Рис. 96. Схема вакуум-ковша для извлечения магния: 1— тигель; 2 — нагреватель; 3 — запорный клапан; 4 — всасывающая труба; 5 —уровень металла.
График заливки расплавов в электролизер зависит от предельных концентраций MgCl2 в электролите и состава сырья. При питании ванны возвратным хлоридом магния титанового производства заливку осуществляют четыре раза в сутки равными порциями. Для поддержания необходимого уровня и заданного состава электролита в электролизер иногда после удаления шлама добавляют расплавленный карналлит или твердую соль NaCl. В электролизерах, работающих на карналлите, быстро накапливаются соли NaCl и КCl, часть которых в виде отработанного электролита приходится удалять. Карналлитовый расплав, как правило, заливают в электролизер 3—4 раза в сутки.
В некоторых случаях питание электролизеров может производиться по смешанной схеме, где основная загрузка— карналлит, а корректирующая — MgCl2. Основную загрузку осуществляют 2—3 раза в сутки после удаления из ванны отработанного электролита. Количество корректирующей загрузки определяют на основании минимально допустимого содержания хлорида магния в электролите к моменту удаления из электролизера отработанного электролита. При этом в расчет берут начальную концентрацию MgCl2 в электролите и в поступающем сырье, время до следующего удаления отработанного электролита и скорость разложения MgCl2 при электролизе. В диафрагменные электролизеры заливают расплавленный электролит поочередно во все катодные ячейки, в бездиафрагменных — почти по всей длине сборной ячейки. Этим достигается равномерный износ анодных блоков во всем электролизере. Заливка расплавленного сырья в одну ячейку, как было замечено, приводит к более быстрому разрушению анода в данной ячейке. Иногда после удаления магния в среднюю часть сборной ячейки бездиафрагменных электролизеров хлорид магния или карналлит загружают в твердом состоянии.
В процессе электролиза наряду с сырьем в электролит вводят добавки мелко размолотого фторида кальция (CaF2) или натрия (NaF). В электролизеры, работающие на возвратном MgCl2, фториды загружают только при плохом слиянии капель магния и когда концентрация фтор-иона в расплаве станет ниже 0,2%.
При питании ванны карналлитом на 1 т получаемого магния в среднем расходуется до 30 кг CaF2, а при питании хлоридом магния — до 10 кг.
Магний из электролизеров извлекают вакуум-ковшом (рис. 96) через равные промежутки времени 2—3 раза в сутки следующим образом. В предварительно разогретом и подключенном к вакуумной линии ковше создают разрежение порядка 70÷80 кПа. Затем в сборную ячейку беэдиафрагменного или в катодную ячейку, диафрагменного электролизера опускают всасывающую трубу ковша, открывают запорный клапан, и жидкий магний с некоторым количеством электролита засасывается в ковш; после чего клапан закрывают. Эту операцию проводят на всех катодных ячейках диафрагменного электролизера. Захваченный электролит отделяют от магния отстаиванием и возвращают в электролизер, а магний в ковше транспортируют в литейный цех. В случае, когда в электролизере накопилось много магния, не рекомендуется до извлечения его производить другие операции (загрузку сырья, извлечение шлама и т. д.), так как при этом нарушается защитная электролитная пленка на магнии, и он может загореться.
В процессе электролиза на подину ванны постоянно осаждается шлам, состоящий в основном из оксида магния, оксидов железа, кремния, алюминия, захваченных примесями корольков магния и нерастворившихся частиц различных солей. Накопление на подине шлама выше определенного уровня нежелательно, так как это приводит к нарушению нормального хода процесса электролиза. Скопившийся Шлам может вызвать короткое замыкание между электродами и, как следствие, сильный местный перегрев электролита и электродов. При большом количестве шлама вследствие циркуляции электролита возможно «зашламление» рабочего пространства катода, отчего, как было сказано выше, резко снижается выход по току. Поэтому своевременное тщательное удаление шлама с подины электролизера является важным условием его нормальной работы.
Рис. 97. Устройство для извлечения из магниевых электролизеров шлама с электролитом в вакуум-ковш: 1— внешняя труба; 2 — штурвал; 3 — внутренняя всасывающая труба; 4 — коническое сопряжение внешней и внутренней труб; 5 — горизонтальная поворачиваемая труба (заборная) для всасывания шлама с электролитом; 6 — направляющие поверхности; 7 — уровень электролита
Шлам удаляют из ванны после выливки магния и до заливки новых порций сырья с помощью вакуум-ковша или центробежным насосом со специальным заборным устройством (рис. 97). Заборное устройство пропускают через катодную ячейку диафрагменного электролизера или опускают в сборную ячейку бездиафрагменного электролизера и погружают в шлам. Создав в вакуум-ковше разрежение и поворачивая штурвалом заборное устройство вокруг вертикальной оси, засасывают по центральной трубе шлам с электролитом в тигель вакуумного ковша. Однако данным устройством не удается извлечь весь шлам с подины ванны, поэтому приходится часть шлама выгребать черпаками вручную. Смесь шлама с электролитом сливают в короб и после отстаивания осветленный электролит возвращают в электролизер; твердую часть шлама после остывания направляют в отвал.
Отработанный электролит удаляют из ванн, работающих на карналлите, не реже двух-трех раз в сутки перед основной загрузкой сырья. Удаление электролита осуществляют либо подвесным центробежным насосом, либо вакуум-ковшом. Отработанный электролит сливают в открытые короба, расположенные вблизи электролизеров. Застывший электролит, имеющий средний состав: 72—76% КО, 14—16% NaO и 4—6% MgCl2, вывозят из цеха на участок измельчения. Отработанный электролит реализуется в качестве кондиционного калийного удобрения. Согласно техническим условиям, этот материал должен содержать не менее 72% КCl и быть измельченным до 1—3 мм.
При обслуживании магниевых электролизеров требуется точное соблюдение заданных параметров технологического процесса. Необходимо контролировать состав электролита и особенно концентрацию MgCl2 в нем, уровень и температуру электролита, силу тока.и напряжение на ванне. Пробы электролита на содержание в нем MgCl2 анализируют 3—4 раза в сутки, состав электролита, шлама и возгонов — один раз в 10—15 сут.
За температурой электролита, напряжением на ванне, силой тока в серии и разрежением в трубопроводах газового отсоса следит .система автоматического контроля. Исходные данные от различных датчиков, измеряющих основные параметры технологического режима электролиза, передаются через радиальную кабельную связь на самопишущие регистрирующие приборы, установленные в центральном пункте управления. По показаниям приборов можно определить отклонение параметров от заданных пределов, а также зафиксировать нарушение междуполюсного расстояния, появление коротких замыканий, обеднение электролита хлоридом магния и выход из строя катодов и анодов. Следовательно, оператор может своевременно сообщить электролизникам о нарушениях технологического процесса электролиза.
Системы автоматического централизованного контроля делают возможным поддержание в более узких заданных пределах параметров технологического режима, благодаря чему обеспечивается снижение расхода электрической энергии и повышение выхода по току. Особое значение системы автоматического контроля и регулирования приобретают при эксплуатации бездиафрагменных электролизеров, которые характеризуются более неустойчивым технологическим режимом электролиза, так как они более чувствительны к ухудшению качества сырья, к изменению уровня электролита и особенно — к колебаниям температуры, легче выходят из теплового равновесия. В этих условиях использование автоматических систем контроля и регулирования обеспечивает стабилизацию всех технологических параметров в установленном интервале, улучшает технико-экономические показатели работы бездиафрагменных электролизеров и условия труда в цехе, повышает производительность труда и культуру производства.
Важнейшими условиями длительной и нормальной работы электролизера являются: хороший монтаж электролизера и правильный его пуск, а также непрерывность-процесса электролиза. Отрицательно сказываются на технико-экономических показателях работы электролизера ограничения или отключения постоянного тока, недостаток сырья и его низкое качество и несоблюдение-технологического режима электролиза. Однако своевременно принятые меры позволяют устранить временные нарушения нормального хода электролиза магния.
Одной из причин понижения температуры электролита может быть или недостаточная сила тока, или длительное его отключение, или плохая герметизация электролизера сверху. При понижении температуры электролита повышают напряжение на ванне, плотно укрывают верх электролизера и уменьшают величину сантехнического отсоса.
При понижении температуры электролита ниже точки плавления магния (650°С) на катоде магний начинает выделяться в виде губки, которая вызывает короткие замыкания между электродами и замедление скорости циркуляции электролита. Для ликвидации подобного нарушения электролиза надо быстро поднять температуру электролита, поэтому прибегают к следующим мерам. В бездиафрагменных электролизерах отключают несколько анодов и резко снижают мощность сантехнического отсоса. Для усиления циркуляции электролита в междуполюсное пространство вводят деревянные шесты.
Понижение температуры электролита может привести также к образованию настылей в углах и на подине электролизера. Этому способствует также пониженное содержание MgCl2 в расплаве. Образование настылей затрудняет циркуляцию электролита. Настыли устраняют, повышая температуру расплава и увеличивая в нем концентрацию хлорида магния. Нерастворившиеся настыли тщательно вычищают скребками.
Повышение температуры электролита выше оптимальной может происходить из-за увеличения междуполюсного расстояния, например, при срабатывании анодов, при недостаточном отсосе газов (засорились возгонами газовые магистрали) и при снижении по тем
или иным причинам выхода магния по току. Суммарное увеличение падения напряжения в электролите и в анодах длительно работающего электролизера 0,5÷0,7 В; при этом выделяется добавочная греющая энергия. Для снижения температуры расплава в первую очередь стараются повысить выход по току и одновременно увеличивают объем отсасываемых газов из катодных или сборных ячеек. Когда повышение температуры электролита произошло из-за износа анодов и нет возможности сблизить межэлектродное расстояние, как например, у бездиафрагменных электролизеров, рекомендуется, кроме увеличения мощности сантехнического отсоса, в электролизер загружать сырье частично или полностью в твердом виде. Шунтирование электролизера для снижения температуры электролита допускается только в исключительных случаях.
При загрузке в электролизер сырья, содержащего повышенное количество влаги, и сернокислых солей, наблюдается интенсивное «кипение» электролита. Для устранения этого явления надо прекратить подачу в электролизер недоброкачественного сырья.
Горение магния на поверхности электролита наблюдается в тех случаях, когда из-за отклонения состава электролита от нормы магний плохо смачивается защитной пленкой расплава; при выделении натрия, способствующего возгоранию, и при малом разрежении в сантехническом отсосе газов.
При возгорании магния следует восстановить нормальный состав электролита и повысить концентрацию MgCl2 до максимального предела, а плавающий горящий магний засыпать сухим молотым карналлитом.
Иногда поверхность катодов пассивируется и магний на ней выделяется в виде мелких шариков (икры), которые плохо сливаются в крупные капли. Это явление сопровождается резким снижением выхода по току.
Причинами пассивации катодов могут быть плохое сырье и нарушение циркуляции электролита. Для устранения пассивации катодов на практике пользуются следующими приемами: добавляют в электролит внеочередную порцию CaF2 или NaF, восстанавливают нормальную циркуляцию электролита. Если эти меры не помогают, то приходится извлекать «запассивированные» катоды (в диафрагменных электролизерах) и вместо них
устанавливать новые. В крайних случаях временно отключают электролизер, полностью удаляют электролит и шлам, заменяют катоды и заливают электролит из хорошо работающей ванны.
Увеличение масштабов производства магния заставляет искать новые пути в усовершенствовании электролиза. Поиск ведут по следующим основным направлениям: разработка новых, более производительных электролизеров и снижение трудовых затрат на их обслуживание; подбор оптимального состава электролита, создание схем автоматического контроля и регулирования технологического процесса.
Производительность диафрагменных электролизеров увеличивали в основном за счет повышения силы тока, но при этом увеличивались и размеры электролизера, так как плотность тока и расстояние между электродами приходилось сохранять в допустимых пределах.
Обычно серия состоит из 70—100 ванн, включенных в электрическую цепь последовательно. На каждом электролизере все операции его обслуживания производятся отдельно: ежесуточно на одном только диафрагменном электролизере нужно произвести три—пять заливок сырья равномерно по всем ячейкам, один—два раза выбрать металл из ячеек, удалить отработанный электролит и шлам. Таким образом, на одной только серии в течение суток должно быть выполнено сотни операций обслуживания. Естественно, что такая технология характеризуется значительными затратами труда, не дает возможности создать комплексную механизацию обслуживания ванн, не обеспечивает нормальных санитарно-гигиенических условий труда в цехе и не способствует снижению себестоимости получаемого металла. Возможности дальнейшего улучшения показателей работы диафрагменных электролизеров уже почти полностью исчерпаны.
С внедрением в производство магния бездиафрагменных электролизеров значительно улучшились технико-экономические показатели и условия труда в цехе. Усовершенствование конструкции бездиафрагменных электролизеров продолжается. На этих электролизерах более благоприятные условия для механизации операций обслуживания ванн и внедрения автоматизированных систем контроля процесса электролиза.
Значительный интерес представляет предложенная и внедряющаяся в СССР новая технология получения магния, приближающая отрасль к решению важнейшей проблемы создания почти полностью механизированного и автоматизированного цеха электролиза магния. По этой технологии осуществляется не индивидуальное, а групповое обслуживание электролизеров с централизованным питанием их сырьем и удалением продуктов электролиза. Создается поточная линия из 15—25 электролизеров, соединенных последовательно футерованными переточными и соединительными каналами (рис. 98). Обезвоженное сырье поступает в первый электролизер и по соединительным каналам перетекает из одного электролизера в другой. В первых — рафинировочных электролизерах наряду с основным процессом происходит полное обезвоживание и глубокая электрохимическая очистка электролита от примесей.
В рафинировочных электролизерах также отстаивается и извлекается основная масса образовавшегося шлама. Однако чрезмерная перегрузка рафинировочных электролизеров примесями может привести к устойчивой пассивации катодов. Для обеспечения нормальной работы рафинировочных электролизеров, особенно при большой производительности поточных линий, предусматривается дополнительная очистка поступающего сырья от примесей в головном миксере-рафинаторе.
Рис. 98. Схема поточной линии электролиза магния: 1— головной миксер-рафинатор: 2 — рафинировочные электролизеры; 3 — поточные электролизеры: 4 — транспортный канал; 5 — соединительные каналы; 6 — миксер-сепаратор; 7 — насос для перекачивания оборотного электролита; 8 — приемный канал оборотного электролита; 9—место загрузки исходного сырья (расплава карналлита)
Магний из каждого проточного электролизера выводится через переточные каналы в один разделительный миксер-сепаратор, расположенный в конце линии. Миксер-сепаратор служит для отделения от электролита и рафинирования магния. Оборотный электролит из миксера-сепаратора перекачивается пневмонасосом в голову поточной линии — головной миксер-рафинатор, где смешивается с поступающим сырьем для получения расплава с заданной концентрацией MgCl2 и отстаивается от оксида магния и других твердых примесей. Содержание MgCl2 в заливаемом в рафинировочные электролизеры сырье должно быть 20—24%, а в последних перед
миксером — 8—10%; уменьшение концентрации с 20 до 8—10% сопровождается постепенным понижением выхода по току на 3— 4%. Дальнейшее обеднение электролита хлоридом магния сказывается более резко и отрицательно влияет на показатели процесса электролиза.
При питании поточных линий карналлитом для уменьшения потерь MgCl2 с отработанным электролитом предусмотрены хвостовые электролизеры — после миксера-сепаратора. Часть отработанного электролита в этом случае из миксера-сепаратора поступает в хвостовые электролизеры, в которых электролит вырабатывается до 4—5% MgCl2. При такой схеме потери хлорида магния с отработанным электролитом будут минимальными.
В поточных линиях производства магния в каждом электролизере устанавливается постоянный уровень и состав электролита, стабилизируется температура. Все это положительно сказывается на показателях процесса. Опытно-промышленные испытания такой системы на двух заводах показали ее работоспособность и высокую технико-экономическую эффективность.
Перспективным направлением усовершенствования технологии производства магния является также работа ванны на твердом сыпучем обезвоженном сырье (карналлите или бишофите), полученном при одностадийном обезвоживании в аппаратах КС. Добавочные потери энергии, расходуемые на плавление твердого сырья, компенсируются повышением силы тока на электролизере. Это дает возможность интенсифицировать процесс электролиза. При литании диафрагменного электролизера твердым карналлитом его производительность повышается в среднем на 23% при одновременном увеличении расхода электроэнергии на 10%; при питании MgCl2 эти показатели будут примерно в 2 раза меньше. Основное преимущество этой технологии состоит в возможности создания полностью механизированной и автоматизированной системы подачи сырья в ванны. Применение недостаточно обезвоженного материала вызывает быстрый износ анодов и разбавление анодного хлора хлоридом водорода; эти недостатки пока препятствуют внедрению в производство данной технологии. В случае устранения этих недостатков наибольший технико-экономический эффект мог бы быть достигнут при работе поточной линии электролизеров с системой автоматического питания их твердым безводным сырьем.
Статья на тему Обслуживание электролизеров магния
