СПОСОБ ТЕПЛОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR THERMAL CONTROL OF MAGNESIUM ELECTROLYTIC PRODUCTION PROCESS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области цветной металлургии, а именно к способу теплового регулирования процесса электролитического получения магния и устройству для его осуществления.
При электролитическом получении магния достижение высоких показателей зависит от правильно выбранного температурного режима процесса. Так, для бездиафрагменных электролизеров с верхним вводом анодов оптимальная температура составляет 655-665°C. При повышении температуры электролита на 10°C выход магния по току снижается на 2,5-3,0%, при температуре выше 675°C появляется опасность полного расстройства технологического процесса.
Таким образом, поддержание температуры электролита на оптимальном уровне является необходимым условием высоких показателей процесса электролитического получения магния.
Известен способ и устройство теплового регулирования процесса электролитического получения магния (ст. Разработка, испытание и внедрение системы стабилизации температурного режима магниевых электролизеров. - Грибов В.И., Оверин Б.А., Кушнин B.C., Колесников В.А., Башкатов В.В. - Ж. Цветные металлы. - №11, 1979. - стр. 68-70). Способ включает ведение процесса электролиза, измерение температуры электролита и поддержание заданной температуры электролита газами, проходящими через коллектор санитарно-технического отсоса, при закрытых крышках сборных ячеек. Регулирование отвода газов осуществляют с помощью дистанционно управляемой заслонки. При отклонении от заданного температурного режима в сторону увеличения температурного режима отвод тепла осуществляют путем увеличения размера отверстия с помощью заслонки, при уменьшении от заданного температурного режима размер отверстия уменьшают. Устройство для теплового регулирования процесса электролитического получения магния состоит из электролизера с верхним вводом анодов на силу тока 150 кА, с двумя сборными ячейками, коллектора санитарно-технического отсоса, снабженного заслонками. Температуру электролита измеряют с помощью хромель-алюмелевой термопары, установленную в сборную ячейку и соединенную с многоканальным двухпозиционным регулятором температуры.
Недостатком данного способа и устройства теплового регулирования процесса электролитического получения магния является то, что система не полностью обеспечивает поддержание температуры электролита в заданном интервале. Некоторые возмущающие тепловой баланс воздействия, например значительные колебания температуры окружающего воздуха, длительные отключения тока, не могут быть компенсированы изменением количества газов санитарно-технического отсоса. Кроме того, конструкция укрытия сборной ячейки не позволяет полностью герметизировать сборную ячейку от попадания воздуха, что приводит к свободному доступу воздуха в сборную ячейку, к окислению магния кислородом воздуха в сборной ячейке, к снижению выхода магния по току и к увеличению трудоемкости процесса за счет повышенного шламообразования в сборной ячейке. Кроме того, конструкция дистанционного устройства не позволяет осуществлять регулирование в малых диапазонах, что приводит к большим колебаниям температуры электролита.
Известен способ и устройство теплового регулирования процесса электролитического получения магния (авт. свид. СССР №274935, опубл. 05.12.1977, бюл. 45). Способ включает отбор тепла от электролита в электролизере для получения магния при помощи газа-теплоносителя (воздуха) через стенки полости секционного экрана, который устанавливают над электролитом. Проходя через полости секционного канала, газ-теплоноситель (воздух) отбирает тепло от стенок экрана и выходит из ячейки для сбора магния через патрубок сборного коллектора. Устройство состоит из электролитического отделения, сборной ячейки с крышкой, коллектора санитарно-технического отсоса, полого экрана, выполненного из отдельных секций и установленного на анодные перекрытия сборной ячейки. Полый экран с перекрытием образуют полость, через которую пропускают газ-теплоноситель.
Недостатком данного способа и устройства теплового регулирования процесса электролитического получения магния является то, что полый экран, установленный над электролитом в сборной ячейке в газовой фазе, имеет низкий срок службы из-за коррозии металла, из которого выполнен экран. Кроме того, отвод тепла осуществляется только через газовую фазу, и необходимо длительное время для снижения температуры электролита. Кроме того, конструкция укрытия сборной ячейки не позволяет полностью герметизировать сборную ячейку, что приводит к свободному доступу воздуха в сборную ячейку, к окислению магния кислородом воздуха в сборной ячейке, к снижению выхода магния по току и к увеличению расхода сырья.
Известен способ и устройство теплового регулирования процесса электролитического получения магния (патент РФ №2357013, опубл. 27.05.2009, бюл. №15), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип. Способ включает отбор тепла от электролита сборных ячеек электролизера для получения магния воздухом через теплообменник, установленный в сборную ячейку, и путем отвода газов из сборной ячейки электролизера через коллектор санитарно-технического отсоса. Воздух пропускают через теплообменник в количестве, обеспечивающем поддержание разности температур воздуха и электролита в сборной ячейке, равной 200-350°C. А нагретый в теплообменнике воздух смешивают с газами, выходящими из сборной ячейки, в соотношении (1-2):1 и удаляют из электролизера. Устройство состоит из электролитического отделения, сборной ячейки с крышкой, коллектора санитарно-технического отсоса, соединенного со сборной ячейкой, теплообменника, установленного в сборную ячейку. При этом входной и выходной патрубки теплообменника размещены выше крышки сборной ячейки, а выходной патрубок соединен с коллектором санитарно-технического отсоса.
Недостатком данного способа и устройства является низкая эффективность. Кроме того, контакт теплообменника с расплавом приводит к необходимости его постоянной замены, а также к риску попадания воздуха в расплав при нарушении целостности теплообменника.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет за счет регулирования интенсивности отвода газов санитарно-технического отсоса изменить тепловой поток, и за счет регулирования конвективных потерь тепла из сборной ячейки электролизера стабилизировать температурный режим процесса электролитического получения магния.
Задачами, на решение которых направлена группа изобретений, является снижение потерь магния, повышение выхода магния по току.
Поставленная задача решается так, что в способе теплового регулирования процесса электролитического получения магния включающем отвод тепла от электролита путем отвода газов из сборной ячейки электролизера, поддержание оптимальной температуры электролита и регулирование температуры при отклонениях от оптимальных, новым является то, что регулируют температуру электролита при отклонении от оптимальной путем изменения объема отвода газов и конвективных потерь тепла из сборной ячейки электролизера.
Для осуществления способа предложено устройство для теплового регулирования процесса электролитического получения магния включающее коллектор санитарно-технического отсоса с шибером, соединенный с электролизером, выполненным в виде футерованной емкости, разделенной перегородкой на электролитическое отделение и сборную ячейку с укрытием, новым является то, что шибер, установленный на коллекторе санитарно-технического отсоса, выполнен в виде вертикально вращающейся пластины с ручкой, положение которой фиксируют для обеспечения отвода необходимого объема газов санитарно-технического отсоса, сборная ячейка дополнительно снабжена верхним обрамлением, выполненным в виде металлической рамы прямоугольной формы из П-образных профилей, а укрытие сборной ячейки установлено горизонтально и герметизировано песочным затвором.
Предложенный способ теплового регулирования процесса электролитического получения магния и устройство для его осуществления позволяют стабилизировать температурный режим процесса электролитического получения магния, значительно снижая потери магния и повышая выход магния по току.
Регулирование температуры электролита при отклонении от оптимальной путем изменения объема отвода газов с помощью шибера, установленного на коллекторе санитарно-технического отсоса, и выполненного в виде вертикально вращающейся пластины с ручкой, положение которой фиксируют, позволяет изменить тепловой поток и стабилизировать температурный режим процесса электролитического получения магния значительно снижая потери магния и повышая выход магния по току.
Регулирование конвективных потерь тепла из сборной ячейки электролизера за счет дополнительного снабжения сборной ячейки верхним обрамлением, выполненным в виде металлической рамы прямоугольной формы из П-образных профилей, и установка горизонтально укрытия на сборной ячейки, а так же герметизация песочным затвором позволяет стабилизировать температурный режим процесса электролитического получения магния, значительно снижая потери магния и повышая выход магния по току.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку заявленный способ теплового регулирования процесса электролитического получения магния и устройство для его осуществления образуют единый изобретательский замысел.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе теплового регулирования процесса электролитического получения магния и устройству для его осуществления, изложенных в пунктах формулы изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна"
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа теплового регулирования процесса электролитического получения магния и устройства для его осуществления. В результате поиска не было обнаружено новых источников и заявленные объекты не вытекают явным образом для специалиста, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. В заявленной группе изобретений имеется новая совокупность признаков, выразившаяся в новой последовательности действия во времени, в сокращении дополнительных операций способа и новых условий осуществления способа, новой совокупности размещения оборудования в устройстве. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 показано устройство для теплового регулирования процесса электролитического получения магнии. На фиг. 2 - разрез санитарно-технического отсоса с шибером.
Устройство для теплового регулирования процесса электролитического получения магния включает коллектор 1 санитарно-технического отсоса с шибером 2, выполненным в виде вертикально вращающейся пластины 8 с ручкой 12, соединенный с электролизером 3, выполненным в виде футерованной емкости 4, разделенный перегородкой 5 с перточным каналом на сборную ячейку 7, дополнительно снабженную верхним обрамлением 13 и выполненным в виде металлической рамы прямоугольной формы из П-образных профилей, и электролитическое отделение 6, в котором размещены чередующиеся между собой аноды 9 и катоды 10. Устройство содержит укрытие 8 сборной ячейки, установленное горизонтально и герметизировано песочным затвором 14.
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующие примеры осуществления способа и устройства теплового регулирования процесса электролитического получения магния и хлора.
Пример 1.
3
Предварительно перед проведением процесса электролитического получения магния осуществляют монтаж электролизера 3. В электролизер 3 устанавливают разделительную перегородку 5, которая разделяет футерованную емкость 4 на сборную ячейку 7 и электролитическое отделение 6. В продольной стенке электролитического отделения 6 устанавливают катоды 10 с катодными токоподводами. Через перекрытие устанавливают аноды 9. На сборную ячейку 7 устанавливают верхнее обрамление 13, выполненное в виде металлической рамы прямоугольной формы из П-образных стальных профилей. Верхнее обрамление 13, выполненное в виде металлической рамы прямоугольной формы из П-образных профилей, крепят сваркой по периметру сборной ячейки 7. На сборную ячейку 7 устанавливают горизонтально укрытие 8, и герметизируют песочным затвором. На коллектор 1 санитарно-технического отсоса устанавливают шибер 2, выполненный в виде вертикально вращающейся пластины 11 изготовленной из сталь20 с ручкой 12 для регулирования положения - «открыто», «1/3», «1/2», «2/3», «закрыто». После коллектор 1 санитарно-технического отсоса подсоединяют к электролизеру 3. В дальнейшем производят разогрев электролизера 3 и запуск его в рабочее состояние. В электролизер 3 в сборную ячейку 7 на силу тока 230 кА с удельным расходом постоянного тока 13,2-13,6 кВт/кг магния заливают из вакуум-ковша расплавленный электролит, содержащий хлориды калия, натрия и магния, и разогревают до температуры 665°C. На аноды 9 подают постоянный электрический ток. Под воздействием электрического тока, подаваемого на аноды 9, хлорид магния разлагается на магний и хлор, в процессе электролиза осуществляют постоянную циркуляцию электролита из электролитического отделения 6 в сборную ячейку 7 по переточным каналам разделительной перегородки 5. Хлор, выделяясь на аноде 9, переходит из электролита в газовую фазу, и отводится через систему отсоса хлора. Часть хлора выносится с циркуляционным потоком электролита в сборную ячейку 7 разбавляется воздухом до концентрации 4-5 г/м и выводится через коллектор 1 санитарно-технического отсоса, соединенный с электролизером 3, на газоочистку в количестве 300-1500 нм в час при температуре 160°C. При этом с газами коллектора 1 санитарно-технического отсоса отводится от 9,0 до 70 кВт/час тепла. При повышении температуры электролита до 670-690°C, например, при загрузке некачественного сырья или при повышении электрического сопротивления электролизера 3, температуру электролита стабилизируют, и поддерживают ее значение изменением объема отвода газов. Для изменения объема отвода газов через коллектор 1 санитарно-технического отсоса ручкой 12 поворачивают шибер 2, выполненный в виде вертикально вращающейся пластины 8, которую фиксируют в положении «открыто», «2/3» части сечения, тем самым изменяют тепловой поток. При этом температуру электролита снижают до оптимальной температуры 665°C в течение 2-4 часов. После стабилизации температуры электролита положение шибера 2, установленного на коллекторе 1 санитарно-технического отсоса, фиксируют в положение «1/2», «1/3».
Пример 2.
3
Предварительно перед проведением процесса электролитического получения магния осуществляют монтаж электролизера 3. В электролизер 3 устанавливают разделительную перегородку 5, которая разделяет футерованную емкость 4 на сборную ячейку 7 и электролитическое отделение 6. В продольной стенке электролитического отделения 6 устанавливают катоды 10 с катодными токоподводами. Через перекрытие устанавливают аноды 9. На сборную ячейку 7 устанавливают верхнее обрамление 13, выполненное в виде металлической рамы прямоугольной формы из П-образных стальных профилей. Установку металлической рамы прямоугольной формы из П-образных профилей крепят сваркой по периметру сборной ячейки 7. На сборную ячейку 7 устанавливают горизонтально укрытие 8 и герметизируют песочным затвором. На коллектор 1 санитарно-технического отсоса устанавливают шибер 2, выполненный в виде вертикально вращающейся пластины 11 изготовленной из сталь20 с ручкой 12 для регулирования положения открыто, 1/3, 1/2, 2/3, закрыто. После коллектор 1 санитарно-технического отсоса подсоединяют к электролизеру 3. В дальнейшем производят разогрев электролизера 3 и запуск его в рабочее состояние. В начальный период эксплуатации при выходе магния по току более 81% происходит дисбаланс по теплу из-за нехватки тепла, поступающего в электролизер 3 с энергией постоянного тока при температуре электролита менее 655°C, возникает риск кристаллизации магния в электролитическом отделении 6, так как температура плавления магния 650°C (см. кн. Химический энциклопедический словарь. - под. ред. И.Л. Кнунянц. - М., Сов. энциклопедия, 1983 г., стр. 308), и полная остановка электролизера 3. При работе электролизера 3 на пониженных температурах, менее 655°C, снижают конвективные потери тепла поверхностями электролизера 3 на 8-15 кВт/час, для чего устанавливают укрытие 8 на сборной ячейке горизонтально, и герметизируют песочным затвором 14. В электролизер 3 в сборную ячейку 7 на силу тока 230 кА с удельным расходом постоянного тока 13,2-13,6 кВт/кг магния заливают из вакуум-ковша расплавленный электролит, содержащий хлориды калия, натрия и магния. На аноды 9 подают постоянный электрический ток. Под воздействием электрического тока, подаваемого на аноды 9, хлорид магния разлагается на магний и хлор, в процессе электролиза осуществляют постоянную циркуляцию электролита из электролитического отделения 6 в сборную ячейку 7 по переточным каналам разделительной перегородки 5. Хлор, выделяясь на аноде 9, переходит из электролита в газовую фазу, и отводится через систему отсоса хлора. Часть хлора выносится с циркуляционным потоком электролита в сборную ячейку 7, разбавляется воздухом до концентрации 4-5 г/м, и выводится через коллектор 1 санитарно-технического отсоса, соединенный с электролизером 3, на газоочистку в количестве 300-1500 нм в час при температуре 160°C. При этом с газами коллектора 1 санитарно-технического отсоса отводится от 9,0 до 70 кВт/час тепла. Температуру электролита стабилизируют, и поддерживают ее значение изменением объема отвода газов. Для изменения объема отвода газов через коллектор 1 санитарно-технического отсоса ручкой 12 поворачивают шибер 2, выполненный в виде вертикально вращающейся пластины 8, которую фиксируют в положении «1/3», «1/2» части сечения, тем самым изменяют тепловой поток. При этом температуру электролита поднимают до оптимальной температуры 665°C в течение 2-4 часов. После стабилизации температуры электролита положение шибера 2, установленного на коллекторе санитарно-технического отсоса, фиксируют в положение «открыто», «2/3».
Таким образом, предложенный способ теплового регулирования процесса электролитического получения магния и устройство для его осуществления позволяет стабилизировать температурный режим процесса электролитического получения магния, значительно снижая потери магния и повышая выход магния по току.