» » Конструкции магниевых электролизеров и технология электролиза
26.04.2015

Конструкции электролизеров

В первый период развития металлургии магния для промышленных целей стремились использовать бездиафрагменные электролизеры. Это объяснялось тем, что отсутствие диафрагмы между электродами значительно упрощало конструкцию электролизера и позволяло сколь угодно близко располагать катоды от анодов Однако, несмотря на указанные преимущества бездиафрагменных электролизеров, значительного применения в промышленности они пока не получили, так как на них не удалось достигнуть приемлемых выходов по току и обеспечить удов летворительный отсос выделяющихся газов
К началу 30-х годов бездиафрагменные электротизеры были в большинстве случаев вытеснены из промышленности электролизерами диафрагменного типа (рис. 42).
Отвод тока от катодного листа изогнутой штангой (рис. 43) или наварка коробки к прямой штанге (рис. 42) позволили совместить в одном электролизере преимущества бездиафрагменных и диафрагменных электролизеров. Изогнутая штанга или приваренная коробка позволили приблизить катод к аноду на близкое расстояние и таким образом достигнуть низкого напряжения на электролизере. Штора (диафрагма), опущенная сверху в электролит между анодом и катодом, позволила осуществить достаточно полное разделение продуктов электролиза.
Электролизер с верхним вводом анодов, приведенный на рис. 42 состоит из четырех электрически параллельно соединенных между собой ячеек Число ячеек может быть увеличено.
Конструкции магниевых электролизеров и технология электролиза

Каждая ячейка состоит из одного графитированного анода и двух стальных катодов Анод вводится в электролизер через колпак, в котором собираются выделяющиеся на аноде газы. Продольные стенки колпака соединены со шторами (диафрагмами), отделяющими анодное пространство от катодного. Колпак изготовляется из шамотобетона.
Все узлы электролизера помещены в железном кожухе, футерованном изнутри шамотом
Газы из анодных и катодных пространств через систему газоходов отсасываются из каждого электролизера и удаляются из цеха. В таких электролизерах благодаря особенностям их конструкции удается повысить выход по току до 85—90% при удельном расходе электроэнергии постоянного тока 14,0—15,0 квт*ч/кг магния. Замкнутое и хорошо уплотненное анодное пространство обеспечивает высокую концентрацию хлора в газе, отсасываемом из анодного пространства.
Наряду с электролизерами с верхним выводом анодов имеются электролизеры с анодами, введенными через футеровку сбоку.
Вид одного из таких электролизеров приведен на рис. 43 и 44. Недостаток электролизеров с боковым вводом анодов заключается в том, что для смены анодов необходимо менять всю футеровку продольных стенок электролизера. Второй серьезный недостаток электролизеров с боковым вводом анодов заключается в том, что такая конструкция не исключает возможности проникновения расплавленного электролита к чугунному контакту анода и его анодного растворения. Смена анодов в электролизерах с верхним вводом может быть осуществлена без отключения электролизера. Однако срок службы анодов, введенных в электролизер сверху, примерно в два раза меньше, чем анодов, введенных сбоку. Кроме того, при одинаковой плотности тока в электролите на электролизерах с боковым вводом анодов напряжение ниже, чем на электролизерах с верхним вводом анодов, примерно на 0,4 в.
Очень существенное значение имеет мощность электролизера и его производительность. Рядом исследований, а также многолетней промышленной практикой доказаны преимущества более мощных электролизеров.
За последние 10 лет наблюдалась общая тенденция к увеличению мощности электролизеров и в настоящее время созданы электролизеры на силу тока 80—120 тыс. а.
Конструкции магниевых электролизеров и технология электролиза

Tехнология электролиза

Технология электролиза, так же как и конструкция электролизера, определяет технико-экономические показатели процесса. Самая совершенная конструкция электролизера сама по себе не гарантирует получения высоких показателей при электролизе. Только сочетание рациональной конструкции электролизера с хорошо продуманной и строго соблюдаемой технологией может обеспечить получение положительных результатов.
После окончания монтажа или капитального ремонта электролизера он просушивается электрическими нагревателями. Сушка ведется на протяжении шести — семи суток с постепенным подъемом температуры в электролизере до 350—450°. В том случае, когда электролизер работает на хлористом магнии, при пуске в него загружают (в зависимости от мощности и размеров) от 1500 до 3000 кг хлористого натрия. Если для питания электролизера применяется карналлит, то при пуске в него заливают примерно такое же количество отработанного электролита из соседнего электролизера. С помощью железных электродов, которые присоединяются к трансформатору, соль или отработанный электролит нагревают до температуры 680—700°.
Электролит прогревается в течение двух суток. По истечении указанного срока электролизер доливают расплавом до нормального уровня с тем, чтобы диафрагмы погружались в электролит на 20—25 см, и включают его в сеть постоянного тока.
Технологический режим электролиза в значительной мере определяется составом применяемого сырья и существенно различается в зависимости от того, применяется ли для питания электролиза хлористый магний или карналлит.
Электролиз хлористого магния. Содержание компонентов в электролите устанавливается с учетом состава продукта, получаемого из печей для хлорирования.
В техническом безводном хлористом магнии содержание MgCl2 колеблется от 80 до 95%. Кроме того, этот продукт содержит некоторое количество хлоридов щелочных металлов и хлористого кальция.
При выборе состава электролита следует учитывать скорость накопления в электролите солей, не подвергающихся разложению, и изменение в связи с этим уровня электролита
Концентрация MgCl2 в электролите в период между загрузками сырья не должна опускаться ниже 6%. Концентрация MgCl2 в электролите перед его удалением может быть снижена до 5—6%.
Расплавленный хлористый магний заливают, как правило, три раза в сутки. Два раза в сутки производят стандартную заливку во все электролизеры независимо от состава электролита. Третья заливка является корректировочной, и ее размер определяется по анализу электролита на содержание хлористого магния.
Хлориды щелочных металлов и хлористый кальций накапливаются б электролите, поэтому периодически приходится удалять часть электролита и заливать хлористый магний.
Если электролит содержит значительные количества CaCl2, необходимо стремиться к максимальному содержанию NaCl в электролите. Последний повышает электропроводность электролита и способствует улучшению выхода по току. При работе с электролитом, содержащим значительные количества NaCl и CaCl2, следует поддерживать его температуру равной 680—690°.
В последние годы для электролиза применяют в значительных количествах безводный хлористый магний, получающийся при восстановлении четыреххлористого титана магнием. Содержание примесей в этом хлористом магнии не превышает нескольких десятых долей процента. Поэтому требуются добавки солей для поддержания установленного состава электролита.
При электролизе хлористого магния можно достигнуть выхода по току 85—90% при удельном расходе электроэнергии 14—15 квт*ч/кг постоянного ток.
Электролиз карналлита. Технологический режим электролиза карналлита существенно отличается от режима электролиза чистого хлористого магния.
Конструкции магниевых электролизеров и технология электролиза

В табл. 14 приведен состав расплавленного карналлита, а также отработанного электролита и штама, получающихся при электролизе карналлита. С карналлитом в электролизер поступает большое количество солей калия и натрия. Накопление этих солей в электролите происходит очень быстро, благодаря чему уровень расплава в электролизере возрастает и при добавке свежего карналлита приходится удалять из него часть отработанного электролита. В зависимости от конструкции электролизера, его мощности и состава применяемого карналлита отработанный электролит удаляют через каждые 8—12 час.
Чтобы уменьшить удельный расход карналлита, стремятся доводить концентрацию MgCl2 в отработанном электролите до минимума (4—6%).
Исследованиями, проведенными А.И. Журиным, а также за водской практикой установлено, что содержание MgCl2 в электролите не должно опускаться ниже 4—6%. Если содержание MgCl2 оказывается ниже, на катоде начинают выделяться щелочные металлы, процесс электролиза резко нарушается и выход по току снижается. В связи с этим рекомендуется вести режим питания электролизера и удаления отработанного электролита так, чтобы концентрация MgCl2 от заливки до заливки изменялась от 12—14 до 4—6%.
При электролизе карналлита очень важно поддерживать постоянный температурный режим.
Заметная разница в удельных весах магния и электролита получается только при температурах выше 700°. Исходя из этого следует рекомендовать поддерживать температуру электролита при электролизе карналлита в пределах 700—720°. При этой температуре и прочих равных условиях выход по току выше.
На 1 т металла расходуется около 9 т расплавленного искусственного карналлита. При этом получается около 5 т отработанного электролита и 0,1—0,2 т шлама.
При электролизе карналлита выход по току достигает 80—83%, а удельный расход электроэнергии 15—16 квт*ч/кг постоянного тока.
Кроме двух рассмотренных нами схем электролиза — хлормагниевой и карналлитовой, на практике иногда применяют смешанную схему. Необходимость применения этой схемы возникает в том случае, если восполнение потерь хлора в технологической схеме магниевого завода производится за счет электролиза карналлита, добавляемого в электролизеры.
Количество добавляемого карналлита зависит от величины потерь хлора в производственном процессе.
В тех случаях, когда приняты две сырьевые ветки, более рационально часть электролизеров питать только хлористым магнием, а остальные — карналлитом; смешанное питание менее рационально.
Показатели процесса электролизера в определенных условиях при смешанной схеме несколько выше, чем при карналлитовой, но ниже, чем при хлормагниевой.
Извлечение металла производится один раз в сутки вакуум-ковшами.