CS249116B2 - Electrode for fused-salt electrolysis - Google Patents

Description

TěktÝolýzíí, -zejména pró^élektrcáytíck^ř&y- '<^s Wovýclfttpfbcefůjú-édě^ozměry elektrod jsou robu kovů, jako jsou hliník, hořčík, sodík, lithium nebo jejich slitiny, s kovovýmním dílem opatřeným chladicím úštrojftři,’/ přičemž horní díl je chráněn alespoň částečně izolační vrstvou odolávající vysoké teplotě, a š'é spodním dílem z aktivního materiálu.

Při elektrolytické výrobě hliníku, hořčíku, alkalických kovů, stejně jako sloučenin a podobně, nalézají v technickém měřítku stále převážně uplatnění uhlíkové elektrody z tvrdého uhlíku nebo grafitu. Ačkoliv elektrody slouží hlavně к vedení proudu, jsou přece mnohdy samy zúčastněny na reakcích elektrody. Skutečná spotřeba elektrod leží proto značně nad teoretickou rychlostí opotřebovávání se, což se vysvětluje náchylností к oxidaci uhlíkových elektrod v podmínkách elektrolýzy. Teoretická velikost opotřebení je u tavné elektrolýzy hliníku okolo 334 kg uhlíku na jednu tunu hliníku,. · zatímco/skutečná spotřeba uhlíku, je. přibíjej ně 450 kg uhlíku na tunu hliníku. .. . / ,.·

Podobné problémy se vyskytují u elektrod к výrobě hořčíkUj sodíku, ytria a cerových směsných kovů. Vedlejší reakce oxidačního druhu na dílu elektrody ponořeném v tavenině, stejně jako ohoření prostřednictvím vzdušného kyslíku na dílu vyčnívajícím z taveniny, opotřebovávají elektrody nerovnou měrně a předčasně. К tomu je nutno připočíst ničivé účinky tuhových vkladných sloučenin, které se tvoří ze složek elektrolytu, případně jejich následných zplodin. Byly sice konány pokusy přeměnit uhlíkové elektrody impregnováním, následným termochemickým zpracováním a převedením do kombinovaného materiálu uhlík-karbid křemíku na vhodný materiál elektrod, nicméně tyto pokusy nevedly v praxi tavné elektrolýzy к žádnému podstatnému zlepšení.

Výše popsané nevýhody uhlíkových elektrod, stejně jako vzrůstající náklady na tuhu a tvrdě pálený uhlík, způsobily, že bylo započato s vývojem elektrod se stabilní formou. Od tohoto vývoje se očekává, že jeho prostřednictvím dojde nejen к nahrazení petrochemické suroviny ropného koksu, jehož spotřeba jen pro tavnou elektrolýzu pouze ve Spolkové republice německé dosahuje přibližně 500 tisíc tun ročně, ale také к šetření energie.

Za tím účelem byla popsána už řada keramických látek, jako stabilizovaný kysličník zirkoničitý, kysličník cíničitý, karbid křemičitý s boridem ventilového kovu a uhlíkem nebo keramický základní materiál s povlakem ze spinelových sloučenin. Konečně je třeba upozornit na návrh použití neoxidovatelných kombinovaných materiálů o vysoké chemické čistotě.

malé a tím dráha proudu je krátká. To se týi ká primárně pouze ^elektrolýz ve vodna^rf‘>jnéd®ch, zatímco elektrody pro tavnou elektrolýzu, například hliníku, se vyznačují značnými rozměry. Tak^mohou elektrody pro výrobu hliníku být diirienzovány až do rozměru 2250umm <X 950^: mm X 750 mm, zatímco typické tuhové eléktrodly к výrobě hořčíku mají podle druhu postupu rozměry 17 000 mm X 200 mm X 100 mm, popřípadě majl· průměr 400 mm a délku 2 200 mm. Zhotovení takových masivních bloků z výše zmíněných keramických materiálů je drahé a přináší s sebou značné těžkosti co se týče odolnosti vůči změnám teploty a vnitřnímu elektrickému cdporu. Snaha průmyslu spotřebovávajícího proúd v poslední době je ale zaměřena zvláště ria snížení specifické spotřeby energie, pročež keramické masivní elektrody nenašly dosud rovněž žádné uplat: není ·ν praxi; . _; и '-.xKonecně byly-;tég_; popsány anody pro tavу. nqu elektrolýzu, kterqsestávají z chladitelného držáku s keramickou aktivní částí к . němu - připojenou. Boční plochy této anody jsou alespoň v·.·.oblasti; trojíázového proudu potaženy ochrannou vrstvou, která je tvořena obecně ztuhlým elektrolytickým materiálem. Je však také uvedeno použití jiných -kyslůčmkověkeramíekýčh - stínících materiálů, které se nastříkají nebo nanesou jako prstenec přímo na boční plochu.

Vzhledem к přímému lpění keramických stínících materiálů na kovovém anodovém držáku musí být zřejmě izolace v případě jejího; poškození úplně· nahrazena,,, ježte dílčí органа ; je_; proveditelná jen obtížně/; Nadto nejsoui 'zveřejněny! konstrukční ;!údaje orspol· jení frnezb kovovým.; držákem а и keramikou aktivní častil· l· ;·<--·! ·;.·.'··. нН· ь Uvedené nevýhody jsou; odstraněny; u ulek* trody pro · tavnou elektrolýzu podle . vynále^ zu, jehož podstata spočívá· v tom; žedzolačr níí vrstva- je · vytvořena jako uvolnitelně,;nasazené· ;těleso.·!isložené -z^řady * trubkovitých, segmentovitých nebo miskovitých kusů; obklopujících spodní částíihorníhOí·dílu;;až к ŠFOubové ^spojoe,. spojující ihoímí díl ae?spod^ ním dílem;/· 7 - r·.. ин 'Další/podstatou: vynáleze že tělesonizo lační Vrstvy -a· vnější «hrany horního dílu 'spo_r l'U 1-ÍG/Ují. > · . · i - И. M.l.

Jinou podstatou vynálezu je, že těleso izo*· lační vrstvy je neseno mezi zářezem v kovu horního dílu a opěrným ložiskem uspořádaným v oblasti šroubové spojky, šroubovou spojkou, spodním dílem nebo jejich kombinací, popřípadě je přidržováno na opěrném ložisku tyčemi, s výhodou vytvořenými jako šrouby, vedenými ve vrtáních kovového horního dílu.

Nevýhodné na použití elektrod, které jsou vyrobeny z keramických materiálů, je i po přidání vodivost zvyšujících složek jejich často pouze nevalná až střední elektrická

Ještě jinou podstatou vynálezu je, že horní díl je potažen těsným, vysoce namáhatelným povlakem.

6

Je též podstatou vynálezu, že těleso· izolační vrstvy je z keramiky odolné vůči vysokým teplotám nebo z tuhové trubky potažené izolující vrstvou, případně je nasazeno na držácích připojených · k hornímu dílu, s výhodou je v horní části horního dílu částečně nahrazeno izolující žáruvzdornou nástřikovou hmotou, zakotvenou pomocí příchytek a může být uloženo pohyblivě vůči podélné ose elektrody.

Další podstatou vynálezu je, že spodní díl je složen z několika tyčovitých, deskovltých nebo trubicovitých jednotek, které mohou být spolu spojeny, drženy samostatnými šroubovými spojkami, uspořádány vedle sebe nebo pod sebou.

Jinou podstatou vynálezu je, že spodní díl je z amorfního uhlíku, tuhy, keramického vodiče nebo anorganických vláken spojených s aktivním materiálem.

Konečně je podstatou vynálezu, že těleso izolační vrstvy je na horním díle nasazeno plynotěsně a vodotěsně alespoň v oblasti přicházející do styku s elektrolytem a se vznikajícími produkty.

Elektroda podle vynálezu vykazuje řadu výhod. Je třeba vyzdvihnout extrémně nízké ztráty proudu, popřípadě napětí na cestě k aktivnímu dílu elektrody. Tímto lze oproti obvyklým masivním blokům, ať už jsou vyrobeny z uhlíku, tuhy nebo keramického materiálu, dosáhnout značných úspor energie. Dále je zde minimalizováno stranové opálení, poněvadž už nikoliv celá elektroda, nýbrž pouze její aktivní díl je vystaven agresivním elektrolytům a jejich se přitom vyvíjejícím reakčním plynům a parám. Konečně je elektroda · použitelná mnohostranně, poněvadž její konstrukce umožňuje použití širokého spektra aktivních materiálů v zásadě použitelných v oblasti tavné elektrolýzy.

Je také snadné dostat izolační tvarové těleso při sestavování do dané polohy. Použitím izolujícího, vně ležícího masivního dílu se může zlepšit odolnost vůči mechanickému namáhání. Rozčleněním izolující vnější zóny do segmentů není v případě poruch, popřípadě poškození, nutné vyměňovat celou elektrodu, poněvadž nahrazením příslušného dílu lze škodu hospodárně a rychle napravit. Vlivem volného nasazení izolačního tvarového tělesa, pokud je toto vytvořeno z více dílů, dochází v případě mechanického nebo jiného zničení dole se nacházejícího ochranného segmentu k automatickému sklouznutí nahoře se nacházejících segmentů, což lze popřípadě přídavně zajistit použitím pružin. Takto je elektroda i v případě nastalého poškození dále práceschopná, neboť nejvíce ohrožená, dole se nacházející oblast elektrody, která leží nejblíže k pracovní oblasti elektrody, je automaticky chráněna sklouznutím nepoškozeného prvku.

Ačkoliv izolační tvarové těleso, popřípadě izolující plášť, pokud sestává ze série jednotlivých segmentů nebo poloskořepin, může mít určitou vůli vlivem axiálního, stejně jakož i vnitřního uchycení, dosahuje se například na základě použití systému péra a drážky úplné ochrany citlivé kovové části elektrody. Pokud přesto dojde k poškození spodní oblasti ochranného štítu elektrody, lze s ní zpravidla pracovat tak dlouho, dokud není i jinak zapotřebí vyměnit spotřební díl, například z tuhy. Při vyjmutí elektrody může se pak lehce uskutečnit bez dalších problémů odpovídající náhrada jednotlivých poškozených segmentů či jiných prvků.

V dalším budou popsány obzvláště výhodné konstrukce elektrody podle vynálezu, které mají být použity zejména jako anody, a to na podkladě obrázků. Jsou zde znázorněny zejména elektrody, popřípadě anody, u nichž horní úsek z vodivého kovu sestává z horního dílu většího průměru a ze spodního dílu menšího průměru. Díl o· menším průměru je pak izolačním tvarovým tělesem alespoň částečně zakryt. Toto uspořádání je v rámci vynálezu zvláště výhodné, i když vynález není omezen ani na tyto, ani na zvláštní výhodné formy provedení podle níže popsaných obrázků.

Na výkresech zobrazuje obr. 1 podélný řez elektrodou podle vynálezu, obr. 2 podélný řez elektrodou podle vynálezu, u níž není znázorněna celá izolační chráněná oblast, stejně jako napojující se spotřební díl, obr. 3 a 4 řezy horním úsekem z kovu, popřípadě jeho oblastí menšího průměru a obr. 5 pohled zdola na aktivní díl elektrody.

U elektrody podle obr. 1 se chladicí médium, například voda, vzduch nebo inertní plyn, přivádí přívodním kanálem 2 a odvádí zpětným kanálem 3. Přitom vstupuje chladicí médium také do komory uvnitř šroubové spojky 1, která je provedena například z litiny, niklu nebo z kovové slitiny odolné vůči vysoké teplotě a korozi. Horní díl 5 z kovu sestává z horní oblasti většího průměru a z níže položené oblasti menšího průměru, která je vtažena až ke šroubové spojce 1, která tvoří spojení se spodním dílem 6, například ze spotřebovatelného materiálu, například z tuhy nebo keramického aktivního materiálu. Horní díl 5 je potažen na své užší části těsným, vysoce namáhatelným povlakem 12. Izolační vrstva 4 je uložena prostřednictvím opěrného ložiska 7, například z izolující keramiky odolné vůči vysoké teplotě. V horní oblasti je izolační vrstva 4 ohraničena horní hranou oblasti s větším průměrem kovového tělesa.

U elektrody znázorněné na obr. 1 je izolační vrstva 4 rozdělena na segmenty, které jsou při vylomení některého spodního segmentu schopny sklouznout ve směru osy elektrody. Alternativně však mohou být drženy i hákovými držáky 14.

Kromě chladicích vrtání 15 mohou být elektrody opatřeny přídavnými vrtáními 8, v nichž zasazené tyče 9 pružinami 10 zajišťují dobré uložení izolačních vrstev 4.

Z obr. 2, stejně jako z obr. 4 je feřejmé použití poloskořepin ve vzájemném spojení anebo s kroužky, například z tuhy, která je opatřena izolujícím pláštěm.

Spodní díl 6 ze spotřebovávajícího se nebo trvalého materiálu je rozdělen na řadu jednotlivých jednotek 20, které jsou spojeny šroubovou spojkou 1.

Výhodný stranový přívod proudu se uskutečňuje čelistmi 18, s výhodou tuhovými, upevněnými pomocí neznázorněných objímek, s výhodou na kovovém tělese. Na obr. 1 je znázorněna alternativní možnost upevnění čelistí 18 přímo na přívodní proudové sběrnici.

Mezi izolační vrstvou 4 a horním dílem 5 mohou být uspořádány kanály pro výplachový plyn, které nejsou na obrázcích ukázány. Prostřednictvím plynového výplachu se mohou lehce zjistit vyskytnuvší se poškození izolující keramiky, například z odpovídají-

Claims (16)

1. PŘEDMÉT

   1. Elektroda pro tavnou elektrolýzu, zejména pro elektrolytickou výrobu kovů, jako jsou hliník, hořčík, sodík, lithium nebo jejich slitiny, s kovovým horním dílem opatřeným chladicím ústrojím, přičemž horní díl je chráněn alespoň částečně izolační vrstvou odolávající vysoké teplotě, a se spodním dílem z aktivního materiálu, vyznačující se tím, že izolační vrstva [4] je vytvořena jako uvolnitelně nasazené těleso siožené z rady trubkovitých, segmentovitých nebo miskovitých kusů obklopujících spodní část horního dílu (5) až k šroubové spojce (1), spojující horní díl (5) se spodním dílem (6).
2. 2. Elektroda podle bodu 1, vyznačující se tím, že těleso izolační vrstvy (4) a vnější hrany horního dílu (5) spolu lícují.
3. 3. Elektroda podle bodu 1, vyznačující se tím, že těleso izolační vrstvy (4) je neseno mezi zářezem v kovu horního dílu (5) a opěrným ložiskem (7) uspořádaným v oblasti šroubové spojky (1) šroubovou spojkou (1), spodním dílem [6] nebo jejich kombinací.
4. 4. Elektroda podle bodu 1, vyznačující se tím, že těleso izolační vrstvy [4] je přidržováno na opěrném ložisku (7) tyčemi (9], s výhodou vytvořenými jako šrouby, vedenými ve vrtáních (8) kovového horního dílu (5).
5. 5. Elektroda podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že horní díl (5) je potažen těsným, vysoce namáhatelným povlakem (12).
6. 6. Elektroda podle bodů 1 až 5, vyznačující se tím, že těleso izolační vrstvy (4) je z keramiky odolné vůči vysokým teplotám nebo z tuhové trubky potažené izolující vrstvou.
7. 7. Elektroda podle bodů 1 až 6, vyznaču cího poklesu tlaku. Navíc je tím možno dosáhnout určitého chladicího účinku. Navíc je v rámci vynálezu, což rovněž není znázorněno na obrázcích, pokrytí horního dílu 5 a/nebo šroubové spojky 1, popřípadě jejich vnějších ploch vysoce odolnou vrstvou. Tato vrstva může být podle dimenzování alespoň částečně nad ní ležící, vůči vysoké teplotě odolné, izolační vrstvy 4 provedena jako elektricky vodivá nebo také izolující. U izolujícího provedení dochází tím k vytvoření druhé ochranné linie, která může při porušení vně ležící izolační vrstvy 4 uplatnit. Pokud podle provozních podmínek není zapotřebí počítat s tímto případem, může být povlak proveden také z vůči vysoké teplotě odolného vodivého materiálu, přičemž pak tento materiál působí jako tepelný nebo inertní kryt na ochranu pod ním ležícího kovu.

   VYNÁLEZU jící se tím, že těleso izolační vrstvy (4) je nasazeno na držácích (14) připojených k hornímu dílu (5).
8. 8. Elektroda podle bodů 1 až 7, vyznačující se tím, že těleso izolační vrstvy (4) je v horní části horního dílu (5) částečně nahrazeno izolující žáruvzdornou nástřikovou hmotou, zakotvenou pomocí příchytek.
9. 9. Elektroda pcdie bodů 1 až 8, vyznačující se tím, že těleso izolační vrstvy (4) je uloženo pohyblivě vůči podélné ose elektrody.
10. 10. Elektroda podle bodů 1 až 9, vyznačující se tím, že těleso· izolační vrstvy (4) několika tyčovitých, deskovitých nebo trubicovitých jednotek (20).
11. 11. Elektroda podle bodu 10, vyznačující se tím, že jednotky (20) jsou spolu spojeny.
12. 12. Elektroda podle bodů 10 a 11, vyznačující se tím, že jednotlivé jednotky (20) jsou drženy samostatnými šroubovými spojkami (1).
13. 13. Elektroda podle bodů 10 až 12, vyznačující se tím, že jednotky (20) jsou uspořádány vedle sebe.
14. 14. Elektroda podle bodů 10 až 12, vyznačující se tím, že jednotky (20) jsou uspořádány pod sebou.
15. 15. Elektroda podle bodů 1 až 14, vyznačující se tím, že spodní díl (6) je z amorfního uhlíku, tuhy, keramického vodiče nebo anorganických vláken spojených s aktivním materiálem.
16. 16. Elektroda podle bodů 1 až 15, vyznačující se tím, že těleso izolační vrstvy (4) je na horním díle (5) nasazeno· plynotěsně a vodotěsně alespoň v oblasti, přicházející do styku s elektrolytem a se vznikajícími •Á^npojd