Тема № 3 «Электрохимическая обработка материалов»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Научиться выбирать электрооборудование для технологических процессов, использовать экологически чистые технологии производства.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

Самостоятельно ознакомиться с теоретичеческими положениями, подготовить ответы на контрольные вопросы. Занятия проходят в интерактивной форме с решением технологических ситуаций, а также могут проходить в виде устного опроса по теоретичеческим положениям.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электролизные установки

Сущность электролиза заключается в выделении из электролита (при протекании через электролитическую ванну постоянного тока) частиц и осаждении их на погруженных в анну электродах (электроэкстракция) или в переносе веществ с одного электрода через электролит на другой (электролитическое рафинирование). В обоих случаях цель процессов – получение возможно более чистых незагрязненных примесями веществ.

В отличие от электронной, электропроводности металлов в электролитах (растворов солей, кислот и оснований вводе и в некоторых других растворителях, а также в расплавленных соединениях) наблюдается ионная электропроводность. В этих растворах и расплавах имеет место электролитическая диссоциация– распад на положительно и отрицательно заряженные ионы.

Если в сосуд с электролитом – электролизер поместить электроды, присоединенные к электрическому источнику энергии, то в нем начнет ионный ток, причем положительно заряженные ионы – анионы (хлор, кислород OH , ) – к аноду.

У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны у электрода и также нейтрализуются, оседая на нем, причем выделяющиеся на электродах газы в виде пузырьков поднимаются к верху. Электрический ток во внешней цепи представляет собой движение электронов от анода к катоду
(рис. 1). При этом раствор обедняется и для поддержания непрерывности процесса электролиза приходится его обогащать.

Рис. 1. Схема электролизной ванны: 1– ванна; 2– электролит; 3– анод; 4– катод; 5– источник питания

Так осуществляют извлечение тех или иных веществ из электролита (электроэкстракцию). Если же анод может растворяться в электролите, то частицы его, растворяясь в электролите, приобретают положительный заряд и направляются к катоду, на котором осаждаются, тем самым осуществляется перенос материала с анода на катод. Этот процесс ведут так, чтобы содержащиеся в металле анода примеси не переносились на катод. Такой процесс называется электролитическим рафинированием.

Если электрод поместить в раствор с ионами того же вещества, из которого он изготовлен, то при некотором потенциале между электродом и раствором не происходит ни растворения электрода, ни осаждения на нем вещества из раствора. Такой потенциал называется нормальным потенциалом вещества. Если на электрод подать более отрицательный потенциал то на нем начинается выделение вещества. Если подать на электрод более отрицательный потенциал, то на нем начинается выделение вещества (катодный процесс), если же более положительный, то начнется его растворение (анодный процесс). Значение нормальных потенциалов зависит от температуры. Принято считать нормальный потенциал водорода за нуль. Разность между действительным потенциалом электрода и нормальным для него потенциалом называют перенапряжением. Оно увеличивает потери энергии при электролизе.

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 и тепловой баланс. Принимают меры к уменьшению потерь.

Напряжение на электролизере

, (1)

где – напряжение разложения, B; – сила тока, A; – удельное сопротивление электродами, см; – расстояние между электродами, см; S= – площадь электродов, см²; – сопротивление анода и катода, Ом; – сопротивление анодных и катодных контактов, Ом; – сопротивление шинопровода, Ом.

В тепло переходит энергия, пропорциональная разности напряжения электролиза и напряжения по Томпсону .

С учетом выхода металла по току тепловой поток можно определить по формуле

(2)

, г/Дж , (3)

где Q – количество электричества, расходуемое на данную реакцию; – общее количество прошедшего электричества.

Подбирая плотность тока и расстояние между электродами, получают величину теплового потока с учетом компенсации тепловых потерь электролизера. Для уменьшения тепловых потерь эликролизер выполняют с хорошей тепловой изоляцией.

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,

Наиболее энергоемким продуктом, который получают электролитическим способом, является алюминий. Рассмотрим особенности установок электролизера на примере производства алюминия.

Схематически процесс электролиза можно представить как выделение на катоде металлического алюминия и окисление угольного анода.

Имеется несколько конструкций электролизеров с обожжеными и самоспекающимися угольными анодами, с боковым и верхним токопроводом.

На рис. 2 показана конструкция электролизера с самообжигающимся вводом и боковым токопроводом.

Рис. 2. Эликтролизер для получения алюминия с самообжигающимся анодом и боковым токоподводом: 1– шамотная футеровка; 2 – чугунная заливка; 3 – стальные стержни (токоподвод к катоду); 4 – угольные блоки; 5 – гарнисаж; 6 – угольные плиты;
7 – спекшийся анод; 8 – ребро жесткости кожуха анода; 9 – стойка для анодов; 10 – рама анода; 11 – жижкая анодная масса; 13 – медная шина; 14 – штырь; 15 – гибкие шины

Электролизер имеет внутреннюю футеровку из угольных блоков – 4, боковых плит (угольные плиты) 6 и подовых 2. К подовым блокам ток подводят с помощью стальных стержней 3. Дно электролизера вместе со слоем алюминия служит катодом. Дальше расположен слой электролита и угольный спекшийся анод который является самообжигающимся. Жидкая анодная масса поступает в анод сверху, затем под влиянием тепла, выделяющегося в электролите идет процесс обжига анода. Подвод тока к аноду и подвеску анода (грамма анода) осуществляют с помощью штырей 14. Верхняя часть штырей имеет медную гильзу (шина) 13 для уменьшения падения напряжения. С помощью контактных колодок и гибких шин 15 штыри присоединяют к медным шинам 13.

2.1.2. Источники питания и преобразовательные
подстанции электролизерных установок

Наиболее мощный потребитель–преобразовательная подстанция – получает питание от отдельной ВЛ 110 кВ через отдельное ОРУ 110 кВ и кроме того, связан по токопроводам с ТЭЦ и ГПП. Распределение энергии внутри предприятия осуществляется по мощным токопроводам через распределительные пункты.

Большинство элетролизных 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 трех-четырех, то на преобразовательной подстанции применяют одну секционированную систему сборных шин.

В последние годы для питания мощных электролизерных установок все шире применяют полупроводниковые выпрямители с плавным регулированием напряжения, т.к. их КПД высок
(98-99 %), они более надежны и долговечны, просты в обслуживании, постоянно готовы, к работе, бесшумны и не имеют токсичных выделений. При создании мощных установок приходится включать полупроводниковые вентили параллельно, а иногда и последовательно, что вызывает трудности вследствие некоторого разброса их характеристик. Для выравнивания и распределения тока между вентилями при параллельном соединении и напряжения при последовательном применяют специально схемные решения.

Так, как полупроводниковые вентили не способны выдерживать значительные перегрузки по току и напряжению, применяют специальные защитные устройства: закорачивающие вентили (в случае их пробоя); отключающие (при появлении опасных повышений напряжения или рабочего тока).

Регулирование выпрямленного напряжения в установках возможно только на стороне переменного тока.

Для этого используют переключение ступеней напряжения главного понижающего трансформатора или специального регулировочного трансформатора. Для плавного регулирования напряжения в катоде плечо выпрямительного моста включают реактор (дроссель) насыщения.

Компоновка вентилей осуществляется обычно в шкафах, выпускаемых на токи 13000 и 25000 А и на выпрямленное напряжение 300-465 В. Из шкафов комплектуют преобразовательные подстанции, питающие электролизные установки.

На рис. 3 приведена схема преобразовательного агрегата типа ВАК-25000/450 (выпрямительный агрегат на кремниевых диодах, обеспечивающий выпрямленный ток 25000А при напряжении 450 В).

Рис. 3. Принципиальная схема кремниевого выпрямителя
агрегата. Справа – принципиальная схема группы вентилей

Схема агрегата имеет следующие узлы:

– АТДН-12500/35 – автотрансформатор для регулирования напряжения в широких пределах(0-100 %);

– ТДННВ-12500/35 – трансформатор трехфазный предназначен для работы с полупроводниковыми вентилями, при выпрямленном токе 25 кА мощностью 13200 кВ·А, характерной особенностью последнего является наличие четырех вторичных обмоток, имеющих различные группы и схемы соединения фаз;

– трансформаторы тока (ТТ) на выводах вторичных обмоток служат измерительным органом защиты кремниевых вентилей;

– ДН-6250/16 – дроссель насыщения на номинальный ток 6250А;

– быстродействующие короткозамыкатели (КЗ) – предназначены для защиты выпрямительных шкафов (время срабатывания 0,001-0,0015 с). После срабатывания КЗ выключатель 35 кВ отключает весь агрегат от сети;

– ВВК-6250/1 – блок кремниевых вентилей на ток 6250 А. На подстанции установлены 4 таких блока, каждый из которых содержит 36 вентилей ВКД-200,которые объединены в 6 групп. Эти 6 групп образуют 3-х фазную мостовую схемы выпрямителя;

– ПНБ – быстродействующие предохранители для защиты вентилей;

– ИТТ – импульсные ТТ, посылающие импульс при КЗ на стороне постоянного тока на включение короткозамыкателя.