CN102534663A

CN102534663A - 电解氯化镁生产金属镁的装置

Info

Publication number: CN102534663A
Application number: CN2012100142361A
Authority: CN
Inventors: 周茂敬
Original assignee: QINGHAI BEICHEN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: QINGHAI BEICHEN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: CN102534663B

Abstract

本发明涉及电解氯化镁领域，具体公开了一种电解氯化镁生产金属镁的装置，包括温度控制系统、液位控制系统和电解槽；在电解槽内设置隔板将电解槽上部分割为电解室和集镁室；在电解室中安装多组碳质阳极和铁质阴极，在阳极与阴极之间插入多块双性电极；在电解室下部设置有支撑板，支撑板上设有电解液循孔，支撑板下方为储渣室；在电解室上面设有密封盖。本发明的电解氯化镁生产金属镁的装置不需要进行出渣操作，大大减少了劳动强度，改善了工作环境，降低了液镁的氧化损失和氧化镁槽渣的产生量，提高了单槽产能和电解效率。

Description

电解氯化镁生产金属镁的装置

技术领域

本申请涉及电解氯化镁生产金属镁领域，尤其涉及一种电解氯化镁生产金属镁的装置。

背景技术

熔盐电解法生产金属镁的工艺在海绵钛的镁-钛联合企业中应用非常广泛。在海绵钛生产过程中，用金属镁还原四氯化钛制备海绵钛，同时产生副产物氯化镁，氯化镁采用熔盐电解法生产出金属镁和氯气，其中金属镁返回作为生产海绵钛的还原剂循环使用，氯气返回作为高钛渣加碳氯化生产四氯化钛的原料循环使用。

传统氯化镁电解装置主要采用有隔板电解槽或无隔板电解槽的单极电解槽，其主要结构为在一个电解槽内设置多组阴、阳电极，每组阴、阳电极形成一个电解室，一个电解槽内每个电解室之间为并联关系。将氯化镁配制成MgCl₂含量为10％～20％的MgCl₂-NaCl-KCl-CaCl₂电解液体系，在电解槽中用700℃的熔盐电解，阴极生成液态镁，阳极生成氯气。由于金属镁的密度低于熔融盐，生成的金属镁会浮在液面，电解将金属镁抽出。阳极生成的氯气浮出电解液液面，由氯压机产生负压抽出。

这种单极电解槽一般通过增加电解槽容积，并在同一电解槽中增加阴、阳极组数来增加单槽产能，但这种电解槽内的阴阳极组数不能过多，否则会导致电解过程热量不平衡，而单极槽为单槽产能较低，一般仅为0.7～1吨/天。

传统单极槽的液镁是靠电解液循环进入集镁室，液态镁在电解室停留时间较长。其电解室与集镁室之间的隔板为较薄的耐火砖拼装而成，在运行过程中容易出现局部破损，镁与氯气的二次反应几率较大，导致电解效率不高，一般仅为70％左右。

传统单极槽的电解液液位无控制手段，在电解槽加料、出镁和电解过程中电解液液位波动比较大，容易造成电解过程的氯气系统压力和槽电压的波动以及液镁和氯气的二次反应等问题，造成电解效率降低。

传统单极槽无其他温度控制手段，电解液唯一的温度控制手段是调整直流电的电流强度。当电流强度过大时，因无其他降温手段，可能造成电解液温度过高，电解液升华量增大，造成电解液升华物分成增加，镁的收率降低；当电流强度过小或在直流电出现故障的情况下，因无其他升温手段，可能造成电解液温度过低，电解液和液镁的粘度过低，液镁和氯气不能及时分离而造成二次反应，导致电流效率下降，甚至可能造成电解液和液镁的凝固而停槽。

传统单极槽底部存在空间不足以及电解槽盖的密封性较差等原因，在电解过程中需要打开集镁室盖出渣，液态镁的氧化反应严重，槽渣(主要成分为MgO)比较多，造成了镁的收率较低，劳动强度较大、操作环境比较差。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明旨在提供一种设置有储渣室，在电解过程中无需出渣并且电解效率较高的电解氯化镁生产金属镁的装置。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种电解氯化镁生产金属镁的装置，包括温度控制装置、液位控制系统和电解槽；在电解槽内设置隔板将电解槽上部分割为电解室和集镁室，所述隔板上设置有导镁口；在电解室中安装多组碳质阳极和铁质阴极，并在阳极与阴极之间插入多块双性电极；在电解室下部设置有绝缘的用于支撑电极的支撑板，支撑板上设有电解液循孔，支撑板下方为储渣室，所述储渣室的容积大于或等于电解槽运行一个周期产生的槽渣体积；在电解室上面设有密封盖，密封盖上设有氯气排出孔、加料-出镁口。

可选的，所述电解室侧壁上设置有阴极插入口，所述阴极穿过阴极插入口插入到电解室中，并且阴极伸出电解室的侧面与直流铝母线负极连接；所述阴极为侧插式箱式阴极，阴极顶部为全开口；阴极靠近集镁室的侧壁上开设有与导镁口连通的阴极导镁出口，并且在该侧壁下部设置有电解质出口，在与设置有阴极导镁出口的侧壁垂直的侧壁上设置有多块向阴极导镁出口倾斜的导镁板，在阴极内部导镁出口上方设有向下倾斜的导镁管。

可选的，所述导镁板与水平方向的夹角为0-40度。

可选的，所述阴极导镁出口以及隔板上的导镁口均为方形口。

可选的，所述液位控制系统包括控制单元、自动充/泄氩气装置、液下罐和液位计；所述液下罐和液位计设置于集镁室内，所述控制单元分别与液位计及自动充/泄氩气装置连接；所述液下罐顶部设置有氩气管，在液下罐的底部设置有开口，所述氩气管穿过密封盖与自动充/泄氩气装置连接。

可选的，所述温度控制系统包括控制单元、鼓风机、交流加热装置、温度计和热交换器；所述控制单元分别与鼓风机的控制器、交流加热装置的控制器及温度计连接，所述鼓风机与热交换器的进风管连接。

可选的，所述密封盖上还设置有阳极插入口、温度计安装孔、液位计安装孔；所述阳极穿过阳极插入口插入到电解室中，所述温度计穿过温度计安装孔插入到电解槽中的电解液中，所述液位计穿过液位计安装孔插入到电解槽中的电解液中。

可选的，在导镁口以上的隔板由刚玉砖堆砌而成，在导镁口及导镁口以下的隔板由熔铸莫来石砖堆砌而成。

可选的，在阴极与阳极之间插入的双性电极的数量为2～4块。

可选的，所述双性电极为全碳质材料或者为由铁质和碳质压制的复合板材料，其中复合板材料双性电极作为阴极的一面为铁质材料，作为阳极的一面为碳质材料。

可选的，在每一对阳极与阴极所形成的电解单元中，阳极与双性电极之间、各个双性电极之间以及双性电极与阴极之间的距离为4.5～5.5mm。

可选的，阳极与双性电极之间、各个双性电极之间以及双性电极与阴极之间设置有绝缘的隔离定位块。

可选的，所述隔离定位块材质为氮化硅陶瓷材料，其电阻率大于或等于1×10⁶Ω.mm。

可选的，每一对阳极与阴极所形成的电解单元中，从阴极到阳极方向，每一块双性电极比其前面紧邻的一块双性电极或阴极顶部高10～25mm。

可选的，所述支撑板材质为莫来石。

可选的，所述支撑板下方设置有用于支撑支撑板的支撑柱。

可选的，在支撑板上每两个电极之间均设置有电解液循孔，所述电解液循孔的孔长与电极的长度相同，孔宽为10～15mm。

可选的，电解槽内的电解液液面位于阴极顶部和最高双性电极顶部之间。

本发明的有益效果如下：

(1)在电解槽底设置有储渣室，其容积大于或等于电解装置运行一个周期产生的槽渣的体积，因此，在电解装置的一个运行周期内，不需要进行出渣操作，大大减少了劳动强度，改善了工作环境，降低了液镁的氧化损失和氧化镁槽渣的产生量，提高了氯气浓度。

(2)通过双性电极的设置，因为双性电极无需连接铝母线，与设置有多组电极的电解装置相比，提高了电解槽的单槽生产能力，降低了铝母线、电解槽及厂家占地面积的投资。

(3)设置有液位控制系统，能够对液位进行精确有效的控制，避免了现有技术中的电解装置在加料和出镁过程中电解液液位波动大，造成电解过程中氯气系统压力和槽电压波动以液镁和氯气二次反应问题，进而提高了电解效率。

(4)设置有温度控制装置，能够将电解槽内的电解液温度控制在适宜的温度范围内，与传统的通过调整电流强度控制温度的方式相比，避免了因电流强度过小或在直流电出现故障的情况下，造成电解液温度较低，电解液和液镁粘度过低，进而液镁与氯气不能及时分离造成二次反应，导致电流下降，造成电解液和液镁凝固而不得不停止生产的问题。

(5)导镁口以上的隔板由刚玉砖堆砌而成，在导镁口及导镁口以下的隔板由熔铸莫来石砖堆砌而成，在运行过程中不易破损，与传统的使用较薄的耐火砖材质的隔板相比，隔板破损率大大降低，进而提高电解效率。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为本发明实施例中电解装置的侧视剖面结构示意图；

图2为本发明实施例中电解装置电解室的主视剖面结构示意图；

图3为本发明实施例中电解装置集镁室的俯视部分剖面的结构示意图；

图4为本发明实施例中电解装置主视剖面结构示意图。

图5为本发明实施例中电解装置的箱式阴极侧视剖面结构示意图。

图6为本发明实施例中电解装置的箱式阴极主视图。

图中标记示意为：1-电解槽、2a-集镁室上盖、2b-电解室上盖、2c-加料-出镁口、3-集镁室、4-电解室、5-阳极、6-阴极、6a-阴极导镁进口、6b-阴极导镁出口、6c-电解质出口、6d-导镁板、6e-导镁管、7-双性电极、8-液下罐、8a-开口、8b-氩气管、9-热交换器、9a-进风管、9b-出风管、10a-集镁室交流加热电极、10b-电解室交流加热电极、11-支撑柱、12-支撑板、13-隔板、14-温度计、14a-温度计安装孔、15-液位计、15a-液位计安装孔、16-隔离定位块、17-储渣室、18-氯气排出口。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

实施例

参见图1-4、一种电解氯化镁生产金属镁的装置，包括温度控制系统、液位控制系统和电解槽1；在电解槽1内设置隔板13将电解槽1上部分割为电解室4和集镁室3，并且在所述隔板13上设置有导镁口6b。

在电解室4中安装有三块碳质阳极5和四块铁质阴极6，并在阳极5与阴极6之间插入两块双性电极7，将电解室4分为3个电解单元。在电解室4下部设置有绝缘的用于支撑电极的支撑板12，支撑板12可以比较牢固的固定电极，防止电解过程中电极移位。支撑板12上设有电解液循孔，支撑板12下方为储渣室17，所述储渣室17的容积大于或等于电解槽1运行一个周期产生的槽渣体积，因此，在电解装置运行期间不需要进行出渣操作，大大减少了劳动强度，改善了工作环境，降低了液镁的氧化损失和槽渣(氧化镁)产生量，提高了氯气浓度。

在电解槽1上面设有密封盖，密封盖上设有氯气排出孔18、加料-出镁口2c。

上述实施例中，优选在所述电解室4的侧壁上设置阴极插入口，所述阴极6穿过阴极插入口插入到电解室中，并且阴极6伸出电解室4的侧面与直流铝母线负极连接；参见图5、图6，所述阴极6为侧插式箱式阴极，阴极顶部为全开口；阴极6靠近集镁室3的侧壁上开设有与导镁口连通的阴极导镁出口6b，并且在该侧壁下部设置有电解质出口6c，在与设置有阴极导镁出口6b的侧壁垂直的侧壁上设置有多块向阴极导镁出口6b倾斜的导镁板6d，在阴极内部阴极导镁出口6b上方设有向下倾斜的导镁管6e。这样阴极面产生的液镁通过阴极顶部入口进入箱式阴极中，在通过阴极前侧面上方导镁出口进入集镁室，实现液镁与氯气和电解液快速、有效分离，减少二次反应，提高电流效率。

上述实施例中，所述阴极导镁出口及隔板13上的导镁口优选为方形口。

每一对阳极5与阴极6所形成的电解单元中，从阴极6到阳极5方向，靠近阴极6的第一块双性电极7的顶部比阴极6高出25mm，第二块双性电极7顶部比第一块双性电极7的顶部高出25mm。这阶梯式电极安装方式可以使阴极6产生的液镁快速进入阴极导镁进口6a，进而减少镁与氯气的二次反应。

上述实施例中，所述密封盖优选包括电解室上盖2b和集镁室上盖2a，当然也可以是一体设置的一个密封盖。

上述实施例中，所述液位控制系统优选包括控制单元、自动充/泄氩气装置、液下罐8和液位计15；所述液下罐8和液位计15设置于集镁室3内，所述控制单元分别与液位计15及自动充/泄氩气装置连接；所述液下罐8顶部设置有氩气管8b，在液下罐8的底部设置有开口8a，所述氩气管8b穿过集镁室上盖2a与自动充/泄氩气装置连接。电解槽1中液位具体控制方法为：通过控制单元对液位计反馈的液位信号进行分析，对自动充/泄氩气装置发出向液下罐8进行充氩气或泄氩气的指令，将液下罐8中部分电解液压入电解槽1中，或将电解槽1中的部分电解液压入液下罐8中，以实现电解槽1内电解液液位的自动控制，具体操作时，可将电解槽1内的液位控制在目标值的±5mm的范围内。

上述实施例中，所述温度控制系统优选包括控制单元(图中未示出)、鼓风机(图中未示出)、交流加热装置、温度计14和热交换器9；所述热交换器9设置有进风管9a和出风管9b；所述控制单元分别与鼓风机的控制器、温度计14及交流加热装置的控制器连接，所述鼓风机与热交换器9的进风管9a连接，热交换器9的出风管9b可以直接与大气相通。所述热交换器9优选设置在集镁室4中，并完全浸没在电解液中。所述交流加热装置优选包括设置在集镁室3内的两个集镁室交流加热电极10a和设置在电解室4内的两个电解室交流加热电极10b，具体设置时，可以将两个集镁室交流加热电极10a安装在集镁室3两侧靠下部的位置，将两个电解室交流加热电极10b安装在电解室4两侧靠下部的位置。

电解槽1中电解液温度具体控制方法为：通过控制单元对温度计14反馈的温度信号进行分析，对鼓风机的控制器及加热装置的控制器发出启动和停止的指令，以实现电解槽1内电解液温度的自动控制，可将电解液的温度精确控制在目标值的±10℃的范围内。

上述实施例中，优选在所述电解室上盖2b上设置阳极插入口、温度计安装孔14a、液位计安装孔15a；所述阳极5穿过阳极插入口插入到电解室4中，阳极5在电解室2b上盖以上的部分与直流铝母线正极连接；所述温度计14穿过温度计安装孔14a插入到电解槽1中电解液中，所述液位计15穿过液位计安装孔15a插入到电解槽1中的电解液中。

上述实施例中，在阴极导镁出口6b以上的隔板13优选由刚玉砖堆砌而成，在阴极导镁出口6b及阴极导镁出口6b以下的隔板13优选由熔铸莫来石砖堆砌而成，刚玉砖具有耐冲刷、强度高的优点，熔铸莫来石砖具有热膨胀均匀、热稳定性好、软化点高的优点，采用此两种材料的隔板具有寿命长的优点。

上述实施例中，在阴极6与阳极5之间插入的双性电极7的数量优选为2～4块。

上述实施例中，所述双性电极7优选为全碳质材料或者为由铁质和碳质压制的复合板材料，其中复合板材料双性电极作为阴极的一面为铁质材料，作为阳极的一面为碳质材料。

上述实施例中，在每一对阳极与阴极所形成的电解单元中，阳极5与双性电极7之间、各个双性电极7之间以及双性电极7与阴极6之间的距离优选为4.5～5.5mm。

上述实施例中，阳极5与双性电极7之间、各个双性电极7之间以及双性电极7与阴极6之间优选设置有绝缘的隔离定位块16。所述隔离定位块16材质优选为氮化硅陶瓷材料，其电阻率大于或等于1×10⁶Ω.mm；以实现电极之间精确定位隔离和防止电解过程电极之间的短路。

上述实施例中，每一对阳极5与阴极6所形成的电解单元中，从阴极6到阳极5方向，每一块双性电极7优选比其前面紧邻的一块双性电极7或阴极6顶部高10～25mm。

上述实施例中，所述支撑板12材质优选为莫来石。

上述实施例中，优选在所述支撑板12下方设置有用于支撑支撑板12的支撑柱11。

上述实施例中，优选在在支撑板12上每两个电极之间均设置有电解液循孔，所述电解液循孔的孔长与电极的长度相同，孔宽为10～15mm。

上述实施例中，电解槽1内的电解液液面优选位于阴极6顶部和最高的双性电极7顶部之间。

上述实施例中，电解室4中可以设置多块阴极6、阳极5以及双性电极7。双性电极7靠近阴极的一边为阳极，另一边为阴极，这种双性电极不需要与直流电铝母线连接，可提高电解槽的空间有效利用率，大大提高单槽产能，降低铝母线、电解槽及厂房占地的建设投资

本发明的工作原理如下：电解液中的MgCl₂被电解，在阴极面上产生液镁，产生的液镁通过阴极导镁进口进入到箱式阴极中，然后在导镁板的作用下从隔板上的导镁口进入到集镁室中，由于液镁密度较小，漂浮在集镁室中电解液上方，从而实现液镁与电解液的分离。电解产生的氯气通过氯气排出口排出，产生的槽渣存储到储渣室内。

采用上述的电解槽进行电解氯化镁生产金属镁和氯气的运行操作，电解槽的单槽产能为同样大小的单极槽的3倍，可将电解液的温度精确控制在目标值的±10℃的范围内，电解槽的液位精确控制在目标值的±5mm的范围内，电流效率达到85％，镁的收率达到99％，氯气的体积浓度达到96％以上，电解槽运行周期达到24个月，并在24个月的运行时间内未进行除渣操作，大大减少劳动强度，改善了操作环境。表1为本发明提供的电解槽与同样大小的传统单极槽的主要指标比较。

表1

本发明的电解氯化镁生产金属镁的装置并不局限于以上具体实施方式所进行的描述，对某些技术特征的惯用技术手段的替换亦在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：包括温度控制系统、液位控制系统和电解槽；在电解槽内设置隔板将电解槽上部分割为电解室和集镁室，所述隔板上设置有导镁口；在电解室中安装多组碳质阳极和铁质阴极，并在阳极与阴极之间插入多块双性电极；在电解室下部设置有绝缘的用于支撑电极的支撑板，支撑板上设有电解液循孔，支撑板下方为储渣室，所述储渣室的容积大于或等于电解槽运行一个周期产生的槽渣体积；在电解室上面设有密封盖，密封盖上设有氯气排出孔、加料-出镁口。

2.根据权利要求1所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述电解室侧壁上设置有阴极插入口，所述阴极穿过阴极插入口插入到电解室中，并且阴极伸出电解室的侧面与直流铝母线负极连接；所述阴极为侧插式箱式阴极，阴极顶部为全开口；阴极靠近集镁室的侧壁上开设有与导镁口连通的阴极导镁出口，并且在该侧壁下部设置有电解质出口，在与设置有阴极导镁出口的侧壁垂直的侧壁上设置有多块向阴极导镁出口倾斜的导镁板，在阴极内部导镁出口上方设有向下倾斜的导镁管。

3.根据权利要求2所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述导镁板与水平方向的夹角为0-40度。

4.根据权利要求2所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述阴极导镁出口以及隔板上的导镁口均为方形口。

5.根据权利要求1所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述液位控制系统包括控制单元、自动充/泄氩气装置、液下罐和液位计；所述液下罐和液位计设置于集镁室内，所述控制单元分别与液位计及自动充/泄氩气装置连接；所述液下罐顶部设置有氩气管，在液下罐的底部设置有开口，所述氩气管穿过密封盖与自动充/泄氩气装置连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述温度控制系统包括控制单元、鼓风机、交流加热装置、温度计和热交换器；所述控制单元分别与鼓风机的控制器、交流加热装置的控制器及温度计连接，所述鼓风机与热交换器的进风管连接。

7.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述密封盖上还设置有阳极插入口、温度计安装孔、液位计安装孔；所述阳极穿过阳极插入口插入到电解室中，所述温度计穿过温度计安装孔插入到电解槽中的电解液中，所述液位计穿过液位计安装孔插入到电解槽中的电解液中。

8.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：在导镁口以上的隔板由刚玉砖堆砌而成，在导镁口及导镁口以下的隔板由熔铸莫来石砖堆砌而成。

9.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：在阴极与阳极之间插入的双性电极的数量为2～4块。

10.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述双性电极为全碳质材料或者为由铁质和碳质压制的复合板材料，其中复合板材料双性电极作为阴极的一面为铁质材料，作为阳极的一面为碳质材料。

11.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：在每一对阳极与阴极所形成的电解单元中，阳极与双性电极之间、各个双性电极之间以及双性电极与阴极之间的距离为4.5～5.5mm。

12.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：阳极与双性电极之间、各个双性电极之间以及双性电极与阴极之间设置有绝缘的隔离定位块。

13.根据权利要求12所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述隔离定位块材质为氮化硅陶瓷材料，其电阻率大于或等于1×106Ω.mm。

14.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：每一对阳极与阴极所形成的电解单元中，从阴极到阳极方向，每一块双性电极比其前面紧邻的一块双性电极或阴极顶部高10～25mm。

15.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述支撑板材质为莫来石。

16.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：所述支撑板下方设置有用于支撑支撑板的支撑柱。

17.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：在支撑板上每两个电极之间均设置有电解液循孔，所述电解液循孔的孔长与电极的长度相同，孔宽为10～15mm。

18.根据权利要求1-5任一项所述的电解氯化镁生产金属镁的装置，其特征在于：电解槽内的电解液液面位于阴极顶部和最高双性电极顶部之间。