流水線電解鎂技術概述

周小淞

(貴陽鋁鎂設計研究院,貴州貴陽 550081)

流水線電解鎂技術概述

周小淞

(貴陽鋁鎂設計研究院,貴州貴陽 550081)

結合當前鎂電解生產的狀況,介紹了流水線電解槽的組成、結構,對流水線電解鎂的工藝流程作了闡述,為實現鎂電解生產大型化、自動化提供有利參考。

流水線;電解法煉鎂;電解槽;工藝流程

當前鎂工業生產中,電解法煉鎂能有效提高產能和節能減排,是鎂工業生產的一個趨勢。電解槽是電解法煉鎂的重要設備,它的性能直接影響到產品的各項工藝技術指標。當前常用的電解槽[1,2]分為有隔板槽、無隔板槽、多級槽3種類型,有隔板槽為早期的西方國家技術,中國于20世紀50年代在撫順鋁廠使用有隔板槽建成鎂電解車間并投入生產,民和鎂廠一期工程也曾采用此項技術;無隔板電解槽[3,4]最早是由加拿大鋁業公司開發和使用的,無隔板電解槽分為兩種類型:一種是借導鎂槽使鎂進入集鎂室,又稱阿爾肯型無隔板電解槽;另一種無導鎂槽,是借電解質的循環運動使鎂進入集鎂室。無隔板電解槽具有很多優點,因電解室密封性好,氯氣濃度較高,氯氣與鎂分離較好,電耗較低。與有隔板電解槽相比,無隔板電解槽單位槽底面積鎂的生產率較高,熱損失較低,能量消耗顯著下降,這些突出的優勢使得20世紀60年代以后,無隔板電解槽在世界鎂工業生產中得到越來越廣泛的應用。多級槽為日美20世紀80年代技術,2007年國內相關項目通過不同途徑進行了引進,主要用于鈦工業生產。目前為止,國內電解法煉鎂對電解槽操作的所有主要作業都是單獨地在每個電解槽上進行。電解槽在供電方面是聯結在一個電路上,在工藝操作方面,由于是單個設備,工作時需要對單個電解槽進行操作,這種工藝的勞動消耗量是相當大,并且頻繁的操作高溫熔體不利于生產的安全防范,給生產管理及環境保護帶來極大危害。為此,本文介紹一種流水線電解作業工藝,此工藝為前蘇聯獨創技術,最早在以色列鎂廠得到應用,目前國內正引進過此技術,尚未投產,也未曾見報道。它可實現鎂電解工藝的集中加料,集中出鎂,降低工人的勞動強度,提高電解生產的安全性,為實現生產過程的全盤機械化和自動化提供有利條件。

1 流水線作業組成部件

流水線式無隔板電解槽主要由頭槽、精煉槽、流水線槽、尾槽、熔體輸送管道組成,首槽、精煉槽、流水線槽和尾槽經熔體管道依次串聯連接,尾槽與首槽經回流熔體管道連接。電解流水線上順次配置頭槽、精煉電解槽、流體槽、分離槽。頭槽單獨設整流室供電。通過直流電極除去鐵、鈦等雜質。第一室蓋上有兩個加料口,一個是氯化鎂加料口,另一個是調配電解質的氯化鈉和氯化鉀加料口。第二室用于進一步電解除鐵和鈦、調整溫度,同時沉降雜質并出渣,純凈電解質從第二室側面出口流出。頭槽電極頭用水冷卻。

精煉電解槽,串聯于電解系列中,主要作用是穩定電解質溫度、進一步電解除雜質。

流體槽包括一個集鎂室、兩個電解室,集鎂室兩端上部有電解質進出口,用流槽與相鄰電解槽連接。如此串聯成電解生產流水線。流水線電解槽是電解車間生產主體電解槽。

尾槽,又稱分離槽,是電解流水線上最后一個設備,但不與直流主母線連接,各電解槽電解出的鎂隨同電解質匯集于分離槽。尾槽有大小各一室,每室有交流加熱電極。大室側面上部有流體進口,蓋上有兩個出鎂口。鎂匯集在大室電解質上部,電解質進入小室。小室中有兩個氣壓泵(充氣箱)、氣壓泵出口位于上蓋,通過向箱內鼓壓縮空氣,把電解質輸送到頭槽,實現電解質循環。用真空抬包抽出鎂,加入連續精煉爐精煉。

2 流水線電解鎂工藝流程

氯化鎂由氯化鎂抬包運輸車運至電解車間,同固體氯化鈉和氯化鉀一起加入頭槽,配成成分符合要求的電解質,流入第一臺電解槽——精煉電解槽,電解出的鎂與電解質自動流入第二臺精煉電解槽,然后順次流入各流水線電解槽進行電解。頭槽中有交流電極和直流電極。交流電極起加熱作用;直流電極用于除去電化學活性物質(如鐵、鈦等)。相比其它氯化物成分,氯化鎂電解需要的電壓低,最先被電解,隨著電解和化合物形成,鎂離子按照以下反應方程式從化合物中分離出來并在陰極還原:

鎂在陰極上析出,氯氣在陽極上析出。氯氣氣泡在陽極形成,使極距間形成提升力,從而促使電解質定向循環,氯氣上升到表面,排放到氯氣輸送管道,再進入車間氯氣總管,電解質流入到集鎂室時帶來的部分氯氣排放到廢氣處理系統,電解出的鎂進入集鎂室并與電解質一起經過槽間溜槽進入下一臺電解槽。接最后一臺電解槽的是尾槽,尾槽不連于直流母線上、不進行電解過程。尾槽功能是匯集鎂與電解質并進行分離。尾槽中的鎂用粗鎂真空抬包抽出,用天車吊運到精煉車間,加入連續精煉爐進行精煉。連續精煉爐為電加熱熔鹽爐。由三對電極加熱,電極由循環水冷卻。熔鹽為電解車間的電解質。天車吊著粗鎂真空抬包抽出電解車間尾槽中富集的鎂,并用天車吊運到精煉車間,從加料口加入連續精煉爐。為防止爐內鎂被氧化,熔劑噴射裝置以干燥壓縮空氣吹入熔劑,然后充入氬氣,維持爐子微正壓,在一定溫度下進行精煉。精煉完成后,用精鎂真空抬包抽出精鎂,向抬包內充入氬氣,運送出車間。

頭槽中,氯化鎂、氯化鉀和氯化鈉帶入的一部分雜質從熔體中通過電化學處理、化學方法和依靠自重沉淀清除,雜質含可溶和不可溶成分,可溶雜質為鐵和鈦氧化物、硫酸鹽和化學結合水,不可溶雜質為鎂、硅、鋁和鐵氧化物,鈦粉末等,為了對首槽兩個室內的可溶性雜質進行電化學方法和化學方法清除,需要安裝石墨電極,接通直流電源,在陽極上,氯離子被氧化生成氯氣,羥基氯化物還會與氧化物發生氯化反應:

氧化物的氯化反應導致了陽極的耗損。雜質鐵在陰極被還原。

陰極反應的產物沉淀在底部混入渣中。

一般而言,雜質比鎂具有更強的電活性,它們先從陰極析出。與雜質鐵被還原的同時,在陰極形成微量分散的鎂,形成的鎂可以去除鐵和鈦氯化物,羥基氯化鎂和硫酸離子的反應物,通過以下反應還原:

在鎂珠表面釋出的雜質使其變重,沉淀在渣中。

此外,熔體還通過與濕氣反應而除鈦;反應生產的氧化合物混入渣中:雜質在陽極表面的氯化使陽極耗損,這樣使電化學凈化裝置陽極的使用壽命減少1.5～2個月,為了延長陽極的使用壽命、每隔一定時期將電極極性顛倒,這樣,使陽極與陰極的損耗相同,電極的使用壽命得以延長,在重力的作用下,不可溶雜質沉淀在首槽兩個室的底部形成渣,熔體在首槽中有限停留的時間以及流體動力條件不足以完全除去所有雜質。

雜質將在精煉槽進一步去除,精煉槽中,由于大量雜質的進入,陽極的耗損嚴重,成渣更多,因此,精煉槽為頂插陽極,便于陽極更換,同時配有清渣裝置。

由于頭槽和尾槽中電解質液位的液位差,工作電解質和鎂接連流過所有電解槽的集鎂室和熔體管道,流向分離槽,在這個過程中,氯化鎂在電解槽中電解,在電解質中的濃度逐步降低。在尾槽內,鎂從電解質中分離出來,匯集并初步精煉,這些過程在尾槽一室內進行,在一室中有熔融鎂的集鎂裝置。電解質和鎂流動到尾槽底部區域,流速突然減慢,為鎂從電解質中分離創造了條件,熔融鎂與電解質的密度差使鎂上浮從電解質中分離出來。鎂在集鎂裝置中匯集。鎂精煉過程為鎂中不可溶的雜質沉淀在底部,電解質通過傳輸口流入二室中,在二室放置泵,用于將循環電解質輸送到首槽形成液位差,并稀釋原料使其氯化鎂濃度達到工藝要求。

尾槽中氣壓泵將電解質送入頭槽,如此不斷循環。電解槽出來的氯氣,經支管進入帶刮板的氯氣導管,送到某車間統一收集。為改善電解車間工作環境,每臺電解槽設衛生排氣管,排出的廢氣送尾氣處理系統凈化后排入煙囪。頭槽用氣動抓斗出渣;渣裝入渣斗,冷卻后送渣場。精煉電解槽和流水線電解槽渣,用多用途真空抬包抽取稀渣;還要定期手工清除電解槽底沉積的干渣、裝入渣斗,冷卻后送渣場。尾槽(鎂分離槽),用氣動抓斗出渣,裝入渣斗冷卻后送渣場。尾槽氣動泵室渣,用多用途真空抬包抽取稀渣;還要定期手工清除尾槽氣動泵室底沉積的干渣、裝入渣斗,冷卻后送渣場。

流程圖如圖1所示。

3 結束語

較之于無隔板單槽操作電解工藝,流水線電解工藝成功實現鎂電解工藝的集中加料,集中出鎂,大大減少車間天車運輸高溫熔體的頻次,從而提高安全生產水平,佬有效提高勞動生產率50%以上,直流電能單耗降到13 500 kWh/t鎂,交流電能單耗降到3 000 kWh/t鎂,電流效率能達到80%以上[5],同時電解槽均處于密閉狀態,可防止電解槽內氯和氯化氫有害氣體的泄漏,提高環保水平。但是流水線電解槽因需經熔體管道相互連接,結構復雜,絕緣難度大,生產過程維護工作量大,基建投資大,設計及施工難度大的缺點,是今后設計優化的探索方向。

圖1 流水線電解鎂流程圖

[1] 徐日瑤.金屬鎂生產工藝學(第1版)[M].湖南:中南大學出版社,2003.227-233.

[2] 李大成,劉恒,周大利.鈦冶煉工藝(第1版)[M].北京:化學工業出版社,2009.302.

[3] 耿亞鴿,張浩勤.無隔板鎂電解槽研究進展[J].冶金設備, 2008,(167):58-61.

[4] 姜寶偉,陳平,朱衛平.影響大型無隔板鎂電解槽電流效率的主要因素[J].輕金屬,2001,(11):41-45.

[5] 張永健.鎂電解生產工藝學(第1版)[M].湖南:中南大學出版社,2006.421-422.

Abstract:With the current state of the magnesium production,the paper introduces the form and structure of the flow line electrolytic magnesium cell and the processof electrolytic magnesium as to provide reference for the realization of electrolytic magnesium automation and large-scale production.

Key words:flow line;electrolytic magnesium;electrolytic cell;process

The Summary of Flow Line Electrolytic Magnesium Technique

ZHOU Xiao-song

(Guiyang Aluminum and Magnesium Design and Research Institute,Guiyang550081,China)

TF803.2+7

A

1003-5540(2011)04-0037-03

2011-04-25

周小淞(1980-),男,助理工程師,主要從事鎂、鈦、碳素工藝設計。