CN111809201A - 一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置及其使用方法，该装置建造于平台上；熔料间、净化间和缓冲储存间在一个完整的炉壳中；该装置从熔料间加入无水氯化镁颗粒和活性炭混合料，经供电升温熔化、脱除水分并将碱式氯化镁转化为氧化镁后通过溢流通道进入净化间；净化间的熔融氯化镁在连续通入净化剂氯气流剧烈搅拌下，熔融氯化镁中的杂质氧化镁被氯化为氯化镁；杂质铁、硅、铝生成相应的低沸点氯化物并以气态逸出进入烟气通道；干净熔融氯化镁经溢流通道进入缓冲储存间并使用真空抬包加入电解槽中。本发明的装置具备了集无水氯化镁颗粒熔化、熔融氯化镁中有害杂质的氯气净化和熔融氯化镁的缓冲储存于一体的特点。

Description

一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及无水氯化镁电解金属镁生产技术领域，具体涉及一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置及其使用方法。
背景技术
目前，工业生产金属镁的主要方法有金属热还原法和熔盐电解法。熔盐电解法的原料可分为无水氯化镁或含氯化镁的氯化物。目前作为镁电解原料的无水氯化镁有如下三种来源：(1)菱镁矿颗粒氯化所得熔融无水氯化镁；(2)海绵钛生产中副产的熔融无水氯化镁；(3)青海盐湖氯化镁卤水经脱水后生产的无水氯化镁颗粒(或由氯化镁水合物脱水获得)。
电解无水氯化镁生产金属镁的过程是：无水氯化镁原料加入电解槽内MgCl2-CaCl2-NaCl基约700℃的电解质中，在通入直流电条件下进行电解，在阴极生成液态镁，阳极生成氯气。由于液态镁的密度低于熔融盐密度，液态镁会随着电解质的循环导入集镁室(阴极室)上浮并聚集在电解质表层，定期用真空抬包抽出运送至下游精炼和铸造工序，生产出商品金属镁；阳极氯气上浮出电解质液面，由氯风(压)机抽出电解槽并通过管道送往氯气用户。
无论采用何种结构类型的镁电解槽，其加入的无水氯化镁原料的质量对镁电解的技术经济指标具有决定性影响。无水氯化镁最佳的加入方式是以熔融状态加入电解槽，避免了固相无水氯化镁颗粒在电解槽内的熔化和溶解过程，这样可以造成最小的热平衡扰动和快速实现氯化镁浓度均匀，有利于电解优良指标的获得及电解槽运行寿命延长。
目前工业生产实践中，海绵钛生产中副产的熔融无水氯化镁具有相对最优的品质，其在各类镁电解槽生产中获得了最好的指标，这已被业内人士所公认。
菱镁矿颗粒氯化工艺生产的熔融氯化镁，其有害杂质主要有氧化镁、过量炭粒等，这些有害杂质会造成电解质沸腾及阴极钝化等故障，破坏正常的镁电解工艺条件，导致镁电解乃至整个金属镁综合技术经济指标的降级。
青海盐湖镁业有限公司10万吨/年金属镁项目，采用盐湖氯化镁卤水脱水工艺生产无水氯化镁颗粒，其所含的超量有害杂质碱式氯化镁(在温度大于415℃时分解为氧化镁与氯化氢)、氧化镁、水分及铁、铝、硅等杂质，在以固相形式与活性炭加入电解槽后，对电解生产过程带来一系列危害：①氧化镁颗粒在强电场、强磁场的作用下会吸附很多物质牢固的粘接在钢阴极工作表面造成阴极钝化，使得阴极导电性变差，电解槽电压升高，槽温居高不下，镁二次反应加剧；阴极析出的“鱼籽状”镁珠增多，镁珠被氧化镁所包裹，不能很好的汇集，悬浮于电解质中并落入槽底渣中。②所含水分一部分在阴极析出氢气，过量时造成在电解槽电解室燃爆，其冲击力可损伤电解槽系统；另一部分会在电解槽内与镁液或氯化镁反应生成氧化镁，这进一步加剧了电解槽运行的恶性循环。③氧化镁含量增加会导致渣层厚度快速增加，出渣周期大大缩短，频繁地除渣作业不但使电解槽无法形成连续稳定的生产条件，而且增大了随槽渣带出的镁及电解质损失。④无水氯化镁颗粒中所含的铁、铝、硅等有害杂质，不仅会污染电解镁的质量，而且会降低电流效率。⑤碱式氯化镁、氧化镁等杂质在电解槽中发生类似化学反应：MgOHCl＝MgO+HCl；2MgO+C+2Cl2＝2MgCl2+CO2；2Al2O3+3C+6Cl2＝4AlCl3+3CO2；2Fe2O3+3C+6Cl2＝4FeCl3+3CO2；SiO2+C+2Cl2＝SiCl4+CO2；AlCl3、FeCl3、SiCl4等低沸点氯盐以气态的形式与反应生成物CO2等随阳极氯气一起进入氯气回收系统，稀释了原本需要浓度更高的氯气。总之，这种无水氯化镁颗粒在大型镁电解槽数年的生产运行中远远没有达到预期的效果。
迄今为止，国内外尚没有特意用于无水氯化镁颗粒加入镁电解槽之前将其熔化和净化的先例和一体化专用装置。工业上曾经用电阻坩埚炉、天然气坩埚炉及熔盐电炉等设备熔化少量固态无水氯化镁用以熔制熔剂和电解槽启动母液；海绵钛厂的熔融氯化镁的中转炉装置，其仅对四氯化钛还原工序熔融无水氯化镁所供和镁电解槽所需之间起中转缓冲作用。
针对青海盐湖镁业有限公司金属镁生产存在的无水氯化镁颗粒料中有害杂质碱式氯化镁、氧化镁、水分及铁、铝、硅含量超标导致镁电解运行效果差的现状，除主要通过加强脱水生产现场和操作管理，力图提高产品质量外，找到一种兼具无水氯化镁颗粒熔化及净化功能的一体化装置作为可靠的保障手段，具有现实的必要性和紧迫性。
发明内容
为了解决无水氯化镁颗粒中有害杂质碱式氯化镁、氧化镁、水分及铁、铝、硅含量超标导致镁电解运行效果差的问题，本发明提供一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置及其使用方法。
本发明的技术方案：
一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，该一体化装置由熔料间2、净化间3和缓冲储存间4组成，其中，整个装置建造于平台上，以便于净化后的熔融氯化镁使用真空抬包直接抽取；熔料间2、净化间3和缓冲储存间4在一个完整的炉壳1中，通过隔墙将三个工作间分开，且熔料间2与净化间3之间的隔墙高于净化间3与缓冲储存间4之间的隔墙；炉壳1内的炉膛与氯化镁接触部位由电熔类耐火砖5砌筑而成，可以避免熔融氯化镁受到污染，并延长炉的运行周期；熔料间2与净化间3之间由溢流通道一6连通；净化间3与缓冲储存间4之间由溢流通道二7连通，使得熔融氯化镁从净化间平稳地溢流进入缓冲储存间4；净化间3内靠近缓冲储存间4的一侧设有拱形隔墙16，以延长熔体溢流的路径，减少未净化完全的氧化镁等杂质进入缓冲储存间4；熔料间2的上端盖一8上设有加热电极一11；净化间3的上端盖二9上设有加热电极二12，下部设有通氯管14；缓冲储存间4的上端盖三10设有启动时临时加热电极(图中未显示)；缓冲储存间4炉膛底部靠近侧壁的位置设有排渣口13，缓冲储存间4的顶部设置有真空抽料口18，便于真空抬包直接抽取加入电解槽中。
进一步的，所述炉壳1为碳钢材质。
进一步的，所述熔料间2设有三相变压器；所述熔料间2的加热电极一11为新型水冷石墨电极，且设有三根，新型水冷石墨电极浸入熔融氯化镁的液位达到新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3，这种电极具有热量集中、化料均匀、操作环境好，运行平稳等优点。
进一步的，所述净化间3的炉膛底部为“凸”型面17，有利于在净化间底部氧化镁浓相区形成良好的氯气流搅拌效果，改善氧化镁颗粒、活性炭粉与氯气发生反应的动力学条件，加速其反应速率；上端盖二9设有排烟管道19，用普通耐火砖砌筑而成，烟道伸入地平面处设有沉降池，定期清理其中的粉尘；所述净化间3内的加热电极二12为上插新型水冷石墨电极，且设有两根，上插新型水冷石墨电极浸入熔融氯化镁的液位达到上插新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3，便于承受熔融氯化镁和氯气介质的侵蚀，与侧插相比，便于在线更换电极；所述净化间3设有单相变压器。
进一步的，所述通氯管14为侧插式，炉两侧各一，通氯管14在伸入净化间3炉墙的部分采用套管式，其中间为钢管，外铸铁管。
进一步的，所述缓冲储存间4炉膛底部为斜坡15，坡底与排渣口13相通；所述缓冲储存间4的上端盖三10设有两根启动时临时加热电极，正常运行期间不设加热电极。
上述一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置的使用方法，具体包括如下步骤：
步骤一，检查装置：检查装置的密封性及各部件是否可以正常运转；
步骤二，加料熔化：在熔料间2当无水氯化镁颗粒和活性炭混合熔融料液位达到新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3时开始送电，当熔融料的温度达到750℃时加入无水氯化镁颗粒和活性炭混合料升温熔化，其中，所加料量根据熔料间2的熔化能力具体而定，在此过程中水分脱除，碱式氯化镁转化为氧化镁后通过溢流通道一6进入净化间3；该熔料间内发生的化学反应为：MgOHCl＝MgO+HCl；MgCl2+H2O＝MgO+2HCl；
步骤三，通氯净化：通过溢流通道一6进入净化间3的熔融氯化镁，当熔融氯化镁的液位达到电极长度的1/3～2/3时，从通氯管14通入净化剂氯气，结合炉膛底部的“凸”型面17结构有利于浓相氧化镁颗粒区在氯气流作用下形成搅拌环流，为净化提供更好的动力学条件；熔融氯化镁中的杂质氧化镁被反应为氯化镁并与熔融氯化镁一起通过溢流通道二7流入缓冲储存间4，杂质铁、硅、铝生成相应的低沸点氯化物并以气态形式逸出并进入排烟管道19排出；该净化间内发生的化学反应为：2MgO+C+2Cl2＝2MgCl2+CO2；2Al2O3+3C+6Cl2＝4AlCl3+3CO2；2Fe2O3+3C+6Cl2＝4FeCl3+3CO2；SiO2+C+2Cl2＝SiCl4+CO2；
步骤四，放料：净化好的氯化镁缓存在缓冲储存间4中备用，当电解槽需要净化后的氯化镁时，通过抬包从真空抽料口18抽取加入电解槽中进行电解生产；
步骤五，排渣：当缓冲储存间4底部沉淀的渣层厚度达到300mm时通过缓冲储存间4炉膛底部的斜坡15结构，将底部堆积的渣由排渣口13排出。
相比于现有的技术，本发明具有如下有益效果：本发明的装置具备了集无水氯化镁颗粒熔化、熔融氯化镁中有害杂质的氯气净化和熔融氯化镁的缓冲储存于一体的特点。该方法可优化电解槽加料方式，从加入无水氯化镁颗粒改变为加入熔融氯化镁，避免了无水氯化镁颗粒在电解槽内的熔化溶解过程，这样可以造成最小的热平衡扰动快速实现氯化镁浓度均匀。通过净化过程，彻底降低了有害杂质的含量，确保了熔融氯化镁的高品质；上述优化方法对于镁电解生产的连续稳定和优良指标的获得具有决定性作用。
附图说明
图1为本发明一体化装置结构示意图；
图2为本发明一体化装置净化间A-A剖面结构示意图。
图中：1、炉壳；2、熔料间；3、净化间；4、缓冲储存间；5、电熔类耐火砖；6、溢流通道一；7、溢流通道二；8、上端盖一；9、上端盖二；10、上端盖三；11、加热电极一；12、加热电极二；13、排渣口；14、通氯管；15、斜坡；16、拱形隔墙；17、“凸”型面；18、真空抽料口；19、排烟管道。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅附图1和附图2，本发明提供了一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，该一体化装置由熔料间2、净化间3和缓冲储存间4组成，其中，整个装置建造于平台上，以便于净化后的熔融氯化镁使用真空抬包直接抽取；熔料间2、净化间3和缓冲储存间4在一个完整的碳钢炉壳1中，通过隔墙将三个工作间分开，且熔料间2与净化间3之间的隔墙高于净化间3与缓冲储存间4之间的隔墙；炉壳1内的炉膛与氯化镁接触部位由电熔类耐火砖5砌筑而成，可以避免熔融氯化镁受到污染，并延长炉的运行周期；熔料间2与净化间3之间由溢流通道一6连通，在这个炉料熔化过程中发生如下反应：MgOHCl→MgO+HCl；MgCl2+H2O＝MgO+2HCl；净化间3与缓冲储存间4之间由溢流通道二7连通，使得熔融氯化镁从净化间平稳地溢流进入储存间，净化间内无水氯化镁中杂质发生如下反应：2MgO+C+2Cl2＝2MgCl2+CO2；2Al2O3+3C+6Cl2＝4AlCl3+3CO2；2Fe2O3+3C+6Cl2＝4FeCl3+3CO2；SiO2+C+2Cl2＝SiCl4+CO2；使无水氯化镁颗粒料中的杂质变为有用的氯化镁，或变为低沸点氯盐从排烟管道19排出，从而使得无水氯化镁得到了较为充分的净化；净化间3内靠近缓冲储存间4的一侧设有拱形隔墙16，以延长熔体溢流的路径，减少未净化完全的氧化镁等杂质进入缓冲储存间；熔料间2的上端盖一8上设有三根新型水冷石墨电极11，新型水冷石墨电极浸入熔融氯化镁的液位达到新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3，无水氯化镁颗粒及活性炭混合料加到水冷石墨电极中间熔化，这种电极具有热量集中、化料均匀、操作环境好，运行平稳等优点，熔料间2设有三相变压器；净化间3设有单相变压器，净化间3的上端盖二9上设有两根上插新型水冷石墨电极12，上插新型水冷石墨电极浸入熔融氯化镁的液位达到上插新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3，便于承受熔融氯化镁和氯气介质的侵蚀，与侧插相比，便于在线更换电极；下部设有通氯管14，通氯管14为侧插式，炉两侧各一，通氯管14在伸入净化间3炉墙的部分采用套管式，其中间为钢管，外铸铁管；净化间3的炉膛底部为“凸”型面17，有利于在净化间底部氧化镁浓相区形成良好的氯气流搅拌效果，改善氧化镁颗粒、活性炭粉与氯气发生反应的动力学条件，加速其反应速率；设有排烟管道19，用普通耐火砖砌筑而成，烟道伸入地平面处设有沉降池，定期清理其中的粉尘；缓冲储存间4的上端盖三10设有两根启动时临时加热电极(图中未显示)，正常运行期间不设加热电极；缓冲储存间4炉膛底部靠近侧壁的位置设有排渣口13，缓冲储存间4炉膛底部为斜坡15，坡底与排渣口13相通，缓冲储存间4的顶部设置有真空抽料口18，便于真空抬包直接抽取加入电解槽中。
实施例2
一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置的使用方法，具体包括如下步骤：
步骤一，检查装置：检查装置的密封性及各部件是否可以正常运转；
步骤二，加料熔化：在熔料间2当无水氯化镁颗粒和活性炭混合熔融料液位达到新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3时开始送电，当熔融料的温度达到750℃时加入无水氯化镁颗粒和活性炭混合料升温熔化，其中，所加料量根据熔料间2的熔化能力具体而定，在此过程中水分脱除，碱式氯化镁转化为氧化镁后通过溢流通道一6进入净化间3；该熔料间内发生的化学反应为：MgOHCl＝MgO+HCl；MgCl2+H2O＝MgO+2HCl；
步骤三，通氯净化：通过溢流通道一6进入净化间3的熔融氯化镁，当熔融氯化镁的液位达到电极长度的1/3～2/3时，从通氯管14通入净化剂氯气，结合炉膛底部的“凸”型面17结构有利于浓相氧化镁颗粒区在氯气流作用下形成搅拌环流，为净化提供更好的动力学条件；熔融氯化镁中的杂质氧化镁被反应为氯化镁并与熔融氯化镁一起通过溢流通道二7流入缓冲储存间4，杂质铁、硅、铝生成相应的低沸点氯化物并以气态形式逸出并进入排烟管道19排出；该净化间内发生的化学反应为：2MgO+C+2Cl2＝2MgCl2+CO2；2Al2O3+3C+6Cl2＝4AlCl3+3CO2；2Fe2O3+3C+6Cl2＝4FeCl3+3CO2；SiO2+C+2Cl2＝SiCl4+CO2；
步骤四，放料：净化好的氯化镁缓存在缓冲储存间4中备用，当电解槽需要净化后的氯化镁时，通过抬包从真空抽料口18抽取加入电解槽中进行电解生产；
步骤五，排渣：当缓冲储存间4底部沉淀的渣层厚度达到300mm时通过缓冲储存间4炉膛底部的斜坡15结构，将底部堆积的渣由排渣口13排出。
该装置三个功能单元间相连通，在正常工作期间，每个单元间上部空间始终充满着氯气、氯化氢及二氧化碳的混合气体，这种混合气体属于保护性气氛，可以有效抑制氯化镁的水解，使整个生产过程始终在保护性气氛下进行。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，该一体化装置由熔料间(2)、净化间(3)和缓冲储存间(4)组成，其特征在于:整个装置建造于平台上；熔料间(2)、净化间(3)和缓冲储存间(4)在一个完整的炉壳(1)中，通过隔墙将三个工作间分开，且熔料间(2)与净化间(3)之间的隔墙高于净化间(3)与缓冲储存间(4)之间的隔墙；炉壳(1)内的炉膛与熔融氯化镁接触部位由电熔类耐火砖(5)砌筑而成；熔料间(2)与净化间(3)之间由溢流通道一(6)连通；净化间(3)与缓冲储存间(4)之间由溢流通道二(7)连通；净化间(3)内靠近缓冲储存间(4)的一侧设有拱形隔墙(16)；熔料间(2)的上端盖一(8)上设有加热电极一(11)；净化间(3)的上端盖二(9)上设有加热电极二(12)，下部设有通氯管(14)；缓冲储存间(4)的上端盖三(10)设有启动时临时加热电极；缓冲储存间(4)炉膛底部靠近侧壁的位置设有排渣口(13)，缓冲储存间(4)的顶部设置有真空抽料口(18)。
2.根据权利要求1所述的一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，其特征在于：所述炉壳(1)为碳钢材料。
3.根据权利要求1所述的一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，其特征在于：所述熔料间(2)设有三相变压器；所述熔料间(2)的加热电极一(11)为新型水冷石墨电极，且设有三根，新型水冷石墨电极浸入熔融氯化镁的液位达到新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3。
4.根据权利要求1所述的一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，其特征在于：所述净化间(3)的炉膛底部为“凸”型面(17)；上端盖二(9)设有排烟管道(19)，用普通耐火砖砌筑而成，烟道伸入地平面处设有沉降池；所述净化间(3)内的加热电极二(12)为上插新型水冷石墨电极，且设有两根，上插新型水冷石墨电极浸入熔融氯化镁的液位达到上插新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3；所述净化间(3)设有单相变压器。
5.根据权利要求1所述的一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，其特征在于：所述通氯管(14)为侧插式，炉两侧各一，通氯管(14)在伸入净化间(3)炉墙的部分采用套管式，其中间为钢管，外铸铁管。
6.根据权利要求1所述的一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置，其特征在于：所述缓冲储存间(4)炉膛底部为斜坡(15)，坡底与排渣口(13)相通；所述缓冲储存间(4)的上端盖三(10)设有两根启动时临时加热电极，正常运行期间不设加热电极。
7.一种无水氯化镁颗粒熔化及净化一体化装置的使用方法，具体包括如下步骤：
步骤一，检查装置：检查装置的密封性及各部件是否可以正常运转；
步骤二，加料熔化：在熔料间(2)当无水氯化镁颗粒和活性炭混合熔融氯化镁液位达到新型水冷石墨电极长度的1/3～2/3时开始送电，当熔融料的温度达到750℃时加入无水氯化镁颗粒和活性炭混合料升温熔化，其中，所加料量根据熔料间(2)的熔化能力具体而定，在此过程中水分脱除，碱式氯化镁转化为氧化镁后通过溢流通道一(6)进入净化间(3)；该熔料间(2)内发生的化学反应为：MgOHCl＝MgO+HCl；MgCl2+H2O＝MgO+2HCl；
步骤三，通氯净化：通过溢流通道一(6)进入净化间(3)的熔融氯化镁，当熔融氯化镁的液位达到电极长度的1/3～2/3时，从通氯管(14)通入净化剂氯气，结合炉膛底部的“凸”型面(17)结构有利于浓相氧化镁颗粒区在氯气流作用下形成搅拌环流，为净化提供更好的动力学条件；熔融氯化镁中的杂质氧化镁被反应为氯化镁并与熔融氯化镁一起通过溢流通道二(7)流入缓冲储存间(4)，杂质铁、硅、铝生成相应的低沸点氯化物并以气态形式逸出并进入排烟管道(19)排出；该净化间内发生的化学反应为：2MgO+C+2Cl2＝2MgCl2+CO2；2Al2O3+3C+6Cl2＝4AlCl3+3CO2；2Fe2O3+3C+6Cl2＝4FeCl3+3CO2；SiO2+C+2Cl2＝SiCl4+CO2；
步骤四，放料：净化好的氯化镁缓存在缓冲储存间(4)中备用，当电解槽需要净化后的氯化镁时，通过抬包从真空抽料口(18)抽取加入电解槽中进行电解生产；
步骤五，排渣：当缓冲储存间(4)底部沉淀的渣层厚度达到300mm时通过缓冲储存间(4)炉膛底部的斜坡(15)结构，将底部堆积的渣由排渣口(13)排出。
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