提高鎂電解生產能效的研究

李保金，黎亮，楊松

提高鎂電解生產能效的研究

李保金，黎亮，楊松

(云南新立有色金屬有限公司，云南昆明650100)

闡述了如何提高鎂電解生產能效，提出了通過使用新型電解槽、降低電解溫度和加強絕緣等途徑可以有效提高鎂電解的生產能效。

鎂電解;新型電解槽;生產能效

0 引言

1957年11月我國第一臺鎂電解槽于撫順鋁廠通電投產，開創了我國鎂提煉的工業化時代，奠定了鎂電解應用的成功基礎。在時隔30多年后的1993年11月，第一臺由前蘇聯引進的更為先進的105 kA無隔板鎂電解槽再次于撫順鋁廠投產成功，大幅提升了撫順鋁廠鎂電解的生產能效，此后，遵義鈦廠同樣通過引進先進的鎂電解技術(110 kA電解槽)淘汰老工藝的方式實現了生產能效的提高。自2006年以后，國內新建的一批海綿鈦生產項目，引進了具有世界先進水平性質的多極性鎂電解槽技術，并獲得成功投運，其直流電耗、氯氣濃度、原材料消耗、環保程度等多項指標均優于國內其他類型的電解槽。

縱觀我國鎂電解發展史，雖然在短短10余年時間里取得了突破性的成就，但其與發達國家的技術水平相比還相差甚遠，巨大的能效提高潛力仍有待發掘和開發并應用于實踐，該文將根據本廠的技術探索對如何提高鎂電解的生產能效進行討論。

1 技術革新是提高生產能效的有效途徑

通過采用全面的技術革新方式來提高自身的生產能效，是最直接、最成功也是最有效的途徑，在目前國內鎂電解生產的技術性能指標體現中得到了充分的證明，表1是各種鎂電解槽型生產技術指標對比［1］。

表1 各種鎂電解槽型生產技術經濟指標對比Tab.1 Comparison of Technical－Economic Targets for Various Types of Magnesium Electrolytic Cell

表1中顯示多極性鎂電解槽最大的優點是噸鎂直流電耗更低，每生產1 t鎂可節省直流電耗約18%～23%，同時，氯氣濃度更高，將會大幅度提升氯化工序的產品質量，另外，氯化鎂消耗量極低，電解槽結構設計更為優越，因此，多極性鎂電解槽相對于其他類型的電解槽更具提高生產能效的優勢。

對多極性鎂電解槽研究和使用多年的大阪鈦公司于1988年已將每kg鎂的電耗降至9.5～10 kW·h，相當于電能效率達到64%～67%［2］，先期驗證了該類槽型的先進性，表2是大阪鈦公司雙極性鎂電解槽的技術性能。

表2 大阪鈦公司雙極性鎂電解槽技術指標Tab.2 Technical Targets of Bipolar Magnesium Electrolytic Cell in Osaka Corporation

2 降低槽電壓

式中:Qt—時間t內電能消耗量，kW·h;

W—時間t內的實際產鎂量，kg;

U—電解槽電壓，V;

η—電流效率。

式中表明單位鎂電能消耗量與電解槽電壓成正比，與電流效率成反比。在實際生產中由于受槽型結構等因素的限制，通過提高電流效率來減少電

每千克鎂電能消耗量(kW·h):能消耗比較困難，因此，實際生產中主要通過降低電解槽的電壓來達到降低電能消耗的目的。

電解槽電壓組成［2］:

式中表明降低電解槽電壓必須通過降低母線、陽極、陰極、電解質電壓降和氯化鎂分解電壓(E分解)來實現。氯化鎂分解電壓主要受自身特性限制，外部因素的溫度和電解質成分也對其有較大影響，分解電壓變化范圍為0～0.2 V，對電解槽電壓降低的影響不大，因此，降低電解槽電壓主要通過研究降低其他四個方面的電壓降來考慮。

2.1 降低母線電壓降

母線電壓(V)計算公式:

式中:I—通過母線的電流強度，A;

ρ—母線電阻率，Ω·m;

L—母線長度，m;

S—母線橫截面積，m2。

式中顯示母線電壓降與電流強度、電阻率、母線長度成正比，與橫截面積成反比。在電流強度和母線長度一定的情況下，通過采用更低電阻率材料(如銅等)做母線和增大母線橫截面積的方式來降低母線電壓，這對生產規模大的企業來說提升能效尤為明顯。

在實際生產中，母線壓接面結合程度好與壞對母線電壓降仍存在重大影響，其電壓降要求不大于10 mV，首要措施是提高母線壓接面加工精度，另外可通過在壓接面涂抹導電膏或加墊鍍銀銅箔等外部措施增強壓接面的結合程度。

2.2 降低陽極電壓降

陽極電壓降［2］:

式中:ρ—石墨陽極在t℃時的電阻率，Ω·cm;

i斷—陽極斷面的電流密度，A/cm2; L陽—電流通過陽極的電路長度，cm。

式中陽極電壓降與電阻率、斷面電流密度、電流通過陽極的電路長度均成正比，在電解槽結構既定的情況下，唯有通過使用低電阻率的石墨陽極才能降低陽極電壓降。

2.3 降低陰極電壓降

陰極材料的化學成分和晶體結構對電流效率有很大影響［2］，陰極的工作截面、結構型式以及連接方式對電壓降同樣具有較大影響。在實際生產中，有些工廠為保證陰極與母線接觸的長效性和降低電壓降，使用軟母線通過焊接的方式將母線和陰極連接起來。

2.4 降低電解質電壓降

在固定槽型中，極距和電流密度是不變的，此時電解質電壓降主要取決于電解質的導電度，表3是電解質基本成分在800～805℃時的導電率［2］。

表3 鎂電解質基本成分的導電率Tab.3 Electric Conductivity of Basic Component of Magnesium Electrolyte

表3中顯示各種熔鹽成分中NaCl的導電度最高。經研究發現，所有鎂電解質體系中，混合熔鹽的電導率隨氯化鈉的增加而增大，隨氯化鈣含量的增加先是降低，當氯化鈣含量超過30%以后又增大，因此，常用的電解質體系中，無論是3元系還是4元系，氯化鈉的含量都比較高。同時，適當提高氯化鉀的含量有利于對電解質表面上的液鎂的保護［3］。

3 降低電解溫度

當前國內的鎂電解技術發展趨勢為低溫電解技術，在鎂電解生產過程中，采取適當低的電解溫度，就能夠獲得比較高的電流效率。日本大阪鈦公司1975年投入運行的無隔板鎂電解槽電解溫度為660～670℃，出鎂溫度控制在670～675℃之間，其電流效率為93.2%［6］。目前國內在運行的無隔板鎂電解槽電解溫度普遍控制在680～710℃之間，電流效率低于80%。

根據M.K.Бaйбеков等針對循環集鎂型無隔板槽的低溫電解工藝的研究，在660～670℃的電解溫度下，使用Ti生產返回的MgCl2做原料加入工業電解槽中進行電解，電流效率提高3%～4%，噸鎂電能消耗降低500 kW·h，衛生排氣中的Cl2損失大幅下降。在國內的一些海綿鈦工廠中已經應用這一技術，其電流效率和電能效率都比較高［4］。

4 加強絕緣

在鎂電解項目設計和建設的過程中，為避免和減少電解槽漏電損失，做好絕緣工作是最重要的工作之一。因此，車間地坪必須使用絕緣材料鋪砌或覆蓋，電解槽基礎與大地、工作平臺支撐柱與大地、工作平臺支撐柱與工作平臺、工作平臺與廠房墻體、工作平臺與行車支撐柱等均要求絕緣，并且絕緣電阻值均不低于500 kΩ。另外，工作平臺設置多條絕緣縫，最優方案為每兩臺電解槽之間的工作平臺設置絕緣縫。

在日常生產中，定期檢查車間絕緣情況，使用酒精擦拭電解槽、氯氣導管、母線的絕緣瓷瓶，避免升華物沾附其上，對絕緣造成破壞。采用大型軸流風機加強通風，保證車間干燥。

5 結語

(1)就目前國內所運用的電解槽技術而言，從長期經濟利益出發，引進更為先進的多極性鎂電解槽可大幅降低單位鎂產量的電能消耗、提高氯氣濃度、提高原料利用率等。

(2)深入研究多種降低電解槽電壓的途徑，對降低電能消耗更具實際意義，同時，研究使用適當的低溫電解，均能夠有效提升電解槽的電流效率和電能效率。

(3)采取多種行之有效的方法保證車間各項設施絕緣良好，對絕緣受損設施，應第一時間處理，避免漏電造成重大損失。

［1］姜寶偉，陳平.海綿鈦生產工藝中的多極性鎂電解槽技術［J］.鈦工業進展，2011，28(5):6－8.

［2］張永健.鎂電解生產工藝學［M］.長沙:中南大學出版社，2006.

［3］陳平，李長榮.電解質成分對無隔板鎂電解槽電流效率影響的工業實踐［J］.南方金屬，2011(4):15－17，44.

［4］閻守義.我國海綿鈦生產工藝改進途徑［J］.北京:中國金屬通報，2012(4):18－21.

Research on Improving Productive Efficiency of Magnesium Electrolysis

LI Bao－jin，LI Liang，YANG Song
(Yunnan Xinli Nonferrous Metals Co.Ltd，Kunming 650100，China)

By explaining how to improve the productive efficiency of magnesium electrolysis，it was proposed that the productive efficiency of magnesium electrolysis can be effectively improved by means of someways such as using a new electrolytic cell，reducing electrolytic temperature and strengthening insulation.

magnesium electrolysis;a new electrolytic cell;productive efficiency

TF822

A

1004－2660(2012)03－0023－04

2012－05－15.

李保金(1970－)，男，云南人，工程師.主要研究方向:全流程海綿鈦生產工藝.E－mail:libaojinmmm@163.com