе в больших количествах и широко распространены по всей
Земле, но, несмотря на это, в элементарном состоянии или в качестве металлов они очень дороги, поскольку
их производство обходится дорого из-за высокой химической активности, а следовательно, и из-за сложности
их восстановления. В связи с требованиями к чистоте, в современных процессах используется дорогостоящая
предварительная обработка. Во многих случаях нечистую смесь таких металлов можно дешево получить
путем восстановления углеродом при высокой температуре в электропечах. Восстановление, которое
зачастую невозможно с чистыми оксидами, во многих случаях может быть осуществлено при одновременном
наличии более легко восстанавливаемых металлов или их исходного сырья.
Предложенный мной процесс реакции с сульфидами тяжелых металлов представляет собой ценный метод
очистки такого сырья, поскольку удаление или изменение компонентов позволяет повысить ценность как
сульфидной, так и металлической фазы. Подобные реакции возникают в результате ценного сочетания
свойств легких и тяжелых металлов. По стечению обстоятельств условия для такого сочетания еще более
благоприятны, поскольку определенные компоненты, присутствующие в сырье для легких металлов и
способные оказывать негативное воздействие (щелочи, щелочноземельные металлы и т. д.), удаляются в
процессе производства сырья в виде дистилляционных продуктов или путем шлакообразования. Кроме того,
электролитическое извлечение металлов из сульфидов обходится значительно дешевле, чем
соответствующее извлечение из оксидов, требует гораздо меньше энергии и практически не требует
использования угольных электродов. Значительная часть ценности моего настоящего изобретения
заключается в одновременной реализации всех этих преимуществ. В качестве иллюстрации я приведу на
практике чрезвычайно важное применение моего процесса производства алюминия из нечистого сырья при
одновременном извлечении металла и серы из сульфидов.
Затем я действую следующим образом: из нечистого сырья (боксит, глина, минералы и т. д.) Я произвожу
путем плавки известными методами, например, в электропечи, нечистый сырой алюминий, содержащий
железо, кремний, титан и т. д. При этом щелочные металлы, щелочноземельные металлы и металлы, более
восстанавливаемые, чем алюминий, подвергаются шлакообразованию или дистилляции. Этот сырой
алюминий я использую для восстановления сульфида железа. Температура настолько высока, что после
начала реакции она будет протекать самостоятельно, плавя продукты реакции. Сульфид может представлять
собой природный магнетопирит, пирит и т. д. Я предпочитаю удалять как можно больше серы путем
предварительной обработки, чтобы сохранить алюминий, а также в некоторой степени очистить сырье,
поскольку восстановленный из него металл останется в моем ферросилиции. В случае, например, пирита, я
плавлю его в электропечи, отгоняю и извлекаю серу, а пустую породу отделяю шлаком и, при желании,
дополнительно очищаю продукт известными методами. Возможно, я использую избыток сульфида железа, а
также содержание кремния в моем исходном алюминии для восстановления сульфида путем дистилляции Si
в виде
Я могу оставить содержание кремния в восстановленном виде, что во многих случаях может оказаться
наиболее выгодным. Полученный ферросилиций или железо при необходимости могут быть очищены от
остатков серы и других примесей известными методами или в соответствии с описанным ниже процессом
электролитической десульфуризации. Если присутствует избыток Al, то Al2S3 будет чистым уже после первой
обработки, но я предпочитаю использовать избыток сульфида железа, а затем очищать продукт, после
удаления ферросилиция, подвергая его восстановлению с помощью исходного алюминия, который будет
использоваться для последующей загрузки, после чего чистый Al2S3 удаляется. Если расплавленный штейн
вступает в реакцию с расплавленным сырым алюминием, необходимо принять меры для снижения
температуры реакции, например, путем одновременного введения холодного материала, использования
тепла для плавки металлолома или для какого-либо теплоемкого процесса, например, восстановления и
перегонки цинка, как описано ранее.
Такое сочетание также выгодно, поскольку растворение цинковой обманки в сульфиде железа во время или
после плавки штейна позволяет при необходимости провести предварительную очистку с помощью процесса,
описанного в моей заявке № . Реакция может протекать в том же аппарате, в котором расплавлен пирит, но я
предпочитаю проводить ее в специальном аппарате или печи, состоящей из тигля или пода, которая
известными способами может поддерживаться при подходящей температуре в случае, если выделяемого в
ходе реакции тепла недостаточно, и которая закрыта и снабжена конденсационным устройством. Однако этот
процесс не ограничивается каким-либо специальным оборудованием, и для этой цели может быть
использована любая скошенная трава, которая окажется подходящей. Аналогичным образом я могу извлекать
в чистом виде металлы марганец, хроний, вольфрам, ванадий и т. д., которые очень важны для железорудной
промышленности, из нечистого сырья, сначала дешевым способом, например, путем плавки в электропечи и
восстановления углеродом, получая нечистый сырьевой металл, например, феррохроний, содержащий
углерод, потенциальная химическая энергия которого используется для восстановления сульфида железа с
образованием сульфида хрония, из которого я могу путем электролиза извлечь хроний или феррохроний, не
содержащий углерода.
В некоторых случаях может быть целесообразно также нагревать сплавы металлов, сульфиды которых
являются металлическими, расплавленной сульфидной фазой, чтобы вызвать обмен металлическими
компонентами в пользу обеих фаз. Однако такое восстановление с использованием металлов, сульфиды
которых являются металлическими, особенно важно в сочетании с моим методом электролитического
разложения сульфидов металлов. Благодаря такой предварительной обработке можно уменьшить количество
компонентов в сульфидной смеси и удалить летучие металлы. Таким образом, я могу удалить и восстановить
путем дистилляции содержание цинка в пирите, содержащем цинковую обманку, после плавки штейна путем
добавления металлического железа перед электролитической обработкой штейна. Когда речь идет о сложных
сульфидных смесях, я, как уже говорилось, могу организовать процесс таким образом, чтобы осуществлялось
фракционное уменьшение компонентов, а если целью является повышение четкости разделения двух
компонентов, я могу добавить третий компонент, который разлагается после первого, но до второго из
разделяемых компонентов.
Я также могу осуществить уменьшение различных фракций с помощью изменения агентных элементов. Когда
я использую то же количество металлического агента повторно для процесса восстановления, то есть
извлекаю металлический агент электролизом, становится очевидно, что процесс восстановления и
электролитический процесс могут быть объединены в один путем добавления в электролитический аппарат
разлагаемого сульфида, но в количестве меньшем, чем соответствующее количество присутствующего
металлического агента. Затем металл химически восстановит добавленный сульфид. Но я также могу
организовать такое сочетание двух процессов, которое будет более выгодным, как будет описано далее.
Электролиз расплава неметаллических сульфидов известен только в случае Al2S3, но не для других, таких
как, например, ZnS, CdS, MnS, Cr2S3 и т. д. Электролитические свойства этих сульфидов не были
определены, поскольку их температуры плавления в некоторых случаях очень высоки и превышают
температуру дистилляции. Но я все же могу провести электролиз, если будут приняты особые меры
предосторожности.
Таким образом, я могу понизить температуру плавления, растворяя сульфиды в других неметаллических
соединениях, особенно в легкоплавких (щелочные сульфиды, Al2S3 и т. д.), которые также оказывают
положительное влияние на электролитическую диссоциацию и, соответственно, на проводимость.
Полученный раствор сульфида металла в сульфиде неметалла (агент-металл-сульфид) затем может быть
подвергнут электролизу в любом подходящем устройстве. Однако предпочтительно, чтобы аппарат был
герметичным и снабжен средствами для сбора и конденсации выделяемой при аноде серы или других
анодных продуктов, а если температура выше температуры дистилляции выделяемых металлов, следует
также предусмотреть средства для их сбора, например, в случае цинка, кадмия. Регулируя температуру и
давление, можно также избежать дистилляции некоторых летучих металлов. Если в расплаве присутствует
несколько сульфидных компонентов, может быть осуществлено фракционное электролитическое разложение
при последовательности и условиях восстановления (таких же, как объяснялось ранее, когда металл-агент не
был извлечен электролитически).
Электролитическое разложение сульфидов неметаллических тяжелых металлов, растворенных в сульфидах
легких металлов, является очень чувствительным процессом с технической точки зрения из-за низкой
вязкости и высокой растворяющей способности сульфидов всех степеней сульфидизации, что в совокупности
приводит к потере тока за счет анодного образования полисульфидов, а при наличии металлического
сульфида также за счет частичной металлической проводимости. Таким образом, процесс будет более
надежным и простым, если я уменьшу сульфидную или металлическую природу расплава путем добавления
несульфидных неметаллических соединений, особенно оксидов и оснований, соответственно, их солей,
которые, помимо повышения электролитических свойств неметаллических сульфидов, также уменьшают их
растворяющую способность по отношению к металлическим сульфидам, увеличивают вязкость расплава,
препятствуют анодному образованию полисульфидов и облегчают анодное выделение серы, поскольку во
время электролиза будет происходить анодная концентрация нелетучих кислот (например, SiO2).
Это признание имеет гораздо большее значение, поскольку в случае природных руд речь никогда не идет о
чистых сульфидах, а о сульфидах, содержащих, помимо прочих примесей, определенный процент оксидных
соединений (силикатов, карбонатов и т. д.), которые, если их добавление должным образом регулируется,
могут входить в состав электролита, который таким образом действует как металлургический шлак. Наиболее
легко восстанавливаемые соединения будут концентрироваться в электролите, и помимо относительно
бесполезных силикатов и т. д., некоторые легко восстанавливаемые соединения также будут содержать
ценные соединения из руды, например, марганец в цинковых рудах, ванадий и т. д., которые могут быть
извлечены из электролита путем последующей обработки. Для состава электролита определяющими
являются те же факторы, которые будут объяснены в связи с электролизом сульфидов металлов. Здесь также
необходимо поддерживать определенную основность примесей несульфидных соединений, но ее можно
регулировать более свободно, как и процентное содержание сульфидов.
Для снижения температуры плавления и улучшения электролитических свойств особенно подходят щелочи,
но поскольку количество электролита увеличивается из-за примесей в сырье, которые должны быть
поглощены шлаком, количество электролита время от времени необходимо регулировать, и, следовательно,
необходимо учитывать и экономические факторы. Цена, возможность извлечения ценных соединений,
использование всего электролита для других целей, например, для разложения сульфидов металлов, его
переработка в торговую продукцию, такую как стекло, цемент, строительные материалы, пермутит,
ультрамарин и т. д., — все это факторы, которые необходимо учитывать. Из моего предыдущего заявления
следует помнить, что небольшое количество сульфида металла теряет свои металлические свойства при
растворении в неметаллическом (диссоциированном) сульфиде и само подвергается электролитической
диссоциации, после чего, особенно при смешивании или растворении такого раствора в несульфидных,
неметаллических расплавах, может быть подвергнуто прямому электролизу, как описано выше.
Однако, воспользовавшись описанным выше способом образования фаз и условиями для этого, я нашел
гораздо более удовлетворительную форму для такого электролиза. Если рассматривать неметаллическую
фазу как электролит и регулировать ее основность и содержание неметаллического (растворяющегося и
диссоциирующего) сульфида в соответствии с описанными выше принципами таким образом, чтобы она
поглощала только необходимое количество металлического сульфида из сульфидной фазы, то это
количество, при его уменьшении в результате электролитического разложения, автоматически восполнялось
за счет поступления из сульфидной фазы. Таким образом, процесс будет саморегулирующимся. Важность
этого очевидна при рассмотрении сырья, состоящего из неметаллических сульфидов, таких как, например,
PbS, Cu2S, FeS. Для лучшей иллюстрации этого практического примера я обращусь к чертежу, являющемуся
частью данного приложения: на рис. 1b показана общая схема моего процесса. a — графитовый анод, m —
углеродный катод, e — электролит, а s — фаза металлического сульфида.
При добавлении сырых сульфидов металлические будут выделяться в виде сульфидов. Если температура
поддерживается выше температуры дистилляции цинка, последний будет выделяться на катоде m в виде
пара и может быть удален из катодного отсека, поскольку при этой температуре он будет отделяться на m,
оседать и собираться на дне s. Аналогичная схема может быть подходящей в случае электролитического
извлечения металлов с очень высокими температурами плавки из предварительно очищенного сульфида
молибдена. В этом случае будет использоваться сульфид молибдена, который постепенно расходуется, а
катод — твердый металлический молибден, который время от времени удаляется из ванны. Таким же
образом я могу легко получить электролитически непосредственно в твердом виде бесуглеродистое железо,
никель, хром, вольфрам и т. д. Однако в большинстве случаев схема, показанная на рис. 1а, будет самой
простой и подходящей. На рис. 1а металлическая сульфидная фаза s и расплавленная металлическая фаза
m напрямую соединены в качестве катода с e в качестве электролита и a в качестве анода (из углерода,
графита или другого материала), погруженного в e, но не достигающего s.
Я обнаружил, что при такой конфигурации сам электролиз вызывает определенное нарушение равновесия
между фазами, и это необходимо учитывать при составлении электролита. Рассмотрим сначала обычный
случай, подходящий основной электролит, состоящий из оснований и кислот, определяемый ниже как
«стабильный», например, щелочно-алюминиевый силикат с подходящим содержанием сильно
диссоциированного неметаллического сульфида, например, щелочного сульфида, который распределяется
между электролитом и сульфидной фазой в определенной пропорции равновесия, как объяснено выше. Это
равновесие нарушается при начале электролиза: кислотные компоненты мигрируют к аноду, где наиболее
легко разлагаемая сера испаряется в виде пара и направляется в конденсатор К, в то время как основания
электролита мигрируют к поверхности сульфидной фазы, где конкурирующие за серу те из них, превращение
которых из оксида, или силиката, в сульфид требует наименьшей энергии, первыми переносятся в
сульфидную фазу, высвобождая из этой фазы соответствующее количество тяжелого металла.
В результате этого разложения содержание сульфидов в электролите уменьшается, или, другими словами,
снижается парциальное давление сульфидов, и, следовательно, новые количества сульфидов будут
поступать в электролит из сульфидной фазы. Если электролит хорошо сбалансирован и всегда содержит
достаточное количество ионов серы вблизи анода, процесс будет продолжаться, и электролит, так сказать,
будет служить для переноса серы из сульфидной фазы к аноду до тех пор, пока вся сульфидная фаза не
восстановится до металла. В конечном итоге установится равновесие между содержанием сульфидов в
восстановленном металле и в электролите, и если в результате дальнейшего электролиза это равновесие
будет нарушено, металл будет дополнительно выделять сульфиды или серу в электролит до тех пор, пока
металл практически не станет свободен от серы. Таким образом мне удалось получить из расплавленного
сульфида железа (полученного, например, из пирита) чистое железо в расплавленном состоянии, свободное
от серы и углерода. Однако я предпочитаю проводить электролиз в два этапа: сначала электролиз при
сравнительно умеренной температуре (1200-1300 °C) для удаления основной части серы (около 99,5%), а
оставшиеся вещества удаляются электролизом при температуре плавления железа с использованием другого
электролита, который может обладать большим электрическим сопротивлением, поскольку очень короткий
электролиз возможен только в том случае, если он дешев и выдерживает температуру (например,
щелочно-алюминиевые силикаты, содержащие известь).
Если в электролите присутствуют (случайно или преднамеренно добавленные) оксиды железа, марганца,
хрома, вольфрама и других металлов, то при достаточно длительном электролизе они также будут
переноситься на железо, и я смогу таким образом непосредственно получить соответствующие кислоты стали
или ферросплавов. В ходе первого электролиза я также могу добавить сульфиды, например, молибдена,
никеля, марганца и т. д., и непосредственно получить соответствующие безуглеродистые ферросплавы в
любой желаемой концентрации. Приведенный выше пример выбран из металлургической промышленности
отчасти потому, что удаление серы из железа считается одной из самых сложных металлургических
операций, но особенно потому, что сульфид железа, находящийся на границе между металлическими и
неметаллическими сульфидами, представляет собой наиболее сложный случай в рамках моего нынешнего
электролитического процесса. Разложение более отчетливо металлических (благородных) сульфидов, таких
как сульфид меди, сульфид свинца, сульфид серебра и т. д., происходит гораздо проще и не требует столь
тщательного выбора электролита для поддержания процесса во время электролиза.
Низкие температуры плавления также значительно упрощают эту задачу. Фракционное электролитическое
разложение имеет важное значение для этих металлов, поскольку позволяет осуществлять множество
полезных разделений в процессе разложения, аналогичных тем, которые осуществляются простым
восстановлением металлом, как было описано ранее. Я могу для ин- Фаза свинца, то есть фаза, не
содержащая свинца и мышьяка, а с другой стороны, основное количество меди. Если штейн также содержит
некоторое количество железа, то медь и свинец будут четко разделены, причем железо будет выделяться
между свинцом и медью. Мой подход особенно важен в Нет, для разделения сложных масс и решения многих
сложных металлургических задач можно использовать кислоту, полученную в результате этих двух
процессов, а также можно использовать многие руды и продукты, которые в настоящее время не имеют или
имеют очень небольшую ценность. Для того чтобы электролиз протекал описанным выше обычным способом,
необходимо соблюдать ряд условий. Электролит в целом должен выдерживать рассматриваемые
температуры без дальнейшего испарения; если он не подлежит постоянному обновлению путем добавления
нового материала, он должен иметь кислотную и щелочную основу, которая сохраняется в электролите во
время электролиза, то есть стабильные кислотные и основные компоненты.
Летучие кислоты или кислотные компоненты, покидающие электролит в результате анодного разложения,
также покидают расплав и могут только! могут рассматриваться как промежуточные кислотные компоненты
электролита, например, Cl, CO2, SO!. НЕТ и т. д. В качестве стабильных кислотных компонентов особенно
следует обратить внимание на нелетучие или малолетучие кислоты или кислотные компоненты. «Стабильные
основные компоненты», выделение которых на аноде происходит только после выделения кислорода, — это
компоненты, которые в преобладающих условиях выделяют металл позже, чем металлические сульфиды, и
сульфиды которых являются неметаллическими, по этой причине они увеличивают количество
электролитически диссоциированного сульфида в обеих фазах, если они превращаются в сульфид в
процессе электролиза. К таким «стабильным основным соединениям» относятся, например, щелочные
металлы, щелочноземельные металлы, Al2O3, MnO, CrO и т. д. «Промежуточными основными компонентами
являются те, которые в результате электролиза восстанавливаются до металла до восстановления
сульфидной фазы или которые переходят в сульфидную фазу в виде, например, металлического сульфида.
При определенных условиях FeO занимает положение между «стабильным» и «промежуточным». Как будет
показано далее, описанные выше «стабильные» кислоты и основания практически идентичны оксидам (и
сульфидам) элементов, ранее определенных как «активные элементы» для моего процесса восстановления.
Это, конечно, вполне ожидаемо, поскольку описанный выше прямой электролиз сульфидов металлов в
действительности представляет собой сочетание процесса восстановления с электролитическим
извлечением металла-агента. Для обеспечения нормального электролиза необходимо учитывать и другие
факторы. Таким образом, следует проявлять осторожность при выборе стабильных кислот и оснований,
поскольку легкость превращения оксида в сульфид рассматриваемого основания или кислоты имеет очень
важное значение. Если электролит изначально содержит несколько «стабильных» основных и кислотных
соединений, то произойдет «преимущественное превращение» из оксида в сульфид, причем первыми будут
превращаться компоненты, требующие наименьшей энергии, или в наибольшем количестве, поскольку это,
конечно, вопрос химического равновесия, без четких переходов.
Таким образом, щелочные металлы в основном (или нейтральном) электролите требуют сравнительно
небольшой энергии для превращения из оксида в сульфид и преобразуются легче, чем щелочноземельные
металлы, и даже легче, чем некоторые тяжелые металлы, образуя металлические сульфиды. Калий
преобразуется легче, чем натрий, и оба элемента преобразуются гораздо легче, чем литий. С повышением
кислотности электролита (например, содержания SiO2) энергия, необходимая для превращения, будет
возрастать сильнее для щелочных металлов, чем для щелочноземельных, так что, например, литий в
сильнокислом электролите является одним из тех металлов, которые последними превращаются в сульфид,
при этом точка превращения натрия приближается к точке превращения щелочноземельных металлов, а
калия — к точке превращения железа. Для превращения алюминия из оксида в сульфид требуется очень
большая энергия, но эта энергия мало меняется в зависимости от кислотности, так что, если в щелочном (или
нейтральном) электролите Al2O3, возможно, является оксидом, превращение которого в сульфид требует
наибольшей энергии (не принимая во внимание редкие элементы), то в кислом электролите его заменяет
литий, и таким образом я нахожу способ перевести даже алюминий в сульфидную фазу из оксидно-кислотного
электролита.
Стабильные кислоты электролита также участвуют в конкуренции за превращение в сульфид на границе
между электролитной и сульфидной фазами, но это явление проявляется только в конкуренции с последними
трансформируемыми основаниями (Al, Li и т. д.), поскольку для превращения стабильных кислот (SiO2, TiO2 и
т. д.) в сульфид требуется большая энергия, особенно в сильнокислотном электролите. Из этих фактов, в
сочетании с моим предыдущим объяснением, специалистам в данной области станет очевидно, как
составлять электролит для обычного электролиза сульфидов металлов. Щелочи могут быть использованы
для снижения температуры плавления электролита и улучшения его электролитических свойств, при этом
щелочные сульфиды и другие сульфиды, распределенные в обеих фазах, служат средством переноса серы
из сульфидной фазы к аноду. Но если основным стабильным кислотным компонентом электролита является
SiO2, то для обеспечения необходимой постоянной основности лучше всего использовать основание,
требующее соответственно больших затрат энергии для превращения из оксида в сульфид, например, Al2O3.
В противном случае нормальный ход электролиза будет очень неопределенным и чувствительным. На
практике щелочной алюминий кремний- Они зарекомендовали себя как превосходные электролиты с низким
сопротивлением. Примечательна способность оксида железа снижать температуру плавления
расплавленного силиката и улучшать электролитическую проводимость, поэтому он в определенной степени
может служить заменой щелочи. В случаях высоких температур, как, например, при последней
десульфуризации железа, может быть целесообразно заменить часть щелочных элементов (литий!). слишком
дорогие) с щелочноземельными металлами, которые также могут успешно заменить Al2O3, поскольку, будучи
более сильными основаниями, они обеспечивают лучшее разделение серы между металлической фазой и
электролитом. Помимо технических характеристик, при выборе электролита необходимо должным образом
учитывать вопрос цены и доступности сырья, а также его примесей и т.д., и в каждом конкретном случае
следует выбирать наиболее экономичный вариант. Я имею большую свободу в составлении электролита,
если мне не требуется слишком высокая электролитическая проводимость, а нужно использовать тепло,
выделяющееся за счет его сопротивления, например, для металлургических целей, таких как плавка
металлолома, или для одновременного проведения теплопотребляющих металлургических процессов.
Но в случае чисто металлических сульфидов При обычной выплавке штейна можно избавиться от пустой
породы, но более дорогой постоянный электролит с низким электрическим сопротивлением может оказаться
выгодным. Помимо «стабильных компонентов», в процессе электролиза может присутствовать или
добавляться большое количество «промежуточных компонентов», которые при дальнейшем электролизе
удаляются либо в виде летучих анодных продуктов, либо переходят в металлическую или сульфидную фазу.
Как станет понятно, мой процесс очень гибок, и помимо обработки сульфидов я могу одновременно
обрабатывать практически все другие металлические сырьевые материалы, как при обычной доменной или
отражательной плавке, и, конечно же, я максимально использую весь накопленный опыт современной
металлургии. Влияние различных добавок легко понять, если помнить, что в электролите концентрируются
только их «стабильные» составляющие, и их необходимо компенсировать при дальнейших добавлениях.
Таким образом, легко преобразовать шлакообразующие компоненты сырья в ценные продукты во время или
после электролиза (стекло, цемент, строительный материал, пермутит, ультрамарин и т. д.), тем более что
при продолжении электролиза расплава без сульфидной фазы можно полностью извлечь и удалить тяжелые
металлы (Cu, Fe, Mn, Or) и серу, которые в металлургических шлаках являются наиболее вредными
компонентами для вышеуказанных целей. Из вышеизложенного и последующего следует, что на аноде могут
образовываться не только сера, но и другие летучие продукты, которые могут улетучиваться, воздействуя на
материал анода или нет, и должны собираться в конденсаторе, а в некоторых случаях даже подвергаться
фракционной конденсации. Когда электролит был восстановлен Если на аноде недостаточно ионов серы или
сульфидов, кислород будет выделяться анодным путем, а если это углеродный анод, то он будет
улетучиваться в виде CO. Анод может быть изготовлен из любого подходящего, агрессивного или
неагрессивного материала, например, графита, сульфида металла или металла (твердого или жидкого).
На рис. 1[град] я изобразил схему, в которой расплавленный металлический сульфид s используется в
качестве анода, а сульфидная фаза s2 подключена в качестве катода, и электролиз происходит в электролите
e над непроводящей отдельной стенкой, которая может охлаждаться. При использовании расплава, не
содержащего сульфидов, в качестве электролита над металлическим сульфидом (твердым или жидким),
соединенным в качестве катода, на первом этапе процесса происходит образование нового сульфида за счет
оснований электролита и серы сульфидной фазы, и такой сульфид распределяется между двумя фазами —
электролитом и сульфидной фазой — так что его парциальное давление одинаково в обеих фазах. Чем
больше сульфидной фазы относительно электролита, тем больше серы он поглотит из этого вновь
образовавшегося количества, даже если этот сульфид неметаллический, например, щелочной сульфид, и тем
дольше он будет существовать, прежде чем содержание серы в электролите станет достаточно большим,
чтобы обеспечить перенос серы при используемой силе тока.
При образовании сульфида степень восстановления сульфидной фазы снижается. Эти две операции могут
быть объединены в одной: в одном месте расплавленная сульфидная фаза действует как катод для
проникновения оснований из электролита, а в другом — как анод для эмиграции того же основания в другой
электролит, например, с помощью устройства, показанного на рис. 1b, если предполагается, что
разделительные стенки сверху между анодом a и катодом m простираются до тех пор, пока не опустятся в
сульфидный расплав s. Таким образом, сульфидная фаза, так сказать, действует как диафрагма, пропуская
определенные основные компоненты из электролита в точке a в электролит в точке m, а также определенные
кислотные компоненты, особенно сульфидно-арсенидные, в обратном направлении. Например, я могу
позволить Na2S мигрировать в сульфидную фазу из содалитового электролита при непрерывном добавлении
NaCl в электролит, из которого одновременно отделяется металл. В данном случае я могу, например, из
электролита на основе щелочного титаната, содержащего FeTiO3, осаждать железо непосредственно в
твердом состоянии, не содержащем углерода, при непрерывном добавлении FeTiO3, в то время как щелочной
титанат концентрируется в электролите и может быть отфильтрован.
Также при конфигурации, показанной на рис. 1b, частично происходят как проникновение, так и эмиграция, при
этом ток следует по пути с наименьшим сопротивлением, а сульфидная фаза обладает гораздо большей
проводимостью, чем электролит. Но ! Благодаря циркуляции внутри электролита этот эффект снова
устраняется. Однако такое расположение предоставляет очень важную возможность разместить электроды
на значительном расстоянии друг от друга без соответствующего увеличения электрического сопротивления
или энергопотребления. Подобно тому, как я могу превратить основные компоненты электролита в сульфид, я
могу также организовать электролиз таким образом, чтобы превратить его кислотные компоненты в сульфид.
Если у меня есть электролит из кремниевой или титановой кислоты и одновременно основания Al2O3 и Si2O,
которые с трудом превращаются в сульфиды, и затем я продолжаю описанное выше выделение оснований до
тех пор, пока помимо кислот не останутся только вышеупомянутые основания, то будет достигнута точка,
когда кислотные компоненты Ti и Si наиболее легко превращаются в сульфиды, которые будут
образовываться на поверхности сульфидной фазы и, если температура достаточно высока, будут отгоняться.
Если добавить новые количества, например, TiO2 в форме FeTiO3, то сульфид титана может таким образом
непрерывно извлекаться и подвергаться дальнейшей обработке. Извлечение происходит за счет основания
электролита, которое станет более кислым, и с увеличением кислотности его растворяющая способность по
отношению к сульфиду уменьшится. Если же сульфидная фаза достаточно велика, а основания электролита
легче превращаются в сульфид, чем кислотные компоненты, то нормальные условия электролиза вообще не
будут достигнуты, поскольку основные компоненты электролита в значительной степени переходят в
сульфидную фазу в виде сульфида. Это явление невозможно избежать при обычном электролизе, но в то же
время оно позволяет переносить или концентрировать определенное количество электролита полностью или
частично в виде сульфида в металлической сульфидной фазе, и его можно отдельно извлечь из нее.
Поскольку проникновение основного компонента из электролита в сульфидную фазу происходит
преимущественно в определенной последовательности, я могу после переноса основного количества
компонента в сульфидную фазу отвести его и, продолжая электролиз с тем же электролитом над новой
сульфидной фазой, отдельно извлечь следующий основной компонент и т. д.
Таким образом, я могу, например, путем электролиза перенести содержание калия в минерале (например,
нефелине-сиените, полевом шпате и т. д.) в виде сульфида в сульфидную фазу и извлечь калий путем
выщелачивания после осушения и охлаждения. Данный процесс особенно ценен в сочетании с описанным в
моей заявке № 1 способом расщепления сложных масс, поскольку при таком сочетании сульфид,
выступающий в качестве расщепляющего агента, может быть введен электролитическим путем в расплав при
соответствующей степени восстановления. Это, конечно, может быть достигнуто также с помощью
электролита обычного состава путем непрерывного добавления или при удалении сульфидной фазы
соответствующего основания в чистом виде или, предпочтительно, в виде дешевого соединения с
«промежуточной» кислотой (например, NaCl). Если основной целью электролиза является перенос основания
в сульфидную фазу, то, разумеется, к «стабильности» кислотных компонентов и восстановительному
эффекту не предъявляются никакие требования.
Также соли рассматриваемых оснований с летучими кислотами могут! может использоваться в качестве
электролита. Если я позволю такой расплавленной сульфидной фазе, которая в качестве катода получила
определенное количество неметаллической серы (например, сульфида щелочного металла), выступать в
качестве анода под другим электролитом, она отдаст содержащийся в ней электролитический сульфид в
сочетании с его кислотным компонентом. Когда фаза металлического сульфида подключается в качестве
анода, например, в качестве силикатного электролита, электролиз, так сказать, вызывает концентрацию
оснований электролита вблизи поверхности сульфидной фазы, что представляет собой увеличение
основности, которое, в свою очередь, увеличивает растворяющую способность сульфида. Однако
одновременно в этом же месте увеличивается и способность электролита образовывать неметаллические
сульфиды за счет своих оснований и серы из сульфидной фазы, и это увеличение, в свою очередь, приводит к
увеличению растворяющей способности металлического сульфида, поглощаемого из сульфидной фазы, и
одновременно к увеличению содержания в последней неметаллических сульфидов, концентрация которых в
этой фазе зависит от концентрации вблизи пограничной поверхности.
Таким образом, электролиз в определенной степени приводит к устранению четкой границы! Между двумя
фазами происходит уменьшение металлических свойств сульфидной фазы и смещение равновесия между
ними в отношении содержания серы, поскольку при соответствующем расположении оно может увеличиться
во много раз по сравнению с первоначальным содержанием в электролите. Я могу сделать два важных
практических применения этому принципу. Например, когда при выплавке электростали целью является
извлечение серы из железа с помощью основных шлаков, я могу определить коэффициент распределения
серы между шлаком и скоростью получения эффекта путем приложения постоянного тока и использования
шлакового электролита, при этом металлическая фаза подключается в качестве катода. После установления
равновесия металл можно отливать из шлака, богатого сульфидами и т. д., или же шлак можно отливать из
металла. Другой вариант применения использует противоположное явление для извлечения ценных
сульфидов из металлургических шлаков, например, полученных при выплавке свинца или меди в доменных
печах.
Когда такие шлаки лежат на расплавленном штейне, и я превращаю поверхность последнего в анод в
процессе электролиза, используя шлак в качестве электролита, при этом металл осаждается на твердом
катоде (например, железо), металлические свойства штейна улучшаются, и по мере того, как кислые
компоненты шлака выдавливаются к поверхности, граница между двумя фазами становится более четкой, а
растворяющая способность шлака по отношению к сульфидам составляет лишь малую часть от
первоначальной, поскольку электролиз ухудшает его содержание сульфидов. матовый и сохраненный там в
зависимости от степени детализации. Таким образом, шлак будет отдавать основное количество
растворенного в штейне сульфида, и потери металла из-за шлакообразования снизятся до доли от обычных,
даже если электролиз будет длиться очень короткое время. Ранее я уже объяснял, как можно извлечь другие
несульфидные компоненты таких шлаков и как сами шлаки можно превратить в ценные продукты.
В предыдущем тексте я всегда говорил о расплавленном электролизе, но под этим следует понимать и то же
самое в твердом состоянии выше того температурного интервала после начала затвердевания, в пределах
которого он все еще сохраняет достаточную электролитическую проводимость. Многочисленные
модификации описанного выше процесса были изложены настолько подробно для того, чтобы специалисты в
данной области могли его применять с любым сырьем и для любых необходимых целей. Никакие ограничения
моего процесса не должны толковаться настолько широко, насколько это допустимо с учетом
предшествующего уровня техники. Подробно описав и определив природу моего изобретения и способ его
осуществления, я заявляю, что то, что я...
Соседние файлы в папке патенты