книги из ГПНТБ / Эйдензон М.А. Металлургия магния и других легких металлов учеб. пособие

7. ХАРАКТЕРНЫЕ НАРУШЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ. СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ НЕПОЛАДОК

Хорошо смонтированный и правильно пущенный электро­ лизер обычно работает до остановки на капитальный ремонт (1—2 года в зависимости от конструкции). Важнейшим условием длительной службы электролизера является непрерывность его работы. Частые и долговременные отключения, «замораживание»

установлено, что на электролизере, пущенном после продолжи­ тельной остановки, не удается в течение долгого времени достиг­ нуть нормальных показателей. Поэтому перерывы подачи тока, особенно длительные, недопустимы.

Второе главное условие получения высоких и устойчивых показателей электролиза — бесперебойное питание электроли­ зеров высококачественным сырьем. «Обеднение», ванны, т. е. уменьшение концентрации MgCl2 в электролите ниже допусти­ мых пределов, а также систематическое питание электролизеров сырьем, содержащим повышенное количество вредных примесей, приводит к резкому снижению производительности и ухудшению других показателей электролиза. Временные и непродолжитель­ ные отклонения от нормальной работы обычно удается устранить, если своевременно принять необходимые меры.

Резкое охлаждение или перегрев электролита

Одной из причин понижения температуры электролита во всех электролизерах одновременно может быть уменьшение силы тока на серии из-за каких-либо неполадок на преобразовательной подстанции, например при временном выключении одного из преобразователей или при чрезмерном повышении напряжения на серии. Если понижение температуры электролита своевременно обнаружено, то увеличением силы тока до нормальной величины можно быстро повысить температуру до нормы. Это достигается либо включением резервного преобразовательного агрегата, либо, если это сделать невозможно, временным отключением одного или нескольких электролизеров.

При работе серии на пониженной силе тока температура электролита некоторых электролизеров может стать ниже темпе­ ратуры плавления магния. Такое же явление возможно и при пуске электролизера, если он включается в сеть постоянного тока, когда температура электролита еще недостаточно высока. В этом случае магний выделяется на катоде в твердом состоянии — в виде «губки». Это приводит к короткому замыканию электродов через металлическую губку; при этом сильно уменьшается перепад напряжения в электролите и он еще более охлаждается.

121

При образовании губки должны быть приняты все меры для быстрого повышения температуры электролита. Наиболее ради­ кальные меры в подобных случаях ■— повышение «греющей» мощности путем увеличения расстояния между электродами (вре­ менное отключение одного-двух катодов) и дополнительный по­ догрев электролита переменным током. Одновременно рекомен­ дуется погружать в ячейки сухие доски. Выделяющиеся при горении дерева газы усиливают циркуляцию электролита, ко­ торый смывает губку с катода. Напряжение и температура по­ степенно возрастают, и металл начинает выделяться в жидком состоянии.

При угрозе застывания электролита в период пуска электро­ лизера полезно для уменьшения тепловых потерь укрывать го­ ловки анодов при их вводе сверху асбестовым полотном.

Чрезмерное повышение температуры электролита при нормаль­ ной силе тока происходит из-за увеличения его сопротивления. Если сопротивление (перепад напряжения) электролита не удается изменить корректировкой его состава и другие меры, -описанные в разделе о регулировании температуры, также не дают должного эффекта, то это значит, что перегрев электролита произошел по одной из нижеперечисленных причин:

1. Резко увеличилось расстояние между электродами из-за отхода катодного листа от нормального положения. В этом слу­ чае необходимо искривленные катоды удалить и заменить их исправными. Искривленные катоды выправляют, ремонтируют

ииспользуют повторно.

2.Ток не проходит через один из катодов или анодов из-за высокого сопротивления соответствующего контакта. В этом случае необходимо срочно восстановить нормальное состояние контактов.

3.Сломался один анод (реже — больше одного) или сильно сработались все аноды. Необходимо заменить сломанный анод или все аноды. В электролизерах с верхним вводом анодов это можно сделать без отключения от серии, при боковом и нижнем вводе анодов электролизер должен быть поставлен на капиталь­ ный ремонт.

Нормальный тепловой режим электролизера следует поддер­ живать при минимально возможном напряжении на его зажимах. Крышки Катодных ячеек должны быть плотно закрытыми, а подина

ванны ■— чистой, без шлама и настылей. Необходимо следить за кожухом электролизера, не допуская замыканий тока на кожух.

Пассивация катодов. Образование шкрыъ

Иногда наблюдается резкбе снижение выхода по току из-за того, что металл выделяется в виде мельчайших шариков («икры») и плохо сливается. Поверхность катода покрывается тонкой прочной пленкой, металл плохо пристает к поверхности катода и находится на ней только в отдельных местах. В практике бы­ вают случаи, когда это явление обнаруживается на одном или

122

нескольких электролизерах, в то время как остальные работают нормально. Иногда катод покрывается толстой рыхлой пленкой окиси магния, сульфидов, углерода и др. Для устранения этих неполадок на практике пользуются следующими приемами:

1) загружают в электролизер фтористый кальций или фтори­ стый натрий и усиленно перемешивают его в электролите, чтобы улучшить сливаемость мелких корольков магния;

2) извлекают катоды и вместо них устанавливают новые; «запассивированные» поверхности старых катодов очищают от пленки пескоструйной очисткой или травлением раствором соля­ ной кислоты, и катоды используют повторно;

3) в отдельных случаях наиболее целесообразно временное отключение электролизера, полное удаление электролита и шлама, замена катодов и заливка электролита из хорошо работающего электролизера.

Указанными приемами часто удается быстро и надолго восста­ новить нормальный выход по току.

Обслуживание бездиафрагменных электролизеров

Обслуживание бездиафрагменных электролизеров мало отли' чается от обслуживания диафрагменных: магний выбирают вакуумковшом из сборной ячейки (или сборных ячеек, если их несколько) 2—3 раза в сутки, шлам — вакуум-ковшом или цен­ тробежным насосом 1—2 раза в неделю при работе на MgCl?

и3—4 раза при работе на карналлите. При верхнем вводе анодов шлам берут без подгребания его из рабочего пространства, при нижнем — шлам подгребают из рабочего пространства. Патрубки сантехнического и анодного отсоса чистят от возгонов один раз

всутки.

Вбездиафрагменном электролизере из-за большей объемной плотности тока больше заливок, чем в диафрагменном. При об­ служивании бездиафрагменных электролизеров требуется более точное соблюдение заданных параметров технологического режима (состав и температура электролита, обслуживание электролизера

ит. д.) вследствие меньшего объема электролита и большей объем­ ной плотности тока.

Г Л А В А IX

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

Исходные данные для расчета электролизера обычно определяют опытным путем на основе практических результатов, получен­ ных за период продолжительной работы или при испытании опыт­ ного электролизера.

123

Ниже приведен пример упрощенного расчета диафрагменного электролизера на 100 кА с верхним вводом анодов для электро­ лиза безводного карналлита (электролит калиевый).

Практические исходные данные

»на 1 кг магния-сырца, кг:

2.РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА1

При электролизе выделяется магния: продукционного (в составе магния сырца)

100-0,454-0,8 = 36,3 кг/ч#

в составе шлама

36,3-0,12-0,03 = 0,13 кг/ч;

всего

36,3+0,13 = 36,43 кг/ч.

1 Другой вариант расчета материального баланса см. в первом издании

(1964 г.), с. 130— 133.

124

Извлекается из электролизера, кг/ч;

магния-сырца — 36,43 : 0,996 = 36,5; шлама — 36,5-0,12 = 4,38; возгона — 36,5-0,10 = 3,65;

отработанного электролита — 36,5-3,8 = 138,7;

хлора— 100-1,323-0,8 = 105,84.

Часовой расход безводного карналлита (равный сумме масс

В приведенном здесь расчете материального баланса электро­ лизера учтены только основные процессы, протекающие в нем. Следует иметь в виду, что наряду с основными процессами про­ исходит также ряд побочных. Например, в карналлитовом калие­ вом электролите частично хлорируется окись магния, что видно из приведенного ниже расчета (по данным табл. 10 и 11).

За 1 ч в электролизер поступает окиси магния в составе без­ водного карналлита

289-0,01 = 2,89 кг.

За это же время из электролизера извлекается окиси магния (в составе отработанного электролита и шлама)

138,7-0,002 + 4,38-0,2 = 1,25 кг.

125

Уменьшение количества окиси магния является результатом

еечастичного хлорирования в электролите, например, по реакции

Mg0 + Cl2 = MgCl2 + i - 0 2.

При хлорировании расходуется некоторое количество хлора, что уменьшает его выход, и образуется дополнительное количество хлорида магния, используемого для электролиза.

Степень хлорирования окиси магния в нашем случае соста­ вляет

. ( 2 . 8 9 - 1,25) 100

2 | оУ

При хлорировании окиси магния получается хлорида магния

(2,89— 1,25) 2,36 = 3,76 кг/ч,

где 2,36 — отношение молекулярных масс MgCl2 и MgO. Расходуется хлора

где 70,92 и 95,21 — соответственно молекулярные массы хлора и хлорида магния.

Количества веществ, которые расходуются и образуются в ре­ зультате хлорирования окиси магния, а также вследствие других побочных процессов, незначительны по сравнению с массой основ­ ных продуктов реакции и поэтому в практических балансах обычно не учитываются.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Для изготовления анодов применяем графитовые брусья по­ перечным сечением 20X30 см. Определим расчетное ч и с л о б р у с ь е в во всех анодах:

т = 19 250 = 32.

20-30

Чтобы ширина анода была в пределах заданных величин (200—220 см), принимаем пять анодов по семь брусьев в каждом. Тогда ширина анода

у 5а = 70 X 30 = 210 см

и фактическая проходная плотность тока в аноде

126

Принимая рабочую высоту анода # а = 90 см, определим вели­ чину рабочей поверхности анода:

Sa = Яа Ва = 90-210 = 18 900 см2.

Величина рабочей поверхности катода меньше рабочей поверх­ ности анода и определяется соотношением анодной и катодной плотностей тока:

Принимая ширину катодного листа Вк равной ширине анода

Число катодов равно удвоенному числу анодов, т. е. 5-2 = 10. Внутренние размеры анодных ячеек можно приближенно оп­ ределить следующим образом: длина a + (2-10 см); ширина b + 2с (а — ширина анода, см; b — толщина анода, см; с — рас­ стояние от анода до диафрагмы, равное обычно в мощных элек­

тролизерах 9 см).

Катодная ячейка обычно на 100 мм шире анодной. Глубина ванны определяется высотой рабочей части анода и расстоянием от его нижней кромки до подины.

Толщина футеровки и тепловой изоляции определяется усло­ виями теплового баланса электролизера, в частности температу­ рой наружной стенки кожуха, которая должна быть не более 60—70° С. При этих условиях электролит, пропитывающий фу­ теровку, застывает в ней, не доходя до внутренней стенки кожуха.

4. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ

Баланс напряжения электролизера определяется равенством

= Va + VR+ y 9+ Уош +

Величины Ка, VK, V3 определим расчетным путем (рис. 43).

127

0,6-10-4 Ом-см.

Р нс . 43. К р а сч е ту м а гн и е в о го э л е ктр о л и зе р а

К— удельная электропроводность электролита,

Ом-1 -см-1;

k — коэффициент уменьшения электропровод­ ности электролита вследствие газонаполнения.

Подставляя в эту формулу значения ZX, = 0,41; DK = 0,50;

L = 7; К == 1,83; k = 0,993, находим

Va = КО ,4Ь 0,5-7 = 1,85 В.

1,830,93

128

расхода энергии на разложение MgCl2 и КС1 • MgCl2 надо вычесть величину q3— разность теплосодержаний хлора при 700—300° С:

Тогда расход энергии по первой статье расходной части баланса выразится формулой

Q p = « м е (<7i + <7а) — а х сх ( 4 — / х).

Я7оо = 5866 ккал/кг, Нт = 131 ккал/кг.

Средняя удельная теплоемкость хлора (в интервале 0—800° С)

составляет 0,1276 ккал/(кг-град), 4 = 720° С, 4 — 300° С. Со­ гласно материальному расчету, aMg = 36,43 кг/ч, ах = 105,84 кг/ч. Тогда

Qp = 36,43 (5866+ 331) — 105,84-0,1276 (700—300) = = 213491 ккал/ч.

130