Введение к работе
Актуальность темы. Основним способом получения тяжелых цветных металлов является электролитическая очистка (ЗЛО), в результате которой удается получить наиболее чистые от примесей медь (99,99$) и никель (99,903).
Особенностью процесса ЗЛО является большая энергоемкость -до 4000 кВт.ч/т. Снижение затрат электроэнергии возможно путем оптимизации режимов электропотробления установок ЭЛО, а также путем совершенствования технологических процессов и эксплуатации оборудования.
Наиболее эффективным является разработка рациональных электрических режимов электролиза, основанных на использовании токов сложной формы. Этим вопросам посвящен ряд работ, в которых разработаны способы получения тока сложной форш и исследовано их влияние на процесс электролиза. При этом положительный эффект заключается в снижении приэлектродного падения напряжения и сопротивления электролита, что обусловливает уменьшение джоулевых потерь, увеличение выхода металла по току и улучшение его качества. Эти исследования подтверждают, что форма тока (гармонический состав) наряду с температурой, концентрацией электролита, плотностью тока является одним из основных факторов, определяющих технико-экономические показатели электролиза.
Необходимо отметить, что нестационарные режимы электролиза в практике ЗЛО тяжелых цветных металлов пока не получили ии-рокого применения в виду сложности их реализации.
В этом плане представляет интерес способ электролиза, предложенный проф. Ф.К. Бойко и основанный на использовании регулируемого по форме выпрямленного тока. Изменение формы достигается за счет регулирования угла открытия тиристоров. Снижение удельного расхода электроэнергии при этом составляет до 5%, а реализация данного способа не связана с большими капитальными вложениями на переоборудование преобразовательных агрегатов.
Однако наряду с выпрямителями, укомплектованными тиристорами, на предприятиях химической промышленности и цветной металлургии шрокэ используются выпрямители с управляоктдм-
дросселями ішсщения (ДН), которые при новом способе должны обеспечивать регулирование не амплитуды, а формы выпрямленного тока. Отсутствие разработанных методик и рекомендации по регулирований формы переменной составляющей выпрямленного тока ДН потребовало проведения исследований и разработки новых режимов работы элементов оборудования преобразовательных агрегатов.
Для анализа процесса электролиза при протекании через ванну токов сложной формы необходимы теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых могут быть определены качественные и количественные зависимости энергетических показателей от характеристик тока.
Работа выполнялась в соответствие с тематическим планом ШО Каз. ССР (тема » 101 "Разработка рекомендаций по экономическим режимам схем электроснабжения электролизных производств", Приказ » 101, утвержденный 09.02.87 г., тема * 105/2 "Разработка новых энергосберегающих технологий и оборудования в электрометаллургии", Приказ * 99 от 28.02.91 г.).
Педь работы; исследование и разработка рациональных режимов работы оборудования о целью улучшения энергетических характеристик и повышения производительности электролизных установок для электролитической очистки тяжелых цветных металлов с «о -пользованием регулируемого по форме выпрямленного тока.
В соответствии с поставленной целью в работе решались слв-дущне задачи:
-
Определение частоты и амплитуды переменной составлявшей внпряяленного тока, обеспечивающих оптимальные твхнжхо-вкоио-млвсхже показателя электролиза для водаых растворов оолеи меди, цинка и никеля.
-
Получение зависимости показателей энергоемкости процесса и выхода металла по току при регулировании формы выпрямленного тока.
-
Разработка рациональных режимов работы электрооборудования (выпрямительных агрегатов) электролизных установок,обео-печявавдих достижение токов требуемой формы.
-
Разработка рекомендаций для внедрения результатов работы на промышленных установках.
Метоп» исследования. При решения поставленных в работе задач иоподьэовались теория физических процессов в твердых те-
лах и электролитах, теория вероятностей, методы математической обработки результатов эксперимента, методы математического анализа (теория решения дифференциальных уравнений), теория подобия и моделирования.
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:
-
Установлено явление резонансных процессов в электродах и электролите, которое заключается в том, что от взаимодействия собственных колебаний ионов и колебательного характера прикладываемого вынуждающего напряжения при совпадении частот увеличиваются амплитуда колебаний и скорость ионов, вылетающих о поверхности анода и движущихся в растворе электролита. Это приводит к увеличению выхода металла по току при снижении удельного расхода электроэнергии.
-
На основе гармонического приближения получены аналитические выражения, качественно описывающие ход кривых падения напряжения в электролите и приэлектродного падения напряжения при изменении частоты, позволяющие оценить оптимальный диапазон частот переменной составляющей выпрямленного тока для водных растворов солей меди, цинка и никеля (соответственно 500-600 Гц, 300-400 Гц, 800-900 Гц). При этом теоретические зависимости достаточно хорошо согласуются с результатами экспериментов.
-
С цолью интенсификации процесса электролитической очистки тяжелых цветных металлов разработан способ получения токоь требуемой формы при использовании преобразовательных агрегатов
с управляемыми дросселями насыщения, работающих на нелинейном участке характеристики.
-
Разработана схема управления и режимы работы дросселей насыщения, позволяыдио расширить диапазон регулирования выпрямленного тока по частоте, снизить потери напряжения в элементах преобразовательного агрегата (трансформаторе, дросселях насыщения) , а также потребление реактивной мощности.
-
Получены зависимости, связывающие технологические и энергетические показатели электролизных установок с гармонически.! составом переменной составляющей выпрямленного тока.
Практическая ценность работы. Разработанный способ создания резонансных режимов в производственных условиях путем регулирования формы выпрямленного тока преобр;ізоватольннх агре-
- Є -
гатов дросселями насыщения, позволяет интенсифицировать технологический процесс, снизить потери напряжения в элементах системы электроснабжения и электролизной ванне, увеличить выход металла по току, снизить удельный расход электроэнергии, повысить качество продукции.
Реализация результлтоз работц. Разработанная схема включения цепей управления ДН внедрена на преобразовательной подстанции электролизного цеха Павлодарского химического завода. Годовой экономический эффект в ценах 1986 года составляет 26 тыс. руб./год. Основные результаты работы используются также на Балхашском и Джезказганском горно-металлургических комбинатах, комбинате "Североникель" г. Манчегорск.
Апробапия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции (г. Иваново, 1991 г.); Всесоюзном совещании по компенсационным агрегатам и качеству электрической энергии (г. Ташкент, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции (г. Омск, 1984 г.); научных семинарах и заседаниях кафедры ЭШ ПИИ (г. Павлодар, 1989-91 г.); заседаниях кафедры АЭТУС КЭИ (г. Москва, 1992 г.).
Публикации. Материалы диссертации представлены в девяти печатных работах.
Объем и структура работы. Общий объем диссертации составляет 181 страниц машинописного текста, в том числе 45 рисунков, 26 таблиц, список литературы из 92 наименований и приложения.
