§ 5. Электролиз магния

Электролитический магний получают электролизом расплавленной смеси хлоридов магния, калия, натрия и кальция.

Электрохимическая сущность процесса электролитического получения магния заключается в следующем. В хлоридном расплаве в результате электролитической диссоциации образуются катионы металлов Mg²⁺, Na+, K⁺ и анионы хлора Сl^–.

Под воздействием постоянного тока на катоде разряжаются только катионы Mg²⁺ по электрохимической реакции

Mg²+ + 2e^-→Mg. (160)

Анодный процесс сводится к разряду ионов хлора:

2 Сl^–— 2е^-→С1₂. (161)

В процессе электролиза, проводимом при 690—720°С, магний получают в жидком виде. В этих условиях возникает опасность воспламенения магния в атмосфере воздуха и обратного хлорирования магния выделяющимся на аноде хлором. Чтобы избежать этого, необходимо герметизировать электролизную ванну и частично разделить прикатодное и прианодное пространства диафрагмой. Для предотвращения попадания газообразного хлора в атмосферу цеха производится принудительный отсос анодного газа.

Для получения электролитического магния применяют электролизеры диафрагменного типа. По конструкции электролизеры бывают с боковым, верхним и нижним вводом анодов.

Любой магниевый электролизер состоит из нескольких электрохимических ячеек. Под электрохимической ячейкой подразумевается часть объема ванны, заполненного электролитом и ограниченного с двух сторон катодными электродами.

Схематически устройство ячеек магниевых электролизеров показано на рис.166. Каждая ячейка состоит из одного угольного или графитированного анода и двух стальных катодов. Отвод тока от катода осуществляется с помощью изогнутых катодных штанг. Для сбора и отвода анодных газов, состоящих главным образом из хлора, служат диафрагмы (колпаки) из шамотобетона. Все узлы электролизера помещены в железном кожухе, футерованном изнутри шамотом.

Диафрагма погружена в электролит на глубину 15— 25 см. Она служит для предотвращения соединения катодного и анодного продуктов, что может привести к обратному хлорированию магния.

Количество ячеек в промышленных электролизерах может быть различным и определяется их мощностью. Многолетней практикой и рядом исследований доказаны преимущества более мощных электролизеров. В настоящее время созданы электролизеры на силу тока 80—120 тыс. А.

Рис. 166. Принципиальные схемы устройства ячеек магниевых электролизеров с верхним (а), боковым (б) и нижним (в) вводом анодов: 1 — катод; 2 — анод; 3 — диафрагма; 4 — катодная штанга

Электролизеры с верхним вводом анодов не требуют отключения при замене анодов, что облегчает их обслуживание. Однако срок службы анодов, введенных сверху, примерно в два раза меньше, чем у анодов, введенных сбоку или снизу. Кроме того, при одной и той же плотности тока электролизеры с верхним вводом анодов работают при большем напряжении.

Состав электролита при электролизе магния выбирают в зависимости от вида сырья. Если исходным сырьем является обезвоженный карналлит, содержащий хлориды магния, калия и натрия, то электролит, как правило, состоит в основном из тех же хлоридов. При этом в процессе электролиза получается большое количество отработанного электролита.

При электролизе технического MgCl₂(90—95 % MgCl₂) или более чистого, полученного при восстановлении тетрахлорида титана, в электролит, кроме указанных компонентов, добавляют СаС1₂ и ВаСl₂. Эти добавки утяжеляют электролит и способствуют улучшению отделения магния.

Концентрация MgCl₂ в электролите между загрузками сырья должна изменяться от 12—14 до 5—6 %.

При уменьшении концентрации хлорида магния возможен электролиз других хлоридов, присутствующих в электролите. При высоком содержании MgCl₂ ухудшаются свойства электролита.

Электролиз магния ведут при температуре 680—720°С и анодной плотности тока 0,4—0,8 А/см². Образующийся при этом магний всплывает на поверхность электролита и извлекается из ванны один раз в сутки вакуум-ковшом.

Основные технико-экономические показатели работы современных магниевых электролизёров:

Напряжение на электролизере, В 4,0—6,3.

Выход по току, % 77—86

Расход электроэнергии, кВт-ч/т магния 13,5—16,7

Съем магния с 1 м² площади пода,кг/сут 60—120