提高镁电解生产能效的研究

李保金，黎亮，杨松

提高镁电解生产能效的研究

李保金，黎亮，杨松

(云南新立有色金属有限公司，云南昆明650100)

阐述了如何提高镁电解生产能效，提出了通过使用新型电解槽、降低电解温度和加强绝缘等途径可以有效提高镁电解的生产能效。

镁电解;新型电解槽;生产能效

0 引言

1957年11月我国第一台镁电解槽于抚顺铝厂通电投产，开创了我国镁提炼的工业化时代，奠定了镁电解应用的成功基础。在时隔30多年后的1993年11月，第一台由前苏联引进的更为先进的105 kA无隔板镁电解槽再次于抚顺铝厂投产成功，大幅提升了抚顺铝厂镁电解的生产能效，此后，遵义钛厂同样通过引进先进的镁电解技术(110 kA电解槽)淘汰老工艺的方式实现了生产能效的提高。自2006年以后，国内新建的一批海绵钛生产项目，引进了具有世界先进水平性质的多极性镁电解槽技术，并获得成功投运，其直流电耗、氯气浓度、原材料消耗、环保程度等多项指标均优于国内其他类型的电解槽。

纵观我国镁电解发展史，虽然在短短10余年时间里取得了突破性的成就，但其与发达国家的技术水平相比还相差甚远，巨大的能效提高潜力仍有待发掘和开发并应用于实践，该文将根据本厂的技术探索对如何提高镁电解的生产能效进行讨论。

1 技术革新是提高生产能效的有效途径

通过采用全面的技术革新方式来提高自身的生产能效，是最直接、最成功也是最有效的途径，在目前国内镁电解生产的技术性能指标体现中得到了充分的证明，表1是各种镁电解槽型生产技术指标对比［1］。

表1 各种镁电解槽型生产技术经济指标对比Tab.1 Comparison of Technical－Economic Targets for Various Types of Magnesium Electrolytic Cell

表1中显示多极性镁电解槽最大的优点是吨镁直流电耗更低，每生产1 t镁可节省直流电耗约18%～23%，同时，氯气浓度更高，将会大幅度提升氯化工序的产品质量，另外，氯化镁消耗量极低，电解槽结构设计更为优越，因此，多极性镁电解槽相对于其他类型的电解槽更具提高生产能效的优势。

对多极性镁电解槽研究和使用多年的大阪钛公司于1988年已将每kg镁的电耗降至9.5～10 kW·h，相当于电能效率达到64%～67%［2］，先期验证了该类槽型的先进性，表2是大阪钛公司双极性镁电解槽的技术性能。

表2 大阪钛公司双极性镁电解槽技术指标Tab.2 Technical Targets of Bipolar Magnesium Electrolytic Cell in Osaka Corporation

2 降低槽电压

式中:Qt—时间t内电能消耗量，kW·h;

W—时间t内的实际产镁量，kg;

U—电解槽电压，V;

η—电流效率。

式中表明单位镁电能消耗量与电解槽电压成正比，与电流效率成反比。在实际生产中由于受槽型结构等因素的限制，通过提高电流效率来减少电

每千克镁电能消耗量(kW·h):能消耗比较困难，因此，实际生产中主要通过降低电解槽的电压来达到降低电能消耗的目的。

电解槽电压组成［2］:

式中表明降低电解槽电压必须通过降低母线、阳极、阴极、电解质电压降和氯化镁分解电压(E分解)来实现。氯化镁分解电压主要受自身特性限制，外部因素的温度和电解质成分也对其有较大影响，分解电压变化范围为0～0.2 V，对电解槽电压降低的影响不大，因此，降低电解槽电压主要通过研究降低其他四个方面的电压降来考虑。

2.1 降低母线电压降

母线电压(V)计算公式:

式中:I—通过母线的电流强度，A;

ρ—母线电阻率，Ω·m;

L—母线长度，m;

S—母线横截面积，m2。

式中显示母线电压降与电流强度、电阻率、母线长度成正比，与横截面积成反比。在电流强度和母线长度一定的情况下，通过采用更低电阻率材料(如铜等)做母线和增大母线横截面积的方式来降低母线电压，这对生产规模大的企业来说提升能效尤为明显。

在实际生产中，母线压接面结合程度好与坏对母线电压降仍存在重大影响，其电压降要求不大于10 mV，首要措施是提高母线压接面加工精度，另外可通过在压接面涂抹导电膏或加垫镀银铜箔等外部措施增强压接面的结合程度。

2.2 降低阳极电压降

阳极电压降［2］:

式中:ρ—石墨阳极在t℃时的电阻率，Ω·cm;

i断—阳极断面的电流密度，A/cm2; L阳—电流通过阳极的电路长度，cm。

式中阳极电压降与电阻率、断面电流密度、电流通过阳极的电路长度均成正比，在电解槽结构既定的情况下，唯有通过使用低电阻率的石墨阳极才能降低阳极电压降。

2.3 降低阴极电压降

阴极材料的化学成分和晶体结构对电流效率有很大影响［2］，阴极的工作截面、结构型式以及连接方式对电压降同样具有较大影响。在实际生产中，有些工厂为保证阴极与母线接触的长效性和降低电压降，使用软母线通过焊接的方式将母线和阴极连接起来。

2.4 降低电解质电压降

在固定槽型中，极距和电流密度是不变的，此时电解质电压降主要取决于电解质的导电度，表3是电解质基本成分在800～805℃时的导电率［2］。

表3 镁电解质基本成分的导电率Tab.3 Electric Conductivity of Basic Component of Magnesium Electrolyte

表3中显示各种熔盐成分中NaCl的导电度最高。经研究发现，所有镁电解质体系中，混合熔盐的电导率随氯化钠的增加而增大，随氯化钙含量的增加先是降低，当氯化钙含量超过30%以后又增大，因此，常用的电解质体系中，无论是3元系还是4元系，氯化钠的含量都比较高。同时，适当提高氯化钾的含量有利于对电解质表面上的液镁的保护［3］。

3 降低电解温度

当前国内的镁电解技术发展趋势为低温电解技术，在镁电解生产过程中，采取适当低的电解温度，就能够获得比较高的电流效率。日本大阪钛公司1975年投入运行的无隔板镁电解槽电解温度为660～670℃，出镁温度控制在670～675℃之间，其电流效率为93.2%［6］。目前国内在运行的无隔板镁电解槽电解温度普遍控制在680～710℃之间，电流效率低于80%。

根据M.K.Бaйбеков等针对循环集镁型无隔板槽的低温电解工艺的研究，在660～670℃的电解温度下，使用Ti生产返回的MgCl2做原料加入工业电解槽中进行电解，电流效率提高3%～4%，吨镁电能消耗降低500 kW·h，卫生排气中的Cl2损失大幅下降。在国内的一些海绵钛工厂中已经应用这一技术，其电流效率和电能效率都比较高［4］。

4 加强绝缘

在镁电解项目设计和建设的过程中，为避免和减少电解槽漏电损失，做好绝缘工作是最重要的工作之一。因此，车间地坪必须使用绝缘材料铺砌或覆盖，电解槽基础与大地、工作平台支撑柱与大地、工作平台支撑柱与工作平台、工作平台与厂房墙体、工作平台与行车支撑柱等均要求绝缘，并且绝缘电阻值均不低于500 kΩ。另外，工作平台设置多条绝缘缝，最优方案为每两台电解槽之间的工作平台设置绝缘缝。

在日常生产中，定期检查车间绝缘情况，使用酒精擦拭电解槽、氯气导管、母线的绝缘瓷瓶，避免升华物沾附其上，对绝缘造成破坏。采用大型轴流风机加强通风，保证车间干燥。

5 结语

(1)就目前国内所运用的电解槽技术而言，从长期经济利益出发，引进更为先进的多极性镁电解槽可大幅降低单位镁产量的电能消耗、提高氯气浓度、提高原料利用率等。

(2)深入研究多种降低电解槽电压的途径，对降低电能消耗更具实际意义，同时，研究使用适当的低温电解，均能够有效提升电解槽的电流效率和电能效率。

(3)采取多种行之有效的方法保证车间各项设施绝缘良好，对绝缘受损设施，应第一时间处理，避免漏电造成重大损失。

［1］姜宝伟，陈平.海绵钛生产工艺中的多极性镁电解槽技术［J］.钛工业进展，2011，28(5):6－8.

［2］张永健.镁电解生产工艺学［M］.长沙:中南大学出版社，2006.

［3］陈平，李长荣.电解质成分对无隔板镁电解槽电流效率影响的工业实践［J］.南方金属，2011(4):15－17，44.

［4］阎守义.我国海绵钛生产工艺改进途径［J］.北京:中国金属通报，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，工程师.主要研究方向:全流程海绵钛生产工艺.E－mail:libaojinmmm@163.com