1.2.5 Магниді электролиттік өндірудің технологиясы

Диафрагмасыз электролизерлердің құрылысы СНГ-да жасалған. Технико-экономикалық көрсеткіштері бойынша диафрагмалықтармен салыстырғанда тиімді. 3-ші суретте көрсетілгендей катодтар – екі жақты, бұл электролизер былауының көлемін тиімді пайдалануға мүмкіндік береді. Электролизерде электролит ағымымен шығарылған магний жиналатын бос ұяшықтар бар, сондықтан магний жиналатын диафрагманың қажеттілігі жоқ, бұл электродтармен қанығатын кеңістік болады және диафрагмалық электролизермен салыстырғанда токтың көлемдік тығыздығы жоғарырақ. Токтың көлемдік тығыздығы төмендегенде, сәйкесінше былаудағы кернеу біршама төмен болғанда да, 1 м³-қа есептегендегі өнімділік 1,4-1,5 есе артады. Жүргізілген тәжірибелік жұмыстар көрсеткендей, диафрагмасыз электролизерлердің былау еденнің 1 м²-да меншікті өнімділігі 30-40%-дан жоғары, ал электр энергиясының меншікті шығыны 1 т алынатын магний үшін 1700-2500 кВт∙сағ кем.

Сурет 3. Анодтары жоғарыдан енгізілетін және рамалы катодты, үш электролиздік бөлімі мен екі жинағыш ұяшығы бар диафрагмасыз электролизер:

көлденеңінен және енінен қималары; 1 – анодтар; 2 – рамалы катодтар; 3 – жинағыш ұяшықтар; 4 – бөгеттер; 5 – бүркеніш; 6 – шеген.

Қазіргі кезде өнеркәсіпте ток күші 100 кА және одан жоғары электролизер шунттарындағы кернеу төменнен енгізілетін анодтарда 4,4-5,0 В, ал жоғарыдан енгізілетін анодтарда 4,7-5,4 В диафрагмасыз электролизерлер қолданылады. Диафрагмалы электролизерлердегі кернеу диафрагмасыздағымен салыстырғанда 0,8-1,0 В жоғары.

Диафрагмасыз электролизерлердің кемшіліктері: іске қосу периуды ұзақ, жылулық реттеулерді жүргізу қиын, электролиздің технологиялық процесі тұрақсыз және жөндеу периуды ұзақ.

1.2.6 Электролизерлерге қызмет көрсету

Магниді электролизерлерден түсіруді тәулігіне 2-3 рет вакуум-шөміштің көмегімен жүзеге асырады.

Электролизер еденінде жиналған шлам қысқа замыкание тудыруы мүмкін және осы маңдағы электролит пен электродтарды қыздырады. Шламды вакуум-шөмішпен тәулігіне 2-3 рет металды түсіріп алған соң, бірақ тұздарды құяр алдында түсіріп алады.

Карналитте жұмыс істейтін былаудағы өңделген электролитті де тәулігіне 2-3 рет түсіріп алады.

Диафрагмалық электролизерлердегі жоғарыдан енгізілетін катодтар мен анодтарды ауыстыру электролизерлерді тоқтатпай, бүйірінен енгізу арқылы жүргізеді.

Анодты ұяшықтардан хлорды сорып алуды сұйықты ратациялы хлорлы компрессорлар көмегімен жүзеге асырады. Хлор коллектормен жалғанған анодты ұяшықтардық құбырлары арқылы әкетіледі. Компрессорге хлор жеңдік фильтрлерде сүзілгеннен және күкірт қышқылды кептіруден кейін беріледі. Тауарлық хлор құрамында 60-80 % (көлем бойынша) хлор; 0,1 г/м³ шаң; 0,7-0,75 г/м³ ылғал мен 1,8 г/м³ HCl_Г бар.

Хлорды ауадан – 20⁰С дейін суытылған TiCl₄ пен тазартуға болады. Ары қарай TiCl₄-ті қыздырып, концентрацияланған хлор алады. Сиретілген хлорды оны – 10⁰С дейін суытып 0,2МПа қысымда алуға болады.

1.3 Патенттік зерттеу

Сусыз магний хлоридімен магниді алу үшін ТМД-да алғашқы магний зауыты іске қосылғаннан (ДМЗ 1935ж) бастап, 35 жыл бойы Электродтары вертикальды паралель орналасқан, бүйірінен немесе үстінен енгізілетін диафрагмалы электролизерлерді қолданған. Мұндай электролизер өзара электрлік жалғанған, паралель орналасқан ұяшықтардан тұратын.

Анодтық және катодтық өнімдер араласып кетпеуі үшін анодтың екі жағында көлденең шеген паздарына орналасқан диафрагмалары бар. Анодты кеңістіктегі хлорды жинағыш хлорқұбырға келтеқұбыр арқылы әкетеді [5]. 60-шы жылдарда магний электролизінің цехтарында 65-124 кА ток күшімен жұмыс істейтін электролизерлерді қорданды. Сол кезде ТМД-да жұмыс істеген электролизерлер өнімділігі бойынша шет елдердегімен салыстырғанда біршама артықшылығы болды және меншікті электр энергиясының шығыны аз, 1 т магний алу үшін 18-20 мың кВт∙сағ тұрақты электр энергиясы жұмсалытын.

Бұдан басқа диафрагмалы электролизерлердің басқа да кемшіліктері болды:

а) электролиттің жұмысшы көлемін тиімді пайдалану дәрежесі төмен, соның нәтижесінде диафрагмалық электролизерлердің меншікті өнімділігі төмен және электр энергиясының меншікті шығыны жоғары, соның есебінен меншікті пайдалану шығындары артты;

б) соннтехникалық сорылу газдарымен 1 т магний үшін 300 кг дейін хлордың жоғалуы, электролиз кезінде тауарлық хлордың шығымы 1 т магниге 2,55-2,65 т аспаған, ал шығатын газдарды залалсыздандыруға кеткен шығын өте көп;

в) электролизер конструкциясының есебінен негізгі операциялар механизациясы қиындады;

г) тұрақты диафрагмалар саны жеткіліксіз, сол себепті электролизерлердің жұмыс істеу уақыты аз (16-18 айға дейін).

Диафрагмалық электролизерлердің келтірілген кемшіліктердің анализі және өндірісте пайдалану тәжірибесі олардың көрсеткіштерін техникалық жақсарту мүмкіндіктерінің таусылғанын көрсетеді, сондықтан 50-ші жылдардың соңында 60-шы жылдардың басында бітшама тиімді, әрі мінсіз электролизерлерді жасау жұмыстары жүргізілді, нәтижесінде 1961 ж принципиальдық жаңа диафрагмасыз электролизерлер жасалды.

Диафрагмасыз электролизерлердің негізгі конструкциялық ерекшелігі: анодтар мен екі жақты катодтар орналасқан электролиздік бөлімшелерден тұрады, магниді жинауға, шламды түсіруге, хлормагнилі шикізатты құюға арналған тек бір – екі ұяшықтардан тұрады. Электролизер бөлімшелеріне электродтарды тығыз орналастыру есебінен (электродтар арасындағы арақашықтық 3 есе азайды) және көптеген диафрагмалар жоқ болғандықтан жаңа электролизердің меншікті жылулық шығыны азайды, өнімділігі артты, хлор шығыны азайып, тауарлық хлор шығымы артты.

Өскемендік титан магний комбинатында (ӨТМК) магниді электролиздеу бөлімінде жөндеу жұмыстарын жүргізу кезінде 1972-1977 ж. диафрагмалы электролизерлер диафрагмасызға ауыстырылды. Нәтижесінде шикі магниді шығару 12-15 % артты, өнімділігі артты, электр энергиясының меншікті шығыны азайды ( шамамен 1200 кВ∙сағ/т магний үшін), хлор шығыны екі есе азайды, электролизердің жұмыс істеу уақыты біржарым есе артты. Негізгі жұмысшылар еңбегінің өнімділігі 30 % артты, жұмыс жағдайлары жақсарды. Диафрагмалық электролизерде істен шыққан катодтарды ауыстыру, электродтар арасындағы шектеулі арақашықтықты ұстап тұру операциялары диафрагмасыз элкетролизерде толығымен жойылды [4].

[9] жұмыста құрылғыларды шегендеуге балқытақұйылған отқа төзімді калилі және калилі-барилі фторфлоготипті материалдарды қолданудың тиімді екені көрсетілді, осы материалдардың ішінде магний электролизерінің жұмыс шарттарына құймакристалды материалдар сай келеді, олардың құрамы, %: 34-40 SiO₂; 9-12 Al₂O₃; 25-27 MgO; 7-8 K₂O; 5-7 ВaO; 8-9 F₂ ұсақ кристалды құрылыммен.

1986 жылы ӨТМК- да магний электролизі бөлімін жөндеу кезінде құйма кристалды мареиалдар элементтерінен тұратын герметикалық электролизерлер орнатылды.

Электролизер шамот кірпіштен тұратын отқа төзімді қабат пен диатомит кірпіштен тұратын жылу оқшаулағыш қабаттан құралған. Электролиз кезінде шеген электролитпен сіңіріледі де, жылу өткізгіштік қасиетін шамамен екі есеге арттырады. Бұл шегеннің ішкі бетіндегі температураны төмендетуге және қақтың түзілуіне әкеледі. Қақтың түзілуі шламды шығарып алуды қиындатады және электролизердің технологиялық көрсеткіштерін төмендететін гидродинамикалық жұмыс режимін нашарлатады.

Шеген бетіне электролиттің сіңірілуінің алдын алу үшін [1] өнертабыста отқа төзімді және жылу оқшаулағыш қабаттар арасында сеппе қабаты мен бүркеніш қабырғаларынан термиялық кеңейуі кезінде электролизер конструкциясына зиян келмейтін арашықтықта орналасатын металдық жайма орнатуды ұсынған. Бүркеніш пен металдық жайма арасындағы шеген қалыңдығының жайма мен былаудың жұмысшы көлемнің арасындағы қабат қалыңдығына қатынасы 10 ׃ 1 қатынасындай.

Бұл конструкция шеген қабатына электролиттің сіңірілуін болдырмайды, яғни жылу оқшаулау қабаты өзгеріссіз қалады. Осының нәтижесінде қақ түзілу азаяды және электролиз температурасын төмендетуге, яғни ток бойынша шығымды арттыруға болады.

Магнидің ток бойынша шығымын арттыру үшін және элекр энергиясының меншікті шығынын төмендету үшін [2] өнертабыстың авторлары құрамында қосымша лити хлориді бар электролитті ұсынды, құрамы, %: 15-40 LiCl; 8-18 MgCl₂; 5-15 CaCl₂; және BaCl₂; қалғаны NaCl мен KCl (1 ׃ 1ден 1,5 ׃ 1 қатынасындай).

Мұндай электролит жоғары электр өткізгіш және балқу температурасы төмен (600-650⁰С), бұл электролизді электролит температурасын 660-680⁰С та ұстап жүргізуге мүмкіндік береді, нәтижесінде ток бойынша шығым жоғары (80-90 %) және меншікті электр энергиясының шығынын 1500 кВт∙сағатқа азайтады.

Есептеу бөлімі:

1 тонна Ti кеуегін (100%) алуға қажетті металлдық Mg мен таза Ti тетрахлоридінің мөлшерін анықтау қажет.

Магнийді қолдану коэфициенті 70 %:

(20)

1 тонна TiPO₄ алуға қажетті құрамында TiO₂ 80 % бар Ti мөлшерін есептейміз.

(21)

Электролиз.

1. Электролизердің жұмыс өнімділігін есептеу қажет.

Ток бойынша шығым 85 %. Ток жүктеме 180кА Mg – дің электрохимиялық эквивалент.

Бөлімнің шикі Mg бойынша жылдық жұмыс өнімділігі 8000 тонна.

Сусыз MgCl₂ - ның құрамы : MgCl₂ (99,1 %) , MgO (0,4 %)

Ток бойынша шығым: 84 % Анодтық хлор газдағы хлордың концентрациясы: 91 % ;

	MgCl2	CaCl2	KCl	NaCl	MgO	Қоспалар
Жұмыстық электролит, %	10	34,5	8,3	45,1	0,3	1,8
Шлам, %	7,8	25	18,1	24,8	18,2	2,1

(22)

Хлор жоғалымы:

(23)

Анод газының құрамы:

Хлор :

(24)

(25)

Ауа : (26)

Технологиялық көрсеткіштер 1 кг Mg – ге (100 % Mg)

Сусыз MgCl₂ – нің шығыны: (27)

MgCl₂ – нің шығыны: (28)

Хлор шығымы: (29)

Шлам шығымы: (30)

Ұшырынды шығымы:

(31)

(32)

(33)

Магний : (34)

Хлор:

(35)

(36)

Ток тығыздығы:

(37)

(38)

Электрод арасындағы кернеу:

(39)

(40)

(41)

Энергетикалық баланс:

(42)

1. (43)

Хлор: (44)

кДж (45)

2. Сусыз MgCl₂ – ні қыздыруға (Q_ж)

кДж/сағ (46)

3. Электролит компнентерінің булануы (Q_,б):

MgCl₂: 0,52 ∙ 0,4 = 0,2 кг

KCl: 0,52 ∙ 0,35 = 0,03 кг

CaCl₂: 0,052 ∙ 0,05 = 0,03 кг

NaCl: 0,052 ∙ 0,2 = 0,01 кг

(47)

4. Қоспаны ыдыратуға кеткен жылу:

(48)

(49)

(50)

Электролизердағы кернеу :

(51)

W_y , кДж/кг (52)

Энергия:

(53)

Қауіпсіздік техникасы

Магний металлургиясы зияндылар категориясына жатады. Магний өндіру кезінде цех атмосферасына хлор, көміртегі оксидтері, күкірт, тұз қышқылының булары, түрлі хлоридтердің ұшырындылары, шаңтәрізді фракция түрінде магний оксидтері түсуі мүмкін. Балқытылған тұздармен, металмен жұмыс істейтіндіктен қызмет көрсетуші персоналға жылулық сәулелер әсер етеді. Персоналдың денсаулығы мен өміріне электр тогының қуіпі зор.

Еңбек жағдайының қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін ережелер, инструкциялар, түрлі құрылғыларды тұрғызудан басқа, қызмет көрсетуші персоналдың жоғары квалификациясын қаматамасыз ету және технологиялық және еңбек тәртібін қатаң сақтау керек.

Балқытылған тұздармен, металмен жұмыстардың барлығын мұқият кептірілген құрал-саймандармен, құймақалыптармен, шөміштермен жүргізілуі керек. Балқымаға ылғал материалдарды, құрал-саймандарды енгізгенде су тез арада буға айналады, оның көлемі судікінен шамамен 3000 есе артық. Сұйық металл, тұз жарылыспен шашырап, персоналды жарақаттайды.

Тұз, күкірт, хромды қышқылдармен, сілтілермен, балқытылған металл мен тұздармен жұмыс істегенде киізден, резинадан жасалған арнайы киім киулері тиіс. Беті мен көздерін маскамен, көзілдірікпен қорғалуы керек.

Адамға еденнен ток соқпас үшін, оны ток өткізбейтін және су сіңірмейтін материалдардан жасайды. Ғимараттың қабырғалары мен колонналарын 3,5 м биіктікке дейін оқшаулайды. Оқшаулаудың мақсаты – адамдардың жер мен электролизерлер потенциалы немесе шиноқұбыр арасындағы кернеуге түсуінің алдын алу.

Өндірістік бөлімдегі хлордың шектелген концентрациясы (ПДК) 1 мг/м³. Хлорды 0,3 мг/л кем емес концентрацияда жұтқанда, адам тұншығады. Ол көз бен теріге кері әсерін тигізеді.

Хлорлы сутегі мен тұз қышқылының концентрациясы 10 мг/м³ жеткенде денсаулыққа зиянды. Бұл газдар зауыттың барлық өндірістік бөлімде кездеседі.

Көміртегі оксидтері пеш оттығының, хлоратордың маңында, карналитті цехтарда табылады. Көміртегі оксидінің ПДК-сы 30 мг/м³. газды жұту кезінде адам тұншығады, себебі СО гемоглабинмен әрекеттесіп оттегіні қаннан ығыстырады. Ауада СО мөлшері 0,05 мг/л болғанда жұмыс ұзақтығы 1 сағаттан аспауы керек.

Күкіртті ангидрит ПДК-сы 20 мг/м³. Күкіртті газ жанармайдың жануынан түзіледі, балқытылған металдың бетін күкіртпен өңдеу процесінде түзіледі. Тынысалу жолдарының шырышты қабатқа кері әсерін тигізеді.

Зауыт цехтарында ПДК мөлшері артқанда автоматтандырылған белгібергіштер орнатылуі қажет.қауіпті зоналарда жұмыс істейтін барлық қызметкерлерде газға қарсы қолданылатын құралдары болуы керек.желдетіліс жүйесі үздіксіз жұмыс істеп, 6-9 еселік ауа ауысымын қамтамасыз етуі керек.

ҚОРЫТЫНДЫ

Магний – табиғатта кең тараған элемент, «жас» түсті металдардың қатарына жатады. Магнидің көп бөлігін металлургиялық өндірісте қолданады. Түсті металлургияда оны белсенді металдарды (V, Cr, Ti, Zr, U және т.б.) магни-термиялық әдіспен алу кезінде тотықсыздандырғыш ретінде қолданады. Магний табиғатта тек қосылыстар түрінде кездеседі. Қазіргі кезде магний алуда келесі минералдарды пайдаланады: магнезит, доломит, карналит және бишофит.

Магниді электролиздік жолмен алудың теориялық негіздері. Электролит ретінде балқыған хлорлы магний қолданылады. Элекролит келесі қасиеттерге ие болуы тиіс: балқу температурасы мүмкіндігінше төмен болуы тиіс, тығыздығы сұйық магнийдің тығыздығынан шамамен 0,1-0,2 г/см³ жоғары болуы тиіс, аз ұшатын, гидролизге бейімділігі төмен болуы керек, тұтқырлығы төмен болуы тиіс, электр өткізгіштігі жоғары болуы тиіс, ток бойынша шығымға кері әсерін тигізетін қоспалардың мөлшері шектеулі.

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР

1 А.с. 945987 СССР, МКИ С 25 С 3/04. Электролизёр для получения магния / Н.В. Бондаренко, А.П. Гобов, А.Г. Голов и др. (СССР) №2475428/22-02; Заяв. 08.04.77; Опубл. 05.02.79 г. Бюл. №5. – 2 с.: ил.1.

2 А.с. 537127 СССР, МКИ С 25 С 3/04. Электролит для получения магния / М.К. Байбеков, И.А. Чалабаев, А.В. Коломийцев и др. №1148220/01; Заяв. 11.04.67; - Опубл. 30.11.76 г. Бюл. №44. – 2 с.

3 И.В Николаев, В.И. Москвитин, Б.А. Фомин., Металлургия легких металлов. – М. Металлургия, 1997. 323-379.

4 Разработка и внедрение высокоэффективных электролизёров бездиафрагменного типа / Н.В. Бондаренко, В.Н. Девяткин, К.Д. Мужжавлев и др. / Под редакцией Н.А. Калужского. – М: Металлургия, 1981. – С.131-137.

5 Preparing for increasing global dtmand / D. Akerson // Foundry Int. 1998 – 21. – №2. – Р. 6-7.

6 Русско-казахский терминологический словарь «Горное дело и металлургия»,- Алматы, Рауан. 2000г

7 Уткин Н.И. Производство цветных металлов

8 Шаяхметов Б.М., Худайбергенов Т.Е., Чайковский С.Н. Основные вехи развития научно-технического на Усть-Каменогорском титано-магниевом комбинате (1965-1995 гг.). – Алматы, 1998. – 62 с.

9 Циндвинцев Г.В. Изыскание новых футеровочных материалов и исследование их влияния на конструкивные показатели магниевых электролизёров. / Автореферат на соискание ученой степени кандидата наук. – Л., 1985. – 20 с.

25