Технологический контроль электролиза

tп, мин	Печь		tэл, мин	Электролизер
	I п, А	U п, В		I эл, А	U эл, В	E, В
			0
			10
			20
			…
			t i

 

5. За 10-15 мин до конца электролиза ввести в электролит 0,5 % (по массе) NaF. После окончания опыта поднять электроды из расплава, отключить внешнюю поляризацию. Извлечь из электролита корольки металла дырчатой ложкой. Катод с выделившимся магнием и корольки отмыть от электролита горячей водой, подсушить и взвесить.

6. Рассчитать показатели электролиза:

· Выход по току в процентах

,

где  – практически полученная масса магния (сумма масс осадка на катоде и корольков);  – теоретическая масса магния, по закону Фарадея = 0,4536 t;  средняя сила тока на электролизере, A; t – продолжительность электролиза, ч; 0,4536 г/(А×ч) – электрохимический эквивалент магния.

· Выход по энергии в процентах

,

где  – средняя величина обратной ЭДС, зафиксированной экспериментально, В;  – средняя величина напряжения на ванне, В.

· Удельный расход электроэнергии в киловатт-часах на тонну

,

где  – средний ток и напряжение на печном нагревателе, А и В; t_п – время работы печи под нагрузкой, ч.

В промышленных условиях W = 16-17 тыс.кВт×ч/т.

7. С использованием стандартных термодинамических потенциалов рассчитать напряжение разложения МgС1₂ в стандартных условиях и для расплава хлоридов с = 0,001 в интервале температур 700-750 °С; сравнить результаты расчетов с известными данными и лабораторными измерениями. Объяснить имеющиеся расхождения.

Работа 5. ПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Цель работы. Знакомство с теорией и практикой заготовительно-рафинировочной плавки алюминия и его сплавов.

 

 

Основные определения, теория и технология

 

Извлекаемый из электролизных ванн так называемый сырой алюминий содержит примеси электроположительных элементов, перешедшие из сырья, и неметаллические включения. К последним относят электролит, тугоплавкие соединения и растворенные газы. Металлические примеси можно удалить только при помощи специального рафинирования. Удаление неметаллических включений производится путем переплавки. Наличие примесей в сыром алюминии неизбежно, так как во время выпуска из ванны вместе с ним увлекается электролит, а сам металл содержит растворенные газы и карбид алюминия, что является следствием процессов, происходящих внутри электролизера. Кроме того, окисление алюминия воздухом в момент выпуска приводит к его загрязнению оксидом.

Алюминий, используемый для механической обработки (прокатки и волочения), должен быть особенно чистым и подлежит обязательной переплавке. Если алюминий не предназначается для обработки, а идет на изготовление сплавов, то он может переплавляться в момент их приготовления и по месту производства.

Плавка большинства алюминиевых сплавов не доставляет затруднений. Легирующие компоненты, за исключением магния, цинка, а иногда и меди, вводят в виде лигатуры. При выплавке небольших порций литейных сплавов в тигельных печах флюсы, как правило, не применяют, но при использовании пламенных печей (рис.1) они необходимы. Обязательной операцией является рафинирование от неметаллических включений и растворенного водорода. Наиболее сложна плавка алюминиево-магниевых и многокомпонентных жаропрочных сплавов.

Загрязнение алюминиевых сплавов неметаллическими включениями объясняется повышенной склонностью алюминия к газопоглощению при температурах плавки, а также высокой химической активностью алюминия и некоторых легирующих элементов, входящих в состав этих сплавов. При взаимодействии жидкого алюминия с топливными газами пламенных печей и влагой, вносимой шихтой, расплав насыщается водородом, растворимость которого увеличивается с ростом температуры. Реакция взаимодействия алюминия с парами воды

2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂

начинается при очень малых значениях парциального давления H₂O ( =2,6×10^–19 ат при 1000 К). Значительное количество водорода вводится в расплав с лигатурами, содержащими гидридообразующие металлы (титан, цирконий и др.). Гидриды металлов имеют переменный химический состав и активно диссоциируют при температурах 690-730 °С с выделением водорода:

2 Me H _n ® 2 Me + n H₂.

Высокая химическая активность алюминия (большое сродство к кислороду) приводит к повышенной окисляемости расплава и загрязнению его оксидом. Кроме того, алюминий является восстановителем по отношению к оксидам большинства металлов. Это вызывает активное взаимодействие алюминия с оксидами, входящими в состав футеровки и тиглей, по реакции

2Al + 3 Me O = Al₂O₃ + 3 Me.

В основном, неметаллические включения (твердые и газообразные) попадают в расплав из шихтовых материалов, а насыщение ими происходит затем в процессе плавки и разливки сплавов.

Газы, попавшие в сплав, образуют растворы или химические соединения. Растворенные газы при охлаждении отливок являются источником газовой пористости. При понижении температуры растворимость газов в жидком алюминии уменьшается, но при этом растет вязкость сплава, что затрудняет отделение пузырьков. Неметаллические включения располагаются преимущественно по границам зерен, нарушая связь между ними, снижая прочность, герметичность и коррозионную стойкость отливок.

В нисходящем ряду химической активности, по величине стандартного сродства к кислороду при образовании оксидов, основные легирующие элементы располагаются в следующем порядке:

Be ® Mg ® Al ® Ce ® Ti ® Si ® Mn ® Cr ® In® Fe ® Ni ® Cu.

Этот ряд показывает, что у большинства алюминиевых сплавов оксидная пленка будет состоять в основном из Al₂O₃. Сплошность этой пленки зависит от отношения молекулярных объемов оксида и металла, из которого он образовался, V _ок/ V _мет. Если V _ок/ V _мет > 1, то оксидная пленка будет сплошной и дальнейшее окисление зависит только от скорости диффузии кислорода в глубь металла (правило Пиллинга – Бэдвордса). Растворимость кислорода в алюминии очень мала, а отношение V _ок/ V _мет > 1, поэтому оксидная пленка на поверхности алюминиевого сплава является сплошной и хорошо защищает его от окисления.

Перед плавкой основные шихтовые материалы подвергают следующей обработке:

· тщательной очистке чушковых материалов, лигатур и отходов от следов коррозии и масла;

· предварительной переплавке мелких отходов (стружки, сплесок и т.п.) и разливке в чушки;

· просушке для удаления гигроскопичной влаги;

· отбраковке посторонних материалов.

Загрузка шихты в плавильную печь выполняется в определенной последовательности: сначала вводят чушковый алюминий и крупногабаритные отходы, затем переплав и лигатуры (чистые металлы). В жидкий металл при температуре не выше 730 °С разрешается загружать сухую стружку и малогабаритный лом. Максимально допустимый перегрев для литейных сплавов 800-830 °С, а для деформируемых 750-760 °С.

Режим плавки (температура, время расплавления) является важным фактором, влияющим на газонасыщенность сплава. В интервале температур 660-750 °С растворимость водорода в алюминиевых сплавах примерно 0,5-1,0 см³/100 г.Повышение температуры, а также увеличение времени выдержки расплава в печи приводит к значительному увеличению растворимости водорода. Поэтому сокращение времени плавки и минимально необходимый перегрев расплава (на 50 °С выше температуры литья) рекомендуются для технологии приготовления любого алюминиевого сплава.

Защитно-покровные флюсы применяют, как правило, при переплавке стружки и мелких отходов (табл.1). Такие флюсы состоят из смеси галоидных солей щелочных и щелочно-земельных металлов и являются пассивными как по отношению к газам печной атмосферы, так и по отношению к металлам, образующим сплав. Фтористые соли повышают поверхностное натяжение флюса на границе с расплавом и способствуют отделению флюса.

Таблица 1