Выбор и расчет оборудования производства лития

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Выбор и расчет оборудования производства лития

Екатеринбург

2021 г.

Содержание

выплавка цветной метал литий

Введение

1. Печи для выплавки цветных металлов

2. Электролитическое получение лития

3. Электролизер для получения лития

4. Отопление, вентиляция и кондиционирование

Заключение

Список литературы

Введение

Литейное производство - одно из древнейших ремесел, освоенных человечеством. Первым литейным материалом была бронза. В древности бронзы представляли собой сложные сплавы на основе меди с добавками олова (5-7%), цинка (3-5%), сурьмы и свинца (1-3%) с примесями мышьяка, серы, серебра (десятые доли процента, процент). Зарождение плавки бронзы и производства из нее литых изделий (оружия, украшений, посуды и т. Д.) В разных регионах восходит к III-VII тысячелетиям до нашей эры. По-видимому, почти одновременно была освоена выплавка самородного серебра, золота и их сплавов. На территории, где жили восточные славяне, развитое литейное дело появилось в первых веках нашей эры.

Разработка новых сплавов потребовала коренной перестройки технологии плавки и плавильного оборудования, использования новых формовочных материалов и новых методов изготовления форм. Массовый характер производства способствовал разработке новых принципов организации производства, основанных на обширной механизации и автоматизации процессов изготовления форм и стержней, плавки, литейных форм и обработки отливок.

С 1920-1930 гг. Для плавки цветных металлов [металлов и сплавов] широко используются электрические печи сопротивления, индукционные канальные и тигельные печи. Плавка тугоплавких металлов на практике оказалась возможной только при использовании дугового разряда в вакууме и электронно-лучевого нагрева. В настоящее время ведется разработка плазменного плавления, следующим шагом является плавление лазерным лучом.

1. Печи для выплавки цветных металлов

Плавка - это комплекс физико-химических процессов, происходящих в плавильных печах при переработке предварительно подготовленных материалов. Целью плавления является получение при определенной температуре сплава в жидком состоянии заданного химического состава, обладающего необходимыми литейными свойствами.

Технология плавления включает в себя различные операции, выполняемые в течение определенного периода времени, в зависимости от типа плавильной печи, ее производительности и состава сплава.

Целесообразно рассматривать процесс плавки методом системного анализа. Системами объекта являются вход, технологические операции, выход и обратная связь (рис. 1)

Вход состоит из обрабатываемого материала и оборудования, на котором обработка осуществляется. И то и другое вместе составляют процесс. Для осуществления плавки необходимо два основных элемента, образующих процессор: рабочее пространство плавильной печи и источник генерации тепловой энергии. Выход - результат процесса. Процесс (операции) превращает вход в выход.

Все процессы плавки цветных сплавов моно подразделить на монопроцессы и полипроцессы (рис. 2).

Характерной особенностью монопроцесса, наиболее распространенного при литье цветных сплавов, является выполнение всех плавильных операций в одной плавильной печи. Полипроцессная плавка или чистовая обработка металла осуществляется поэтапно в двух и более плавильных печах или установках. Полипроцессы используются при крупномасштабном и массовом производстве отливок и особенно при очень высоких требованиях к сплавам на наличие вредных примесей.

Параметрами процесса плавления являются температура и давление, которые зависят от типа плавильного агрегата и назначения (химического состава) сплава. Температурные диапазоны (0С) плавки цветных сплавов на основе: магния - 650-720, алюминия - 720-780, меди - 1000-1250, никеля - 1400 - 1650.

2. Электролитическое получение лития

Основной способ промышленного получения металлического лития-- электролиз расплавленных хлоридов.

Электролитом служит расплав, состоящий из LiCl и KCl. Диаграмма плавкости этой системы характеризуется эвтектикой при 60% (мол.) LiCl с температурой плавления 352°. Электролит имеет состав, близкий к эвтектике. Температура электролиза 450--500°.

Электролизер -- железный кожух, футерованный галькохлоритовым камнем. Катодное и анодное пространства разделены алундовой диафрагмой.

Графитовый анод и стальной катод вводят в электролизер сверху.

Для поддержания постоянства состава электролита в анодное пространство периодически добавляют безводный LiCl.

Хлор, выделяющийся из анодного пространства, собирают под перекрытием и направляют на хлорирование или поглощение.

Выделяющийся на катоде литий всплывает на поверхность электролита и собирается под крышкой, закрывающей катодное пространство. Катодную крышку поднимают, литий вычерпывают железной ложкой и разливают в изложницы. Полученный металл загрязнен электролитом и окислами, для очистки его переплавляют под слоем парафина или вазелинового масла при 200°.

Благодаря относительно высокой упругости паров лития при температуре электролиза, он взаимодействует с хлором, что снижает выход по току до 75--77%. Расход электроэнергии составляет 55--60 квт*ч/кг лития.

Хранят литий (в форме чушек) в герметичных металлических коробках под слоем пастообразной массы из парафина и минерального масла.

Чистота получаемого после переплавки металла в лучшем случае составляет 95%, Основная примесь -- калий; другие примеси, загрязняющие металл, -- натрий, магний, алюминий, кремний и железо.

Электролизом можно получать двойные сплавы лития с другими металлами. Эти сплавы, как указано выше, применяются в качестве раскислителей и дегазаторов, а также в качестве лигатур при изготовлении сплавов, содержащих литий.

Для получения сплавов лития и кальция пользуются электролитом из LiCl и CaCl2. Система LiCl--CaCl2 образует эвтектику с 37% (мол) CaCl2, имеющую температуру плавления 490°. Температура электролиза 500 - 550°. Выход по току до 90%. Dk = 30 : 60 а/см2, a Da = 6 а/см2. В зависимости от состава расплава можно получать сплавы с различным содержанием лития- при 50% (вес.) LiCl сплавы содержат --25% лития, а при 70% LiCl -- 40% лития (остальное в обоих случаях кальций).

Сплавы лития с алюминием, цинком и свинцом можно получить электролизом расплава LiCl -- KCl при жидком катоде. Предел насыщения сплава литием определяется температурой электролиза. Поскольку интерметаллические соединения лития имеют высокую температуру плавления, на дне электролизера образуется кашеобразная масса. Катодный металл необходимо периодически обновлять.

Меднолитиевые сплавы могут быть получены электролизом расплавленного хлористого лития с применением медных катодов. Образующийся на катоде сплав стекает на дно электролизера, откуда периодически удаляется.

Электролитический способ получения лития требует применения в качестве исходного сырья самой дорогой соли лития -- его хлорида; удельный расход электроэнергии высок; полученный металл загрязнен примесями и нуждается в дополнительном рафинировании. Поэтому в последнее время разрабатываются новые способы получения металлического лития -- в первую очередь вакуум-термические.

3. Электролизер для получения лития

Рассмотрим изобретение, которое относится к области металлургии и может быть использовано для получения щелочных металлов электролизом расплавленных солей, в частности в промышленном производстве лития.

Электролизер для получения лития содержит охлаждаемый металлический корпус, катоды, крышку с установленными в ней анодами, устройство сбора и транспортировки лития, закрепленное на крышке корпуса электролизера посредством подвески, включающее корпус сборного устройства с закрепленным в нем осевым насосом, приемную воронку с опускной трубой, соединенную с кессоном для сбора лития, шток с запорным устройством, расположенный на крышке электролизера, и штурвал высоты с винтовым штоком. Обеспечивается повышение безопасности работы электролизера и качества получаемого лития. (рис. 3)

Рисунок 3. Электролизер

1. Электролизер для получения лития, содержащий охлаждаемый металлический корпус, катоды, крышку с установленными в ней анодами и устройство сбора и транспортировки лития, отличающийся тем, что устройство сбора и транспортировки лития закреплено на крышке электролизера с помощью подвески и содержит осевой насос, приемную воронку с опускной трубой, соединенную с кессоном для сбора лития, и расположенный в верхней ее части патрубок сброса газовой фазы с запорным клапаном, металлический шток, закрепленный в крышке электролизера, и штурвал высоты с винтовым штоком.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что приемная воронка, соединенная с кессоном для сбора лития, расположена в электролите ниже его рабочего уровня.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что запорный клапан патрубка сброса газовой фазы выполнен шаровой или конической формы, при этом запорное устройство клапана расположено в нижней части металлического штока, верхняя часть которого расположена выше крышки электролизера.

Наиболее близким по существенным признакам и достигаемому результату к заявляемому является электролизер для получения лития по патенту РФ №2135642 МПК С25С 3/02, 7/00, 1997 г. - прототип, содержащий охлаждаемый металлический корпус, выполненный герметичным со всеми узлами, катоды, снабженные газоотделителем и оборудованные системой лотков для сбора и транспортировки лития внутри корпуса с патрубком, введенным соосно в патрубок сборника, крышку с установленными в ней анодами, сборник и накопитель, расположенные вне корпуса, регулятор перепада давления.

Электролизер по патенту РФ № 2135642 имеет, хотя и в меньшей степени, те же недостатки, что и электролизер по патенту США № 4092228. Перечисленные недостатки данных электролизеров не позволяют получать металлический литий батарейного сорта, используемый для производства литиевой фольги, без дополнительной очистки (рафинирования). Кроме того, конструкция обоих электролизеров не обеспечивает предотвращения образования взрывоопасной газовой смеси в процессе их эксплуатации.

Технической задачей изобретения является повышение безопасности работы электролизера и качества получаемого лития.

Поставленная техническая задача решается тем, что в электролизере для получения лития, содержащем охлаждаемый металлический корпус, катоды, крышку с установленными в ней анодами, устройство сбора и транспортировки лития, согласно изобретению устройство сбора и транспортировки лития закреплено на крышке корпуса электролизера при помощи подвески и включает в себя корпус сборного устройства с закрепленным в нем осевым насосом, приемную воронку с опускной трубой, соединенную с кессоном для сбора лития, шток с запорным устройством, расположенный на крышке электролизера, и снабжено штурвалом высоты с винтовым штоком.

Приемная воронка и кессон размещены в электролизере под слоем расплавленного электролита.

В верхней части кессона расположен патрубок сброса газовой фазы, содержащий запорный клапан шаровой или конической формы. Запорное устройство клапана расположено в нижней части металлического штока, верхняя часть которого выведена за пределы корпуса электролизера.

Регулирование забора лития в электролизере производится путем опускания (поднимания) приемной воронки с опускной трубой несколько ниже уровня электролита, на поверхности которого находится расплавленный литий. Подъем (опускание) корпуса устройства сбора лития с закрепленным в нем осевым насосом, приемной воронки с опускной трубой и кессона производится штурвалом высоты за счет вращения винтового штока.

На валу осевого насоса расположено рабочее колесо, которое также находится в расплавленном электролите.

Кессон (сборник) соединен трубопроводом, содержащим вентиль, с накопительной камерой, заполненной аргоном и расположенной вне корпуса электролизера.

Данная конструкция электролизера позволяет исключить накопление водорода и хлора в кессоне и не требует его продувки аргоном. Соответственно, в накопительной камере водород и хлор также отсутствуют, поэтому для обеспечения высокого качества лития необходимо лишь создать в накопительной камере защитную атмосферу. При такой конструкции электролизера нет необходимости в интенсивной продувке аргоном накопительной камеры.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже представлен электролизер для получения лития.

Электролизер имеет охлаждаемый корпус 1 с расположенными в нем катодами 2, крышку 3 с установленными в ней анодами 4, устройство для сбора лития, включающее в себя корпус 5 сборного устройства, осевой насос 6, приемную воронку с опускной трубой 7, соединенную с кессоном 8, который, в свою очередь, соединен трубопроводом 9 с накопительной камерой 10, расположенной вне корпуса электролизера. В накопительной камере 10 находится емкость 11. Трубопровод 9 содержит вентиль 12. В верхней части кессона 8 расположен патрубок 13 с клапаном для сброса газовой фазы. Клапан патрубка 13 сброса газовой фазы открывается и закрывается запорным устройством, находящимся в нижней части штока 14. Корпус 5 сборного устройства закреплен на крышке электролизера 3 при помощи винтового штока 15 и подвески 16. Верхняя часть винтового штока 15 соединена со штурвалом высоты 17.

Электролизер работает следующим образом.

Пуск электролизера осуществляется заливкой в него расплавленного электролита или расплавлением загруженных солей за счет пропускания переменного или постоянного тока через перемычки, установленные между электродами. После наплавления солей и доведения уровня электролита на 10±5 мм выше приемной воронки перемычки удаляются, и на электроды 2, 3 подается постоянный ток. Выделяющийся на катодах литий всплывает на поверхность электролита, а выделившийся на анодах хлор удаляется через газоход (на чертеже не показан) в систему удаления анодных газов за счет разряжения, создаваемого вентилятором. Осевой насос 6 включается при появлении на поверхности электролита расплавленного лития, при этом клапан патрубка 13 сброса газовой фазы остается открытым, а вентиль 12 закрытым. При включении осевого насоса 6 смесь жидкого электролита и расплавленного лития с верхнего уровня закачивается рабочим колесом осевого насоса 6 вниз в кессон 8, литий всплывает и накапливается в кессоне 8, вытесняя из него через открытый клапан патрубка 13 анодные газы, которые могут частично захватываться электролитом с его поверхности при работе осевого насоса 6. Всплывание лития через патрубок 13 означает, что газовой фазы над поверхностью лития в кессоне 8 не осталось, и при помощи штока 14 запорным устройством, находящимся на конце штока, клапан патрубка 13 закрывается, что приводит к прекращению всплывания лития через патрубок 14. После заполнения кессона 8, трубопровода 9 расплавленным литием осевой насос 6 отключается, открывается вентиль 12, и литий под действием выталкивающей силы электролита наполняет емкость 11, находящуюся внутри накопительной камеры 10. После заполнения емкости 11 вентиль 12 закрывается, а запорный клапан патрубка 13 открывается. Через систему шлюзов литий направляется из емкости 11 накопительной камеры 10 на последующие операции разливки в изложницы, охлаждения и кристаллизации. Перед сбором расплавленного лития в приемную камеру 10 в ней создается защитная атмосфера за счет продувки и заполнения аргоном.

Регулирование забора лития в электролизере производится путем опускания (поднимания) приемной воронки с опускной трубой 8 на 10±5 мм ниже уровня электролита, на поверхности которого находится расплавленный литий. Подъем (опускание) приемной воронки с опускной трубой 7 и кессона 8 производится штурвалом высоты 17 за счет вращения винтового штока 15.

Использование изобретения позволяет повысить безопасность работы электролизера, улучшить качество лития и получать литий батарейного сорта без дополнительной очистки (рафинирования).

4. Отопление, вентиляция и кондиционирование

Системы отопления и вентиляции помещений производства электролитического лития должны соответствовать требованиям нормативно-технической документации в области промышленной безопасности, санитарным и строительным нормам и правилам с учетом особенностей свойств лития.

В помещениях следует принимать водяное отопление. При этом устройства систем отопления, применяемые элементы, арматура, а также их расположение должны исключать попадание влаги в эти помещения при эксплуатации, обслуживании и ремонте. В отдельных обоснованных случаях, при обустройстве механической приточной вентиляции, допускается применять воздушное отопление, при этом вентиляционное оборудование должно иметь искробезопасное исполнение.

Водяное отопление в помещениях управления (щитовых, пультовых) в производствах электролитического водорода выполняется в соответствии со строительными нормами и правилами, утвержденными в установленном порядке.

Помещения электролиза, оборудуются естественной вытяжной вентиляцией из верхней зоны через дефлекторы в объеме не менее однократного в час. Приток воздуха в необходимом объеме должен осуществляться через оконные проемы, оборудованные пылезадерживающими устройствами.

Все створные оконные и фонарные переплеты и другие открывающиеся устройства, необходимые для осуществления естественной приточной вентиляции, должны быть оборудованы легкоуправляемыми и надежными в эксплуатации приспособлениями, позволяющими регулировать величину вентиляционного отверстия и устанавливать их в требуемое положение.

При обосновании в отдельных случаях допускается устройство механической приточно-вытяжной или смешанной (механический приток и естественная вытяжка) общеобменной вентиляции с кратностью воздухообмена не менее 6 в час. В этом случае должна быть предусмотрена аварийная вентиляция с кратностью не менее 8 в час с учетом постоянно действующей. В этом случае при аварии дополнительно к постоянно работающей общеобменной вентиляции производства электролитического лития должна автоматически включаться воздушно-приточная система.

Возможность применения эжекторных установок низкого давления в вытяжных системах в помещениях, связанных с обращением лития, определяется проектной организацией.

Заключение

Значение цветной металлургии. В народном хозяйстве практически нет ни одной стройки, где бы не использовались цветные металлы. Авиационная промышленность является основным потребителем алюминия, магния, титана и никеля; алюминий и титан используются в судостроении; медь и алюминий - основные материалы в электротехнике. Расширяется использование алюминия в строительстве и магния в машиностроении. Значение олова, сурьмы, свинца в производстве припоев, аккумуляторов и других специальных сплавов.

Цветная металлургия снабжает народное хозяйство не только металлами и сплавами, трубами и прокатом, но и другой важной продукцией: серной кислотой и элементарной серой, содой и минеральными удобрениями, стройматериалами и т. д.

Список литературы

1. Анализ минерального сырья. Под общей редакцией Ю.Н. Книпович и Ю.В. Морачевского. Госхимтеоретиздат. Л., 1956.

2. Бетехтин А.Г. Курс минералогии. Госгеолтехиздат, 1956.

3. Боровик-Романова Т.Ф. Спектрально-аналитическое определение щелочных и щелочноземельных элементов (в водах, растениях, почвах и породах). АН СССР, 1956.

4. Геологический словарь, тт. I и II, Госгеолтехиздат, 1955.

5. Гинзбург А.И. Некоторые особенности геохимии лития. Тр. мине­ралогического музея АН СССР., вып. 8. 1956.

6. Иванов Д.Н. Применение пламенного фотометра для определения некоторых элементов в растворах. Тезисы докладов на Совещании по спектро-фотометрическим и колориметрическим методам анализа 15--17 декабря 1955 г. АН СССР, 1955.

7. Коган Б.И. Литиевая промышленность в капиталистических странах. Цветные металлы № 6, 1955.

8. Королев В.В. Методы спектрального анализа пород на редкие элементы, В книге «Современные методы анализа редких элементов». АН СССР. М., 1956.

9. Попилов Л.Я. Полирование. Справочная книга по отделочным операциям в машиностроении. - Л., 2000.

10. Популярная библиотека химических элементов. - М., Наука, 2007.

11. Алесковский В.Б. и др. Концентрирование и определение микроэлементов при гидрохимических поисках рудных месторождений. Вып. I. Лаборатория микроэлементов и веществ высокой степени чистоты Ленинградского технологического института им. Ленсовета, Л. 1957, 48 стр.

12. Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements, Oxford, Butterworth, 2001.

Размещено на Allbest.ru