鎂電解車間工藝設計的實踐

普瓊仙

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引言

該設計是為云南超拓鈦業(yè)有限公司10 kt/a鎂法海綿鈦生產(chǎn)線配套的鎂電解車間(亦稱鎂還原劑生產(chǎn)車間)工藝。鎂電解車間的主要工段有MgCl2電解工段(包括Cl2壓縮)及鎂精煉工段。根據(jù)10 kt/a海綿鈦產(chǎn)能計算，鎂電解生產(chǎn)能力為大約每年處理MgCl243600 t，產(chǎn)出粗鎂11000 t，陽極氯氣33900 t。

1 鎂電解車間工藝

1.1 氯化鎂電解工段工藝

電解生產(chǎn)是在相對獨立的生產(chǎn)廠房中進行的，該生產(chǎn)廠房與一個搬運過道的還原車間相連。在四氯化鈦還原處理的工藝流程中提取出來熔化的MgCl2，可直接用真空抬包車運到電解處理車間放入電解槽。電解槽放成兩排，全車間的電解槽用母線串接起來。

電解回路母線為鋁質(zhì)材料制作，電流強度在90～165 kA之間，可通過自動控制系統(tǒng)根據(jù)整個電解生產(chǎn)線綜合各個電解槽的運行狀況確定每個運行階段的具體電流強度，以取得最優(yōu)化的電解效率。每個電解槽的電壓約在9～12.65 V之間。電解質(zhì)由NaCl、CaCl2、CaF2按照一定的比例與MgCl2共同構成。電解過程會消耗少量的電解質(zhì)組分，因此需要每天進行補充，具體方法是把需要補充的組分與MgCl2一并加入到中轉爐或抬包中。電解過程要求保持電解質(zhì)液位穩(wěn)定，通過自動控制系統(tǒng)和特殊的液位調(diào)節(jié)工藝裝置不斷對液位進行調(diào)整，尤其是抽取液鎂和加料等有較大液位時，使電解液始終保持在不超過±30 mm的浮動區(qū)間。電解過程需要電解質(zhì)保持適中且穩(wěn)定的溫度，同時要避免溫度過高，以減少鎂氧化和增加電耗。通過電解槽內(nèi)部的加熱裝置和冷卻裝置，由自動系統(tǒng)精確控制電解質(zhì)溫度保持在655±2℃。海綿鈦還蒸車間排出的MgCl2通過抬包容器，抬包運送車或天車被送至MgCl2中轉爐或電解槽，通過設置在電解槽槽蓋上部的加料口加入到電解槽中，每日加入4～6次。MgCl2電解后生成Mg和Cl2，Mg上升到電解液上面，聚積在電解槽中的集鎂室，定期使用真空抬包將其從電解槽中抽取出來，用抬包運送車或天車運送加入到精煉爐(液鎂保溫緩沖爐)或還蒸工序(液鎂質(zhì)量達還蒸要求)。

電解槽達到約24個月的運行周期后，由于陽極消耗和槽渣積累的緣故，導致電解能力和效率下降，需要退出運行進行整體維修。停槽時應對電解質(zhì)和沉積在電解槽底的廢渣進行分離處理，回收大部分電解質(zhì)繼續(xù)使用，對日常沉積在電解槽內(nèi)的廢渣一次性清理。廢渣的主要成分為MgO和電解質(zhì)的混合物，經(jīng)過石灰混合中和處理后，送入廢渣場。

電解后產(chǎn)生的氯氣(Cl2)在氯壓機(0.3 MPa)的抽吸作用下，由各電解槽匯集到氯氣總管，通過袋濾器除塵后，再經(jīng)過硫酸洗滌塔除塵和脫水，經(jīng)過氯壓機壓縮后送往四氯化鈦車間的氯化工序。

1.2 鎂精煉工段工藝

鎂精煉工段是鎂熱方式生產(chǎn)海綿鈦的一個重要環(huán)節(jié)，即向還原爐提供高品質(zhì)的金屬鎂。

鎂精煉工段與電解生產(chǎn)在同一廠房內(nèi)。經(jīng)電解槽用真空抬包運來的液鎂，送到連續(xù)精煉爐的加料室。連續(xù)精煉爐物料從加料室通過隔板上的小口，進入提純處理室，對鎂進行提純處理。

為了防止鎂被氧化，在連續(xù)精煉爐的加料室中，要定期使用助熔劑噴涂裝置，通過干燥的壓縮空氣，噴吹熔劑，向連續(xù)精煉爐的提純室中不斷地提供氬氣。

進行過提純處理的鎂，利用真空抬包，從連續(xù)精煉爐提純室中抽出，送到鈦還原處理工段。為了避免鎂被氧化，在真空抬包內(nèi)要充氬保護。

精煉爐中沉積下來的雜質(zhì)和在底部的礦渣，要定期加以清除。這種礦渣，要用連續(xù)精煉爐風動抓斗取出，裝在貯渣箱中，運去進行再加工處理。

補充鎂錠是在鉗鍋中進行熔化的。在鉗鍋中要加入數(shù)量不多的廢電解質(zhì)，或者加入一點固態(tài)的電解質(zhì)，然后裝入鎂錠，并且熔化過程中，要定期添撒熔劑。已經(jīng)熔化的鎂，要用真空抬包，從鉗鍋中取出，再注入連續(xù)精煉爐。在鉗鍋殘留的鎂，借助翻轉機，重新收集熔化。

鎂精煉及補充鎂錠的熔化需要熔劑，而優(yōu)質(zhì)的熔劑不能長時間儲存，只能幾天且要密封得當，一般就要配套熔劑的制備。

為了清洗設備和對這種工藝所使用的操作設備的加熱，要在鎂還原劑的制備車間里，安裝1個專用工具清洗爐。這些鉗鍋電爐和用來清洗設備的工具清洗爐，熔體都備有自己專用抽吸泵，產(chǎn)生的氣體，必須送去進行凈化處理。

2 主要設備

2.1 鎂電解主要設備

電解槽是鎂電解的主要設備，有電解室和集鎂室組成。鋼陰極、石墨陽極、交流加熱電極、雙電極(雙極性電極)位于電解室，MgCl2在電解室電解成Mg和Cl2。Cl2匯集到電解室上部空間由支管排出，經(jīng)氯壓機送至TiCl2生產(chǎn)車間;Mg在陰極匯集通過陰極導鎂槽迅速離開電解室匯集到集鎂室，受到氬氣保護。定時用真空抬包抽取出來，天車吊運至精煉爐或經(jīng)抬包運輸車輛直接運至鈦還原蒸餾工序。交流加熱電極、液下罐、熱交換器等安裝于集鎂室中。在電解槽生產(chǎn)過程中，由于采用國際先進鎂電解槽，避免了電解質(zhì)的水解反應以及液態(tài)鎂的氧化反應，同時使液態(tài)鎂的二次反應達到最小化，因此在整個電解槽的使用周期中，無須出渣。

電解工序配置:14臺電解槽(其中2臺為備用槽);電解槽主要技術經(jīng)濟指標:電流強度:110 kA;槽電壓:10～12 V;直流電耗:11000～12450 kW·h/t Mg;回收氯氣濃度:95%;槽壽命:24個月，見圖1。

圖1 鎂電解槽工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of magnesium electrolytic cell

2.2 鎂精煉的主要設備

(1)連續(xù)精煉爐。在所有的前蘇聯(lián)鈦鎂企業(yè)中還原劑鎂的制備均采用連續(xù)精煉爐技術，至大修前它可以連續(xù)工作30～36個月的時間。連續(xù)精煉爐有2個室:加料室、提純處理室。鎂精煉爐的主要技術指標:保溫爐輸出能力35 t/d;處理鎂時的容積15 t;處理熔鹽時容積27 t;精煉鎂溫度690～720℃;電發(fā)熱最大功率300 kW;最大電極電壓40 V;電極類型:鋼電極，水冷卻。

連續(xù)精煉爐制備還原劑鎂具備如下工藝特性:①還原劑鎂質(zhì)量穩(wěn)定:氯和氧含量＜0.005%，鐵＜0.030%;②金屬鎂的損失極少:＜0.5%;③化學成分的混勻及鎂加熱溫度在700～720℃;④混合爐除渣的類似高強度勞動采用了機械化方式，即特別構造的風動抓斗和離心泵;⑤采用10～15 t的混合爐可以保證電解槽和還原爐的穩(wěn)定運行，同時，也能改善經(jīng)濟技術指標(電流效率、還原爐產(chǎn)能等)。連續(xù)精煉爐基本結構見圖2。

圖2 連續(xù)精煉爐基本結構圖Fig.2 Basic structure chart of continuous refining furnace

(2)坩堝爐。主要用于熔化精煉補充的固體鎂錠，配制精煉熔劑和緩沖爐熔鹽。坩堝爐電阻絲加熱，電氣加熱區(qū)域數(shù)量為3個，額定功率252 kW，最高熔化溫度800℃;坩堝工作容量1.152 t。

3 車間配置

(1)電解廠房跨度30 m，吊車軌頂標高14.000 m。電解的主要設備電解槽，縱向配置在廠房的中間。該設計共14臺電解槽。電解槽操作場地在靠窗戶的兩邊;基本操作場地的標高為5.500 m;操作場地不僅要滿足電解槽的進出料、檢修的要求，還要保證真空抬包車在廠房內(nèi)通行。電解槽母線、煙道、氯氣導管等配置在操作臺下方。為便于通風換氣屋頂設有天窗，兩邊設有自然通風道。

(2)精煉與電解配置在同一廠房內(nèi)，便于真空抬包由電解槽取出的粗鎂，直接運送到精煉工段，加入到精煉爐中進行精煉。運送距離短，減少熱損失。

精煉主要設備:1臺連續(xù)精煉爐(保溫爐)，配置還考慮預留1臺精煉爐的位置;1臺清洗工具的鹽浴爐;3臺坩堝爐;1套真空抬包加熱臺等設施。這些設備的操作及維修都在標高5.500 m的樓面(即操作平臺)。

(3)其它必須配套的工藝設施。在電解車間中部，配置了1套真空系統(tǒng)。其配置位置兼顧了電解工段與精煉工段對真空的需求;為真空抬包加熱臺配備了1套供熱系統(tǒng);為鎂精煉所需熔劑配套了熔劑的制備系統(tǒng)。其它如壓縮空氣，氬氣等為全廠共用的配套，其通過管道引入車間，通過減壓措施得到該車間所需的各種壓力要求的各類氣體。

4 工藝對其它專業(yè)的要求

鎂電解生產(chǎn)的特點是采用強大的直流電，將電解質(zhì)電解。鎂電解車間廠房具有濕熱的特性，在生產(chǎn)中散發(fā)Cl2、HCl氣體和氯鹽塵埃，這些物質(zhì)吸潮水解后具有較強酸性，不但侵蝕建筑物，最大的一個問題是絕緣短路。一般的絕緣是兩級絕緣，有部分設多級絕緣;所用材料都為不導電、不透水、防火防爆、耐酸耐鹽耐熱的。

(1)電解工藝對土建的要求。加強車間廠房建筑中的絕緣設計，保證生產(chǎn)安全，是鎂電解車間廠房設計首要考慮的問題，必須按電解車間廠房結構的絕緣專項要求進行廠房設計。按工藝要求選擇絕緣點。

(2)電解工藝對電力供應的控制要求:生產(chǎn)過程24小時運轉，配備雙回路電源及專用的硅整流室。主要為12臺電解槽配套2臺CaCl2中轉爐提供電源。自控專業(yè)采用先進的測量控制檢測儀表(防腐)和計算機控制系統(tǒng)，滿足全廠生產(chǎn)發(fā)展的要求。電解原料如MgCl2的計量，是在起重機吊鉤上安裝一個專用的計量裝置，現(xiàn)場顯示、中控室顯示累計，在一般的稱量方式上作了升級。

(3)電解工藝對給排水的要求:電解車間的用水主要為循環(huán)冷卻水，電解槽陽極冷卻器用水;鎂中轉爐冷卻水;酸冷卻冷卻水;水環(huán)式真空泵;鎂精煉爐冷卻水等。循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求pH=7.5;硬度為11.5 mg/L。其它用水有沖洗地面(氯壓機室)及生活用水。從電解的絕緣要求來看，不允許在電解車間設排水溝，給排水都封閉于管道內(nèi)。

(4)電解工藝對真空系統(tǒng)的要求:電解工段與精煉工段都需要真空，既滿足最遠點真空度的要求，也要實現(xiàn)最近點的真空度。這就要求配置及設備選型的合理，管道的密封質(zhì)量也是真空度均衡的關鍵。設計要保證真空管道系統(tǒng)內(nèi)的負壓均要求為-0.07 MPa。

(5)電解工藝對熔劑的制備，公輔的要求:①熔劑破碎系統(tǒng)在破碎、球磨出料過程中產(chǎn)生的粉塵要做好收塵設計，其配置位置要考慮周全，不能離鉗鍋爐太遠(原料在鉗鍋爐中熔化)，又不能使精煉工段受其污染。②電解鎂生產(chǎn)工藝所需氬氣主要用于電解槽，鎂精煉爐保護用氣、真空抬包加料工藝所需動力用氣、電解槽液位控制所需動力用氣，動力用氣壓力為0.5 MPa，保護用壓力為0.2 MPa。氬 氣成 分 要 求:Ar≥ 99.990%;O2≤0.0007%;N2≤0.005%;H2O≤0.0009%;CO2≤0.0005%。③壓縮干燥空氣。電解、精煉及修理工段壓縮空氣質(zhì)量要求:露點≤-60℃;壓力0.4～0.6 MPa。④真空抬包加熱臺供熱系統(tǒng)可燃氣體(或液態(tài))的壓力為0.03 MPa，熱值為90000 kJ/m3。⑥其它專業(yè)必須按鎂電解車間的特點，制定相應的配套措施，確保生產(chǎn)安全。

5 一般安全設備

5.1 主要危險和有害生產(chǎn)要素

粗鎂和鎂還原劑生產(chǎn)有一系列的危險和有害生產(chǎn)要素:①直流交流電的使用。②溫度為690～780℃時，熔融狀粗鎂和精鎂的運輸。③腐蝕性氣體(Cl2和HCl氣體)影響。④從電解槽產(chǎn)生的高熱量(對流和輻射熱)。⑤腐蝕性流體的使用，例如發(fā)煙硫酸和硫酸。⑥運輸方式和起重(提升)設備的使用。

5.2 工作安全措施

在電解車間設計方面，采取措施來阻止接地電壓傳入生產(chǎn)設施。為了達到目的，對廠房結構和設備的電氣絕緣物有特殊的要求及工藝安全運行的強制性要求。系統(tǒng)地控制車間環(huán)境中的 Cl2和HCl氣體含量，保證通風設備的正常運行;給運輸MgCl2抬包的交通工具配上防護措施。

6 結語

該設計于2010年5月完成施工圖設計，已建成投產(chǎn)。2012年生產(chǎn)產(chǎn)品，運行效果良好。該設計所采用的工藝、所選設備及配套設施為國際先進，國內(nèi)領先。目前生產(chǎn)已達設計指標。