Конструкция магниевого электролизера

30.01.2017

Электролизер состоит из следующих основных частей и узлов: 1) кожуха с теплоизоляцией и огнеупорной футеровкой, образующей ванну электролизера; 2) анодов и анодных устройств, состоящих из диафрагм и анодного перекрытия; 3) катодов и катодных перекрытий; 4) коллекторов для отвода газов из анодного и катодного пространств; 5) ошиновки.
Кожух ванны изготовляется из листовой стали. При работе электролизера, особенно в первый период после пуска, на кожух действуют значительные усилия от теплового расширения, что вызывает деформацию кожуха и огнеупорной кладки. Вследствие деформации кожуха может нарушиться герметичность анодных к катодных устройств, а также взаимное расположение отдельных узлов и деталей электролизера. Для предотвращения деформации кожуха его делают из толстой листовой стати, а на наружной поверхности его приваривают ребра жесткости и пояса из швеллеров и уголков. Внутри кожух футеруют огнеупорным (шамотным) нормальным или фасонным кирпичом. Между футеровкой и кожухом укладывают слой теплоизоляционного материала, обычно листовой асбест и диатомитовый кирпич.
Анод для бокового ввода состоит из нескольких брусьев из искусственного графита, соединенных в один блок посредством заливки чугуном. В чугунной части анодного блока находится алюминиевый хвостовик, посредством которого осуществляется контакт анода с токоподводящими шинами. Каждый анод электролизера состоит из двух таких блоков, контактная часть которых выведена через отверстия в продольных стенках кожуха. Для защиты от контакта с электролитом, проникающим через швы и поры футеровки, чугунная часть блока облицована графитовыми плитами на замазке из графитового порошка и жидкого стекла.
Анодное устройство состоит из двух диафрагм и анодного перекрытия. Диафрагмы установлены в пазы продольной футеровки электролизера и расположены по обе стороны анода. Сверху диафрагмы перекрыты шамотными плитами анодного перекрытия. Диафрагмы, анодное перекрытие и часть продольной стенки ванны образуют, таким образом, коробку, которая обращена открытой частью вниз и служит для сбора выделяющегося на аноде хлора.
В верхней части анодного устройства, в боковой стенке электролизера, по оси анода, имеется отверстие для выхода хлора. В это отверстие плотно вставлен патрубок, соединенный с коллектором анодного газа. Сверху анодное устройство теплоизолировано. Схематический разрез электролизера с боковым вводом анодов представлен на рис. 142 и 143.
Конструкция магниевого электролизера

Анодный блок для верхнего ввода состоит из нескольких брусьев из искусственного графита, склеенных друг с другом посредством замазки из графитового порошка и жидкого стекла. Анодное перекрытие в электролизерах с верхним вводом анодов изготовляется из огнеупорного бетона в виде перевернутой коробки, в днище которой имеется щель для ввода анода, а сбоку отверстие для выхода хлора. Анодное перекрытие установлено на продольной стенке ванны и верхних кромках двух диафрагм. Анодный блок вводится в электролизер через отверстие в анодном перекрытии; в зазоры, образованные анодом и внутренними стенками анодного перекрытия, плотно запрессовывается асбестовый шнур и заливается раствор глиноземистого цемента. Анод присоединен к шинопроводу посредством медных шин, прикрепленных болтами к головке анода, выступающей из ячейки. Снаружи шины зажимаются стальными плитами. Электролизер с верхним вводом анодов изображен на рис. 144, 145 и 146.
Конструкция магниевого электролизера

В условиях работы электролизера такой конструкции части анода, выступающие из электролита, имеют температуру от 300—350° (головка анода) до 700° (в анодном пространстве, над поверхностью электролита). При этих температурах искусственный графит интенсивно окисляется и электроды быстро разрушаются.
Для защиты от окисления верхнюю часть электродов пропитывают концентрированным раствором ортофосфорной кислоты. Пропитанные электроды окисляются значительно медленнее и поэтому срок их службы удлиняется. Защитное действие ортофосфорной кислоты объясняется ее переходом при температуре 270— 290° в стекловидную метафосфорную кислоту, которая обволакивает тонким слоем пористую поверхность графита и, является ингибитором (отрицательным катализатором) реакции горения графита. На открытые части анода наносится также слой из тонко размолотого полевого шпата или диабаза и жидкого стекла.
Для изготовления анодов применяют графитированные электроды по ГОСТ 4426—48, с удельным сопротивлением не более 9,5 ом мм2/м и прочностью на сжатие не менее 160 кг/см2.
Диафрагма является весьма ответственной частью электролизера. Она состоит обычно из трех частей, соединенных (замком из паза и выступа) в виде арки. Диафрагмы изготовляют из высококачественного шамота.
Конструкция магниевого электролизера
Конструкция магниевого электролизера

Практикой эксплуатации электролизеров установлено, что высокой термической и коррозионной стойкостью, а также необходимой механической прочностью обладают диафрагмы, изготовленные из шамота, который отвечает следующим требованиям: предел прочности на сжатие — не менее 150 кг/см2; кажущаяся пористость — не более 16%; химический состав: не менее 65% SiO2, не более 2% Fe2O3, остальное Al2O3. Диафрагмы, изготовленные из более пористого материала и с пониженным содержанием кремнезема, а также имеющие пороки в виде трещин, посечек и кривизны — недолговечны.
Катод состоит из стального литого корпуса или двух штанг из толстой листовой стали и рабочего листа. Стальной лист толщиной 8—10 мм, выгнутый в сторону анода, приваривается к корпусу или к штангам. В верхней части катода, находящейся в электролите, имеются отверстия для облегчения циркуляции электролита и переноса капель магния в катодное пространство. Для защиты частей катодных штанг, выступающих из электролита, от усиленного окисления кислородом воздуха и воздействия хлора их покрывают с обеих сторон защитной силикатной замазкой. Для лучшего удержания замазки на катоде защищаемою поверхность делают рифленой.
Ввиду циркуляции электролита некоторое количество хлора попадает в катодное пространство. Кроме того, там возможно выделение хлористого водорода вследствие частичного гидролиза хлористого магния. Катодные газы выводятся через отверстие в торце катодного пространства, в общий коллектор. Сверху катодное пространство перекрыто теплоизолированной и футерованной чугунной рамой или фасонными камнями из огнеупорного бетона. В катодном перекрытии имеется отверстие, закрытое крышкой. Отверстие служит для заливки сырья, извлечения металла, отработанного электролита и шлама. Для отвода газов электролизер имеет два коллектора: анодный и катодный. Коллекторы делают из стальных или чугунных труб. В каждое анодное и катодное пространство плотно заделана асбоцементная труба, которая другим концом входит в соответствующий коллектор. Последние посредством труб соединены с магистральными хлоропроводами или каналами.
Конструкция магниевого электролизера

Ошиновка электролизера состоит из следующих элементов: анодного и катодного шинопроводов, составленных из алюминиевых шин, гибких пакетов из листового алюминия или меди с приваренными к ним наконечниками и переходных шин. Катоды и аноды присоединены к наконечникам гибких пакетов, а последние посредством переходных шин — к соответствующим шинопроводам. Анодный и катодный шинопроводы электролизера присоединяются к главному шинопроводу. Ошиновка электролизера изображена на рис. 147.
Контакты между отдельными элементами шинопровода, а также между анодом и катодом, с одной стороны, и соответствующими шинами, с другой, представляют значительное электрическое сопротивление. Поэтому стремятся по возможности уменьшить число контактов и, где это возможно, заменять болтовые соединения сварными, так как качество сварных контактов выше, чем болтовых. Для подвода тока к графитовым анодам в электролизерах с верхним вводом применяют медные шины (наконечными), так как в данных условиях работы контакт графит-алюминий недолговечен и обладает высоким электрическим сопротивлением.
Электролизеры с боковым вводом отличаются тем, что, при прочих равных условиях, они работают при более низком напряжении (на 0,5—0,6 в), чем электролизеры с верхним вводом анодов. Это следует из особенности данной конструкции, так как с этом случае путь тока и, соответственно, падение напряжения в аноде ниже. Срок службы анодов в электролизерах этой конструкции в 2—2,5 раза больше, чем при верхнем вводе, так как в этом случае аноды полностью погружены в электролит и не имеют непосредственного контакта с воздухом. Наряду с этими преимуществами, электролизеры с боковым вводом анодов имеют серьезные недостатки по сравнению с электролизерами с верхним вводом анодов. При износе и необходимости замены анодов необходимо полностью демонтировать верхнее строение электролизера и разбирать значительную часть футеровки, а затем наново ее возводить.
В конструкции с верхним вводом анодов замена анода является очень простой операцией, которая практически не отражается на работе электролизера. Несмотря на принимаемые меры для защиты чугунной заливки анода при боковом вводе, полностью не исключена возможность проникания электролита к ней. Это приводит к анодному растворению железа, которое, попадая в электролит, обусловливает снижение выхода по току. Кроме того, при проникновении электролита к анодному контакту последний разогревается, что иногда приводит к вытеканию электролита в местах ввода анодов. Электролизеры с верхним вводом анодов этих недостатков не имеют.
Электролизеры соединяются последовательно, в серию. Количество электролизеров в серии определяется максимальным напряжением выпрямительных агрегатов преобразовательной подстанции и напряжением на зажимах электролизера.
Серия электролизеров располагается в одном или нескольких корпусах. В корпусе электролизеры обычно расположены в два ряда, разделенные проездом. Шинопроводы располагают сверх), вдоль электролизеров, либо внизу, в подвальном помещении. Хлоропроводы также могут быть расположены либо вверх, либо в подвальной части корпуса. Там же расположены все прочие трубопроводы, вакуумные и воздушные, кабели и др. На рис. 148 изображен поперечный разрез корпуса электролиза магниевого завода.
Конструкция магниевого электролизера