Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân, vì các kim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa luyện.

Trong công nghệ kết tủa kim loại Catot, cấu trúc tinh thể và hình dạng bên ngoài của kết tủa Catot có ý nghĩa rất lớn

Chương I

Giới thiệu chung về công nghệ

điện phân

1 Vai trò của ngành điện phân.

Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân chiếm 1 vai trò hết sức quan trọng Tuyệt đại đa số các kim loại khi luyện hoăc tinh luyện đều cần thiết dùng phương pháp điện phân.

Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân, vì các kim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa luyện Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muối như NaCl, KCl,… hoặc qua sơ chế thành NaOH, KOH…, chúng đều là các chất điện ly nên có thể điện phân trực tiếp.

Luyện kim bằng phương pháp điện phân có ưu điểm chính:

+ Có thể luyện được những kim loại mà phương pháp hỏa luyện không thể luyện được.

+Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng Õit… đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn phương pháp khác.

+Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng.

+Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao.

2 Lý thuyết quá trình điện phân.

a) Hệ thống điện hóa :

b)Dung dịch điện ly.

Dung dịch điện ly gồm:

+ Thành phần cơ bản: gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại cùng 1 số hóa chất khác.

+Thành phần phụ gia: chất đệm và chống thụ động Anôt Chức năng của chất đệm là giữ cho thành phần của dung dịch luôn ổn định khi điện phân, tốc độ của kim loại về Catot cũng nhỏ khi thoát

ra cũng phải ổn định Đồng thời chất đệm chống thụ động Anot.

Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là:

+ Dung dịch nước + Dung dịch muối nóng chảy.

Dựa vào đó cũng có các công nghệ điện phân khác nhau như:

+Điện phân trong dung dịch nước: luyện kẽm, tinh luyện Cu,Ni,Pb…

+ Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loại đắt, hiếm…

c Một số đặc điểm của dung dịch điên phân:

- Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn

ra đồng đều.

- Độ pH phù thuộc chất điện phân.

- Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi.

3 Các quá trình điện cực.

Quá trình Anot:

điện phân, trên anot xảy ra quá trình điện hóa (oxi hóa) gọi là quá trình Anot

và chia làm 2 loại:

+Quá trình Anot tan.

+Quá trình Anot không tan.

Bản chất của các quá trình xảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa.

a Trường hợp Anot tan.

Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung dịch điện phân.

Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyên trên bề mặt catot.

Cơ chế của quá trình Anot tan gồm 3 giai đoạn chính:

- Tách ion ra khỏi mạng tinh thể và chuyển điện tử vào mạng điện.

- Khuếch tán các Cation vào trong dung dịch.

b Trường hợp Anot không tan

Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch:

4OH – – 4e  2H 2 O + O 2

2Cl – – 2e  Cl 2

Quá trình Catot:

Catot là điện cực nối với cực âm của nguồn điện 1 chiều, là nơi đặt vật

mạ hoặc thu kim loại tinh chế, do quá trình hoàn nguyên kim loại diễn ra trên bề mặt catot.

Bản chất của các quá trình catot chính là sự khử các Cation thành kim loại:

M Z+ + z.e  M Hoặc hoàn nguyên Hydro:

- Sự tuần hoàn ding dịch.

a) Xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch:

Đây là yếu tố ảnh hưởng phức tạp vì có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung dịch Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điễn của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot.

Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật độ dòng cao hơn.

b) Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch

Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo

đi, gây phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùng được mật độ dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ …

c) Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện:

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắc sít và đồng đều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạo mầm,ngược lại, mật độ dòng thấp cho kết tủa to, thô.

Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bị gai, bị cháy.

Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại,

do đó, muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn bằng cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ và đối lưu dung dịch.

5 Nguồn điện phân

Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, ta thấy mật độ dòng là yếu tố quyết định Để có được độ mịn, độ gắn bám tốt thì nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dòng bằng phẳng và có thể điều chỉnh liên tục trong 1 giới hạn rộng, cấp được một mật độ dòng đủ lớn.

Tính chất tải điện phân:

Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể

mạ nhỏ, do đó, hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên coi ảnh hưởng của tụ là không đáng kể Sức điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua.

Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có một mật độ dòng lớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1 chiều cũng phải thật bằng phẳng.

Đây chính là yêu cầu thiết kế nguồn điện phân

Chương II Phân tích-lựa chọn phương án

Nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân được yêu cầu có điện áp cao và dòng rất lớn, tới hàng chục ngàn Ampe.

Sự ổn định, chất lượng dòng điện cấp cho bể là yếu tố quan trọng nhất, quyết định tới chất lượng sản phẩm điện phân.

Nguồn điện 1 chiều nói chung có thể được cung cấp từ Ắcquy Máy phát điện 1 chiều hay các bộ biến đổi…

Phân tích ưu và nhược điểm của từng loại nguồn cung cấp:

2 Máy phát điện 1 chiều:

Sử dụng máy phát điện 1 chiều, với ưu điểm ổn định, phát được công suất lớn, dễ điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi chế độ kích từ, máy phát điện 1 chiều đáp ứng được yều cầu của công nghệ điện phân quy

mô sản xuất lớn.

Tuy nhiên, sử dụng máy phát điện 1 chiều không thích hợp với sản xuất quy mô vừa và nhỏ do giá thành cao, thiết bị cồng kềnh, cấu tạo cổ góp phức tạp, nhanh hỏng nên máy phát điện 1 chiều thường xuyên phải bảo trì và gây

ra tiếng ồn vận hành lớn.

3 Các bộ biến đổi :

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn ngày càng hoàn chỉnh cùng với những ưu điểm như: tác động nhanh, độ tin cậy cao… việc sử dụng các bộ biến đổi trở nên rộng rãi ở hầu hết các ngành công nghiệp.

Trong công nghệ điện phân, các bộ biến đổi bán dẫn là 1 sự lựa chọn kinh tế.

Việc biến đổi dòng điện cung cấp cho điện phân có thể thực hiện được nhờ sử dụng máy biến áp trước chỉnh lưu diode, hoặc sử dụng chỉnh lưu có điều khiển.

a) Sử dụng biến áp tự ngẫu trước chỉnh lưu diode.

Ít sử dụng vì khó chế tạo được máy biến áp chịu dòng tới hàng ngàn Ampe.

b) Sử dụng bộ điều áp xoay chiều 3 fa trước chỉnh lưu diode.

Phương pháp này cho phép điều chỉnh dễ dàng nhưng bộ điều áp xoay chiều có dòng điện sơ cấp không Sin, làm cho chất lượng dạng sóng thấp Sóng hài làm cho dòng từ hóa nhọn đầu, mạch từ bão hòa mạnh nên phương pháp này cũng không được sử dụng nhiều trong điện phân.

c) Sử dụng chỉnh lưu có điều khiển.

Hệ chỉnh lưu điều khiển gồm máy biến áp nguồn và bộ chỉnh lưu có điều khiển , với ưu điểm gọn nhẹ, dễ điều khiển, dễ tự động hóa, cho chất lượng dòng điện tốt, chi phí thấp, có thể lắp đặt riêng cho từng bể …nên đây là phương án hiệu quả nhất.

Với yêu cầu nguồn điện phân có điện áp không cao, dòng rất lớn và phải dễ dàng điều chỉnh, các phương án chỉnh lưu được chọn là:

- Chỉnh lưu đối xứng cầu 3 pha

3.4 Phân tích các phương án chỉnh lưu có điều khiển.

3.4.1 Chỉnh lưu cầu 1 fa.

Là sơ đồ đơn giản nhất, sử dụng ít linh kiện nhất trong các phương án.

Tuy nhiên, chỉnh lưu cầu 1 pha cho công suất không lớn, đồng thời gây

tổn thất trên van nên không thích hợp cho yêu cầu dòng tải và công suất lớn.

3.4.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng.

a) Sơ đồ nguyên lý :

T 1

U A 2

R 1 R

Tải có cuộn cảm L đảm bảo san bằng dòng 1 chiều đạt yêu cầu.

+Bộ biến đổi: sơ đồ cầu 3 pha

- Nhóm T 1 ,T 3 ,T 5 đấu Catot chung:

T 1 ,T 3 ,T 5 đấu Catot chung , khi Anôt của van nào bắt đầu có thế dương

hơn so với Anôt của các van còn lại thì mới được phép phát xung điều khiển để

mở van đó.Điểm đó được coi là điểm gốc để tính góc mở chậm cho thyristor ấy.

T 1 ,T 3 ,T 5 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Catot chung, có nguồn cung cấp là U a , U b , U c và mạch tải là 2 điểm K và O.

U d2 = U KO

-Nhóm T 2 ,T 4 ,T 6 đấu Anot chung:

T 2 ,T 4 ,T 6 đấu Anôt chung,khi nào thế Catot của van nào bắt đầu có thế

âm hơn so với thế Catôt của các van còn lại thì mới được phép phát xung điều khiển vào để mở van đó Điểm đó được coi là điểm gốc để tính góc mở chậm cho Thyristor đó.

T 2 ,T 4 ,T 6 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Anot chung, có nguồn cung cấp U a , U b , U c và mạch tải là 2 điểm A và O

U d2 = U AO

 KL:Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha thực chất là 2 chỉnh lưu điều khiển đối xứng tia 3 pha,1 đấu Catôt chung ,1 đấu Anôt chung,được đấu nối tiếp nhau có cùng nguồn cung cấp Còn mạch tải nối tiếp nhau nên:

d

b) Hoạt động của sơ đồ:

Giả thiết T 5 và T 6 đang thông ta có :

- U C thông qua T 5 đặt lên K

- U b thông qua T 6 đặt lên A  U d = U KA = U CB

+ Đến thời điểm θ = O 1 + α = π/6 + α , Phát xung điều khiển mở T 1 Khi đó : Anot T 1 mang thế U a

Cứ như vậy các xung điều khiển lệch nhau π/3 lần lượt được đưa đến các cực điều khiển cua các Thyristor theo thứ tự T 1 ,T 2 ,T 3 ,T 4 ,T 5 ,T 6 ,T 1 …

Trong mỗi nhóm đấu chung K (hoặc A), khi 1 van mở thì nó sẽ khóa ngay van trước đó theo thứ tự như bảng sau:

2

Ti

3

Ti

6

Ti

5

Ti

4

Ti

0 0 0 0 0

Điện áp tải trung bình:

Ud =

2

| 6

6 1

Sử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao.

Sơ đồ này dùng cho tải công suất lớn, dùng tải nhỏ,chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

3.4.3 Chỉnh lưu điều khiển 6 fa có cuộn kháng cân bằng.

a) Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm:

+ Máy biến áp động lực có cuộn kháng cân bằng C cb

+ 6 Thyristor chia làm 2 nhóm T 1 ,T 3 ,T 5 và T 2 ,T 4 ,T 6

Máy biến áp có 2 hệ thống thứ cấp (a,b,c) và (a’,b’,c’).

Các cuộn dây trên mỗi pha (a & a’);(b &b’);(c & c’) có số vòng dây như nhau nhưng có cực tính ngược nhau.

Hệ thống dây cuốn máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt O 1 , O 2 được nói với nhau qua cuộn kháng cân bằng.

Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo như máy biến áp tự ngẫu.

Điện áp chỉnh lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị như trung bình cộng của điện áp đầu ra của 2 chỉnh lưu hình tia 3 pha :

  U dmax = 3 6U2



Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng, dòng tải có thể coi là phẳng hoàn toàn.

Dòng trung bình qua van:

b) Ưu nhược điểm của sơ đồ:

- Dòng điện - điện áp ra có độ bằng phẳng cao, độ đập mạch 5,7%

- Dòng trung bình qua van nhỏ chỉ bằng 1/6 dòng tải

- Do tính đối xứng (ngay cả khi α thay đổi) nên bộ lọc thiết kế đơn giản, trọng lượng cũng như kích thước nhỏ.

- Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chỉnh lưu loại này là giá thành cao do sử dụng nhiều van công suất, và thiết kế máy biến áp cũng như cuộn kháng cân bằng rất phức tạp Đây chính là nhược điểm cũng như hạn chế khả năng ứng dụng của sơ đồ trong quy mô sản xuất vừa và nhỏ.

 Kết luận:

Như vậy, theo yêu cầu của đề tài thiết kế:

Nguồn áp : 500V

Dòng tải : 30.000 A Cùng với những phân tích ở trên, em đi đến lựa chọn phương án:

Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng có điều khiển là hợp lý nhất, có thể thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế của đề tài.

CHƯƠNG III

Tính toán thiết kế mạch lực.

Yêu cầu thiết kế:

Điện áp tải : U d = 500 V Dòng điện tải : I d = 30000 A

I Tính chọn Van bán dẫn công suất.

Chọn chế độ làm việc định mức của van là chế độ công suất cực đại Tức là góc mở chậm α = 0 o

+) Điện áp đầu ra của chỉnh lưu được tính :

U ngmax = 6.U2= 6.213,76=523,6 V

Chọn hệ số dự trữ điện áp: K u = 1,8

+) Dòng điện trung bình qua van:

I tbVan =

3

d

I =30000

Chọn van có hệ số dự trữ dòng điện: k=1,2.

 Dòng điện định mức của van cần chọn :

+) Điện áp ngược cực đại :U ngmax = 1000 V

+) Dòng điện làm việc cực đại :I dmmax = 6840 A

+) Dòng điện xung điều khiển :I g max = 300 mA

+) Sụt áp trên thyristor ở trạng thái bán dẫn :∆U max = 1.06 V

II Tính toán máy biến áp lực.

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, sơ đồ đấu dây   / .

II.1 Tính sơ bộ máy biến áp.

1 Công suất biểu kiến máy biến áp:

3. Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

U d0 cos α min = U d +2.∆U V + ∆U dn +∆U BA

Với:

- α min = 10 0 là góc dự trữ khi có sụt giảm điện áp lưới.

- ∆U V = 1.06 V: sụt áp trên van công suất.

- ∆U dn  0: sụt áp trên dây nối.

- U BA U r  U x : sụt áp trên điện trở và điện kháng của MBA.

Chọn sơ bộ:

∆U BA = ∆U R + ∆U X ≈ 6%.U d0 = 0.06×500 = 30 V

Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải, ta có:

→U d0 =

min

2 os

1 Tiết diện sơ bộ trụ:

Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức:

Q Fe = .

.

BA Q

S K

m f

K Q : Hệ số phụ thuộc máy biến áp.

Chọn K Q = 5 ứng với máy biến áp dầu.

B.Tính toán dây cuốn:

1 Số vòng dây mỗi pha máy biến áp:

_Sơ cấp:

4 T

10,6 4,44.f.Q.B  4, 44.50.1620.10 1   (vòng)

_Thứ cấp:

4 T

6.5 4,44.f.Q.B  4, 44.50.1620.10 1   (vòng)

 Ta lấy:W1=11(vòng).

W2=7 (vòng) Đảm bảo W 1 /W 2 = U 1 /U 2

2 Tiết diện dây quấn.

Do dòng điện trong các cuộn dây là rất lớn, ta cần phải chọn dây cuốn song song

2.1 Kết cấu dây cuốn sơ cấp:

Dòng điện hiệu dụng: I 1 = 14970,9 (A)

→ Ta chọn dây cuốn gồm 16 bánh dây nối song song ,mỗi bánh có 11 vòng dây ,mỗi vòng có 6 dây ghép song song.

Như vậy, bên sơ cấp sẽ có tất cả: 16.6=96 sợi song song với nhau.

→ Dòng qua mỗi sợi dây:

d

I

mm

Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn: S 1 = 58,3 ( mm 2 )

Chọn loại dây đồng mã hiệu ЛЬ có các kích thước: a×b = 5,111,6 (mm)

( tính cả chiều dày cách điện)

2 1

155,95

2,67 58,3

d

mm

2.2 Kết cấu dây cuốn thứ cấp:

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp: I 2 = 24495 (A)

Chọn dây cuốn gồm 22 bánh dây nối song song ,mỗi bánh có 7 vòng dây ,mỗi vòng dây có 6 dây ghép song song.

 Như vậy, có tất cả 226 = 132 sợi song song bên thứ cấp.

S 2 = 2  2

2

185,57

67,5 2,75

185,57

2,74 67,7

2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van:

Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆P, sinh ra nhiệt đốt nóng van.

Mặt khác, các thiết bị bán dẫn rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ, và chỉ cho phép làm việc ở nhiệt độ t < t cp

Để van có thể hoạt động tốt, với dòng điện qua van rất lớn tới 7 KA, ta cần phải làm mát cho van bằng hệ thống nước khử ion.

4 Bảo vệ quá dòng điện cho van.

a) Sử dụng Aptomat đóng cắt mạch động lực, tự động vảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp.

Chọn Áptomat có: I dm = 1.1×I 1 dây = 1.1 3.14970,9 = 28523,4 (A) Chọn bằng 28000 (A)

Được chỉnh định dòng ngắn mạch:

I nm = 2.5 I 1dây = 2.5 3.14970,9 = 64825,9 (A)

Chọn bằng 64800 (A) Dòng quá tải: I qt = 1.5I 1dây = 1.5 3.14970,9 = 38895,5 (A)

Chọn bằng 38800 (A) b) Các cầu chì bảo vệ ngắn mạch.:

 Cầu chì nhóm CC 1 :

I CC1 = 1,1.I 2 = 1.1×24494,9 = 26944,4 (A) Chọn loại 26000 (A)

 Cầu chì nhóm CC 2 :

I CC2 = 1,1.I V = 1.1×6666,7 =7333,37(A) Chọn loại 7000 (A)

 Cầu chì nhóm CC 3 :

I CC3 = 1,1.I d = 1.1×30000 = 33000 (A) Chọn loại 30000 (A)

CHƯƠNG IV Tính toán mạch điều khiển