鎂電解車間工藝設(shè)計的實踐

普瓊仙

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引言

該設(shè)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(gòu)成。電解過程會消耗少量的電解質(zhì)組分，因此需要每天進(jìn)行補(bǔ)充，具體方法是把需要補(bǔ)充的組分與MgCl2一并加入到中轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)爐或電解槽，通過設(shè)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(dá)還蒸要求)。

電解槽達(dá)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(dǎo)致電解能力和效率下降，需要退出運行進(jìn)行整體維修。停槽時應(yīng)對電解質(zhì)和沉積在電解槽底的廢渣進(jìn)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(jī)(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(jī)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(jìn)入提純處理室，對鎂進(jìn)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(jìn)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(hù)。

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(fēng)動抓斗取出，裝在貯渣箱中，運去進(jìn)行再加工處理。

補(bǔ)充鎂錠是在鉗鍋中進(jìn)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(zhuǎn)機(jī)，重新收集熔化。

鎂精煉及補(bǔ)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(dāng)，一般就要配套熔劑的制備。

為了清洗設(shè)備和對這種工藝所使用的操作設(shè)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(shè)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(jìn)行凈化處理。

2 主要設(shè)備

2.1 鎂電解主要設(shè)備

電解槽是鎂電解的主要設(shè)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(jī)送至TiCl2生產(chǎn)車間;Mg在陰極匯集通過陰極導(dǎo)鎂槽迅速離開電解室匯集到集鎂室，受到氬氣保護(hù)。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(jìn)鎂電解槽，避免了電解質(zhì)的水解反應(yīng)以及液態(tài)鎂的氧化反應(yīng)，同時使液態(tài)鎂的二次反應(yīng)達(dá)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo):電流強(qiáng)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(shè)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(shù)，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(shù)指標(biāo):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(xué)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(qiáng)度勞動采用了機(jī)械化方式，即特別構(gòu)造的風(fēng)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(jì)技術(shù)指標(biāo)(電流效率、還原爐產(chǎn)能等)。連續(xù)精煉爐基本結(jié)構(gòu)見圖2。

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

(2)坩堝爐。主要用于熔化精煉補(bǔ)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(biāo)高14.000 m。電解的主要設(shè)備電解槽，縱向配置在廠房的中間。該設(shè)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(biāo)高為5.500 m;操作場地不僅要滿足電解槽的進(jìn)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(dǎo)管等配置在操作臺下方。為便于通風(fēng)換氣屋頂設(shè)有天窗，兩邊設(shè)有自然通風(fēng)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(jìn)行精煉。運送距離短，減少熱損失。

精煉主要設(shè)備:1臺連續(xù)精煉爐(保溫爐)，配置還考慮預(yù)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(shè)施。這些設(shè)備的操作及維修都在標(biāo)高5.500 m的樓面(即操作平臺)。

(3)其它必須配套的工藝設(shè)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(qiáng)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(qiáng)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(shè)多級絕緣;所用材料都為不導(dǎo)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(qiáng)車間廠房建筑中的絕緣設(shè)計，保證生產(chǎn)安全，是鎂電解車間廠房設(shè)計首要考慮的問題，必須按電解車間廠房結(jié)構(gòu)的絕緣專項要求進(jìn)行廠房設(shè)計。按工藝要求選擇絕緣點。

(2)電解工藝對電力供應(yīng)的控制要求:生產(chǎn)過程24小時運轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)爐提供電源。自控專業(yè)采用先進(jìn)的測量控制檢測儀表(防腐)和計算機(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(jī)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(shè)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(yuǎn)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(shè)備選型的合理，管道的密封質(zhì)量也是真空度均衡的關(guān)鍵。設(shè)計要保證真空管道系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)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(shè)計，其配置位置要考慮周全，不能離鉗鍋爐太遠(yuǎn)(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(hù)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(hù)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?xì)怏w(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(yīng)的配套措施，確保生產(chǎn)安全。

5 一般安全設(shè)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(shè)備的使用。

5.2 工作安全措施

在電解車間設(shè)計方面，采取措施來阻止接地電壓傳入生產(chǎn)設(shè)施。為了達(dá)到目的，對廠房結(jié)構(gòu)和設(shè)備的電氣絕緣物有特殊的要求及工藝安全運行的強(qiáng)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(fēng)設(shè)備的正常運行;給運輸MgCl2抬包的交通工具配上防護(hù)措施。

6 結(jié)語

該設(shè)計于2010年5月完成施工圖設(shè)計，已建成投產(chǎn)。2012年生產(chǎn)產(chǎn)品，運行效果良好。該設(shè)計所采用的工藝、所選設(shè)備及配套設(shè)施為國際先進(jìn)，國內(nèi)領(lǐng)先。目前生產(chǎn)已達(dá)設(shè)計指標(biāo)。