EA029746B1

EA029746B1 - Способ и система электролитического восстановления твердого сырья

Info

Publication number: EA029746B1
Application number: EA201390605A
Authority: EA
Inventors: Питер Г. Дадли; Аллен Ричард Райт
Original assignee: Металисиз Лимитед
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2018-05-31
Also published as: AP4025A; AU2011330972A1; AU2016231530A1; BR112013011941A2; UA114395C2; NZ610339A; CA2817351A1; DK201370318A; KR101824288B1; MX356588B; AP2013006912A0; KR20140032351A; AU2011330972B2; MY164240A; CN103237926A; US20130327653A1; CL2013001392A1; EP2640871B1; AU2011330972C1; EP2640871A1

Abstract

В способе электролитического восстановления твердого сырья, например твердого сырья окиси металла, электродный модуль (10) устанавливается в положение для загрузки сырья. Загруженный модуль затем перемещается из положения для загрузки сырья и вводится в контакт с камерой электролиза (220), содержащей расплавленную соль. Для восстановления твердого сырья к электродному модулю подводится напряжение. Загруженный модуль может перемещаться в транспортировочном модуле.

Description

Изобретение относится к способу электролиза, использующему аппарат, включающий электродный модуль или сборку.

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к способу восстановления твердого сырья, содержащего соединение или соединения металлов, такие как окисел металла, для образования восстановленного продукта. Как известно из предшествующего уровня техники, электролитические процессы могут использоваться, например, для восстановления соединений металлов или соединений полуметаллов до металлов, полуметаллов или частично восстановленных соединений, или для восстановления смесей соединений металлов для образования сплавов. Чтобы избежать повторений, в настоящем документе термин "металл" будет использоваться для охвата всех таких продуктов, как металлы, полуметаллы, сплавы, интерметаллические соединения и частично восстановленные продукты.

В последние годы возник большой интерес к прямому производству металлов с помощью восстановления твердого сырья, например твердого сырья окиси металла. Одним из таких процессов прямого производства является процесс электролитического разложения СашЬпбдс РРС (описанный в заявке \УО 99/64638). В процессе РРС твердое соединение, например твердый окисел металла, располагается в контакте с катодом в электролитической ячейке, содержащей расплавленную соль. Между катодом и анодом ячейки приложен электрический потенциал, так чтобы соединение восстанавливалось. В процессе РРС, потенциал, который вырабатывает твердое соединение, ниже, чем потенциал осаждения для катиона из расплавленной соли. Например, если в качестве расплавленной соли используется хлорид кальция, потенциал катода, при котором твердое соединение восстанавливается, ниже, чем потенциал осаждения для осажденного из соли металлического кальция.

Предлагаются другие восстановительные процессы для восстановления сырья, в виде подключенного к катоду твердого металлического соединения, такие как полярный процесс, описанный в заявке \УО 03/076690, и процесс, описанный в заявке \УО 03/048399.

При традиционной реализации процесса РРС и других процессов электролитического восстановления, как правило, включается производство сырья в виде брикета или прекурсора, изготовленного из порошка твердого соединения, подлежащего восстановлению. Этот брикет затем тщательно соединяется с катодом, что обеспечивает протекание восстановления. Когда ряд брикетов соединен с катодом, катод может опускаться в расплавленную соль и брикеты могут восстанавливаться. Операция производства и присоединения брикетов к катоду очень трудоемкая. Хотя этот способ хорошо работает в лабораторном масштабе, он не оправдывает себя в массовом производстве металла в промышленном масштабе.

Целью изобретения является создание способа электролиза, более приспособленного для восстановления твердого сырья в промышленном масштабе.

Сущность изобретения

Изобретение предусматривает способ электролитического восстановления твердого сырья, раскрытый в заявляемом независимом пункте формулы, на который будут делаться ссылки. Предпочтительные или преимущественные отличительные черты изобретения установлены в зависимых пунктах формулы.

Таким образом, способ электролитического восстановления твердого сырья может включать следующие стадии: установка электродного модуля, содержащего по меньшей мере один электрод, в положение для загрузки сырья, загрузка твердого сырья в электродный модуль, перемещение электродного модуля из положения для загрузки сырья и введение электродного модуля в контакт с секцией электролиза, так чтобы сырье находилось в контакте с расплавленной солью в секции электролиза, подача напряжения к электродному модулю, чтобы твердое сырье восстанавливалось, и извлечение электродного модуля из секции электролиза в транспортировочный модуль, выполненный с возможностью обеспечения в нем контролируемых условий.

Предпочтительно электродный модуль включает, по меньшей мере, катод и анод, соединяемый с источником энергии таким образом, что между анодом и катодом может создаваться потенциал. Электродный модуль может содержать один или несколько биполярных электродов.

Предпочтительно твердое сырье загружается таким способом, что оно находится в контакте с катодом или катодной поверхностью биполярного электрода.

Может оказаться преимущественным, чтобы электродный модуль перемещался из положения для загрузки сырья в транспортировочном модуле. Транспортировочный модуль может принимать форму корпуса, образующего камеру, в которую может подниматься электродный модуль. Предпочтительно транспортировочный модуль является герметизируемым таким образом, что электродный модуль может перемещаться в контролируемых условиях, например, в инертной атмосфере. Может оказаться предпочтительным, чтобы электродный модуль нагревался до заданной температуры перед введением в контакт с секцией электролиза. В предпочтительном варианте, когда электродный модуль находится в контакте, секция электролиза содержит расплавленную соль. Если электродный модуль не находится при соответствующей температуре, может возникать тепловая деформация или тепловой удар компонентов электродного модуля, что может приводить к разрушению компонентов электродного модуля. Предпочтительно, чтобы электродный модуль нагревался до температуры, близкой к температуре расплавленной соли. Поэтому заданная температура может находиться в диапазоне примерно от 500 до 1200°С, в зави- 1 029746

симости от температуры расплавленной соли. В частности, предпочтительные температуры находятся в диапазоне от 700 до 1000°С, например от 800 или 850°С.

Преимущественно электродный модуль может быть нагрет в инертной атмосфере в транспортировочном модуле. Транспортировочный модуль может содержать нагревающие элементы, которые, чтобы нагреть электродный модуль, поднимают температуру в модуле до заданной температуры. Как вариант, транспортировочный модуль может включать устройства, обеспечивающие подачу нагретого газа в транспортировочный модуль для нагрева электродного модуля.

Может оказаться предпочтительным, чтобы для нагрева до заданной температуры электродный модуль перемещался из транспортировочного модуля в нагревательную станцию. Например, транспортировочный модуль может подключаться к нагревательной станции и перемещать электродный модуль в отдельную нагревательную станцию для обеспечения нагрева электродного модуля. В этом варианте сам транспортировочный модуль не обязательно содержит нагревательные элементы.

Таким образом, может оказаться предпочтительным, чтобы электродный модуль перемещался из загрузочной станции в транспортировочном модуле, опускался в нагревательную станцию, нагревался до заданной температуры и поднимался обратно в транспортировочный модуль для перемещения в секцию электролиза.

Электродный модуль предпочтительно герметизируется в транспортировочной камере транспортировочного модуля с помощью закрывания затвора. Предпочтительно затвор представляет собой шиберную задвижку, в которой шлюз является подвижным для герметизации транспортировочной камеры с транспортировочным модулем.

Отверстие секции электролиза, т.е. отверстие, через которое может перемещаться электродный модуль для введения в контакт с секцией электролиза, предпочтительно, закрывается открываемым затвором. Особенно предпочтительно, чтобы затвор был шиберной задвижкой, которая может открываться для обеспечения прохода электродного модуля в секцию электролиза.

Может оказаться желательным после электролиза удалять электродный модуль из секции электролиза для возврата восстановленного сырья. Предпочтительно удалять электродный модуль, оказавшийся при рабочей температуре секции электролиза (или вблизи нее) и в условиях, в которых расплавленная соль, содержащаяся в секции электролиза, все еще находится в расплавленном состоянии.

Может оказаться преимущественным, чтобы после извлечения из секции электролиза электродный модуль остывал в инертной атмосфере в транспортировочном модуле. Если электродный модуль находится при высокой температуре, например 800°С, важно чтобы модуль не входил в контакт с кислородом или воздухом до тех пор, пока температура не будет понижена в достаточной степени, чтобы избежать самовоспламенения любых углеродистых компонентов электродного модуля, или быстрого окисления любого восстановленного сырья, находящегося в электродном модуле.

После извлечения из секции электролиза электродный модуль может остывать в инертной атмосфере в транспортировочном модуле. Таким образом, транспортировочный модуль может включать устройства для охлаждения, такие как трубы водяного охлаждения, или может включать устройства для прохода охлаждающего газа через транспортировочный модуль, чтобы снизить температуру электродного модуля.

Как вариант, электродный модуль может перемещаться в транспортировочном модуле к отдельной станции охлаждения, подвергаясь охлаждению до заданной температуры в инертной атмосфере.

Предпочтительно, чтобы станция охлаждения включала камеру охлаждения, в которую может вставляться электродный модуль для эффективного охлаждения. Таким образом, способ может включать стадии перемещения электродного модуля в станцию охлаждения в транспортировочном модуле, опускания электродного модуля в станцию охлаждения, охлаждения электродного модуля до заданной температуры, и поднимания электродного модуля обратно в транспортировочный модуль для перемещения из станции охлаждения.

Расплавленная соль, оставшаяся в электродном модуле, будет затвердевать по мере охлаждения электродного модуля. Поэтому электродный модуль после охлаждения будет покрыт пленкой затвердевшей соли. Может быть преимущественным перемещать электродный модуль в промывочную станцию для вымывания соли из восстановленного сырья. Промывочная станция может включать промывочный аппарат, подходящий для направления струй воды в электродный модуль, чтобы вымыть соль из сырья. Промывочная станция может, кроме того, включать устройства для сбора использованной воды от процесса промывки.

Может быть преимущественным, чтобы электродный модуль перемещался в отдельную разгрузочную станцию для облегчения доступа к электродному модулю для разгрузки восстановленного сырья. Особенно предпочтительно, чтобы электродный модуль был снабжен съемными лотками, которые можно отсоединять от электродного модуля. Таким образом, может быть предпочтительным, чтобы твердое сырье загружалось в съемные лотки отдельно от электродного модуля, а затем съемные лотки соединялись с электродным модулем для загрузки сырья в электродный модуль. Кроме того, может быть преимущественным, чтобы лотки могли извлекаться из электродного модуля для облегчения разгрузки вос- 2 029746

становленного сырья.

Предпочтительно сырье загружается таким образом, что оно находится в контакте с катодной конструкцией электродного модуля, например, поверхностью катода или катодной поверхностью биполярного электрода. Это является существенным, если реакция для восстановления сырья происходит, используя процесс РРС. Однако может использоваться другой процесс восстановления.

Особенно предпочтительно, чтобы реакция электролиза в данном способе происходила, благодаря электролитическому восстановлению твердого сырья, например, электролитическому восстановлению с помощью процесса РРС.

Способ может применяться для использования с любым электродным модулем, который можно загружать сырьем и вводить в контакт с секцией электролиза для электролиза сырья. Может существовать ряд конкретных вариантов воплощения электродного модуля, которые могут предпочтительно использоваться в этом способе.

В предпочтительном варианте изобретения может быть преимущественным, чтобы электродный модуль был подвижным электродным модулем для введения в контакт с секцией электролиза, причем подвижный электродный модуль содержит первый электрод, второй электрод и подвесную конструкцию, включающую подвесной стержень, соединенный предпочтительно на одном конце стержня с первым электродом, в котором второй электрод подвешен, или поддерживается подвесной конструкцией, и в котором подвесная конструкция содержит по меньшей мере одну электроизолирующую распорку для удержания второго электрода в пространственном разделении с первым электродом.

В следующем, предпочтительном варианте изобретения может оказаться преимуществом, чтобы электродный модуль был подвижным электродным модулем для введения в контакт с секцией электролиза, причем подвижным электродным модулем включает анод и катод для удержания порции твердого сырья, при восстановлении посредством электролиза в расплавленном солевом электролите, при этом сырье удерживается в контакте с катодом.

В следующем предпочтительном варианте изобретения может оказаться преимущественным, чтобы электродный модуль был подвижным электродным модулем для введения в контакт с секцией электролиза, причем подвижным электродным модулем, включающим первый электрод и крышку, в котором, когда подвижный электрод введен в контакт с электролизным аппаратом, первый электрод располагается в секции электролиза таким образом, что может использоваться для электролиза, и крышка перекрывает отверстие секции электролиза.

В следующем предпочтительном варианте изобретения может оказаться преимуществом, чтобы электродный модуль был подвижным электродным модулем для введения в контакт с секцией электролиза, причем подвижный электродный модуль включает подъемный элемент для осуществления подъема модуля, первый электрод, соединенный с нижним концом подвесного стержня, и подпружиненные устройства, расположенные между подъемным элементом и верхним концом подвесного стержня.

Различные аспекты и варианты изобретения, раскрываемого здесь, особенно подходят для производства металла путем восстановления твердого сырья, содержащего твердый окисел металла. Чистые металлы могут образовываться при восстановлении чистых окислов металла и сплавов, и интерметаллические соединения могут образовываться при восстановлении сырья, содержащего смеси окислов металла или смеси чистых окислов металла.

Некоторые восстановительные процессы могут осуществляться только тогда, когда расплавленная соль или электролит, используемый в процессе, содержит виды металлов (химически активных металлов), которые образуют более устойчивый окисел, чем окисел металла или соединение, подлежащее восстановлению. Такая информация может быть легко получена из термодинамических данных, особенно данных о свободной энергии Гиббса, и может быть просто определена из стандартной диаграммы Эллингема или диаграммы преобладания или диаграммы свободной энергии Гиббса. Термодинамические данные об устойчивости окислов и диаграммы Эллингема доступны и понятны электрохимикам и специалистам в области металлургии извлечения (специалист в данном случае должен быть осведомлен о таких данных и информации).

Таким образом, предпочтительный электролит для процесса восстановления может содержать соль кальция. Кальций образует более устойчивый окисел, чем большинство других металлов, и поэтому может способствовать восстановлению окисла металла, который менее устойчив, чем окисел кальция. В других случаях могут использоваться соли, содержащие другие химически активные металлы. Например, процесс восстановления в соответствии с любым аспектом раскрываемого здесь изобретения может быть выполнен, используя соль, содержащую литий, натрий, калий, рубидий, цезий, магний, кальций, стронций, барий или иттрий. Могут использоваться хлориды или другие соли, включая смесь хлоридов или других солей.

Благодаря выбору соответствующего электролита, используя способы и устройства, раскрываемые здесь, могут восстанавливаться почти любые окислы металла. В частности, могут восстанавливаться окислы бериллия, бора, магния, алюминия, кремния, скандия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, германия, иттрия, циркония, ниобия, молибдена, гафния, тантала, вольфрама и лантаноидов, включая лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, и актинидов, включая актиний,

- 3 029746

торий, протактиний, уран, нептуний и плутоний, предпочтительно, используя расплавленную соль, содержащую хлорид кальция.

Специалист сможет выбрать соответствующий электролит, который подходит для восстановления отдельного окисла металла, и в большинстве случаев, электролит, содержащий хлорид кальция, будет подходящим.

Конкретные варианты изобретения

Конкретные варианты изобретения теперь будут описаны со ссылками на фигуры, на которых: на фиг. 1 приведен вид в перспективе подвижного электродного модуля, воплощающего один или

несколько аспектов изобретения;

на фиг. 2 приведен вид сбоку подвижного электродного модуля по фиг. 1; на фиг. 3 приведен вид в плане подвижного электродного модуля по фиг. 1;

на фиг. 4 приведено поперечное сечение вида сбоку подвижного электродного модуля по фиг. 1, отображающее структуру различных электродов и опорных компонентов подвижного электродного модуля;

на фиг. 5 приведена схема в разрезе электролизного аппарата, имеющего секцию электролиза, пригодную для приема подвижного электродного модуля по варианту, показанному на фиг. 1;

на фиг. 6 приведена схема в разрезе, отображающая подвижный электродный модуль по фиг. 1 в контакте с электролизным аппаратом, показанным на фиг. 5;

на фиг. 7 приведена схема в разрезе, отображающая подвижный электродный модуль по фиг. 1, помещенный в транспортировочный модуль электролизного аппарата по фиг. 5, в состоянии готовности к введению в контакт электродного модуля с секцией электролиза в электролизном аппарате;

на фиг. 8 приведена схема в разрезе, отображающая подвижный электродный модуль по фиг. 1 после того, как он выведен из транспортировочного модуля и введен в контакт с электролизным аппаратом по фиг. 5;

на фиг. 9 приведен вид в перспективе съемной конструкции катода-лотка, пригодной для использования в качестве катода-лотка в подвижном электродном модуле по фиг. 1;

на фиг. 10 приведен вид в плане конструкции катода-лотка по фиг. 9; на фиг. 11 приведен вид сбоку конструкции катода-лотка по фиг. 9;

на фиг. 12 приведен поперечный разрез второго варианта подвижного электродного модуля в соответствии с одним или несколькими аспектами изобретения;

на фиг. 13 приведен поперечный разрез третьего варианта подвижного электродного модуля в соответствии с одним или несколькими аспектами изобретения;

на фиг. 14 приведен схематический поперечный разрез альтернативного способа соединения подвижного электродного модуля с подъемными устройствами, в соответствии с вариантом настоящего изобретения;

на фиг. 15 приведено схематическое изображение электродного модуля, расположенного у загрузочной станции, с транспортировочным модулем, расположенным над электродным модулем;

на фиг. 16 приведено схематическое изображение электродного модуля, удерживаемого в транспортировочном модуле над нагревательной станцией;

на фиг. 17 приведено схематическое изображение транспортировочного модуля, подключенного к нагревательной станции;

на фиг. 18 приведено схематическое изображение электродного модуля, удерживаемого в транспортировочном модуле над станцией охлаждения;

на фиг. 19 приведено схематическое изображение транспортировочного модуля, подключенного к станции охлаждения;

на фиг. 20 приведено схематическое изображение электродного модуля, подвергаемого промывке в промывочной станции.

Подвижный электродный модуль в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения теперь будет описан со ссылками на фиг. 1-4. Электродный модуль 10 содержит контактный анод 20, контактный катод 30 и семь биполярных электродов 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, распределенных с пространственным разнесением друг от друга выше контактного катода 30 и ниже контактного анода 20. Контактный катод 30, контактный анод 20 и каждый из промежуточных биполярных электродов 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, по существу, круглый по форме и имеет диаметр около 550 мм.

Контактный катод 30 имеет составную конструкцию, состоящую из нижней части и верхней части. Нижняя часть, по существу, является элементом 30а основания катода, выполненным из диска нержавеющей стали марки 310, имеющего диаметр 550 мм и толщину 60 мм. Верхняя часть представлена съемным лотком 30Ь в сборе, установленным на верхнюю поверхность элемента 30а основания. Съемный лоток 30Ь в сборе показан на фиг. 9, 10 и 11 и будет подробно описан ниже. Через центральную часть собранного лотка 30Ь в сборе проходит центральное отверстие диаметром около 130 мм.

Каждый из семи биполярных электродов 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46 имеет составную конструкцию, включающую нижнюю часть 40а, 41а, 42а, 43а, 44а, 45а, 46а и верхнюю часть или лоток 40Ь, 41Ь, 42Ь, 43Ь, 44Ь, 45Ь, 46Ь в сборе. Верхняя часть или лоток в сборе каждого из биполярных электродов идентич- 4 029746

на верхней части или лотку 30Ь в сборе контактного катода 30.

Нижние части 40а, 41а, 42а, 43а, 44а, 45а, 46а каждого из биполярных электродов выполнены из дисков углерода, например, графита, имеющих диаметр 550 мм и толщину 60 мм. Через центральную часть каждого из биполярных электродов 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46 проходит отверстие диаметром около 130 мм.

На нижней поверхности каждого биполярного электрода выполнено множество каналов 50 шириной примерно 10 мм, чтобы способствовать отводу образующихся газовых языков, выделяющихся на нижней поверхности каждого биполярного электрода, к внешней окружности каждого биполярного электрода.

Первый биполярный электрод 40 поддерживается прямо над контактным катодом 30 посредством первой электроизолирующей распорки 60. Первая электроизолирующая распорка 60 представляет собой трубчатую распорку, выполненную из окиси алюминия. Первая электроизолирующая распорка, как вариант, может быть выполнена из другого электроизолирующего керамического материала, такого как окись иттрия или нитрид бора.

В некоторых вариантах первая электроизолирующая распорка 60 установлена прямо на элемент 30а основания катода. В других вариантах керамическая вставка 70, выполненная из керамического материала, который не будет восстанавливаться в условиях работы ячейки, расположена между элементом 30а основания контактного катода и первой электроизолирующей распоркой 60.

Нижняя поверхность нижней части 40а первого биполярного электрода 40 установлена на первую электроизолирующую распорку 60 таким образом, что первый биполярный электрод 40 поддерживается благодаря первой электроизолирующей распорке 60 посредством элемента 30а основания контактного катода.

Второй биполярный электрод 41 поддерживается прямо над первым биполярным электродом 40 посредством второй электроизолирующей распорки 61. Вторая электроизолирующая распорка 61 представляет собой трубчатый элемент из окиси алюминия, который практически идентичен первой электроизолирующей распорке 60. Вторая электроизолирующая распорка установлена на верхней поверхности нижней части 40а первого биполярного электрода 40. Нижняя поверхность нижней части 41а второго биполярного электрода, в свою очередь, установлена на второй электроизолирующей распорке таким образом, что второй биполярный электрод 41 поддерживается при посредстве второй электроизолирующей распорки 61 первым биполярным электродом.

Эта несущая конструкция повторяется для каждого из биполярных электродов. Таким образом, третий биполярный электрод 42 поддерживается вторым биполярным электродом 41 при посредстве третьей электроизолирующей распорки 62. Четвертый биполярный электрод 43 поддерживается третьим биполярным электродом 42 при посредстве четвертой электроизолирующей распорки 63. Пятый биполярный электрод 44 поддерживается четвертым биполярным электродом 43 при посредстве пятой электроизолирующей распорки 64. Шестой биполярный электрод 45 поддерживается пятым биполярным электродом 44 при посредстве шестой электроизолирующей распорки 65. Седьмой биполярный электрод 46 поддерживается шестым биполярным электродом 45 при посредстве седьмой электроизолирующей распорки 46.

Контактный анод 20 выполнен в виде графитового диска, имеющего диаметр 550 мм и толщину 60 мм. На нижней поверхности анода выполнены каналы таким же способом, как определено выше в связи с биполярными электродами. Одним из назначений этих каналов является способствование отводу газа, выделяемого на нижней поверхности контактного анода 20. В центральной части контактного анода 20 выполнено отверстие, имеющее диаметр около 130 мм. Контактный анод поддерживается прямо над седьмым биполярным электродом 46 при посредстве восьмой электроизолирующей распорки 67.

Подвижный электродный модуль 10, кроме того, включает изолирующую керамическую крышку 100, расположенную непосредственно над контактным анодом 20. Крышка 100 выполнена из окиси алюминия, хотя может использоваться любой теплоизолирующий керамический материал, и она предназначена для закрывания секции электролиза в электролизном аппарате во время реакции электролиза. Крышка 100 удерживается на верхней поверхности контактного анода 20 с помощью девятого электроизолирующего опорного элемента 68. Девятая электроизолирующая опора 68 аналогична ранее описанным электроизолирующим опорным элементам, но имеет большую длину.

В крышке 100 выполнено центральное отверстие. Таким образом, отверстие или полость, образуемая им, простирается вниз через подвижный электродный модуль от верхней поверхности 101 крышки 100 через трубчатую электроизолирующую распорку 68, через центр анода и через каждый из биполярных электродов и связанных с ними распорок. Подвесной стержень 110 проходит через это отверстие или полость и соединен с элементом 30а основания катода контактного катода 30 посредством резьбы, которая соединяется с резьбовым отверстием, выполненным в элементе 30а основания катода. Подвесной стержень 110 не контактирует с другими электродами или распорками. В точке, где подвесной стержень 110 проходит через центральное отверстие, выполненное в крышке 100, установлено уплотнение, сформированное посредством графитовой набивки сальника, например плетеного графитового шнура или аналогичных материалов 120 для набивки сальника.

- 5 029746

В верхней части подвесной стержень 110 соединен с разъемом 130 с байонетным пазом. Разъем с байонетным пазом представляет собой байонетный разъем, хорошо известный для соединения секций трубопровода в нефтяной промышленности. Соединение между подвесным стержнем и разъемом с байонетным пазом достигается с помощью шайб и гаек 111.

Подвесной стержень 110 может использоваться для подъема всего подвижного электродного модуля 10, например, при подъеме или опускании электродного модуля. Возможно, подвесной модуль потребуется эксплуатировать при высоких температурах. Поэтому стержень 110 и взаимодействующие с ним гайки и шайбы 111, которые соединяют стержень 110 и разъем 130 с байонетным пазом, выполнены из высоколегированного никелевого сплава, подходящего для работы при высоких температурах.

Анод 20 соединен с двумя графитовыми стояками 21, 22 для осуществления электрического соединения, выполняемого между источником энергии (не показан) и контактным анодом 20. Графитовые стояки 21, 22 соединены с контактным анодом 20 посредством графитовых контактов 23, 24. Графитовые стояки 21, 22 проходят вертикально над контактным анодом 20, через отверстия, выполненные в крышке 100, таким образом, что, когда подвижный электродный модуль расположен в контакте с секцией электролиза электролизного аппарата, электрическое соединение может быть выполнено с самой верхней частью стояков. Зазор между стояками 21, 22 и взаимодействующими отверстиями, выполненными в крышке 100, для прохождения стояков, герметизирован посредством плетеного графитового шнура или других аналогичных материалов 25 для набивки сальника.

Подвижный электродный модуль 10 рассчитан на работу в трех состояниях нагружения или поддержки.

В первом из этих трех состояний подвижный электродный модуль установлен на нижней поверхности элемента 30а основания катода. В этом состоянии вес всех биполярных элементов, анода и крышки передается через элемент 30а основания катода, и подвесной стержень 110 не находится в напряженном состоянии.

Во втором состоянии нагружения разъем 130 с байонетным пазом соединен с подъемным механизмом, и весь вес модуля поддерживается с помощью подвесного стержня 110, который соединен с элементом 30а основания катода.

В третьем состоянии нагружения подвижный электродный модуль 10 может поддерживаться в нескольких точках на нижней поверхности 102 крышки 100. В этом состоянии вес модуля поддерживается крышкой 100, и передается через подвесной стержень 110, который соединен с элементом 30а основания катода.

Таким образом, модуль может быть свободно стоящим на элементе 30а основания катода, он может быть подвешен с помощью разъема 130 с байонетным пазом на верхнем конце подвесного стержня 110, или может быть подвешен на нижней стороне 102 крышки 100.

Поскольку подвесной стержень 110 проходит через крышку 100, подвесной стержень 110 покрыт или плакирован электроизолирующим материалом 115 по всей длине, от точки соединения элемента 30а основания катода до точки герметизации плетеным графитовым шнуром 120. Электроизолирующий материал является покрытием 115 из окиси алюминия, но может быть любым высокотемпературным электроизолирующим материалом. Например, покрытие 115 может быть из нитрида бора. Покрытие может наноситься любым известным способом, например способом покрытия погружением или покрытия распылением.

Съемный лоток в сборе, который образует часть контактного катода 30 и каждого из семи биполярных электродов 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, показан на фиг. 9, 10 и 11. Лоток 30Ь, 40Ь, 41Ь, 42Ь, 43Ь, 44Ь, 45Ь, 46Ь в сборе выполнен из двух соединяющихся частей 151, 152. При соединении весь лоток в сборе является, по существу, круглым, и при комнатной температуре имеет диаметр около 542 мм. Лоток в сборе - металлический, и поэтому, вследствие теплового расширения при рабочей температуре подвижного электродного модуля (обычно примерно между 500 и 1200°С при использовании в реакции электролиза в расплавленной соли), его диаметр может увеличиваться примерно до 550 мм.

Основание 153, 156 каждой из частей 151, 152 лотка в сборе выполнено из сетки, подходящей для того, чтобы удерживать твердое сырье. По окружности собранного лотка в сборе проходит периферический борт, приподнятый примерно на 30 мм над уровнем сетки 153, 156. От периферического борта 154 вниз на расстояние около 10 мм ниже уровня сетки 153, 156 выступает ряд ножек 155.

Для образования электрода в электродном модуле весь лоток в сборе может устанавливаться на верхней поверхности взаимодействующей части электрода. Например, для образования контактного катода 30 лоток 30Ь в сборе может устанавливаться на верхней поверхности пластины 30а основания контактного катода, или для образования биполярного электрода лоток 40Ь, 41Ь, 42Ь, 43Ь, 44Ь, 45Ь, 46Ь в сборе может устанавливаться на верхней поверхности нижней части биполярного электрода 40а, 41а, 42а, 43а, 44а, 45а или 46а. Электрический контакт выполнен между лотком в сборе и взаимодействующей частью электрода, через направленные вниз ножки 155.

Когда подвижный электродный модуль, включающий съемные лотки в сборе 30Ь, 40Ь, 41Ь, 42Ь, 43Ь, 44Ь, 45Ь, 46Ь, расположен в секции электролиза, содержащей расплавленную соль, расплавленная соль может протекать в зазор, образованный между верхней поверхностью части электрода, на которой

- 6 029746

установлен лоток в сборе, и основанием 153, 156 сетки. Поэтому расплавленная соль может протекать вверх через основание 153, 156 сетки лотка в сборе и, таким образом, через любое твердое сырье, удерживаемое на основании 153, 156.

Лоток в сборе сформирован таким образом, что имеет центральное отверстие, окружающее электроизолирующую распорку, например, электроизолирующую распорку 60, которая поддерживает первый биполярный электрод 40.

Лоток в сборе образован из двух соединяющихся частей, т.е. первой части 151 и второй части 152, каждая часть, по существу, представляет собой полукруг. Две части 151, 152 соединяются посредством штифта и прорези. Штифты 160 проходят от сопрягаемой поверхности или сопрягаемой кромки 162 второй части через прорези 161 для приема штифтов 160, выполненных в соответствующей сопрягаемой поверхности 163 первой части 151.

При эксплуатации каждая половина или каждая часть 151, 152 лотка в сборе может отдельно извлекаться из подвижного электродного модуля 10 для загрузки сырья или разгрузки восстановленного продукта.

Съемные лотки в сборе образуют самую верхнюю часть контактного катода и каждого из биполярных электродов. Когда подвижный электродный модуль используется для электролиза, эти части соответствующих электродов становятся катодными.

Съемные лотки в сборе 30Ь, 40Ь, 41Ь, 42Ь, 43Ь, 44Ь, 45Ь, 46Ь изготовлены из нержавеющей стали марки 310. Съемные лотки в сборе могут изготавливаться из многих других материалов, и выбор материала может зависеть от характера восстанавливаемого сырья. Например, может оказаться желательным использовать лоток в сборе, выполненный из металла, который не будет загрязнять восстановленный продукт. Например, если подвижный электродный модуль должен использоваться для восстановления окисла тантала до металлического тантала, может оказаться желательным выполнять катодный лоток в сборе из тантала или покрытого танталом металла.

Подвижный электродный модуль в соответствии с первым конкретным вариантом, описанным выше, может быть особенно преимущественным при использовании для восстановления твердого сырья в расплавленном солевом электролите. Съемные лотки в сборе позволяют удобно загружать твердое сырье в каждую отдельную часть 151, 152 лотка в сборе и загружать их в подвижный электродный модуль, устанавливая загруженные части лотков в сборе в соответствующее положение в электродном модуле.

При комнатной температуре подвижный электродный модуль 10 имеет общую высоту от нижней поверхности пластины 30а основания катода до нижней поверхности крышки 100 около 1645 мм. Высота от нижней поверхности пластины 30а основания катода до вершины разъема 130 с байонетным пазом составляет 2097 мм. Как указано выше, диаметр электродов 30, 40-46 составляет 550 мм. Максимальный диаметр крышки 100 составляет 830 мм. Некоторые из этих размеров подвержены изменениям при изменениях температуры. В частности, при рабочей температуре электродного модуля значения высоты могут увеличиваться на 5-10 мм.

Подвижный электродный модуль 10 в соответствии с первым вариантом изобретения, описанным выше, может преимущественно использоваться в любом электролизном аппарате, содержащем секцию электролиза, подходящую для установки в контакте с ней модуля 10. Схематическое изображение такого электролизного аппарата 200 приведено на фиг. 5.

Электролизный аппарат 200 включает корпус 210, содержащий секцию 220 электролиза, образованную внутри графитового тигля 230, верхний обод 231 графитового тигля 230, образующий отверстие в секции 220 электролиза. Верхняя поверхность обода 231 покрыта слоем упругого графитового материала толщиной 15 мм для герметизации обода 231 и нижней стороны крышки 100 подвижного электродного модуля 10. Материал уплотнения, установленный на верхнем ободе 231, представляет собой плетеную графитовую набивку сальника, которая может деформироваться и восстанавливать свою форму.

Корпус 210, кроме того, содержит нагревательные элементы 240 печи для поддержания температуры графитового тигля 230, впускное отверстие 250 для расплавленной соли и выпускное отверстие 260 для расплавленной соли, для обеспечения потока расплавленной соли через секцию 220 электролиза. Чтобы обеспечить выход газа, выделяемого во время протекания реакции электролиза в секции электролиза, к верхней части секции 220 электролиза предусмотрена газовая вентиляционная линия 270. Шина 280 питания катода постоянным током подсоединена к графитовому тиглю 230 и обеспечивает прямое подключение всего графитового тигля 230 к источнику энергии.

Графитовый тигель 230 футерован футеровкой 290 из окиси алюминия. Футеровка 290 из окиси алюминия обеспечивает электрическую изоляцию между боковыми стенками графитового тигля 230 и любым подвижным электродным модулем 10, введенным в контакт с секцией 220 электролиза. Несмотря на то, что футеровка выполнена из окиси алюминия, она может быть выполнена из любого электроизолирующего керамического материала, который является, по существу, инертным в условиях обработки в секции 220 электролиза.

Верхняя часть электролизного аппарата содержит затвор 300 типа шиберной задвижки, что обеспечивает выполнение внешнего доступа в секцию 220 электролиза. Затвор 300 типа шиберной задвижки

- 7 029746

включает шлюз 310, выполненный из материала, создающего термический барьер, например, керамического материала. Управляющее устройство 320 позволяет шлюзу 310 перемещаться взад и вперед для открывания и закрывания шиберной задвижки 300, таким образом, обеспечивая доступ к секции 220 электролиза в электролизном аппарате 200.

На фиг. 6 показан подвижный электродный модуль в соответствии с первым вариантом, описанным ранее со ссылками на фиг 1-4, введенный в контакт с электролизным аппаратом типа, показанного на фиг. 5.

Нижняя внутренняя поверхность графитового тигля 230 приподнята, образуя пьедестал 232. При введении в контакт с секцией 220 электролиза, подвижный электродный модуль 10 устанавливается на приподнятый пьедестал 232 в графитовом тигле 230. Таким образом, нижняя поверхность контактного катода 30 подвижного электродного модуля находится в физическом и электрическом контакте с внутренней поверхностью графитового тигля 230.

Биполярные электроды 40-46 и анод 20 подвижного электродного модуля 10 расположены в части секции электролиза таким образом, что они электрически изолированы от боковой стенки тигля 230 керамической футеровкой 290. Нижняя поверхность 102 крышки 100 подвижного электродного модуля 10 создает контакт с верхним ободом 231 графитового тигля 230. Когда крышка входит в контакт с ободом 231, материал гибкого графитового уплотнения, установленного на верхнем ободе, деформируется, обеспечивая выполнение герметизации. Следует отметить, что материал графитового уплотнения может, как вариант или дополнение, быть расположен на нижней поверхности 102 крышки 100.

При эксплуатации температура внутри секции электролиза может значительно изменяться. Поэтому размеры некоторых компонентов подвижного электродного модуля, например, подвесного стержня 110, могут изменяться на несколько миллиметров. Упругий материал, установленный на верхнем ободе графитового тигля 230, предпочтительно обладает достаточной упругостью и деформируемостью, чтобы приспосабливаться к любым таким термическим деформациям и поддерживать работоспособное уплотнение с нижней стороной 102 крышки 100.

Анодные стояки 21, 22 подвижного электродного модуля проходят вниз через крышку 100. Электрический контакт с этими стояками может выполняться с помощью управляемых анодных шин 250 постоянного тока, которые приводятся в контакт с анодными стояками, и таким образом, обеспечивается электрическое соединение между анодом и источником энергии.

При эксплуатации секция 220 электролиза заполнена расплавленной солью, и подвижный электродный модуль, загруженный восстанавливаемым сырьем, введен в контакт с секцией электролиза. Анодные шины приводятся в контакт с анодными стояками 21, 22, и создается потенциал между анодом 20 (посредством анодных стояков и управляемых анодных шин 250) и контактным катодом 30 (посредством графитового тигля 230 и катодной шины 280 постоянного тока). Приложенный потенциал является достаточным для восстановления сырья. Необходимый потенциал может изменяться в зависимости от типа сырья и состава расплавленной соли.

Во многих случаях, в частности, для восстановления твердого сырья в расплавленном солевом электролите, может оказаться преимуществом иметь возможность ввода подвижного электродного модуля в секцию электролиза электролизного аппарата при рабочей температуре или при температуре, близкой к ней. Для многих расплавленных солевых электролитов это означает, что секция электролиза содержит расплавленную соль с температурой от 500 до 1200°С. Если бы подвижный электродный модуль при комнатной температуре был введен в секцию электролиза, содержащую расплавленную соль при температуре, например, 1000°С, компоненты подвижного электродного модуля, вероятно, были бы подвергнуты жесткой и быстрой тепловой деформации. В частности, керамические компоненты подвижного электродного модуля могут быть подвергнуты жесткому тепловому удару и, в результате - разрушению. Как осложнение, если подвижный электродный модуль, описанный ранее со ссылками на первый вариант подвижного электродного модуля, был предварительно нагрет до температуры 1000°С на воздухе, графитовые компоненты подвижного электродного модуля воспламенятся.

Может оказаться особенно желательным иметь возможность удалять подвижный электродный модуль из секции электролиза немедленно после окончания электролиза, не ожидая, пока секция электролиза остынет. Следует принимать меры предосторожности для гарантии того, что кислород, содержащийся в атмосфере, такой как воздух, не войдет в контакт с подвижным электродным модулем при высоких температурах. Отсутствие защиты от этого может привести к воспламенению графитовых компонентов электродного модуля, воспламенению или окислению восстановленных металлических продуктов, расположенных в подвижном электродном модуле, и жесткой тепловой деформации и разрушению, происходящему из-за быстрого охлаждения модуля.

Чтобы обеспечить введение подвижного электродного модуля в контакт с секцией электролиза электролизного аппарата при температуре, близкой к рабочей, и чтобы обеспечить выведение подвижного электродного модуля из контакта с секцией электролиза при температуре, близкой к рабочей, желательно, чтобы подвижный электродный модуль мог быть извлечен в транспортировочный модуль перед передачей или транспортированием в электролизный аппарат. Транспортировочный модуль может

- 8 029746

включать нагревающие и/или охлаждающие элементы. Транспортировочный модуль может быть обычным кожухом, в котором может поддерживаться инертная атмосфера, изолирующая предварительно нагретый электродный модуль перед загрузкой в секцию электролиза, или изолирующая электродный модуль, недавно выведенный из контакта с секцией электролиза, перед транспортированием в отдельное место для контролируемого охлаждения.

На фиг. 7 показан подвижный электродный модуль, описанный ранее со ссылками на фиг. 1-4, расположенный в варианте подвижного транспортировочного модуля 400. Подвижный транспортировочный модуль 400 включает корпус 410, выполненный из нержавеющей стали марки 310, и футерованный огнеупорной футеровкой. Огнеупорная футеровка может быть футеровкой из керамических кирпичей или любого другого подходящего материала, такого как асбестоволокнистая плита, которая создает теплоизоляцию внутренней части транспортировочного модуля. Внутренняя часть транспортировочного модуля включает транспортировочную полость 420, в которой может располагаться подвижный электродный модуль 10.

Транспортировочный модуль может включать устройства для соединения с разъемом с байонетным пазом на вершине подвижного транспортировочного модуля, и устройства для извлечения подвижного электродного модуля в транспортировочную камеру 420. Например, транспортировочный модуль 400 может содержать лебедку для подъема подвижного электродного модуля.

Верхняя часть транспортировочного модуля 400 включает устройства для подъема транспортировочного модуля, такие как скоба или скобы 430. Такие подъемные устройства дают возможность поднимать транспортировочный модуль целиком и перемещать его в электролизный аппарат 200 и из него.

Нижняя часть транспортировочного модуля 400 закрыта шиберной задвижкой 440. Шиберная задвижка содержит термостойкий шлюз 450, который приводится в действие для открывания и закрывания отверстия в камере 420 транспортировочного модуля. Транспортировочный модуль, включающий шиберную задвижку, может с легкостью устанавливаться поверх шиберной задвижки электролизного аппарата 200, как описано ранее, со ссылками на фиг. 5. Благодаря открыванию шиберных задвижек, взаимодействующих с транспортировочным модулем 440 и электролизным аппаратом 200, может быть обеспечен доступ к отверстию секции 220 электролиза. Подвижный электродный модуль 10 затем может опускаться из транспортировочной камеры 420, через отверстие в обеих шиберных задвижках, задвижке, взаимодействующей с транспортировочным модулем и задвижке, взаимодействующей с электролизным аппаратом, для возможности размещения электродного модуля в секции 220 электролиза. Затем соответствующие шиберные задвижки могут быть закрыты, как показано на фиг. 8, и транспортировочный модуль 400 может быть удален.

Первый вариант подвижного транспортировочного модуля, описанный выше, и показанный на фиг. 1-4, включает восемь эффективно действующих электродов, на которых может восстанавливаться твердое сырье (т.е. верхняя часть контактного катода 30 и верхняя часть каждого из биполярных электродов 40-46). Для некоторых реакций может потребоваться восстановить меньший объем твердого сырья. С этой целью может потребоваться, чтобы подвижный электродный модуль имел меньшую площадь катодно-электродной поверхности. Второй вариант подвижного электродного модуля в соответствии с одним или несколькими аспектами изобретения показан на фиг. 12.

Габаритные размеры подвижного электродного модуля, показанного на фиг. 12, те же самые, что у подвижного электродного модуля, показанного на фиг. 1-4 и, таким образом, второй вариант подвижного электродного модуля может использоваться в сочетании с тем же электролизным аппаратом, что и первый вариант. Однако подвижный электродный модуль 1200 по второму варианту изобретения включает контактный катод 1230 контактный анод 1220, с лишь одним биполярным электродом 1240, расположенным между контактным анодом 1220 и контактным катодом 1230. Контактный анод, контактный катод и биполярный электрод идентичны с конструкцией аналогичных структур, описанных ранее, со ссылками на первый вариант изобретения. Поскольку здесь меньше биполярных электродов расположено между контактным анодом 1220 и контактным катодом 1230, графитовые электродные стояки 1221 и 1222, по существу, длиннее, чем те, которые описаны ранее со ссылками на первый аспект изобретения. При необходимости несколько секций графитовых стояков могут быть соединены внутренними резьбовыми шпильками 1226. Крышка 1201 удерживается прямо над верхней поверхностью анода 1220 с помощью ряда электроизолирующих керамических распорок 1268.

Помимо этих специальных приспособлений, необходимых для обеспечения внешних размеров такого подвижного электродного модуля по первому варианту изобретения, все другие элементы подвижного электродного модуля в соответствии со вторым вариантом изобретения такие же, как описано ранее.

Согласно некоторым аспектам изобретения несущественно, что подвижный электродный модуль содержит биполярный электрод. На фиг. 13 приведен третий конкретный вариант подвижного электродного модуля в соответствии с одним или несколькими аспектами изобретения. Третий вариант включает контактный анод 1320 и контактный катод 1330, но не включает биполярный электрод. Контактный катод 1330 и контактный анод 1320 выполнены таким же образом, как контактный анод 20 и контактный катод 30, описанные ранее со ссылками на первый вариант изобретения. Наружные размеры подвижного

- 9 029746

электродного модуля 1300 по третьему варианту такие же, как размеры по первому и второму вариантам подвижного электродного модуля. Все другие детали третьего варианта подвижного электродного модуля, как показано на фиг. 13, описаны выше со ссылками на первый вариант или второй вариант подвижного электродного модуля.

В вариантах, описанных ранее, подвесной стержень 110 соединен с разъемом 130 с байонетным пазом посредством фиксации конца стержня 110 в разъеме 130 посредством шайб и болтов 111. Все допуски, необходимые для формирования уплотнения между нижней стороной крышки 100 и ободом 231 тигля 230, образующим отверстие в секции 220 электролиза, достигнуты, благодаря использованию упругого герметизирующего материала на ободе. На фиг. 14 показано альтернативное соединение, которое может использоваться в варианте подвижного электродного модуля. Для удобства ссылок, компонентам, идентичным тем, которые присутствуют в первом варианте, описанном ранее, присвоены те же самые ссылочные номера.

В альтернативном варианте, показанном на фиг. 14, подвесной стержень 110 электродного модуля соединен с разъемом 130 с байонетным пазом посредством фланца 1410, который передает нагрузку через ряд тарельчатых пружин 1400 и на разъем с байонетным пазом. Фланец 1410 прикреплен к пружине 1400 посредством гаек 1420.

Когда модуль поднят, вес модуля передается через подвесной стержень 110 и сжимает пружину 1400. Пружина прижимается вверх, к нижней поверхности фланца 1410. Пружина 1400 может быть любым подходящим пружинным устройством. Например, пружина может включать спиральную пружину.

Соединение электродного модуля с подъемным устройством, таким как разъем с байонетным пазом, с упругой пружиной, расположенной между ними, может давать преимущества при использовании. Например, когда электродный модуль опускается в секцию электролиза, как описано ранее, выполняется контакт между ободом, окружающим отверстие камеры, и нижней поверхностью 102 крышки 100, для образования уплотнения. В вариантах, описанных ранее, чтобы обеспечить катодное соединение, пластина 30а основания модуля должна быть установлена в физическом контакте с внутренней стенкой тигля. Использование подпружиненных устройств, таких как тарельчатая пружина 1400, расположенная между подъемными устройствами и подвесным стержнем, может обеспечить дополнительный ход электродного модуля после того, как крышкой 100 образовано уплотнение. Кроме того, такие подпружиненные устройства могут преимущественно приспосабливаться к изменению размеров подвесного стержня, вызванному тепловыми флуктуациями.

Вариант подвижного электродного модуля, который включает подпружиненные устройства, расположенные между подвесным стержнем или стержнями, поддерживающими электроды, и подъемными устройствами, могут использоваться в качестве альтернативы использованию упругого герметизирующего материала, окружающего отверстие секции электролиза, или в дополнение к нему.

В следующем описании способа электролитического восстановления твердого сырья в соответствии с конкретным вариантом изобретения использован подвижный электродный модуль 10, описанный ранее. Способ обработки можно разделить на несколько стадий.

Стадия 1. Подвижный электродный модуль 10 содержит восемь слоев катодных электродов (т.е. один катод и семь биполярных электродов, которые действуют как анод и катод) и анод. Верхняя поверхность каждого рабочего электрода включает съемный лоток в сборе, сформированный из двух соединяемых частей 151, 152. В качестве первой стадии процесса сырье, состоящее из ряда брикетов из твердого окисла, загружается на поверхность каждого из элементов 151, 152 съемных лотков в сборе.

Стадия 2. Загруженные лотки в сборе перемещаются в подвижный электродный модуль, расположенный в загрузочной станции электродного модуля. Загруженные лотки в сборе устанавливаются в подвижный электродный модуль 10, и каждая пара частей 151, 152 лотка в сборе образует катодную часть катодного электрода (например, электроды, обозначенные индексами 30, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46).

Стадия 3. Загруженный подвижный электродный модуль 10 поднимается в транспортировочную камеру 420 транспортировочного модуля 400. Для подъема подвижного электродного модуля 10 в транспортировочную камеру 420, транспортировочный модуль 400 устанавливается вертикально над рабочей станцией. Шиберная задвижка 440 транспортировочного модуля 400 приводится в действие, приводя к перемещению шлюза 450, для открывания и обеспечения доступа в транспортировочную камеру 420. Байонетное соединение (не показано) опускается с помощью лебедки 465, расположенной на транспортировочном модуле 400. Байонетное соединение подсоединяется к разъему 130 с байонетным пазом на подвижном электродном модуле 10, таким образом, обеспечивая подъем подвижного электродного модуля 10 в камеру 420 транспортировочного модуля.

Стадия 4. Весь транспортировочный модуль 400, содержащий подвижный электродный модуль 10, может быть поднят и перемещен с помощью нескольких скоб 430. На стадии 4 весь транспортировочный модуль, содержащий электродный модуль, перемещается в положение по вертикали над нагревательной станцией. Это показано на фиг. 16. Транспортировочный модуль 400 соединяется с нагревательной станцией 500, с подвижным электродным модулем 10, расположенным прямо над нагревательной камерой 510. Нагревательная станция включает корпус 501, содержащий нагревательную камеру 510, окруженную множеством нагревательных элементов 520.

- 10 029746

Стадия 5. Электродный модуль опускается с помощью лебедки 465, пока нижняя поверхность 102 крышки 100 не установится на обод 502 нагревательной камеры 510. Байонетное соединение удаляется из разъема 130 с байонетным пазом, и шлюз 450 закрывается. Подвижный электродный модуль 10 теперь введен в контакт с нагревательной станцией, и весь вес модуля удерживается с помощью нижней поверхности крышки 100. Это расположение показано на фиг. 17.

Стадия 6. Электродный модуль 10 нагревается в нагревательной камере 510 нагревательной станции 500 до заданной температуры. Для электролиза в расплавленной соли такая заданная температура предположительно составляет от 500 до 1200°С. Например, температура может подниматься до 700 или 800°С. Скорость нагрева модуля регулируется таким образом, чтобы керамические компоненты электродного модуля не подвергались термическому удару. Нагрев может выполняться со скоростью от 1°С/мин до 10 или 20°С/мин. Например, нагрев может выполняться со скоростью около 5°С/мин. Нагрев выполняется в инертной атмосфере, например в атмосфере аргона или в атмосфере азота.

Стадия 7. Как только электродный модуль прогревается до заданной температуры, электродный модуль 10 еще раз поднимается в транспортировочную камеру 420 транспортировочного модуля 400.

Стадия 8. Шиберная задвижка закрыта, таким образом герметизируя транспортировочную камеру 420. В транспортировочном модуле поддерживается инертная атмосфера, например атмосфера аргона или азота.

Поскольку стенки транспортировочного модуля изолированы, скорость потери тепла низкая. Таким образом, после того как электродный модуль 10 нагрет до заданной температуры и герметизирован в транспортировочном модуле 400, температура модуля 10 уменьшается медленно.

Стадия 9. Транспортировочный модуль 400, содержащий электродный модуль 10, при заданной температуре перемещается в положение прямо над секцией электролиза. Доступ к секции 220 электролиза ограничен благодаря наличию шиберной задвижки 300, установленной над секцией электролиза. Это показано на фиг. 7.

Стадия 10. Транспортировочный модуль 400 соединяется с электролизным аппаратом 200, содержащим секцию 220 электролиза. Шиберная задвижка 440, связанная с транспортировочным модулем, совмещается с шиберной задвижкой 300, связанной с электролизным аппаратом таким образом, что, когда обе шиберные задвижки открыты, электродный модуль 10 может получить доступ в секцию 220 электролиза.

Стадия 11. Шиберная задвижка 440 на транспортировочном модуле открывается.

Стадия 12. Шиберная задвижка 200 на электролизном аппарате открывается.

Стадия 13. Электродный модуль 10 опускается до вхождения в контакт с секцией электролиза. Секция электролиза содержит расплавленную соль при желаемой рабочей температуре или вблизи нее. Предварительно нагретый электродный модуль 10 также находится при рабочей температуре или вблизи нее. Рабочая температура может составлять, например, около 800°С. Электродный модуль устанавливается в секции 220 электролиза таким образом, что нижняя поверхность контактного катода 30 электролизного модуля 10 входит в физический контакт с графитовым тиглем 230, ограничивающим секцию 220 электролиза. Это описано ранее и показано на фиг. 8.

Стадия 14. Анодные шины 250 перемещаются до контакта с анодными стояками 21, 22, подвижного электродного модуля 10.

Между анодом 20 и катодом 30 электродного модуля 10 создается потенциал. Этот потенциал является достаточным для восстановления сырья, которое находится в контакте с катодом и катодными поверхностями каждого из биполярных электродов. Потенциал, требуемый для восстановления сырья, будет зависеть от характера системы. Так, для восстановления сырья окиси титана в расплаве соли на основе хлорида кальция разность потенциалов на каждой катодной поверхности электродного модуля 10 может составлять от 2 до 3 В.

Потенциал подводится в течение периода времени, достаточного для восстановления твердого сырья.

После электролиза для восстановления сырья может выполняться несколько следующих стадий обработки, чтобы извлечь восстановленный продукт из электродного модуля 10. Так, для извлечения восстановленного сырья после электролиза в конкретном варианте изобретения используются следующие стадии.

Стадия 15. Ток электролитической ячейки выключается и, таким образом, напряжение с поверхности каждого электрода снимается.

Стадия 16. Анодные шины выводятся из контакта с графитовыми анодными стояками 21, 22.

Стадия 17. Электродный модуль поднимается из расплавленной соли в транспортировочный модуль 400. Электродный модуль поднимается медленно, чтобы дать время для вытекания расплавленной соли из электродного модуля 10.

Стадия 18. Шиберная задвижка 300 на электролизном аппарате 200 закрывается.

Стадия 19. Шиберная задвижка 440 на транспортировочном модуле закрывается.

Стадия 20. Транспортировочный модуль, содержащий электродный модуль 10, отсоединяется от

- 11 029746

электролизного аппарата 200 и перемещается в положение непосредственно над станцией 600 охлаждения. Это показано на фиг. 18.

Стадия 21. Транспортировочный модуль 400 соединяется со станцией 600 охлаждения.

Стадия 22. Шиберная задвижка 440 открывается, чтобы обеспечить доступ для подвижного электродного модуля 10 в камеру 610 охлаждения.

Стадия 23. Электродный модуль 10 опускается в камеру охлаждения до тех пор, пока нижняя поверхность 102 крышки 100 не установится на верхний обод камеры 610 охлаждения. Крышка 100 эффективно образует уплотнение с камерой 610 охлаждения. Это показано на фиг. 19.

Стадия 24. Камера охлаждения включает стенки 620 из материала с высокой теплопроводностью, например, из металлического материала, такого как нержавеющая сталь. Стенки содержат водяную рубашку 625, через которую постоянно подается холодная вода с помощью входного отверстия 630 и выходного отверстия 631. Водяная рубашка обеспечивает эффективный отвод тепла от горячего модуля 10. Скорость охлаждения может регулироваться посредством изменения скорости прохождения воды через водяную рубашку 625.

Стадия 25. Как только электродный модуль 10 остывает до заданной температуры, он поднимается в транспортировочный модуль 400.

Стадия 26. Охлажденный электродный модуль 10 в транспортировочном модуле 400 перемещается в положение прямо над промывочной станцией.

Стадия 27. Охлажденный электродный модуль опускается в промывочную станцию и герметизируется на пластине 30а основания катода.

Стадия 28. Струи воды 700 выпускаются из сопел 705, соединенных с трубопроводом 710. Струи воды 700 направляются на электродный модуль 10 и в особенности направляются в лоток в сборе, содержащий восстановленное сырье. Струи воды предпочтительно направляются таким образом, чтобы они вымывали любые остатки соли, затвердевшие на электродном модуле и восстановленном сырье.

Стадия 29. После промывки электродный модуль 10 поднимается в транспортировочный модуль

400.

Стадия 30. Промытый электродный модуль и транспортировочный модуль перемещаются в положение над станцией разгрузки.

Стадия 31. Промытый электродный модуль опускается на место на станции разгрузки.

Стадия 32. Электродные лотки в сборе, содержащие восстановленный продукт, удаляются из электродного модуля 10.

Стадия 33. Восстановленный продукт удаляется из лотков в сборе и упаковывается для дальнейшей обработки.

Конкретные варианты способа, описанного ранее, могут использоваться не во всех случаях. Например, различные стадии могут использоваться или некоторые стадии могут пропускаться.

Предпочтительно, чтобы восстановление твердого сырья выполнялось по реакции электролитического восстановления, такой как процесс РТС.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система электролиза, содержащая секции загрузки, нагрева, электролиза, охлаждения и разгрузки, электродный модуль для загрузки твердого сырья, транспортировочный модуль для перемещения электродного модуля между секциями системы, причем транспортировочный модуль выполнен с возможностью поддержания температуры электродного модуля, близкой к температуре расплавленной соли, и для поддержания атмосферы инертного газа.
2. Способ электролитического восстановления твердого сырья с использованием системы по п.1, включающий стадии, на которых

устанавливают электродный модуль, содержащий по меньшей мере один электрод, в секцию загрузки,

загружают твердое сырье в электродный модуль, нагревают электродный модуль в секции нагрева, восстанавливают продукт в секции электролиза и охлаждают восстановленный продукт в секции охлаждения,

причем электродный модуль перемещают между секциями в транспортировочном модуле, а между секциями нагрева, электролиза и охлаждения температуру электродного модуля поддерживают близкой к температуре расплавленной соли и в транспортировочном модуле поддерживают инертную атмосферу.
3. Способ по п.2, в котором электродный модуль перемещается из положения для загрузки сырья в транспортировочном модуле.
4. Способ по п.2 или 3, в котором электродный модуль нагревается до заданной температуры перед введением во взаимодействие с секцией электролиза.
5. Способ по п.4, в котором электродный модуль нагревается в инертной атмосфере в транспортировочном модуле.

- 12 029746
6. Способ по п.4, в котором электродный модуль перемещается из транспортировочного модуля в секцию нагрева для нагрева до заданной температуры.
7. Способ по п.6, в котором электродный модуль перемещается из секции загрузки в транспортировочном модуле, опускается в секцию нагрева, нагревается до заданной температуры и поднимается обратно в транспортировочный модуль для перемещения в секцию электролиза.
8. Способ по любому из пп.3-7, в котором электродный модуль герметизируется в транспортировочной камере с помощью закрывания затвора, предпочтительно являющегося шиберной задвижкой.
9. Способ по любому из пп.2-8, в котором отверстие секции электролиза закрывается открываемым затвором, причем предпочтительно открываемый затвор является шиберной задвижкой, открываемой для обеспечения прохождения электродного модуля в секцию электролиза.
10. Способ по любому из пп.2-9, в котором стадию перемещения электродного модуля из секции электролиза выполняют после электролиза для извлечения восстановленного сырья.
11. Способ по п.2, в котором после перемещения из секции электролиза электродный модуль остывает в инертной атмосфере в транспортировочном модуле.
12. Способ по п.2, в котором электродный модуль перемещается в секцию охлаждения для охлаждения до заданной температуры.
13. Способ по п.12, в котором электродный модуль перемещается в секцию охлаждения в транспортировочном модуле, опускается в секцию охлаждения, охлаждается до заданной температуры и поднимается обратно в транспортировочный модуль для перемещения из секции охлаждения.
14. Способ по любому из пп.10-13, в котором электродный модуль дополнительно перемещается в промывочную станцию для вымывания соли из восстановленного сырья.
15. Способ по любому из пп.10-14, в котором электродный модуль дополнительно перемещается в секцию разгрузки для разгрузки восстановленного сырья.
16. Способ по любому из пп.2-15, в котором твердое сырье загружается в съемные лотки отдельно от электродного модуля, а затем съемные лотки соединяются с электродным модулем для загрузки сырья в электронный модуль.
17. Способ по любому из пп.2-16, в котором указанное твердое сырье загружается таким образом, что находится в контакте с катодной конструкцией электродного модуля.
18. Способ по любому из пп.2-17, в котором электродный модуль включает один или большее количество биполярных электродов, причем сырье загружается в контакте с катодной поверхностью каждого биполярного электрода.
19. Способ по любому из пп.2-18, который выполняется с помощью электродезоксидации твердого сырья.

130

43

42

46

40

41

45

44

10

50