電控電加熱技術在鎂電解石墨陽極抗氧化處理中的應用

李成斌

(青海鹽湖機電裝備技術有限公司，青海 格爾木 816099)

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電控電加熱技術在鎂電解石墨陽極抗氧化處理中的應用

李成斌

(青海鹽湖機電裝備技術有限公司，青海 格爾木 816099)

針對鎂電解生產工藝中石墨材料氧化問題，分析研究了陽極石墨常規抗氧化處理方法(高溫抗氧化涂鍍法、浸漬復合磷酸鹽法及一浸二熱磷酸浸漬法)及其存在的缺陷，提出了電控電加熱技術在鎂電解槽陽極抗氧化處理工藝中的應用方案。經實際應用表明，該方案對保證鎂電解連續性生產、提高穩定生產和產品指標具有現實意義。

鎂電解；石墨陽極；抗氧化處理；電控；電加熱

石墨材料集耐熱性、導電性及耐腐蝕性等于一體，是冶金、電子、原子能工業和宇航工業部門應用的重要導電材料和結構材料，可以用來制作石墨電極、電解陽極、鑄模、高溫軸承和高溫密封材料等；但其在高溫下容易氧化。石墨的氧化從450 ℃開始，超過750 ℃后氧化急劇增加，且隨著溫度的升高而加劇，這就限制了其使用。因此，石墨材料氧化問題的研究顯得尤為重要。為了降低石墨材料的氧化消耗，世界上許多科學工作者都開展了抗氧化、添加涂層和改變原料配比工藝等研究工作，并取得了許多成果，主要是采用浸漬和噴涂的方法使其表面形成保護層，以阻止石墨與氧的高溫反應。

在鎂電解生產工藝中，石墨陽極大部分溶入熔融狀態下的氯化鎂溶液，和陰極相互作用，進行電解分離氯化鎂，分離出金屬鎂和氯氣，熔融狀態下的氯化鎂溶液遇水會發生爆炸，存在嚴重的安全隱患；因此，所有放入熔融態下氯化鎂溶液的陽極石墨都應去除水分，保證石墨干燥。如果鎂電解槽中石墨陽極去除水分不徹底，鎂電解槽石墨陽極使用10多天后，接近電解質液面的上部陽極突然出現冒水珠現象，在生產過程中俗稱為陽極出汗，再過幾天后，陽極表面一片一片脫落掉皮，使陽極中部逐漸變細，使用不到1個月，有的甚至僅20多天陽極截面就縮小了50%，以致不能正常使用，而被迫停產更換陽極，嚴重影響了鎂電解工藝的連續生產。

由于鎂電解槽的結構及工藝本身的局限性，石墨陽極預熱或預焙處理的去除水分干燥過程成為鎂電解槽生產中不可或缺的一項重要流程，因此，許多專家學者形象地稱“石墨陽極是鎂電解槽的心臟”。由此可見，石墨陽極預熱質量及干燥程度直接影響鎂電解槽的工作狀態，對鎂電解生產的影響非常重要。因此，在鎂電解生產工藝中陽極石墨應進行預熱或預焙處理，才能實現去除陽極石墨水分的目的，保證鎂電解連續性生產，有助于鎂電解生產的穩定和指標的提高。

1 陽極石墨常規抗氧化處理方法及缺陷分析

1.1 常規抗氧化處理方法

常規抗氧化處理方法如下。

1)高溫抗氧化涂鍍法。石墨陽極經除塵、脫脂等預處理后干燥備用，將氧化鋁高溫抗氧化涂料調整粘度后涂覆于表面，固化、干燥后石墨陽極即可得到性能良好的高溫抗氧化涂層。形成既能導電又耐高溫氧化的保護層，可降低電極消耗19%～50%，延長電極22%～60%的使用壽命，降低電極的電能消耗。

2)浸漬復合磷酸鹽法。浸漬法由于操作簡單、成本低和符合工業化需求而得到廣泛應用。目前，國內外多采用該方法來提高石墨高溫抗氧化性能。浸漬液主要由磷酸鹽和硼酸鹽組成，波蘭、美國和日本東海碳素公司等對使用磷酸鹽和硼酸鹽提高石墨產品的抗氧化性能進行了研究，使石墨的抗氧化性能得到了提高，但由于磷酸鹽和硼酸鹽在高溫，特別是>1 000 ℃時，對石墨的抗氧化效果不明顯且波動，導致磷酸鹽和硼酸鹽的復合浸漬液在實際的石墨抗氧化應用中不如涂層法效果顯著。

3)一浸二熱磷酸浸漬法。用純度85%以上的濃磷酸一次浸泡石墨陽極7～10 d，浸透深度>120 mm。然后初步晾干，放入蒸氣加熱干燥室，在80 ℃以上干燥5 d，再送入電干燥室熱處理3 d，取出后測出增量不超過電極重的2%，再進行安裝組合，經檢驗無誤后安裝在電解槽上。

1.2 常規抗氧化處理方法缺陷分析

1)陽極浸酸不透現象[1]。電極浸氧化劑磷酸不透，干燥處理不徹底，容易出現電極內水分在高溫下直接氧化石墨電極。加之碳在高溫條件下，腐蝕破損速度必然加快。

2)石墨電極材質不佳問題。采購來的電極密實度差，孔隙率大，吸水率高，抗氧化性能差，因此氧化腐蝕較快。

3)陽極熱平衡不穩定問題。冷熱槽頻繁交替出現，電極熱平衡不穩定，冬季熱的液體供料不及時；常出現低溫供料，有時還用水解后的固體，從而出現電極在激冷激熱情況下工作，加速了電極腐蝕破損。

4)電極厚度太薄，配件連接不佳。設計電極厚度為125 mm，在電解質上下液面變化區間破損最大最快，其他部位破損較小，破損較大處顯得厚度太薄而提前破損，石墨陽極板與導電銅夾板、聯接螺栓和墊板接觸不嚴，連接不緊，出現電流集中，密度不等，使電極局部破損嚴重，導致電極提前破壞。

綜上所述，干燥處理不徹底、抗氧化性能差及陽極熱平衡不穩定是石墨急速氧化、陽極失效報廢的重要因素。為提高陽極抗氧化性能，穩定陽極熱平衡，在鎂電解槽中應用電控電加熱技術迫在眉睫。

2 電控電加熱技術

鎂電解槽中石墨陽極由3部分組成：導電銅板、冷卻水套和石墨。冷卻水套與導電銅板外側表面接觸，石墨和導電銅板內側表面接觸。在電解過程中，石墨大部分溶入金屬鎂溶液中，金屬鎂溶液為高溫，溫度通過石墨及空間傳遞至導電銅板，為防止高溫對導電銅板的損壞，需要進行冷卻。冷卻水套就是起冷卻導電銅板的作用。

電控電加熱技術是一種預先對鎂電解槽陽極加熱，去除石墨水分的鎂電解槽陽極預熱技術。鎂電解槽陽極預熱裝置(見圖1)由如下幾個部分構成：1)在箱體的上端設有1個以上的陽極插入孔，在箱體的側部設有插入箱體的電加熱器，電加熱器位于每個插入后陽極的兩側；2)每個電加熱器單獨電控，在電加熱器上連接有溫度測量元件；3)根據所要加熱的插入后陽極的數量，在陽極插入孔上插入隔熱板；4)在箱體上設有出水管和進水管，出水管和進水管通過軟管連接在陽極上的冷卻水套上，在進水管上設有微調閥和流量計；5)在箱體上設有出氣口，在出氣口處裝有引風裝置。

圖1 鎂電解槽陽極預熱裝置結構簡圖

鎂電解槽陽極預熱裝置在箱體的上端設有1個以上的陽極插入孔，在箱體的側部設有插入箱體的電加熱器，電加熱器位于每個插入后陽極的兩側。電加熱器對插入后陽極加熱，去除石墨的水分，加熱至約450 ℃可以持續6 h。預熱后的陽極被吊至鎂電解槽內，這樣可以防止在鎂電解槽內發生爆炸，每個電加熱器單獨電控，可以獨立供電，在電加熱器上連接有調節溫度控制器，調節溫度控制器可避免陽極在預熱時出現過熱和氧化反應。根據所要加熱的插入后陽極的數量，在陽極插入孔上插入隔熱板，增加或減少隔熱板把不使用的陽極插入孔隔離開，防止熱量丟失。在箱體上設有出水管和進水管，出水管和進水管通過軟管連接在陽極上的冷卻水套上，在進水管上設有微調閥和流量計，因為在對插入后陽極加熱時，石墨去除了水分，但是冷卻水套以及保護的銅板也同樣受到加熱，利用水循環的方式對冷卻水套包裹的銅板進行冷卻，避免銅板損壞；箱體上設有出氣口，在出氣口處裝有引風裝置，將箱體內的熱空氣排出，并對電加熱器增加微負壓。

3 結語

電控電加熱技術在青海鹽湖機電裝備技術有限公司鎂電解槽陽極抗氧化處理上已成功應用，取得了較好的經濟效益和社會效益，并獲得了新型實用專利授權(專利號：ZL201520608117.8)，受到管理和技術人員的一致好評，對保證鎂電解連續生產、提高生產穩定性和產品指標具有現實意義。

[1] 賈斌. 延長鎂電解槽石墨陽極板使用壽命的措施[J]. 輕金屬, 1994(9):31-32.

責任編輯 鄭練

Application of Electrically Controlled Electric Heating Technology in Magnesium Electrolytic Graphite Anode Oxidation Treatment

LI Chengbin

(Qinghai Saline Lake Mechanical and Electrical Equipment Technology Co., Ltd., Geermu 816099, China)

Based on the graphite anode exposition of application in magnesium electrolysis production process, analyze the defect in conventional graphite anode oxidation processing method (high temperature anti-oxidation coating process, compound phosphate impregnation method and a dip hot phosphoric acid impregnated method) and the existence of the proposed electric heating technology application in the technics scheme in magnesium electrolytic cell anode oxidation treatment, and obtain the successful implementation to ensure the magnesium electrolysis continuous production. The results show that the application improves the production stability and product index has practical significance.

magnesium electrolysis, graphite anode, oxidation resistance, electronic control, electric heating

O 646

B

李成斌(1974-)，男，工程師，主要從事機械設計及設備優化設計改造等方面的研究。

2016-05-31