镁电解车间工艺设计的实践

时间：2024-08-31

普琼仙

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051)

0 引言

该设计是为云南超拓钛业有限公司10 kt/a镁法海绵钛生产线配套的镁电解车间(亦称镁还原剂生产车间)工艺。镁电解车间的主要工段有MgCl2电解工段(包括Cl2压缩)及镁精炼工段。根据10 kt/a海绵钛产能计算，镁电解生产能力为大约每年处理MgCl243600 t，产出粗镁11000 t，阳极氯气33900 t。

1 镁电解车间工艺

1.1 氯化镁电解工段工艺

电解生产是在相对独立的生产厂房中进行的，该生产厂房与一个搬运过道的还原车间相连。在四氯化钛还原处理的工艺流程中提取出来熔化的MgCl2，可直接用真空抬包车运到电解处理车间放入电解槽。电解槽放成两排，全车间的电解槽用母线串接起来。

电解回路母线为铝质材料制作，电流强度在90～165 kA之间，可通过自动控制系统根据整个电解生产线综合各个电解槽的运行状况确定每个运行阶段的具体电流强度，以取得最优化的电解效率。每个电解槽的电压约在9～12.65 V之间。电解质由NaCl、CaCl2、CaF2按照一定的比例与MgCl2共同构成。电解过程会消耗少量的电解质组分，因此需要每天进行补充，具体方法是把需要补充的组分与MgCl2一并加入到中转炉或抬包中。电解过程要求保持电解质液位稳定，通过自动控制系统和特殊的液位调节工艺装置不断对液位进行调整，尤其是抽取液镁和加料等有较大液位时，使电解液始终保持在不超过±30 mm的浮动区间。电解过程需要电解质保持适中且稳定的温度，同时要避免温度过高，以减少镁氧化和增加电耗。通过电解槽内部的加热装置和冷却装置，由自动系统精确控制电解质温度保持在655±2℃。海绵钛还蒸车间排出的MgCl2通过抬包容器，抬包运送车或天车被送至MgCl2中转炉或电解槽，通过设置在电解槽槽盖上部的加料口加入到电解槽中，每日加入4～6次。MgCl2电解后生成Mg和Cl2，Mg上升到电解液上面，聚积在电解槽中的集镁室，定期使用真空抬包将其从电解槽中抽取出来，用抬包运送车或天车运送加入到精炼炉(液镁保温缓冲炉)或还蒸工序(液镁质量达还蒸要求)。

电解槽达到约24个月的运行周期后，由于阳极消耗和槽渣积累的缘故，导致电解能力和效率下降，需要退出运行进行整体维修。停槽时应对电解质和沉积在电解槽底的废渣进行分离处理，回收大部分电解质继续使用，对日常沉积在电解槽内的废渣一次性清理。废渣的主要成分为MgO和电解质的混合物，经过石灰混合中和处理后，送入废渣场。

电解后产生的氯气(Cl2)在氯压机(0.3 MPa)的抽吸作用下，由各电解槽汇集到氯气总管，通过袋滤器除尘后，再经过硫酸洗涤塔除尘和脱水，经过氯压机压缩后送往四氯化钛车间的氯化工序。

1.2 镁精炼工段工艺

镁精炼工段是镁热方式生产海绵钛的一个重要环节，即向还原炉提供高品质的金属镁。

镁精炼工段与电解生产在同一厂房内。经电解槽用真空抬包运来的液镁，送到连续精炼炉的加料室。连续精炼炉物料从加料室通过隔板上的小口，进入提纯处理室，对镁进行提纯处理。

为了防止镁被氧化，在连续精炼炉的加料室中，要定期使用助熔剂喷涂装置，通过干燥的压缩空气，喷吹熔剂，向连续精炼炉的提纯室中不断地提供氩气。

进行过提纯处理的镁，利用真空抬包，从连续精炼炉提纯室中抽出，送到钛还原处理工段。为了避免镁被氧化，在真空抬包内要充氩保护。

精炼炉中沉积下来的杂质和在底部的矿渣，要定期加以清除。这种矿渣，要用连续精炼炉风动抓斗取出，装在贮渣箱中，运去进行再加工处理。

补充镁锭是在钳锅中进行熔化的。在钳锅中要加入数量不多的废电解质，或者加入一点固态的电解质，然后装入镁锭，并且熔化过程中，要定期添撒熔剂。已经熔化的镁，要用真空抬包，从钳锅中取出，再注入连续精炼炉。在钳锅残留的镁，借助翻转机，重新收集熔化。

镁精炼及补充镁锭的熔化需要熔剂，而优质的熔剂不能长时间储存，只能几天且要密封得当，一般就要配套熔剂的制备。

为了清洗设备和对这种工艺所使用的操作设备的加热，要在镁还原剂的制备车间里，安装1个专用工具清洗炉。这些钳锅电炉和用来清洗设备的工具清洗炉，熔体都备有自己专用抽吸泵，产生的气体，必须送去进行净化处理。

2 主要设备

2.1 镁电解主要设备

电解槽是镁电解的主要设备，有电解室和集镁室组成。钢阴极、石墨阳极、交流加热电极、双电极(双极性电极)位于电解室，MgCl2在电解室电解成Mg和Cl2。Cl2汇集到电解室上部空间由支管排出，经氯压机送至TiCl2生产车间;Mg在阴极汇集通过阴极导镁槽迅速离开电解室汇集到集镁室，受到氩气保护。定时用真空抬包抽取出来，天车吊运至精炼炉或经抬包运输车辆直接运至钛还原蒸馏工序。交流加热电极、液下罐、热交换器等安装于集镁室中。在电解槽生产过程中，由于采用国际先进镁电解槽，避免了电解质的水解反应以及液态镁的氧化反应，同时使液态镁的二次反应达到最小化，因此在整个电解槽的使用周期中，无须出渣。

电解工序配置:14台电解槽(其中2台为备用槽);电解槽主要技术经济指标:电流强度:110 kA;槽电压:10～12 V;直流电耗:11000～12450 kW·h/t Mg;回收氯气浓度:95%;槽寿命:24个月，见图1。

图1 镁电解槽工作原理图Fig.1 Working principle diagram of magnesium electrolytic cell

2.2 镁精炼的主要设备

(1)连续精炼炉。在所有的前苏联钛镁企业中还原剂镁的制备均采用连续精炼炉技术，至大修前它可以连续工作30～36个月的时间。连续精炼炉有2个室:加料室、提纯处理室。镁精炼炉的主要技术指标:保温炉输出能力35 t/d;处理镁时的容积15 t;处理熔盐时容积27 t;精炼镁温度690～720℃;电发热最大功率300 kW;最大电极电压40 V;电极类型:钢电极，水冷却。

连续精炼炉制备还原剂镁具备如下工艺特性:①还原剂镁质量稳定:氯和氧含量＜0.005%，铁＜0.030%;②金属镁的损失极少:＜0.5%;③化学成分的混匀及镁加热温度在700～720℃;④混合炉除渣的类似高强度劳动采用了机械化方式，即特别构造的风动抓斗和离心泵;⑤采用10～15 t的混合炉可以保证电解槽和还原炉的稳定运行，同时，也能改善经济技术指标(电流效率、还原炉产能等)。连续精炼炉基本结构见图2。

图2 连续精炼炉基本结构图Fig.2 Basic structure chart of continuous refining furnace

(2)坩埚炉。主要用于熔化精炼补充的固体镁锭，配制精炼熔剂和缓冲炉熔盐。坩埚炉电阻丝加热，电气加热区域数量为3个，额定功率252 kW，最高熔化温度800℃;坩埚工作容量1.152 t。

3 车间配置

(1)电解厂房跨度30 m，吊车轨顶标高14.000 m。电解的主要设备电解槽，纵向配置在厂房的中间。该设计共14台电解槽。电解槽操作场地在靠窗户的两边;基本操作场地的标高为5.500 m;操作场地不仅要满足电解槽的进出料、检修的要求，还要保证真空抬包车在厂房内通行。电解槽母线、烟道、氯气导管等配置在操作台下方。为便于通风换气屋顶设有天窗，两边设有自然通风道。

(2)精炼与电解配置在同一厂房内，便于真空抬包由电解槽取出的粗镁，直接运送到精炼工段，加入到精炼炉中进行精炼。运送距离短，减少热损失。

精炼主要设备:1台连续精炼炉(保温炉)，配置还考虑预留1台精炼炉的位置;1台清洗工具的盐浴炉;3台坩埚炉;1套真空抬包加热台等设施。这些设备的操作及维修都在标高5.500 m的楼面(即操作平台)。

(3)其它必须配套的工艺设施。在电解车间中部，配置了1套真空系统。其配置位置兼顾了电解工段与精炼工段对真空的需求;为真空抬包加热台配备了1套供热系统;为镁精炼所需熔剂配套了熔剂的制备系统。其它如压缩空气，氩气等为全厂共用的配套，其通过管道引入车间，通过减压措施得到该车间所需的各种压力要求的各类气体。

4 工艺对其它专业的要求

镁电解生产的特点是采用强大的直流电，将电解质电解。镁电解车间厂房具有湿热的特性，在生产中散发Cl2、HCl气体和氯盐尘埃，这些物质吸潮水解后具有较强酸性，不但侵蚀建筑物，最大的一个问题是绝缘短路。一般的绝缘是两级绝缘，有部分设多级绝缘;所用材料都为不导电、不透水、防火防爆、耐酸耐盐耐热的。

(1)电解工艺对土建的要求。加强车间厂房建筑中的绝缘设计，保证生产安全，是镁电解车间厂房设计首要考虑的问题，必须按电解车间厂房结构的绝缘专项要求进行厂房设计。按工艺要求选择绝缘点。

(2)电解工艺对电力供应的控制要求:生产过程24小时运转，配备双回路电源及专用的硅整流室。主要为12台电解槽配套2台CaCl2中转炉提供电源。自控专业采用先进的测量控制检测仪表(防腐)和计算机控制系统，满足全厂生产发展的要求。电解原料如MgCl2的计量，是在起重机吊钩上安装一个专用的计量装置，现场显示、中控室显示累计，在一般的称量方式上作了升级。

(3)电解工艺对给排水的要求:电解车间的用水主要为循环冷却水，电解槽阳极冷却器用水;镁中转炉冷却水;酸冷却冷却水;水环式真空泵;镁精炼炉冷却水等。循环冷却水水质要求pH=7.5;硬度为11.5 mg/L。其它用水有冲洗地面(氯压机室)及生活用水。从电解的绝缘要求来看，不允许在电解车间设排水沟，给排水都封闭于管道内。

(4)电解工艺对真空系统的要求:电解工段与精炼工段都需要真空，既满足最远点真空度的要求，也要实现最近点的真空度。这就要求配置及设备选型的合理，管道的密封质量也是真空度均衡的关键。设计要保证真空管道系统内的负压均要求为-0.07 MPa。

(5)电解工艺对熔剂的制备，公辅的要求:①熔剂破碎系统在破碎、球磨出料过程中产生的粉尘要做好收尘设计，其配置位置要考虑周全，不能离钳锅炉太远(原料在钳锅炉中熔化)，又不能使精炼工段受其污染。②电解镁生产工艺所需氩气主要用于电解槽，镁精炼炉保护用气、真空抬包加料工艺所需动力用气、电解槽液位控制所需动力用气，动力用气压力为0.5 MPa，保护用压力为0.2 MPa。氩气成分要求:Ar≥ 99.990%;O2≤0.0007%;N2≤0.005%;H2O≤0.0009%;CO2≤0.0005%。③压缩干燥空气。电解、精炼及修理工段压缩空气质量要求:露点≤-60℃;压力0.4～0.6 MPa。④真空抬包加热台供热系统可燃气体(或液态)的压力为0.03 MPa，热值为90000 kJ/m3。⑥其它专业必须按镁电解车间的特点，制定相应的配套措施，确保生产安全。