9) Никель, хром и алюминий

Эти примеси загрязняют катодный магний, но влияние их на процесс электролиза незначительно, т.к. содержание их в примесях мало. Хлорид или фторид алюминия даже используют как добавки, улучшающие смачиваемость катода магнием.

Тема 1.4 Технология электролитического получения магния

§ 1 Конструкции электролизеров

Электролизер для электролиза магния представляет собой теплоизолированную емкость прямоугольной формы, заполненную расплавленным хлормагниевым электролитом. В электролит опущены электро­ды — угольно-графитовые аноды и стальные катоды. При электролизе на поверхности стального катода выделяется магний.

на поверхности анода - газообразный хлор.

Электроды гибкими пакетными токопроводами последовательно подсоединены к алю­миниевым шинопроводам — внешним коммуникациям, подводящим по­стоянный электрический ток. Общее напряжение постоянного тока на серии ванн равно сумме падений напряжения на каждой из ванн: Uсер = ∑_nU_ЭЛ,

где n- число электролизеров в серии; Uэл - падение напряжения на ванне.

Автотермичность работы ванны обеспе­чивается постоянно выделяющимся в объеме электролита джоулевым теплом: Q= I² * ρ * δ * τ,

где I — сила тока;

ρ — удельное электросопротив­ление электролита;

δ — межполюсное расстояние между поверхностя­ми катода и анода в электролите;

τ— время.

Выделяющийся на аноде хлор отводится в систему очистки и компремирования (сжатия) через хлорную магистраль, к которой электро­лизер герметично подсоединен хлоротводящими патрубками. Магний собирается на поверхности (исключение: литийсодержащие легкие электролиты, в которых магний скапливается в донной части ванны).

Промышленный магниевый электроли­зер состоит из кожуха и футеровки, образующих ванну; перекрытия; катодов; анодов и средств коммуникации с линией отвода хлора и токопроводящей магистралью. В магниевой промышленности применяются в зависимости от конструкции рабочей ячейки два типа электролизеров:

- диафрагменные.

- бездиафрагменные.

На эффективность работы электролизера большое влияние оказы­вает ряд технологических факторов: состав электролита, температура, размеры анодов и катодов, межэлектродное расстояние, плотность то­ка, взаимное размещение электродов и стенки, отделяющей сборную ячейку от электролизного объема.

Кожух представляет собой сварной стальной короб, снабженный ребрами жесткости. Толщина листа 10 мм. Размер и форма кожуха определяются его производительностью и конструкцией. Длина может достигать 7,5м, ширина 4.7 м , глубина 3,5 м. Кожух установлен на железобетонной раме на стойках со специальными электрическими изоляторами из фарфора. Срок службы кожуха 5-8 лет.

Футеровка ванны должна обеспечивать тепловую изоляцию электролита и быть коррозионностойкой по отношению к электролиту. Футеровка ванны выполняется многослойной:

1) слой (10 мм) - листовым асбестом проклеивают (на жидком стекле) внутреннюю поверхность ко­жуха;

2) теплоизоляционный слой (65-250 мм) из диатомитового кирпича;

3) огнеупорный слой (340 – 500 мм) из шамотного кирпича.

Для заделки швов при кладке кирпичей или плит применяют замазки на основе жидкого стекла с наполнителем из тонкого размолотого диабазового или полевого шпата - порошка с добавкой около 4 % кремнефтористого натрия.

Перекрытие ванны предназначено для ввода и крепле­ния катодов и анодов (в диафрагменном электролизере с верхним вводом анодов), а также для изоляции электролита и предотвращения выделения хлора в атмосферу цеха.

В диафрагменных электролизерах используются плиты из шамотобетона, закрепленные в чугунных рамах; цельнолитые коробчатые перекрытия из армированного шамотобетона с окнами для ввода анодов. На каждый анодный блок имеется своя коробка, каждая из коро­бок опирается на продольные стенки электролизера и на диафрагмы. Хлор отводится через отверстия в торцах коробок.

Бездиафрагменные электролизеры имеют единое анодное перекры­тие из армированного шамотобетона (электролизное отделение); сбор­ная ячейка перекрывается шамотобетонными плитами, имеет съем­ную крышку для отбора магния и заливки солей.

Катоды диафрагменных электролизеров состоят из плоского стального листа толщиной 8 - 10 мм, токоподводящей штанги с опорами, ребер жесткости и противовеса. Ширина катода не более 1,5 м. В верхней части катода имеются отверстия для прохода потока расплава с каплями магния в катодную ячейку. Катоды подвешены на заплечиках, опирающихся на уголки перекрытия, что позволяет регулировать межэлектродное расстояние путем передвижки катодов. Верхняя часть катода защищена замазкой из магнезита и жидкого стекла.

Катоды бездиафрагменных электролизеров расположены плоскопараллельно, пол­ностью погружены в электролит, скреплены со стороны тор­цовых частей, составляют единую катодную раму, горизонтально укреп­ленную в объеме ванны. Опорой рамы служат токоподводящие хвосто­вики катодов, заделанные в футеровке и выходящие из нее наружу кожуха. В отличие от катодов диафрагменных электролизеров катод-рама не подлежит замене в процессе эксплуатации. Ее заменяют лишь при капитальном ремонте ванны. Катоды изна­шиваются незначительно и после капитального ремонта ванны используются повторно.

Анод представляет собой плоское тело прямо­угольной формы. Анодные блоки собираются из стандартных графитовых брусьев сечением 340 * 200 мм, 340*150 мм требуемой длины. Графитовые брусья склеивают замазкой из графитового порошка на жидком калиевом стекле.

В современной магниевой промышленности получили распростра­нение три варианта ввода анодов: верхний, нижний и боковой.

При вводе сверху анодные блоки опускают в ванну электролизе­ра через окна в бетонном анодном перекрытии. Выступающая из анод­ного перекрытия верхняя часть анодного блока (анодная головка) имеет медную ошиновку, соединенную со стальной пластиной — токоподводом, а затем с магистральным шинопроводом. Для защиты от окисления часть анодных блоков покрывают раствором ортофосфорной кислоты. Преимущества электролизеров с верхним вводом анодов состоит в том, что на них можно заменять аноды "на ходу", они имеют более продолжительный срок службы футеровки. Но в электролизерах с верхним вводом анодов срок службы анодов в 2-3 раза меньше.

При нижнем вводе анодов они креп­ятся в подине. Нижняя часть каждого из блоков за­лита чугуном в башмак, один из концов которого выходит через боко­вую стенку ванны и присоединяется к шинопроводу. Во избежание коррозии чугунная заливка перекрыта слоем футе­ровки.

При боковом вводе аноды проходят через футеровку продольных стенок электролизера. Графитированные брусья скреплены чугунной заливкой, от которой выведены алюминиевые хвостовики для подвода тока от шинопровода. Аноды закреплены в футеровке, чугунная заливка защищена от электролита шамотной кладкой. Такой тип электролизеров практически не применяется из-за сложного обслуживания и быстрого выхода из строя.

а – продольный разрез ванны: 1 – кожух ванны; 2 – футеровка; 3 – анод; 4 – катодная рама; 5 – токоотводящие штанги; 6 – хлоротводящие каналы; 7 – перекрытие катодной ячейки;

б – поперечный разрез ванны: 1 – токоподвод к катодам; 2 – токоподвод к анодам; 3 – чугунный башмак для крепления анода; 4 – анодный блок

Рисунок 1.10 – Диафрагменный электролизер с нижним вводом анодов

1 – кожух; 2 – футеровка ванны; 3 – катод-рама ( в разрезе); 4 – анодный блок; 5 – хлоротводящий патрубок; 6,7 – анодное перекрытие; 8 – переточный канал; 9 – перекрытие сборной ячейки; 10 – средний уровень электролита

Рисунок 1.11 – Бездиафрагменный электролизер с верхним вводом анодов

Таблица 1.2 - Технологические характеристики диафрагмеиных электролизеров при разных вариантах ввода электродов

Показатель	Верхний	Нижний	Боковой
Рабочие размеры анода, мм: высота………………….. ширина …………………	900-950 2750-2000	1130 2300	900-1130 1600-1800
Число электродов: анодов ………. катодов ………	5-6 10-20	5-6 10	6 10
Сила тока, кА	85-120	75-85	63-75
МПР, см	5-9	9-10	9-10
Выход по току, %, при питании: оборотным MgCl2 карналлитом	83,5-86,0 75-77,5	78-80	75-80
Срок службы электролизера, мес	16-18	25-27	16-18
Удельная мощность электролизера (с 1 м2 подины), т магния в год	23-27	24	25-27

Отличительные особенности электролизеров

В кожухе диафрагменных электролизеров установлено 5 - 6 параллельно включенных электролитических ячеек, в которых верхняя часть анодного и катодного пространства разделена диафрагмой. Катод и анод частично, в верхней части электролита и газовом пространстве, разделены плотной керамической перегородкой - диафрагмой. Диафрагмы устанавливают в ванну для разделения продуктов электролиза, т.е. для отделения хлора от магния. Диафрагмы выполнены в виде плоской арки из нескольких шамотных плит толщиной не менее 90 мм. Нижняя часть диафрагмы погружена в электролит на 150-300 мм .

Современные диафрагменные электролизеры работают при силе тока 65-150 кА. Напряжение на шунтах электролизеров с верхним вводом анодов 5,7 - 6,4 В, на электролизерах с нижним вводом анодов 5,4-5,9 В.

Отличительная особенность конструкции бездиафрагменного электролизера в том, что она имеет несколько (1 - 3) рабочих ячеек и только 1 – 2 сборные ячейки для извлечения магния, шлама и загрузки сырья. Взаимное расположение электролитных отделений и сборных ячеек разнообразно, но интенсивно внедряются два типа компоновок:

1) одно­рядное размещение электродов при расположении сборной ячейки в одной из продольных стенок ванны,

2) четырехрядное размеще­ние электродов и расположение между этими рядами двух сборных ячеек.

а — с однорядным расположением электродов и сборной ячейкой, размещенной в продольной стенке электролизера; б, в — соответственно с двумя—четырьмя рядами электродов и двумя сборными ячейками; г — параллельное размещение электродов и сборных ячеек; 1 — катод-рама; 2 — анод; 3 — сборная ячейка

Рисунок 1.12 - Различные типы компоновки бездиафрагменных электролизеров:

Расположение сборной ячейки параллельно рабочим поверхностям электродов позволяет резко увеличить ширину анодов, сни­зить потери хлора и затраты электроэнергии, увеличить выход по току.

В бездиафрагменных электролизерах катоды и аноды чередуются в объеме электролита, размещены в едином герметизированном пространст­ве электролизера. В межэлектродном пространстве между катодом и анодом возникает направленная циркуляция газо­жидкостной смеси электролита, капель магния и пузырьков хлора. Этот поток выносит магниевые капли, постоянно укрупняющиеся по мере движения и все большего отъединения от пузырьков хлора в сборную ячейку, отделенную от электролизного отделения аппарата гидрозатвором, образуемым керамической арочной перегородкой или шторой, частично погруженной в расплав. Заливку сырья, удаление металла, отработанного электроли­та и шлама осуществляют через сборную ячейку.

Хлор отводится из газового объема этого отделения ванны, а металл интенсивным потоком электролита выносит­ся в сборную ячейку, отделенную от электролизного пространства жид­костным затвором. Затвор образован полупогруженной в расплав пере­городкой и имеющимися в ней каналами для преимущественного вы­ведений магния.

Создание бездиафрагменного электролизера позволило резко увеличить единичную мощность аппарата, снизить энергетические зат­раты и себестоимость процесса, изменить условия труда, возможность непрерывного и автоматизированного процесса.

Недостатки:

- более длительный пусковой период;

- трудности теплового регулирования;

- более неустойчивый технологический процесс;

- более продолжительный период ремонта

ВОПРОСЫ:

1. Какие типы электролизеров применяются в магниевой промышленности?

2. Что такое диафрагма и её назначение?

3. Преимущества и недостатки электролизеров с различным вводом анодов7