способ подготовки катода к процессу электролитического получения магния

Формула изобретения

1. Способ подготовки катода к процессу электролитического получения магния, включающий предварительное травление поверхности катода неорганическими кислотами, обезуглероживающий отжиг материала катода, отличающийся тем, что обезуглероживающий отжиг проводят в контролируемой газовой среде при температуре 700-1100°С в течение 20-48 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контролируемой газовой среды используют водород.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контролируемой газовой среды используют азотно-водородную среду.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контролируемой газовой среды используют вакуум.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что травление производят кислотой с концентрацией 10-18% при температуре 40-80°С и времени выдержки 30-50 мин.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве азотно-водородной среды применяют смесь из 96% азота и 4% водорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к процессу получения магния электролизом расплавленных солей, в частности к способам подготовки катода для электролитического получения магния.

Известен способ подготовки катода к процессу электролитического получения магния (ст.: Причины обезуглероживания стали катодов магниевых электролизеров. - Рудницкий М.Л. и др. - Ж. Цветные металлы, 1974, №11, стр.42-43), включающий обезуглероживание катода выдержкой в жидком магнии при температуре 700°С путем взаимодействия углерода, находящегося в стали катода, с магнием. Обезуглероживание происходит до содержания углерода в стали 0,02-0,03%.

Недостатком данного способа является загрязнение магния и его длительное рафинирование от растворенного железа.

Катоды для производства магния, в основном, изготавливают из углеродистой стали марки ст.3. В пуско-наладочный период электролизер имеет низкий выход магния по току из-за плохого смачивания магнием металлической поверхности катода. Этот период длится до 2,5-3 месяцев, за это время сталь катода активно обезуглероживается, в ней наблюдается значительный рост зерна феррита и смачиваемость магнием значительно улучшается. Сокращения пуско-наладочного периода можно достичь применением катода из малоуглеродистых сталей типа: армко-железо, сталь 08 кп, ст 10, старых отработанных катодов, т.е. чем меньше углерода в стали, тем выше смачиваемость поверхности катода и выше выход годного. Однако стоимость таких сталей достаточно высокая, увеличиваются затраты на производство магния.

Активное обезуглероживание поверхности катода начинается в пуско-наладочный период за счет химического воздействия жидкого магния, воздействия хлористых солей электролита и электропереноса при электролизе.

Этому также способствуют повышенные температуры электролиза магния (680-720°С) вблизи температур эвтектоидного превращения в стали. При этом пластинчатый цементит перлита сфероидизируется, коагулирует, а с течением времени цементит распадается (диссоциирует) с образованием атомов углерода (графита). Наличие большого числа точечных дефектов, возникающих при распаде цементита, обуславливает повышенную диффузионную активность и подвижность углерода к поверхности катода.

Изменение химического состава и структуры стали из-за обезуглероживания способствует развитию процесса собирательной рекристаллизации - росту зерна. При этом в центре катода зерна могут иметь равноосную форму, а ближе к поверхности - вытянутую, столбчатую. В исходной стали величина ферритного зерна составляет 0,02-0,05 мм, а после 5 месяцев эксплуатации катода 0,8-2 мм. В них образуется аксиальная текстура строения и свойства поверхности изменяются. На ней уменьшается выход границ зерен на поверхность и количество точечных дефектов, что ведет к уменьшению поверхностной энергии, поверхностного натяжения и, как следствие, к улучшению смачиваемости катода магнием.

Одновременно рост зерна катода, частичное рафинирование в отношении примесей и уменьшение углерода на поверхности уменьшают адсорбционную и абсорбционную активность примесей из электролита, которые откладываются на поверхности катода и пассивируют его. При этом величина капель магния значительно увеличивается и слияние капель улучшается.

Известен способ подготовки катодов с целью улучшения их смачиваемости магнием и уменьшения пуско-наладочного периода (ст.: О подготовке катодов перед установкой в магниевые электролизеры. - Баранник И.А. и др. - Сб. трудов «Металлургия и химия титана», том III, М.: Металлургия. 1969 г., с.213-220), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип и включающий предварительную обработку катодов от окалины путем травлением кислотой или механической обработкой катода; или анодным травлением путем переключения полярности электродов или депассивацией путем обеднения электролита хлористым магнием в течение 6-8 часов; или обезуглероживающий отжиг.

Недостатком данных способов является технологическая сложность операций, трудоемкость и низкая степень показателей подготовки поверхности катода за счет недостаточной смачиваемости катода магнием и длительности пуско-наладочного периода работы электролизера

Технический результат направлен на увеличение зерна стали, смачиваемости катода магнием и за счет этого на снижение пуско-наладочного периода работы электролизера. За счет этого увеличивается производительность работы электролизера, повышается выход магния по току. Кроме того, улучшение поверхности катода за счет снижения неметаллических и газовых включений, укрупнения величины зерна приводят к повышению срока службы катода и тем самым к повышению срока службы электролизера и снижению затрат на замену вышедших из строя катодов.

Технический результат достигается тем, что предложен способ подготовки катода к процессу электролитического получения магния, включающий предварительное травление поверхности катода неорганическими кислотами, обезуглероживающий отжиг материала катода, новым является то, что обезуглероживающий отжиг проводят в контролируемой газовой среде при температуре 700-1100°С в течение 20-48 часов.

Кроме того, в качестве контролируемой газовой среды используют водород.

Кроме того, в качестве контролируемой газовой среды используют азотно-водородную среду.

Кроме того, в качестве контролируемой газовой среды используют вакуум.

Кроме того, травление производят с концентрацией кислоты 10-18% при температуре 40-80°С и времени выдержки 30-50 минут.

Кроме того, в качестве азотно-водородной среды применяют смесь из 96% азота и 4% водорода.

Осуществление предварительной последовательной подготовки катодов для электролитического получения магния путем травления и обезуглероживающего отжига в контролируемой газовой среде при температуре 700-1100°С и в течение 20-48 часов позволяет уменьшить содержание углерода на поверхности катода, увеличить размер зерна феррита в заготовке материала катода, улучшить смачиваемость катода магнием, тем самым, уменьшить пуско-наладочный период и повысить срока службы катода и всего электролизера.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе подготовки катода к процессу электролитического получения магния, изложенных в пунктах формулы изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Данный способ применяется в совокупности с другими признаками, которые направлены на достижение конкретного технического результата - сокращение пуско-наладочного периода работы электролизера для получения магния. Заявленная совокупность признаков является неизвестной для специалистов и, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень"

Пример осуществления способа

Способ предварительной подготовки катодов перед установкой в электролизеры для получения магния состоит из следующих взаимосвязанных процессов: пластической деформации, травления и обезуглероживающего отжига.

Травление производят в соляно- или сернокислом растворе с концентрацией кислоты 10-18% при температуре 40-80°С и времени выдержки 30-50 минут. Травление в солянокислом растворе предпочтительнее, так как в процессе травления на катодах создается более чистая поверхность После травления проводят обезуглероживающий отжиг в среде водорода или в азотно-водородной среде 96% N₂ +4% H₂ или при вакуумном отжиге. Отжиг проводят в герметичной реторте, установленной в электрическую шахтную печь. Температура отжига 700-1100°С, время выдержки составляет от 20 до 48 час, при этом проходит обезуглероживание поверхности до содержания углерода 0,007-0,015% при различной глубине обезуглероживания и большой величине зерна феррита на поверхности (см.таблицу).

Таблица Влияние среды на глубину обезуглероженного слоя и содержание углерода в поверхности (температура 950°С, время 24 часа)
Среда	Глубина обезуглероживания, мм	Содержание углерода в поверхности
Азотно-водородная с 96% N2+4% H 2	0,1	0,012
Водород	0,15	0,01
Вакуумный отжиг при 10 -4 мм	0,04	0,012

Одновременно отжиг, особенно в среде водорода и частично в вакууме, приводит к рафинированию, облагораживанию и повышению электропроводности поверхностного слоя за счет удаления газовых примесей, неметаллических включений, частично серы.

Лабораторные исследования показали уменьшение пуско-наладочного периода на 30-40%.

Таким образом за счет увеличения смачиваемости катода снижается пуско-наладочный период работы электролизера. За счет этого увеличивается производительность работы электролизера, повышается выход магния по току. Кроме того, улучшение поверхности катода за счет снижения неметаллических и газовых включений, укрупнения величины зерна приводит к повышению срока службы катода и тем самым к повышению срока службы электролизера и снижению затрат на замену вышедших из строя катодов.