Конспект лекций для студентов специальности 5В070900 Металлургия Шымкент, 2020 г
жүктеу/скачать 8,06 Mb.
|
| Электролиз растворов осложняется участием в электродных процессах ионов Н⁺ и ОН⁻. Кроме того, молекулы воды сами могут подвергаться электродному окислению или восстановлению. Катодные процессы в водных растворах при электролизе не зависят от материала катода, а только от природы катиона (табл. 1). Анодные процессы в водных растворах зависят от материала анода и природы аниона. При рассмотрении анодных процессов следует иметь в виду, что материал анода в ходе электролиза может окисляться. В связи с этим различают электролиз с инертным анодом и электролиз с активным анодом (растворимым). Инертным называется анод, материал которого не претерпевает окисления в ходе электролиза.
Таблица 2 - Ряд стандартных потенциалов металлов Металл Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Fe Cd Pb H потенциал -3,045;-2,92;-2,9;-2,87;-2,71;-2,37;-1,66;-1,15;-0,76;-0,44;-0,4;-0,13;0,0; Металл Sn Sb Bi As Cu Hg Ag Pt Au потенциал 0,01;0,21;0,23;0,25;0,34;0,79;0,8;1,2;1,5 В качестве материалов для инертных анодов чаще применяют графит, уголь, платину; для активных – медь, цинк, алюминий и т.д. В случае электролиза растворов возможны конкурирующие реакции. Критерием, определяющим преимущество того или иного электродного процесса, служит величина его электродного потенциала. Чем выше потенциал, тем легче происходит восстановление на катоде и труднее осуществляется окисление. Получение свободных металлов с помощью электролиза называют электрометаллургией. Электролиз водных растворов называют гидроэлектрометаллургией, расплавов солей или оксидов при высокой температуре –пироэлектрометаллургией. Электролизом растворов солей получают медь, цинк, кадмий, никель и другие металлы. На катоде происходит разряд ионов металла из растворов, которые получают в результате физической и химической обработки руд: Men+ + n Me. (6.9) В этих процессах используют нерастворимые аноды, на которых обычно выделяется галоген или кислород и регенерируется соответствующая кислота, например H2SO4, при электролизе из сернокислых электролитов. Электролиз с нерастворимым анодом осуществляется как в электролизерах без диафрагм (получение цинка), так и с диафрагмами – получение Mn, Cr и других металлов. Электролиз с растворимым анодом используют для рафинирования (очистки) черновых металлов: меди, серебра, золота, свинца, олова и др. от вредных примесей. Этот способ также используется и для извлечения ценных компонентов из очищаемого металла. Процесс электрорафинирования, как правило, осуществляют в электролизерах без диафрагм. Анодом служит подвергаемый очистке металл. После включения тока катионы основного металла и примесей, имеющих наиболее отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла, переходят в раствор электролита: Ме основной металл ↔ Меn+р-р + n , (6.10) Ме примеси ↔ Меn+р−р + n (Еопримеси < Еоосновной металл). (6.11) Примеси, имеющие большее значение электродного потенциала по сравнению с основным металлом, не растворяются и оседают из анода в виде шлама. На катоде в первую очередь осаждается металл, имеющий наиболее положительный потенциал. Так как потенциалы меди, серебра, свинца и олова положительнее, чем потенциалы других металлов (примесей), то каждый из этих металлов в первую очередь выделяется на катоде, а примеси остаются в растворе. При малой концентрации примесей их потенциалы в соответствии с уравнением Нернста сдвигаются в сторону отрицательных значений, что способствует преимущественному выделению на катоде основного металла в чистом виде: Меn+р-р + n ↔ Ме основной металл. (6.12) Все производства электролитического рафинирования металлов в основном оснащены практически одинаковыми видами основного оборудования, в которые не сильно отличаются. Это преобразовательные подстанций постоянного тока, электролизных ванн и агрегата переплавки рафинированного металла. На преобразовательной подстанции переменный ток преобразуется в необходимый для электролиза постоянный ток. Для этой цели на подстанциях устанавливают соответствующие преобразовательные агрегаты – кремневые выпрямители. Преимущество кремниевых выпрямителей заключается в более высоком коэффициенте полезного действия (не ниже 97%) по сравнению с другими агрегатами, компактности и надежности. Ими оборудовано большинство отечественных цинковых заводов. Основные различия в практике работы электролизных отделений заключается в применяемой плотности тока, расположении ванн, стадийности процесса электролиза. В настоящее время диапазон применяемой катодной плотности тока довольно широк - от 400 до 1000 А/м3. Для усвоения предмета рассмотрим основное оборудование на примере электролиза цинка. 2.Основное оборудование процесса электролиза цинка. В производстве цинка нашли применение деревянные, стальные и железобетонные корпуса ванн. Деревянные ванны широко применялись несколько десятилетий назад. Они дешевы, относительно безопасны в обслуживании, их легко изготовить и ремонтировать. Размеры этих ванн: ширина 750-900 мм, длина 2100-3000 мм, глубина 1100-1400 мм. Для экономии дерева и увеличения жесткости ванны соединяют в блоки по 20-70 штук. Материалом для изготовления ванны служит сухая сосна или другие породы прочного дерева. Поверхность деталей ванны - брусья, доски, коротыши и всю ванну в целом - пропитывают горячим битумом для предохранения дерева от разрушения серной кислотой. К недостаткам деревянных ванн следует отнести возможность усадки, коробления, огнеопасность и сравнительно небольшой срок службы между ремонтами. На некоторых отечественных и зарубежных заводах установлены стальные ванны. Конструкция их проста и практически ничем не отличается от бака прямоугольной формы. Размеры стальных ванн соответствуют размерам деревянных с учетом объема, занимаемого футеровкой. Как показала эксплуатация стальных ванн, они не обладают значительными преимуществами по сравнению с деревянными или железобетонными. Стальные ванны больше разъедаются серной кислотой и менее безопасны в работе. По этим причинам широкого распространения они не получили. 3.Конструкция электролитических ванн Железобетонные ванны (рис. 6.2) более сложны в изготовлении, но долговечнее деревянных и стальных. Изготавливают эти ванны из кислотостойких материалов: песка, гравия, щебня с применением арматуры в виде решетчатого каркаса. Для достижения большой плотности стенок бетон укладывают с помощью специальных вибраторов. Толщина стенок ванны составляет 80-100 мм. Глубина ванн достигает 1500 мм. Конструкция железобетонных ванн позволяет устраивать уклоны и закругления в днище для лучшего прилегания футеровки и облегчения очистки ванн от шлама. В днище ванны располагается отверстие с клапаном для выпуска марганцевого шлама. Внутреннюю поверхность корпуса ванн покрывают кислотостойким битумом. В последнее время наметилась тенденция к увеличению размеров ванн и, следовательно, к увеличению размеров катодов и анодов и повышению производительности ванн. Такая возможность появилась в связи с развитием механизации сдирки цинка и обслуживания ванн. Самые большие ванны длиной 4550, шириной 1230 и глубиной 2150 мм используют на заводе «Бален» (Бельгия). Рабочая площадь катода в них составляет 2,6 м2, что более чем в два раза превышает площадь обычных катодов (1,2 м2). Тенденция к увеличению геометрических размеров ванн имеет место и на некоторых отечественных заводах. В связи с технологическим процессом, который проводится растворами с определенными кислотными характеристиками, то корпусу электролитных ванн предъявляется определенные требования. Корпус любой из рассмотренных конструкций ванн является проницаемым для кислого электролита. Он, по существу, служит только каркасом для принятия всей нагрузки от массы анодов, катодов, электролита, катодного цинка и ошиновки. Рис. 6.2. Железобетонная ванна для электролиза Сохранение в ванне электролита и предохранение корпуса от разрушения серной кислотой обеспечивается наличием плотной, непроницаемой и кислотостойкой футеровки. В практике электролиза используют четыре вида футеровок: листовой свинец, кислотостойкую керамику, винипласт или пластик, резину. Свинцовая футеровка сохранила свое значение с начала развития техники электролиза до настоящего времени. Эта футеровка кислотостойка и удобна в монтаже. Для футеровки применяют листовой свинец толщиной 3-5 мм. Толстые листы укладывают на днище, тонкие - на стены. Однако свинцовая футеровка имеет и недостатки. Прежде всего требуется большое количество свинца, нужного для других целей в народном хозяйстве. Наличие свинцовой футеровки в работающей электролитной ванне неизбежно повышает степень загрязнения катодного цинка свинцом. Поскольку футеровка токопроводящая, то при неаккуратном обращении с электродами происходят короткие замыкания. Неметаллическая футеровка из керамических плиток или винипласта лишена этих 9недостатков. Но керамические плитки занимают много полезного объема, так как вместе с мастикой имеют толщину 80-120 мм. Кроме того, этот вид футеровки более трудоемок при монтаже и вызывает определенные трудности при ремонте. Одно время на отечественных заводах получила широкое распространение футеровка из полимерных материалов. Поскольку, эти материалы выдерживают температуру до 60° С, предполагалось, что они окажутся наиболее пригодными для футеровочных работ, так как довольно легко свариваются горячим воздухом и при нагревании принимают любую форму. Длительная эксплуатация ванн, футерованных винипластом, выявила, к сожалению, серьезный недостаток этого материала. Со временем винипласт изменяет свою структуру и дает трещины, вследствие чего приходится много ванн отключать на ремонт. Кроме того, футеровка ванн винипластом требует значительно больших трудовых затрат, чем футеровка листовым свинцом. В связи с этим отечественные заводы от этого вида футеровки ванн отказались. В настоящее время разработана технология производства и конструкцию ванн из полимербетона для электролиза меди и цинка. Основное преимущество этих ванн заключается в том, что они не требуют футеровки, так как корпус их является одновременно и кислотостойким, и непроницаемым. Полимербетонные ванны, так же как и железобетонные, армируют, но не стальными, а стеклопластиковыми прутками, Бетонный раствор готовят из кислотостойких инертных материалов. В качестве связующего применяют фурановые смолы (ФА, ФАМ, 2ФА, 4ФА) и другие синтетические материалы. Промышленная ванна для электролиза цинка имеет в электротехническом отношении некоторые особенности. Через нее пропускается электрический ток большой силы (до 25000 А), а напряжение на электродах обычно не превышает 3,6 В. В соответствии с этой особенностью рассчитывают и проектируют преобразовательные подстанции и коммуникации (ошиновку) для питания ванн постоянным током. Кремниевые выпрямители выпускаются напряжением 600 и 800 В. Поэтому электролизные ванны соединяют в серии последовательно в таком количестве, чтобы общее напряжение серии соответствовало напряжению выпрямительного агрегата. Так, серии составляют из 150-160 ванн при напряжении 600 В и из 200-220 ванн при напряжении 800 В. Располагать ванны в одну линию, естественно, неудобно, так как необходимо иметь проходы для обслуживания. В практике принято располагать ванны рядами или блоками по 20-30 ванн в каждом ряду. Иногда число ванн в ряду достигает 40, тогда посередине ряда устраивают проход для обслуживающего персонала. Напряжение на серии ванн ^ Е равно сумме напряжений на отдельных ваннах е: Е = е1 е2 е3 ···· еn, (6.13) а сила тока на серии 1 равна силе тока на каждой ванне i: жүктеу/скачать 8,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|