专利名称：由电磁场扫描的电解池及其方法
技术领域：
本发明涉及一种熔融电解液的电解装置和方法以及它们在金属矿物还原中应用的实施例。本发明的装置可以应用于主要工业金属的生产中，例如锌、镁、铝、钛、锆、钨、铅等等。本发明的实施例可以允许同时分选在原矿中赋存的不同金属，因此提高了生产过程的经济性，能够与现有的传统工业技术进行有益的竞争。
所处理的含有金属的主要的原矿通常包括氧化物、硫酸盐或碳酸盐。通过焙烧，硫酸盐可以转化为氧化物、而碳酸盐通常进行脱碳作用，从而也将它们转化为氧化物。氧化物还原通常会产生纯金属。可以通过热金属反应(thermo-metallic reaction)或电解作用来实现氧化物的还原。
热金属反应包括将氧化物中的氧用另外的更具还原性的金属代替，或者产生包含气体的碳而固定碳，在此情况下的处理方法称为热碳反应(thermo-carbonicreaction)。电解作用引起分子的分解。在此情况氧化物常常转化为氯化物，例如镁或锌的电解。或者，将氧化物放入熔融盐电解液的溶液中，例如将氧化铝放入高温熔融的冰晶石溶液中。在电解池中，金属在阴极沉积而氧和卤素在阳极释放，然后可以参加与阳极的反应。
工业上有一种特殊类型的适用于还原处理各种类型的氧化物的电解池。虽然每种金属对应于一特殊类型的电解池，但是人们可以根据不同的类型而对电解池分类。
首先，人们可以将电解池分为多电极池和单阴极池。
在多电极池中，电极通常垂直安放，阴极和阳极可以互换，而在单阴极池中，电解池底包含电极，底部必须保持水平方向。
例如在液体介质中氯化锌的电解据说可以使用低温多电极池，锌直接地固定在阴极上。同样，对于熔融的氯化镁，采用多电极池。在此情况下，在电解温度下，镁为液态，浓度较低，它升高到阴极的高度并浮在电解池的表面，如果在阳极和阴极之间没有安插隔板，从阳极释放的氯化物会重新与镁结合，电解池的效率为零。
从前述的电解池表明，单阴极电解池仅包括一个阴极，其位于电解池的底部，而一个或多个阳极被浸入阴极上方的电解液中。一种众所周知的单阴极池是铝电解池。此装置在电解温度提高时特别可应用于铝的电解；铝的密度略大于电解池中电解液的密度，因此铝可以聚集在电解池的底部，从上部的阳极分离出的氧形成含碳气体，而没有与沉积在电解池底部的金属重新结合的危险。
因此，在电解池底部的设计包括一个阳极，在上部包含一个或多个阴极，而相反的设计是不可能的。问题是当金属的密度低于电解液的密度，在阳极释放的材料不可避免地重新与金属结合。
分类的另一个方法是根据是否电解是在液态介质低温情况下进行的还是在熔融盐电解液的高温情况下进行的来区分电解池。
另外，还可能根据电解液的性质或它是否循环而将电解池分类。但是后面的分类包括了前面的分类。
实际上，在液态介质电解期间，在泵的辅助下，电解液可以持续地循环，(滴定titrage)电解液被控制，过滤和校准。进而，电解液的扫动或流动会帮助阳极去极化而提高在阴极的沉积量。
相反，在电解池或熔融盐电解液中，实际上，高温下电解液的侵蚀性使得采用机械离心泵或其它泵使电解液循环是不可能的。而且，不希望电解池中有过分的摇动，尤其是熔融盐电解液，通常在具有熔融电解液的电解池中不会有电解液的循环。因此，例如在铝的电解中，电解池的不同部件的密度非常相近，电解池的摇动会引起阴极和阳极之间的碰撞。这些碰撞然后会造成破坏性的电磁反应。
公知磁场可以被用做电解池的电解液运动的动力源，但是问题是实际上在工业用电解池中的电流流动引起的磁场没有明显的效果。至于多电极池，磁场通常被其它的影响所弥补或抵消，而在单阴极池例如铝电解池中，在电解液中的电流流通造成垂直、轴向中心的磁压力，几乎没有效果(或造成稳定的效果)，而不能在电极间引起电解液的循环。
现在可见，可以提供一种装置和方法，其中在电解池的阳极和阴极之间的电解液中有强制循环。
因此，本发明提供了一种含有电解液的电磁电解池，其包括至少一个阳极和至少一个阴极，其特征在于通过施加电磁场在阴极和阳极之间引起电解液的循环。通常磁场正交于电解液中的电流通路。一般，在装置中安装一偏转板以导向电解液的流通。
本发明还提供了一种在电解池的阴极和阳极之间循环电解液的方法，其包括施加磁场的步骤。进而，本发明还提供了采用本发明的装置和方法的处理金属，金属矿物等的独特方法。
电解液的强制循环或电极的扫动产生的一个益处或效果是由于阳极的脱极化作用而提高电解池的效率。一个进一步的有益效果是由于扫动减少了对形成的氧或卤素的阳极的直接的冲击而降低了阳极的损耗。
在此情况下，电解池设计有水平的下阳极，电解液的循环可充分有效地允许此后的搅动。氧或卤素的气泡被一偏转板分离，使得不会对阴极上沉积的金属造成损害。由于在电解池的底部安置有阳极，实际上有益于脱极化作用和形成氧和卤素的阳极的附着物的还原。
在本发明的装置中，主要的特征是在电极周围的封闭回路中的电解液循环。为了循环电解液，阳极和阴极可以认为是起到电磁场传导泵的电极的功能，以便设置产生电极电流的感应传导器，产生垂直于电流流通方向的磁场，根据拉普拉斯定律，磁场强制电解液在电极之间循环。在电极的端部，偏转板将电解液分离成两个流道第一个流道穿过阳极，第二个流道穿过阴极。流过阳极的电解液扫动气泡，而流过阴极的电解液中含有还原的金属。
在两者分别流过阳极和阴极后，这两个流道又在电极间重新汇合到一起从而成为一个封闭的回路。
在一最佳实施例中，采用的设计是使用一上阳极，并根据沉积的金属的密度是大于或小于熔融盐电解液的密度而采用不同的偏转板。实际上，这些偏转板结构设计非常简单，当用于分离一种较轻的金属时，在上部位置采用一个具有阴极的电解池，或者当分离较重的金属时在较低的位置采用具有阴极的电解池。反之，在各相反的情况，偏转板可以用于促进流道的汇合，因此显著地降低由于电解液循环造成的机械损耗。
在此描述的本发明的装置和方法参见不同的实施例。下面的对不同的实施例的描述提供了进一步的说明以及对众所周知的工业电解的类型的方法和装置的可能适用的例子，甚至可以简化某种矿物的已知的处理方法。例如，本发明的装置的第一个简单的实施例可以应用于氯化锌的电解。
参见附图，将进一步的说明本发明的装置和方法。
图1是本发明的装置的第一实施例的简化视图。电解池为具有垂直轴的环形，可以使电解液再循环，以便电解液呈直角流过环体。通过一线圈传导器产生磁场，线圈传导器是一环形电磁铁，其成系列安置供电流流到阳极或阴极。阳极由位于电解池底部的冠状形式的成块石墨组成。阴极包括邻接电解池盖的固体冠顶的片段。液流偏转板位于环形的最大直径处，由于在此实施例中，在阴极之间回路旋流的方向相同，因此在电解液中提供了离心力，而在阴极上向相反方向循环是必须的。偏转板具有一个适合分离液流的轮廓以及一个用于收集液态锌的系统。组合在一起的收集管引导液态锌流向环形排放口，在那里液流可以被有规律地泵压。阴极冠的片段不但特别用于电解池盖的定位的释放，而且促进了在电极之间调整片段与片段之间的距离。盖位于氯收集器的顶部，除了泵可用于锌的收集外，还提供了一个导管以引入氯化锌。
显而易见，通过改变在相关的电磁铁中的电流的方向或者改变绕线的方向，施加在电解液上的力可以被反向，引起向心力，偏转板必须相应地被移动或重放。
图2是适用于氯化镁的电解的电解池的实施例的简化示意图，此电解池为具有垂直的轴的环形，电解液的循环的方向直交于环形。在阴极的电流施加到成系列安放的环形电磁铁的绕线传导器上。阳极由在电解池的底部的石墨块构成。阴极为冠状，悬挂于磁场感应环上。液流偏转板被简化为一简单的靠在阴极的平板。阴极的活性表面由一格栅构成，其为镁留了一个通道，因此镁可以聚集在中空的阴极的上部。根据循环的方向是离心的或向心的而采用适当的形状。电解池的盖安装在氯收集器上，但也可以安装在连续填放氧化镁和碳粉的碳-氯篮上而引起气态氯的分解。镁泵装置可以是现有技术的许多合适的泵装置的任何一种，其没有在附图中显示。
在两个前述的说明中，本发明的实施例非常相似，只与第一个实施例有微小的差别，产生的金属比熔融盐电解液重，从而必须有一个穿过阳极和阴极的液流分离偏转板，而在第二实施例中，金属比熔融盐电解液轻，当金属穿过阴极时，获取金属，并且偏转板更加简化了。由于所有这些金属基本上都比它们的盐和氧化物轻，此实施例通常用于低密度盐和金属氧化物的电解，诸如镁、钙、锂、钠、钾和钡。这些相对低密度的金属也是还原性很强的金属，它们常常应用于热金属反应以还原金属氧化物。这就是为什么将具有电磁扫描的第一反转电解液装置与一采用热金属或电解的第二还原电解池结合在一起具有特殊的优点。两者的结合允许在热金属还原剂处的生产。这种组合不仅明显地改进了传统的方法，而且使得特别难还原的金属氧化物还原，例如氧化钛或氧化锆。
图3是轻金属还原剂的生产电解池和传统的铝电解池的组合的第一个步骤的示意图。在第一个步骤中，产生的还原金属是锂，其可与铝相容。由扫描电解电解池所产生的锂在位于邻接电解池的阴极的铝池的底部被注入。锂的密度比铝小，往往在池中上升，可以直接地进入与氧化铝的热金属还原反应。此反应所产生的铝往往聚集在底部而密度较低的氧化锂往往朝表面移动，在那里它可以与碳反应而形成漂浮的液态锂碳化合物，锂碳化合物被溢流所除去。此组合实际上消耗了铝电解池的阳极的石墨而促进了还原，这些还可以通过消耗碳粉而代替。在第二步骤，我们可以用碳化锂替换几乎全部的冰晶石，其中铝处于悬浮状态；氟气将大大地减少，而石墨的消耗也被减少。
如图4所示为具有扫描能力的电解池的用于产生还原合金较早设计，带有安装有电极的金属热电解池。为了只建立一个电解池，两个电解池被紧密地连接起来。此电解池可以被应用到铝的还原过程中，但是我们将在此后的二氧化钛的还原应用中介绍它。
电解池为一圆柱形的桶，在其中的两个核心具有相同的垂直轴，在它们的中部的中心进行氯化反应。下部的环体对应于具有合金还原剂的还原池。它与图2所示的电解池的结构相似。一环形电磁铁所产生的感应电磁场垂直于电极间的电流通路。桶的底部包括一阳极，与之相对的阴极是中空的冠的形式，其同时也起到偏转板的作用。
上部的环体相对于热金属电解池，其包括一下半环体，其同时确保下环体的闭合。它被一盖盖住，此盖也是电解池的密封盖。此上环体在电解桶中还具有阴极的功能，其为一位于环形桶的底部的冠的形式。几个浸入的阳极从电解池的盖悬垂下来。热金属电解池的电极允许电磁场的产生，有利于二氧化钛的还原，它们有利于电解池开始工作。盖也是还原的最后步骤所产生的碳基气体的收集器。
下电解池被用氯化钛和氯化钠的混合物所补充。氯电解产品被引向反应区，锂和钠是副产品并被中空的阴极收集，然后被泵压注入上电解池的液态阴极。
上电解池被碳化锂和碳化钠所补充，用做电解液和氧化钛的分散剂。在上电解池的底部，液态阴极由一合金电解液所构成。合金电解液基本上是在较低熔点的重金属，其被连续地注入以在电解池的底部还原合金，但是液态阴极还持续地提炼出钛中富集的合金。实际上，阴极的合金还原剂在还原悬浮在池中的氧化钛时被氧化。形成的氧化物朝向电解池的表面迁移，在那里由于有碳，它们形成液体碳化物，其向电解池的中心和氯反应池移动。因此，在同时，引起含碳的气体分解和重新产生氯化物。
如果氯的消耗理论上为零或很小，因为在循环的过程中，重新产生氯化物，必须逐渐地提炼阴极合金的钛，以用二氧化钛和碳粉再加入到热金属电解池中。
图5是表示类似于前述的电解池的电解池，其适用于钨锰铁矿的还原。在此双电解池中，下环体对应于还原电解池，而被提供了一合金还原剂。上环体对应于热金属电解池。下电解池填有氯化钠和氯化锂的混合物。电解产生氯，其被引向氯化物产生区，而钠和锂为副产品，由中空的阴极所收集，然后被泵压并注入上电解池的液体电极中。
钨锰铁矿被装入上电解池的电解液的中心处。钨锰铁矿被分解为氧化钨和氧化铁。氧化钨和氧化铁形成一液体组合物，其为电解液的重要部分，用于将钨锰铁矿放入溶液中。悬浮的氧化铁被还原。与电极接触的氧化钨被还原。
与图4所示的设计相反，在本实施例中的桶的上部的电极中，接通变化的电流，进而一系列连接在一起的磁感应环体在电极间产生循环。这使得电解液较好地倾析，促进氧化钠的表面浓缩，以及可以除去铁杂质(iron slug)。进而，因为钨的密度大大地不同于当前最重要的金属的密度，钨渗入液体电极中并在最低点富集。
氧化钠返回表面，逐渐地移动到再生区中部，在那里它与已有的氯和碳粉，以形成氯和含碳气体。然后电解池盖成为一个含碳气体的收集器。
因此，此电解池同时允许铁和钨合金产物的分选，例如钨-铅-铋的合金，一种促进在制造的产品中的使用钨的合金。
根据本发明的前述的实施例，在没有焙烧预处理但是有铁杂质的分离和硫的富集的情况下，可以直接地处理锌或铅的精矿。
例如，图6所示为一电解池，用于处理锌和硫化铅的浓缩混合物。电解池为具有垂直的轴的环形，设计有电解液的循环以便在环体中有直角流动。通过在阴极或阳极的电流流过一系列的环形电磁铁形式的辊式传导器而感应电场。如图1所示的电解池，此电解池包括一上阴极和一冠状的下阳极，但是与图1相反，扩散器或偏转板位于中部，循环是在阳极之下。中部的扩散器具有篮的功能用于稀释氯的浓缩物。在篮的上部分，氯侵蚀铅和锌的硫化物，而在下部分，氯在电解液中稀释。反应所形成的硫被一设备浓缩，该设备没有在附图中描述。在循环中的氯被一阴极所还原，沉积在电解池的底部。
还可以构想出一种排除锌的方法，通过锌的热金属加工产生铅的初始浓缩，然后进入产生铅和硫化锌精矿的富集的第一阶段，以及使用预处理杂质的锌生产和铅的生产的前述的电解池。已述的类型的改进提供了铁和已有杂质的进一步分离。
本发明的第7实施例是关于白云石的处理。白云石是镁和钙的双碳酸盐。白云石是储量丰富的矿物，其可与镁矿物同时使用，但是必须要进行脱碳和氧化钙的分离。本发明的一实施例允许在脱碳之后白云石的直接处理，但是没有必要通过预处理分离氧化钙。此方法允许镁和钙的隔离。例如，第一热金属电解池或热钙电解池使用脱碳的白云石中的镁。可能使用含有铅-钙电解液的转炉，白云石浮在铅-钙电解液中，转炉包括用于浓缩镁的室。
炉子还用于热钙处理之后的脱碳。在排出镁之后，石灰被取出，炉子被重新加载用于新的处理。
处理所生产的石灰被完全处理，或被用于产生钙的扫描电解池部分处理。产生的钙与铅形成合金并返回转炉。铅-钙的合金被返回转炉，但是部分可以直接地用做其它应用或再次应用的金属-热还原剂，也可直接用做制造蓄电池盘的合金。
在前述的例子中，电解池被描绘为核形，其为了产生磁场做旋转运动，而考虑到打开核并解开它的可能性，它们也可以做成圆柱形。在此情况下，磁场需要由一磁体封闭，但是成对地安置两个相邻的圆柱体，圆柱体的头部就会设计成非常简单的结构。
根据本发明，以相同的方式，可能会有一些电极垂直或倾斜设置的应用，而更好的是设计电解液循环和偏转板。
可以预见其他的实施例，进行钛铁矿的分离铁的处理。还有很多其他的应用可以适用处理和不同矿物的还原，与现有技术的处理相比较，其经常能够显著地提高经济性。前述的矿物加工设备的实施例不是唯一的，显而易见，对于相关技术领域的熟练人员，在本发明的范围和精神内还有进一步的实施例。本发明不被认为仅限于所描述的实施例。
权利要求
1.一种含有电解液的电解池，包括至少一个阳极和至少一个阴极，其特征在于通过应用一个基本上垂直于电解液中的电流的磁场以及一个或多个将电解液分为两个流道的偏转板，使电解液在阴极和阳极之间循环第一个流道朝向阳极；第二个流道朝向阴极。
2.根据权利要求1所述的电解池，其中两个流道在电极之间重新汇合以完成一个封闭的回路。
3.根据权利要求1和2所述的电解池，其中电解池为环形，使电解液垂直循环以便电解液呈直角流过环体，一环形电磁铁的传导器感应产生磁场。
4.根据权利要求1和2所述的电解池，其中电解池为圆柱形，使电解液垂直循环以便电解液呈直角流过圆柱体，一圆柱形电磁铁的传导器感应产生磁场，圆柱形电磁铁具有一连接在端部的磁性盘用于封闭磁场。
5.根据权利要求4所述的电解池，其中电解池连接有另外两个磁块以封闭电磁场。
6.根据权利要求1所述的电解池，其中金属比熔融电解液轻，金属在穿过阴极时被获取。
7.根据权利要求6所述的电解池，其中偏转板连接到阴极上。
8.根据权利要求1所使用的电解池处理方法如在专利中所述。
全文摘要
本发明涉及一种熔融电解液的电解装置和方法以及它们在还原金属矿物中的应用的实施例。本发明的装置可以应用于主要工业金属的生产例如锌、镁、铝、钛、锆、钨、铅等等。含有电解液的电解池包括至少一个阳极和至少一个阴极,其特征在于:通过应用一个基本上垂直于电解液中电流的磁场以及连接有一个或多个将电解液分为两个流道的偏转板使电解液在阴极和阳极之间循环:第一个流道流过阳极;第二个流道流过阴极。根据本发明,此电解池可以用于内含不同金属的原矿的分选处理。
文档编号C25C7/00GK1341163SQ00804227
公开日2002年3月20日 申请日期2000年1月28日 优先权日1999年1月29日
发明者克洛德·福尔廷 申请人:阿什利·克利曼, 克洛德·福尔廷