Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнологические процессы электроэнергетики. В 2 частях. Ч. 2. Электротехнологические установки. Учебное пособие.pdf
51
рической, а действительной поверхностью электрода; она зависит
от пористости и рельефа поверхности (наличия выпуклостей и
впадин).
Очевидно, чем больше развита поверхность электрода, тем меньше истинная плотность тока и она сильнее отличается от расчётной.
3.3.1. Установки электролиза расплавленных солей
Электролиз расплавленных солей является одной из наиболее
энергоемких отраслей прикладной электрохимии. Электроположи-
тельные металлы или такие электроотрицательные металлы, на которых перенапряжение для выделения водорода в условиях электролиза
очень велико (цинк и марганец), могут быть получены электролизом
водных растворов. Такие же электроотрицательные металлы, как
щелочные, щёлочноземельные, алюминий и магний нельзя получить
электролизом водных растворов. Их получают электролизом расплав-
ленных солей. Электролизом расплавленных солей получают, как правило, и такие тугоплавкие металлы, как бериллий, цирконий, торий,
ниобий и редкоземельные металлы.
Электролиз расплавленных солей сопровождается специфиче-
скими явлениями, вызванными высокой температурой, взаимодействием между расплавленным электролитом и продуктами электролиза
и воздухом, что осложняет процесс.
При электролизе расплавленных солей температура должна поддерживаться неизменной. Слишком высокая температура повышает
растворимость выделившегося металла в электролите, скорость диффузии от катода к аноду и взаимодействие катодных и анодных про-
дуктов, интенсивность испарения металла. Это значительно уменьшает
52
выход по току. Поэтому желательно поддерживать наиболее низкую
температуру электролиза, но выше температуры плавления выделяе-
мого металла (кроме случаев получения тугоплавких металлов), чтобы
его можно было легко удалить из электролизера. Должна быть учтена
возможность застывания электролита, так как это нарушает процесс.
Вследствие высокой температуры плавления индивидуальные
соли, как правило, электролизу не подвергаются. Поэтому используют
смеси солей. Кроме того, в смеси солей растворимость металла меньше, чем в индивидуальных расплавленных солях.
Чтобы выбрать температуру и состав электролита, необходимо
знать диаграммы плавкости солевых систем, в которые входит основная соль, подвергающаяся электролизу, и другие физико-химические
свойства расплавленных солей, такие как электропроводность, плотность, вязкость, поверхностное натяжение.
В электролит необходимо вводить такие соли, которые не только
понижали бы температуру плавления электролита и его вязкость,
но и повышали электропроводность. Однако в качестве добавок соли
с более электроположительными катионами, чем основная, не применяют, так как будет идти процесс разложения добавки, а не основной
соли. Плотность расплава электролита выбирают в зависимости
от того, где собирают выделяемый металл – на поверхности или на дне
электролизера.
Так как электролиз идет при высоких температурах, то поддерживать необходимую температуру электролита можно либо внешним
подогревом электролизера, либо за счёт джоулева тепла. Подвод тепла
извне при высоких температурах сложен и громоздок. Поэтому во всех
промышленных электролизерах тепловой режим поддерживается
током. Таким образом, электрическая энергия, подводимая к электро-
53
лизеру, расходуется на электрохимическое разложение и на нагрев
электролита; энергия на нагрев тем больше, чем выше напряжение
на ванне.
При получении продуктов электролизом расплавленных солей
расход электроэнергии является существенной составляющей их себестоимости. Для снижения расхода электроэнергии выявляют основные
источники электрических и тепловых потерь электролизера, используя
баланс напряжения на электролизере и тепловой его баланс, и принимают меры к уменьшению потерь.
,
21р
ка
rrII
S
lI
UU
r
(3.20)
где
р
U
– напряжение разложения; I – сила тока; – удельное сопро-
тивление электричества; l – расстояние между электродами, см;
ка
SSS
– площадь электродов;
ка
r
– сопротивление анода и
катода;
1
r
– сопротивление анодных и катодных контактов;
2
r
–
сопротивление шинопровода.
В тепло переходит энергия, пропорциональная разности напря-
жения электролиза и напряжения по Томпсону
.TU
С учётом выхода по току
B
из (3.18) тепловой поток можно
определить по формуле
.lBUU
T
(3.21)
Подбирая плотность тока и расстояние между электродами, получают величину теплового потока с учётом компенсации тепловых потерь электролизера; для уменьшения тепловых потерь электролизер
выполняют с хорошей тепловой изоляцией.
54
Выбор межэлектродного расстояния и плотности тока связан
также с рациональным решением основных технологических показателей процесса электролиза: выхода по току и расхода энергии. Выбор
этих параметров характеризует конструкцию и габариты электролизера.
3.3.2. УСТАНОВКИ ГИДРОЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ
Некоторые металлы извлекают из руд в основном способами
пирометаллургии, и только конечная стадия – получение чистого
металла – осуществляется электролитическим рафинированием, которое предусматривает анодное растворение загрязнённого примесями
металла и катодное осаждение его в том же электролизере в более чистом виде. При этом товарными являются чистые металлы, получаемые как в результате пирометаллургической переработки (металлы
пониженной чистоты), так и рафинированные (чистые).
Другие металлы после извлечения их из руд различными растворителями (в том числе и отработавшими электролитами) и очистки
растворов выделяются в чистом виде на катоде в электролизерах
с нерастворимыми анодами. Этот способ для краткости называют
электроэкстракцией.
Гидрометаллургические методы по сравнению с пирометаллургическими позволяют более полно перерабатывать бедные и полиметаллические руды с раздельным получением всех полезных компонентов,
а основного – в виде продукта высокой чистоты. Так, цинковые заводы
одновременно с цинком выпускают кадмий, свинец, соли или концентраты меди и кобальта, некоторые редкие металлы и концентраты,
а также серную кислоту; медерафинировочные заводы – медь и шламы, содержащие благородные металлы.
55
Конструкции электролизеров с твёрдыми катодами для электролиза
водных растворов одинаковы независимо от получаемого металла.
Корпус ванны может быть из дерева, железобетона, стали, пластмасс. Его покрывают каменноугольной смолой для защиты от разрушающего действия электролита. Внутри ванну выкладывают свинцом,
сплавом свинца с сурьмой, резиной, листовым винипластом. Иногда
применяют многослойную футеровку, изоляцию асфальтом, керамической плиткой и другими коррозионно-стойкими материалами. Наиболее распространены железобетонные ванны.
В диафрагменные ящики вставляются электроды одного знака –
катоды или аноды. Диафрагма защищает катодное пространство
от доступа в него из анодного пространства вредных примесей, кислот,
ионов высокой валентности, взвешенных частиц и т.д. В настоящее
время в электролизерах распространено параллельное включение электродов с поперечным расположением их в ванне. Продольное расположение электродов целесообразно при осаждении металла на движущиеся катоды (ленты, барабаны и пр.). Электроды обычно опираются
на борта электролизеров, на которых расположены токоподводящие
шины или изоляторы.
Катоды, применяемые в гидроэлектрометаллургии, можно разделить на катоды-матрицы, с которых снимается слой металла определённой толщины, и катоды-основы, которые вместе с наращиваемым
металлом поступают на переплавку или прямо к потребителю.
Для уменьшения потерь энергии, расхода меди на ошиновку и
увеличения силы тока в цепи при электролизе водных растворов ванны
предварительно объединяют в блоки по 5 – 20 штук в каждом, затем
блоки – в серии, которые включают последовательно в цепь тока.
При электролизе в электролите из расплавленных солей сила тока,
56
протекающего через ванну, более 100 кА, поэтому ванны включают
в серии последовательно без предварительного объединения в блоки.
Серии ванн получают постоянный ток от выпрямительных агрегатов
преобразовательной подстанции.
Соединение блоков или отдельных ванн в серию и соединение серий с преобразовательной подстанцией производятся шинопроводами,
состоящими из прямоугольных алюминиевых шин, собранных в пакеты. Если алюминий непригоден вследствие низкой антикоррозионной
стойкости, то применяют медь. При допустимых плотностях тока требуется сечение шинопровода, доходящее до 10 дм2 и более. Шинопроводы такого большого сечения собирают из пакетов прямоугольных
шин, оставляя между шинами зазоры, равные толщине шин. Для того
чтобы шинопровод при нагревании мог расширяться, на его прямолинейных участках через 20…25 м устанавливают темпертурные компенсаторы из гибких тонких шин. Сечение компенсаторов равно сечению шинопровода.
Шинопроводы для подвода тока к электродам электролизных
ванн (ошиновка ванн) должны обеспечить равномерное растекание
тока по всей поверхности анода и катода. Кроме того, ошиновка ванн
должна позволять быстро отключать ванну для ремонта без нарушения
работы серии (неисправную ванну шунтируют переносным короткозамыкателем).
Ошиновка мощной электролизной ванны, применяемой для получения алюминия, делится па катодную и анодную. Катодная ошиновка
состоит из двух пакетов алюминиевых шин, смонтированных слева и
справа от ванны на бетонных столбиках, изолированных от земли диабазовыми плитками. От пакета шин к отдельным катодным стальным
стержням подведены гибкие медные пакеты шин. Анодная ошиновка
57
состоит из пакетов алюминиевых шин, смонтированных слева, справа
и спереди на конструкции ванны. От пакета шин отходят гибкие медные пакеты, которые через анодные шинки подключены к контактным
головкам стальных штырей, забитых в угольный анод.
Для уменьшения падения напряжения в ошиновке применяют
сварные контактные соединения. Исключение составляют те места
шинопровода, где по условиям технологии производства нужен легко
разбираемый контакт.
Электрометаллургическое производство предъявляет к преобразовательным установкам следующие требования.
1. Высокая точность регулирования силы тока. Колебания силы
тока в серии не должны превышать 1% установленного значения при
электролизе алюминия, 2% – при электролизе других расплавов
и растворов.
2. Плавное регулирование напряжения. Это вызывается необходимостью точной стабилизации силы тока серии с большой противоЭДС.
Допустимый диапазон колебаний напряжения на серии, %, опре-
деляют по формуле
,
100
1
d
dd
E
IU
(3.22)
где
d
I
– точность регулирования выпрямленного тока (точность ста-
билизации), %;
d
E
– противо-ЭДС серии электролизных ванн, %.
При электролизе никеля
%,7,15,1 dU
%2515dE
но-
минального напряжения. При электролизе алюминия
%,7,0dU %.30dE
Для серии, состоящей из 82 ванн, колебания напряжения
должны быть ±3 В; для серии из 164 ванн – ±6 В.
58
В нормальном режиме напряжение на зажимах ванны в зависимости от получаемого металла обычно составляет примерно 3…7 В,
а на зажимах серии 230…850 В, причём допустимое отклонение
от номинального не должно быть более ±(2…3)%. Кроме того, при
оперативных включениях и отключениях серии или отдельного агрегата возникают перегрузки выпрямителей и толчки нагрузки в питающей
сети. Для компенсации их может требоваться глубокое снижение
напряжения, а в пусковой период – регулирование напряжения и
широких пределах.
3. Надёжность, соответствующая требованиям потребителя пер-
вой категории.
4. Многофазная система выпрямления тока.
Выпускаемые серийно агрегаты на выпрямленное напряжение
75…150 В выполнены по схеме две обратные звезды с уравнительным
реактором, имеют 6-импульсный режим выпрямления, за исключением
агрегатов на ток 25 000 А и напряжение 150 В, имеющих
12-импульсный режим выпрямления.
В состав агрегата входят масляный выключатель, разъединители
переменного и постоянного тока, дроссели насыщения (поставляются
по количеству вентильных блоков), уравнивающие дроссели (в зависимости от мощности один или два), панели защиты от перенапряжений (1 – 4 шт.). К каждому агрегату поставляется щит управления,
шкаф автоматического включения резерва (АВР), панель с предохранителями, панель стабилизации тока и диспетчерский пульт. С диспетчерского пульта можно отключать агрегаты, переключать ступени
РПН трансформатора, регулировать ток уставки каждого из параллельно работающих агрегатов и суммарный выпрямленный ток установки.
59
Регулирование напряжения происходит в результате комбинированного действия двух устройств: переключателя ступеней трансформатора (грубая регулировка) и дросселей насыщения (тонкая регулировка).
Агрегаты оборудованы однотипными системами автоматического
регулирования тока (АРТ). Система АРТ состоит из датчика тока, контролирующего силу тока нагрузки; стабилизатора напряжения для
получения задающего напряжения; узла сравнения силы тока нагрузки
с заданным её значением; магнитных усилителей для усиления сигнала
рассогласования; согласующего трансформатора и выпрямителя, преобразующих сигнал на управление силовыми дросселями насыщения;
релейного выходного устройства РВ для управления переключателем
ступеней РПН трансформатора.
При работе системы на стабилизаторе задаётся требуемая сила
тока нагрузки агрегата. Действительная величина нагрузки, получаемая от датчика, сравнивается с заданной величиной. Разность их
сигналов усиливается и подаётся на дроссели насыщения и релейное
выходное устройство, которое при превышении сигналом определённого значения переключает под нагрузкой ответвления трансформатора.
Система АРТ является статической, т.е. поддерживает заданную величину с точностью, зависящей от коэффициента усиления системы; при
этом заданная сила тока в серии ванн поддерживается с точностью ±1%.
Преобразовательный агрегат является источником несинусоидального тока. Поэтому коэффициент мощности х определяется
в зависимости от коэффициента сдвига cos между основными гармониками тока и напряжения нагрузки на первичной стороне силового
трансформатора и от коэффициента искажения
H
k
формы первичного
тока высшими гармониками
60
.cosHkx
(3.23)
Для преобразователей с плавным регулированием напряжения
дросселями насыщения cos = 0,90…0,95. Дроссели насыщения существенно снижают коэффициент мощности. В основном они влияют
на коэффициент искажения
H
k
формы тока. Идеальное значение
H
k
для шестифазного выпрямителя 0,955, для двенадцатифазного 0,988.
В реальных условиях
H
k
снижается, и при полностью введенных
дросселях насыщения коэффициент мощности преобразователя
х = 0,81…0,88, а при выведенных дросселях х = 0,92…0,94.
КПД преобразователей зависит от суммарной мощности потерь:
,
PP
P
d
d
(3.24)
где
d
P
– мощность на выходе преобразовательного агрегата; P –
суммарная мощность всех потерь энергии.
Большинство электролизных установок относятся к потребителям
первой категории, поэтому все элементы питающих и преобразовательных подстанций выбирают с необходимым резервом. Если мощность одного агрегата достаточна для питания серии и агрегатов
не более трёх-четырёх, то на преобразовательной подстанции применяют одну секционированную систему сборных шин.
3.3.3. Электролизные установки гальванотехники
Нанесение металлопокрытий на поверхности изделий с помощью
электролиза называется гальванотехникой. Она делится на гальваностегию и гальванопластику.