RU2845594C1 - Способ получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов, и может быть использовано при производстве первичных источников тока с литиевым электродом. Осуществляют предварительную подготовку отбракованных литийсодержащих электродов и их переплавку в плавильном стакане со сбором выделившегося шлака с поверхности. Предварительная подготовка заключается в изготовлении брикетов лития кубической формы с размером стороны 5 см путем прессования, плавильный стакан изготовлен из нержавеющей стали, содержащей 16-18% хрома, переплавку осуществляют при температуре 330-340°С в среде аргона с содержанием воды не более 20 ppm, сбор шлака осуществляется с помощью сетки с размером ячеек 3-5 мм, отбор пробы лития осуществляют без охлаждения расплава, при соответствии результатов анализа заданным значениям расплав охлаждают до температуры 180-190°С, выливают в силиконовую форму из материала с верхним пределом термической устойчивости более 200°С, при несоответствии продолжают плавку и отбор проб. Технический результат заключается в увеличении производительности процесса переплавки лития за счет снижения количества загрязнений, попадающих в переплавляемый металл. 4 пр.

Description

Изобретение направлено на разработку новых способов плавки лития и может быть использовано при производстве первичных источников тока с литиевым электродом.

Известен способ подготовки лития металлического для отрицательного электрода химического источника тока [Патент RU № 2782537, МПК C22B 26/12, опубл. 28.10.2022], включающий его загрузку, продувку аргоном, нагрев лития металлического и его плавку при температуре 230-270°С, выливание расплава лития в изложницу, проведение очистки расплава лития в изложнице с последующим остыванием расплавленного лития в изложнице до получения затвердевшей заготовки, извлечение затвердевшей заготовки из изложницы и обрезку торцов заготовки до необходимых размеров, отличающийся тем, что литий металлический загружают в виде заготовок, нарезанных из чушки, очищенной от слоя консервационной смазки, а очистку лития в изложнице осуществляют путем вибрационного воздействия на изложницу с расплавом лития в течение 2-20 минут.

Недостатком данного способа является отсутствие информации о материалах сосудов для плавки и трудоемкая очистка изложницы от лития.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов [Патент RU № 2824552, МПК C22B 26/12, C22B 7/00, H01M 6/52, опубл. 12.08.2024], принят за прототип. Данный способ включает предварительную подготовку отбракованных литийсодержащих электродов путем их извлечения под вытяжным зонтом и фиксации веса, первую переплавку отбракованных литийсодержащих электродов в плавильном стакане при температуре от 240 до 250°С под крышкой со сбором выделившегося шлака с поверхности расплава, при которой осуществляют периодическое покачивание электродов вверх-вниз для освобождения нержавеющей основы от лития металлического, при этом после расплавления лития в плавильном стакане вынимают нержавеющую основу и кладут на металлический поддон для застывания, обрезку полученных заготовок цилиндрической формы по нижнему и верхнему краям, вторую переплавку полученных литиевых заготовок в плавильном стакане под крышкой со сбором шлака с поверхности расплава аналогично первой переплавке, после отбирают пробу лития из полученной заготовки на содержание лития, при этом если результат анализа по содержанию лития металлического составляет менее 99,6%, то проводят дополнительную переплавку, а при содержании лития более 99,6% полученные заготовки обрезают по нижнему и верхнему краям, при этом утилизируют нержавеющую основу путем измельчения, окисления на воздухе и гашения образовавшихся при этом солей лития с контролем нагрева воды не более 50°С, а готовые литиевые заготовки упаковывают в контейнеры.

Недостатком данного способа является отсутствие информации о материалах плавильных сосудов, о параметрах среды, в которой производится плавка, а также трудоемкая процедура отбора проб для анализа.

Проблемой переплавки отходов лития является очистка полученного продукта при условии максимальной производительности процесса. Указанная проблема решается предлагаемым способом переплавки отходов лития.

Технический результат заключается в увеличении производительности процесса переплавки лития за счет снижения количества загрязнений, попадающих в переплавляемый металл, а также их более эффективного и быстрого удаления из зоны плавки.

Технический результат достигается за счет того, что способ получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов включает предварительную подготовку отбракованных литийсодержащих электродов, переплавку отбракованных литийсодержащих электродов в плавильном стакане со сбором выделившегося шлака с поверхности, отбор пробы лития, дополнительную очистку в зависимости от результатов анализа, причем, предварительная подготовка заключается в изготовлении брикетов лития кубической формы с размером стороны 5 см путем прессования, плавильный стакан изготовлен из нержавеющей стали, содержащей 16-18%, переплавку осуществляют при температуре 330-340 °С в среде аргона с содержанием воды не более 20 ppm, сбор шлака осуществляется с помощью сетки с размером ячеек 3-5мм, отбор пробы лития осуществляют без охлаждения расплава, при соответствии результатов анализа заданным значениям расплав охлаждают до температуры 180-190 °С, выливают в силиконовую форму из материала с верхним пределом термической устойчивости более 200°С, при несоответствии продолжают плавку и отбор проб.

Формирование брикетов кубической формы с размером стороны 5 см путём прессования является необходимым в случае литиевых обрезков, так как образование оксидных пленок на мелких кусочках лития не позволяет выплавить металл, такой способ прессования является оптимальным решением в виду высокой скорости прессовки и простоты кубической формы, что увеличивает производительность процесса. Материал плавильного стакана, нержавеющая сталь, содержащая 16-18% хрома, например, марки AISI 316, позволяет избежать растворения компонентов стали в расплавленном литии. При содержании хрома менее 16% в расплавленный литий может переходить железо и никель. При содержании хрома более 18% возможен переход в расплав хрома. Содержание воды в атмосфере, в которой происходит плавка, более 20 ppm инициирует интенсивную коррозию расплавленного лития с образованием шлаков оксида внутри расплава, что приводит к снижению чистоты продукта, вызывающему необходимость переплавок и, тем самым, снижает производительность переплавки, однако, при содержании воды менее 20 ppm образование шлаков происходит замедленно. Температура расплава 330-340°С выбрана для достижения оптимальной вязкости расплава лития, при температуре ниже 330°С высокая вязкость расплава создает затруднение фильтрации расплава лития, при температуре выше 340°С увеличивается время охлаждения расплава лития. Размер ячеек сетки 3-5 мм, необходим для надежного отделения расплава от оксидных шлаков, которые снижают чистоту получаемого лития, при размере ячеек менее 3 мм проходимость расплава лития будет затруднена, при размере ячеек более 5 мм шлак не будет отфильтровываться. Охлаждение расплава лития до температуры 180-190°С снижает риск разрушения литьевой формы, в качестве которого используется силикон с верхним пределом термической устойчивости более 200°С, например TermoMold 30 (А+Б), устойчивый до 350°С, с другой стороны, при температуре 180°С литий начинает застывать, что препятствует эффективному удалению его из плавильного стакана.

Способ получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов реализуется следующим образом. Формируют брикеты кубической формы с размером стороны 5 см из обрезков лития путем прессования, получаемые брикеты закладывают в плавильный стакан из нержавеющей стали с содержанием хрома 16-18%, например, AISI 316. Затем плавильный стакан нагревают до температуры 330-340°С, в среде аргона с содержанием воды не более 20 ppm, в ходе переплавки с поверхности расплава собирают шлак сеткой с размером ячейки 3-5 мм, отбирают пробу лития без охлаждения расплава, при соответствии результатов анализа заданным значениям содержания лития расплав охлаждают до температуры 180-190°С, выливают в силиконовую форму из силикона с верхним пределом термической устойчивости более 200°С, например TermoMold 30 (А+Б). При несоответствии продолжают плавку с отбором шлака до тех пор, пока содержание лития в пробе не достигнет требуемого значения.

Пример 1 реализации способа получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов.

Получали литиевые заготовки из отбракованных литийсодержащих электродов, для чего сформировали брикеты кубической формы с размером стороны 5 см из обрезков лития путем прессования, полученные брикеты заложили в плавильный стакан из нержавеющей стали AISI 316 с содержанием хрома 17%. Затем плавильный стакан нагрели до температуры 335°С в среде аргона с содержанием воды 15 ppm, в ходе переплавки с поверхности расплава собирали шлак сеткой с размером ячейки 4 мм, через 1 час отобрали пробу лития без охлаждения расплава, содержание лития составило 99,3%, что не соответствовало требуемому значению 99,9%, плавление продолжили, через 1 час отобрали пробу, содержание лития составило 99,9% что соответствовало требуемому значению. Далее расплав охладили до температуры 185°С, вылили в силиконовую форму из силикона TermoMold 30 (А+Б) с верхним пределом устойчивости 320°. Таким образом, требуемая заготовка была получена за 2 часа.

Пример 2 реализации способа получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов

Получали литиевые заготовки из отбракованных литийсодержащих электродов, для чего сформировали брикеты кубической формы с размером стороны 5 см из обрезков лития путем прессования, полученные брикеты заложили в плавильный стакан из нержавеющей стали AISI 316 с содержанием хрома 16 %. Затем плавильный стакан нагрели до температуры 340°С в среде аргона с содержанием воды 15 ppm, в ходе переплавки с поверхности расплава собирали шлак сеткой с размером ячейки 3 мм, через 1 час отобрали пробу лития без охлаждения расплава, содержание лития составило 99,4%, что не соответствовало требуемому значению 99,9%, плавление продолжили, через 1 час отобрали пробу, содержание лития составило 99,9% что соответствовало требуемому значению. Далее расплав охладили до температуры 190°С, вылили в силиконовую форму из силикона TermoMold 30 (А+Б) с верхним пределом устойчивости 320°. Таким образом, требуемая заготовка была получена за 2 часа.

Пример 3 реализации способа получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов.

Получали литиевые заготовки из отбракованных литийсодержащих электродов, для чего сформировали брикеты кубической формы с размером стороны 5 см из обрезков лития путем прессования, полученные брикеты заложили в плавильный стакан из нержавеющей стали AISI 316 с содержанием хрома 18 %. Затем плавильный стакан нагрели до температуры 330°С в среде аргона с содержанием воды 35 ppm, в ходе переплавки с поверхности расплава собирали шлак сеткой с размером ячейки 5 мм, через 1 час отобрали пробу лития без охлаждения расплава, содержание лития составило 99,1%, что не соответствовало требуемому значению 99,9%, плавление продолжили, через 1 час отобрали пробу, содержание лития составило 99,9% что соответствовало требуемому значению. Далее расплав охладили до температуры 180°С, вылили в силиконовую форму из силикона TermoMold 30 (А+Б) с верхним пределом устойчивости 320°. Требуемая заготовка была получена через 2 часа.

Пример 4 реализации способа получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов.

Получали литиевые заготовки из отбракованных литийсодержащих электродов, для чего сформировали брикеты кубической формы с размером стороны 5 см из обрезков лития путем прессования, полученные брикеты заложили в плавильный стакан из нержавеющей стали AISI 420 с содержанием хрома 20%. Затем плавильный стакан нагрели до температуры 320°С в среде аргона с содержанием воды 35 ppm, в ходе переплавки с поверхности расплава собирали шлак сеткой с размером ячейки 2 мм, через 1 час отобрали пробу лития без охлаждения расплава, содержание лития составило 99,1%, что не соответствовало требуемому значению 99,9%, плавление продолжили, через 1 час отобрали пробу, содержание лития составило 99,4% что не соответствовало требуемому значению. Далее плавление продолжили, через 1 час отобрали пробу, содержание лития составило 99,5% что не соответствовало требуемому значению. Требуемое значение 99,9% было достигнуто через 4 часа плавки. Причиной медленного удаления примесей была повышенная вязкость расплава, неэффективное удаление шлаков мелкоячистой сеткой и повышенное шлакообразование вследствие быстрого окисления лития в среде с повышенной влажностью и переход в расплав железа, образующего трудноудаляемые тонкие пленки на поверхности расплава. Затем расплав охладили до температуры 195°С, вылили в силиконовую форму из силикона Силифлекс - 20 с устойчивостью до 200°С. На заготовке образовались раковины, вследствие газовыделения из силикона. Раковины необходимо было удалять обрезкой, что заняло еще 1 час, таким образом требуемая заготовка была получена за 8 часов.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения, использование материала плавильного стакана с содержанием хрома 16-18%, нагревание до температуры 330-340°С, использование сетки для удаления шлаков со стороной 3-5 мм, охлаждение до температуры 180-190°С и заливка лития в силиконовую форму с верхним пределом термической устойчивости более 200°С, позволяет достичь технического результата, повышения производительности переплавки.

Claims (1)

1. Способ получения литиевых заготовок из отбракованных литийсодержащих электродов, включающий предварительную подготовку отбракованных литийсодержащих электродов, переплавку отбракованных литийсодержащих электродов в плавильном стакане со сбором выделившегося шлака с поверхности, отбор пробы лития, дополнительную очистку в зависимости от результатов анализа, отличающийся тем, что предварительная подготовка заключается в изготовлении брикетов лития кубической формы с размером стороны 5 см путем прессования, плавильный стакан изготовлен из нержавеющей стали, содержащей 16-18% хрома, переплавку осуществляют при температуре 330-340°С в среде аргона с содержанием воды не более 20 ppm, сбор шлака осуществляют с помощью сетки с размером ячеек 3-5 мм, отбор пробы лития осуществляют без охлаждения расплава, при этом при соответствии результатов анализа заданным значениям расплав охлаждают до температуры 180-190°С, выливают в силиконовую форму из материала с верхним пределом термической устойчивости более 200°С, а при несоответствии результатов анализа заданным значениям продолжают плавку и отбор проб.