Метод за производство на неразтворим анод на основата на титан
Притежатели на патенти RU 2468126:
Изобретението се отнася до областта на електрохимията, а именно до технологията за производство на неразтворим титанов анод за електрохимични процеси и може да се използва за производство на цилиндрични анодни заземителни електроди. Анодната титаниева основа е направена от тънкостенна титанова тръба с титанова жица, навита върху нея, образуваща външен релефен слой, докато върху тръбата се нанася жлеб с резба, дълбока 0,1-0,3 mm, със стъпка, равна на 1,5-3 от диаметъра на титановата тел, която се полага чрез навиване по резбования жлеб и се фиксира върху повърхността на тръбата чрез точково заваряване, последвано от запълване на пространството между жицата се превръща със слой от манганов диоксид. Освен това в състава на защитния слой от манганов диоксид може да се въведе фин прах от титанов карбид със специфична повърхност най-малко 10 m 2 /g в количество 3-5%. Увеличаването на експлоатационния живот на анода е техническият резултат от изобретението. Гаранционният срок на цялата система за електрохимична защита е повече от 50 години. 1 з.п. f-ly, 1 ил., 1 табл.
Изобретението се отнася до техническата електрохимия, а именно технологията за производство на неразтворими аноди за електрохимични процеси и може да се използва по-специално в системи за електрохимична защита от корозия на метални конструкции и комуникации, например при производството на вертикални и дълбоки цилиндрични анодни заземителни електроди.
Основните изисквания към анодните земни електроди са: устойчивост на анодно разтваряне, химични и механични влияния, добра електропроводимост, стабилност на електрохимичните характеристики при продължителна работа. Работата на анодния заземен електрод зависи от материала и конструкцията на анода, неговото състояниеповърхност, допустима плътност на аноден ток, среда, в която е поставен анодът.
Известни анодни заземяващи електроди и методи за тяхното производство на базата на титан, покрит с платина, други благородни метали и повърхностни слоеве от проводими химически устойчиви оксиди (V. Backman, V. Schwenk. Катодна защита от корозия. Справочник - М.: Металургия, 1984. - S. 197-210). Анодите от платиниран титан отговарят най-пълно на горните изисквания, но тяхното използване е ограничено от високата цена на покритието.
Известни методи за производство на неразтворими титаниево-манганови аноди за електрохимични процеси, включително нанасяне на слой от електроактивен манганов диоксид върху подготвената повърхност на анодната основа от компактен или порест титан чрез термохимично разлагане на разтвор на манганов нитрат или карбонат (L.M. Якименко. Електродни материали в приложната електрохимия - М .: Издателство "Химия" ", 1977 - S.228-232).
Недостатъците на титаниево-мангановите аноди са относително ниската адхезия и механичните свойства на оксидния слой, възможността за пасивиране на титановата основа по време на продължителна работа на анода, трудността при нанасяне на плътен защитен слой от манганов диоксид с относително голяма дебелина, което изисква многократно циклично повторение на отлагането и термичното разлагане на разтвора на мангановото съединение. Получаването на развита повърхност на титанова основа, от състоянието на която зависи якостта на сцепление и надеждността на електрическия контакт с оксидния слой, е свързано с технологични трудности.
Най-близък по техническа същност и постигнат резултат е метод за производство на анод за електролитно производство на манганов диоксид (АС СССР, № 1661247, заявка. 05/11/1988; публ.Бик. № 25 IPC 7: S25V 11/10) - прототип, включващ получаване на релефна повърхност на анодната основа, изработена от титан или негова сплав, и нанасяне върху нея на защитен слой от електроактивен β-манганов диоксид. Релефът на титановата основа се формира чрез механична обработка, при която се получават макровдлъбнатини с произволна форма с ширина 1,5-2,5 mm и дълбочина 1,5-3,0 mm, заемащи 10-90% от геометричната повърхност на анода. В допълнение, повърхностният релеф на анодната основа е допълнен с микродепресии с дълбочина 0,04-0,5 mm. Защитният слой от манганов диоксид запълва релефната повърхност на анодната основа и се характеризира с относително голяма дебелина.
Недостатъците на известния метод са повишената консумация на титан поради необходимостта от използване на анодна основа с голяма дебелина на стената, сложността на механичната обработка на титан и загубата му в резултат на отстраняване на повърхностния слой на значителна дълбочина. В допълнение, високата електропроводимост на защитния слой не е осигурена с неговата относително голяма дебелина, което ограничава допустимата плътност на аноден ток.
Предложеното изобретение се основава на задачата за подобряване на метода за производство на неразтворим анод от титанов и манганов диоксид, при който се получава релефна повърхност на анодната основа, без да се прибягва до механично нанасяне на макродепресии, а защитният слой от манганов диоксид се модифицира.
Това осигурява намаляване на трудоемкостта на подготовката на релефната повърхност на анодната основа, намаляване на загубите на титан, подобряване на електрическата проводимост и увеличаване на допустимата плътност на аноден ток, което заедно води до намаляване на разходите за производство на анода и увеличаване на неговия експлоатационен живот.
Проблемът се решава от факта, че в метода за производство на неразтворим анод натитаниева основа, включително образуването на релефна повърхност на титаниевата основа и нанасянето на защитен слой от електроактивен манганов диоксид, титановата основа е направена композит под формата на тънкостенна титанова тръба и титанова тел, навита върху нея, образувайки външен релефен слой, където резбован жлеб с дълбочина 0,1-1,3 mm предварително се нанася върху външната повърхност на тръбата със стъпка, равна на 1 .5-3 диаметъра на титановата тел, която се полага чрез навиване по жлеба с резба и се фиксира върху повърхността на тръбата чрез точково заваряване, последвано от запълване на пространството между навивките на телта със слой от манганов диоксид. Освен това в състава на защитния слой от манганов диоксид се въвежда високо диспергиран прах от титанов карбид със специфична повърхност най-малко 10 m 2 /g в количество 3-5% (тегловни).
Фигура 1 показва структурата на анода в напречно сечение, където са показани тънкостенна тръба 1, резбован жлеб 2, намотки от тел 3, положени по него, слой от манганов диоксид 4.
Тънкостенна тръба 1 служи като носещ компонент на анодната основа, което осигурява твърдостта на анодните конструкции, устойчивостта на механични натоварвания, особено при инсталиране на вертикални и дълбоки анодни заземителни електроди, докато цилиндричната форма допринася за равномерното разпространение на тока в почвата.
Жлебът с резба 2 задава позицията на намотките на телта 3 върху цилиндричната повърхност и осигурява необходимата зона на контакт между телта и тръбата. При полагане на телта върху цилиндрична повърхност се предпочита закръглена форма на сечението на жлеба, съответстваща на съседната повърхност на телта. Намаляването на дълбочината на канала до по-малко от 0,1 mm не осигурява необходимата площ на контактното петно, а увеличаването на дълбочината на канала до повече от 0,3 mm отслабва тънкостенната тръба.
Положен върху жлеб с резбател 3 образува външен релефен слой, който е изпълнен със слой манганов диоксид. Формата на напречното сечение на пролуката между навивките на жицата осигурява повишена якост на сцепление със защитния слой от манганов диоксид. Обемната част на мангановия диоксид в междината между навивките на титанова тел с диаметър d зависи от плътността на намотката, която се задава на стъпки от 1. При 1 3d усилващият усилващ ефект на телта намалява и устойчивостта на защитния слой към механично напрежение намалява.
Въвеждането на прах от високо диспергиран титанов карбид, който е химически устойчиво и електропроводимо вещество, произведено в промишлен мащаб, в състава на защитния слой спомага за намаляване на омичното съпротивление и увеличаване на допустимата плътност на аноден ток с относително голяма дебелина на слоя манганов диоксид.
Предложеният метод за производство на неразтворим анод се осъществява по следния начин.
Върху цилиндричната повърхност на титанова тръба VT-1 с диаметър 36 mm, с дебелина на стената 1 mm, е нанесен резбован жлеб с дълбочина 0,2 mm със стъпка 2,5 mm, по който са навити намотки от титанова тел с диаметър 1 mm, подложени на предварително вакуумно отгряване, за да се увеличи пластичността му и да се намали силата на навиване. Получава се слой от електроактивен манганов диоксид, докато празнините между навивките на жицата се запълнят напълно чрез прилагане на наситен разтвор на манганов нитрат и разлагането му при температура от 200 ° C. В разтвора на манганов нитрат се въвежда прах от титанов карбид, който се характеризира със среден размер на частиците от 0,1 μm и специфична повърхност от 10 m 2 /g.
Качеството на анода се оценява от състоянието на защитния слой по време на механични тестове на вибрационен стенд, както и от големината на електрическата проводимост на защитния слой и анодапотенциал при поляризация в разтвор от 100 g/l сярна киселина за 100 часа и плътност на аноден ток 500 A·m -2. Данните за електропроводимостта на защитния слой и анодния потенциал в зависимост от съдържанието на прах от титанов карбид са дадени в таблицата.
| Таблица | |||||
| Съдържание на титанов карбид, % (тегло) | 0 | 1.5 | 3 | 5.0 | 10.0 |
| Проводимост Ом -1 | 1.5 | 1.2 | 0,6 | 0,5 | 0,4 |
| Аноден потенциал, V | 1.92 | 1,90 | 1,86 | 1,85 | 1,85 |
Експерименталните данни потвърждават, че добавянето на високодисперсен прах от титанов карбид значително повишава електропроводимостта на защитния слой, като ефектът му е най-изразен при съдържание от 3-5% (тегл.). Когато съдържанието на прах от титанов карбид е повече от 5%, увеличението на електрическата проводимост е по-малко значително. Стабилността на анодния потенциал по време на дългосрочна поляризация показва липсата на пасивация на повърхността на титановата основа.
Увеличаването на съдържанието на добавки от титанов карбид над 5% (тегло) не е препоръчително поради увеличаване на цената на анода при относително малко увеличение на електрическата проводимост на защитния слой. С намаляване на специфичната повърхност на праха от титанов карбид, например до 5 m 2 / g, което е типично за фракция с размер на частиците 1 μm, стабилността на суспензията намалява, скоростта на утаяване се увеличава и става по-трудно да се получи защитен слой с равномерен състав върху релефната повърхност на анодната основа.
Тестовете на вибрационен стенд потвърдиха устойчивостта на защитния слой на механични натоварвания при оптимална плътност на намотката на проводника, което има усилващ ефект върху неговите свойства. С увеличаване на стъпката на намотката, например при 1=4d, се забелязват микропукнатини, а при1=5d - частично отпадане на защитния слой.
Индустриалната приложимост на новото техническо решение се потвърждава от факта, че предложеният метод за производство на неразтворим анод може да се реализира с помощта на съществуващи технологични процеси, материали и оборудване. Тръбната форма на анода е най-подходяща при производството на вертикални и дълбоки анодни заземителни електроди, където дълбочината на кладенеца достига 50-100 m, а дължината на отделните аноди е 1-5 m, а в сглобено състояние - 30-50 m.
Ниското тегло и високата якост на тръбните аноди на основата на титан осигуряват лесна инсталация и монтаж на дълбоко заземени електродни системи, тяхната надеждност при продължителна работа.
По този начин използването на предложения метод в сравнение с известните осигурява следните предимства:
- намаляване на дебелината на стената на носещата анодна титанова основа и загубите на титан, свързани с обработката му чрез рязане;
- намаляване на сложността на процеса на получаване на релефна повърхност на титановата основа;
- подобряване на електропроводимостта на титановия защитен слой, увеличаване на допустимата плътност на аноден ток, както и механична якост и надеждност, свързване на защитния слой с титаниевата основа.
Всички тези фактори позволяват да се подобри процесът на производство на неразтворими аноди и да се насърчи използването им в електрохимични системи за защита от корозия за метални конструкции и комуникации.
1. Метод за производство на неразтворим анод на базата на титан, включващ образуването на релефна повърхност на титановата основа и прилагането на защитен слой от електроактивен манганов диоксид, характеризиращ се с това, че титановата основа е направена композит под формата на тънкостенна титанова тръба и титанова жица, навита върху нея,образувайки външен слой, където резбован жлеб с дълбочина 0,1-0,3 mm предварително се нанася върху външната повърхност на тръбата със стъпка, равна на 1,5-3 диаметъра на титанова тел, която се полага чрез навиване по резбования жлеб и се фиксира върху повърхността на тръбата чрез точково заваряване, последвано от запълване на пространството между навивките на телта със слой от манганов диоксид.
2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че високо диспергиран прах от титанов карбид със специфична повърхност най-малко 10 m 2 /g се въвежда в защитния слой от манганов диоксид в количество от 3-5 тегл.%.