多极镁电解槽电流效率的影响因素探讨

2013-06-19张建安周云英石玉英

四川冶金 2013年5期

张建安，周云英，石玉英

(攀枝花钢企欣宇化工有限公司，四川攀枝花 617000)

1 引言

镁工业生产方法主要有两种，分别是硅热法和电解法，其中又以电解法最为常用。我国采用电解法生产镁的厂家有遵义钛厂、包头光华化学公司镁厂、抚顺铝厂镁分厂等。钛镁联合企业中采用无隔板电解槽虽为主流，但采用多极镁电解槽生产镁是未来镁电解生产的发展趋势。我公司引进了先进的多极镁电解槽生产镁，其电解质成分、组份与传统配方均有明显不同。为此，了解多极镁电解槽在运行过程中各因素对电流效率的影响，对日常生产指标的控制，降低镁电解成本显得尤为重要。根据法拉第定律，镁电解槽的电流效率应该是100%，而我们实际生产中电流效率最高仅能达到85%左右，稍微控制不当还会导致电流效率急剧下降，这是很多因素影响共同造成的，这里仅对其中一些主要因素加以分析。

2 电解槽电流效率影响因素分析

2．1 电解槽温度对电流效率的影响

多极镁电解槽在正常运行情况下，电解槽温度基本上都处于655～660℃的低恒温状态，当槽温偏高时启动风机冷却降温，温度偏低时则启动交流加热系统升温。但在生产过程中，槽温往往呈上升趋势，即产生热槽现象。多极镁电解槽正常热槽可通过间歇式启动风机快速降温，但当热槽严重时启动风机将无法使槽温恢复正常，甚至会持续飙升使槽温完全失控。此时电流效率由85%降低至30%以下，单槽产镁量由3.05 t/d降至1 t/d以下，综合电单耗则由12800 kW·h/t的Mg上升至23800 kW·h/t的Mg。为提高多极镁电解槽电流效率，就必须尽量减少热槽现象的发生，同时对产生的热槽问题及时分析和处理，在最短的时间内使槽温恢复正常，降低热槽损失。

2．2 原料的影响

(1)氯化镁熔体中氧化镁杂质的影响［1］

多极镁电解槽的主要原料来源于还蒸工序产生的副产品—熔体氯化镁，由于氯化镁具有极强的挥发性和吸湿性等特点，在氯化镁熔体转运过程中要求密闭不与空气接触。但在实际操作中往往会因一些原因造成氯化镁不能与空气完全隔离，从而生成氧化镁杂质。其化学反应方程式为:

产生的氧化镁杂质随氯化镁熔体带入电解槽后，容易被吸附在阴极表面使阴极钝化，导致镁不能在阴极汇集长大，而分散在电解质中［2］。分散在电解质中的液镁与电解质中的氯气发生二次反应引起热槽，加入电解槽氯化镁熔体中氧化镁的杂质含量越高越容易使阴极钝化，液镁与氯气就越容易发生二次反应，热槽也就越严重。氯化镁中氧化镁杂质含量对电解槽温的影响见表1。

表1 氯化镁中氧化镁杂质含量对电解槽温的影响

(2)添加剂中碳酸根杂质的影响［3］

镁电解采用的添加剂一般为氟化钙，其作用主要在于增加电解质与阴极间的界面张力，改善镁在阴极的析出条件，溶解镁珠表面的氧化镁薄膜，使镁更好汇集［4］。但当添加剂中杂质含量偏高，尤其是碳酸根杂质含量偏高时，加入槽内的添加剂反而会造成电解质的粘稠度增加，而且液镁表面出现大量的灰黑色浮渣，槽温不断上升，电流效率则急剧下降。添加剂氟化钙成分对槽温及电流效率的影响见表2。

表2 添加剂氟化钙成分对槽温及电流效率的影响

在2012年3月底4月初期间，因现场员工误将密封槽使用的低品位氟化钙(主含量88.84%，碳酸钙3.25%)添加入1#槽内，造成该槽明显异常:液镁表面出现大量黑浮渣，电解质成粘稠灰黑色，槽温持续上升，电流效率低至28.5%。改用高品位氟化钙(主含量98%，碳酸钙0．02%)和进行槽内人工清理浮渣作业近2月后，1#槽才逐渐恢复正常。

2．3 电解质组分的影响

(1)氯化镁含量的影响

多极镁电解槽的电解质一般为MgCl2—CaCl2—NaCl三元系组分，本公司的电解质组分控制为 MgCl2:15.5% ～18.5%，CaCl2:22% ～26%，CaF2:2.5% ～3.5%，其余为NaCl补充。在电解过程中，部分电解质随氯气被带走或成渣，造成槽内组分不合理——氯化镁浓度偏高或偏低。

在电解质基本成分中，MgCl2对钢阴极的湿润角较大，它能增大电解质与阴极的湿润角，从而有利于镁在阴极上的汇集长大。因此，MgCl2浓度增大，能使镁的分散度降低。此外，MgCl2的表面张力较小，MgCl2含量较高的电解质对电解质表面的镁层起着良好的保护作用。但是，如前所述，MgCl2含量高时，镁在电解质中的溶解度增大，电解质水解严重，导电性降低，挥发性增大;而MgCl2浓度过低，碱金属离子放电，也会使电流效率降低［3］。在实际生产过程中发现，新槽启动初期，氯化镁浓度控制范围相对大些，而当槽体运行一段时间以后，氯化镁浓度范围逐渐缩小，且最终只能将MgCl2控制在16% ～19%之间。如果不调整电解质组分，氯化镁成分偏高或偏低都会出现槽电压升高、热槽及电流效率下降等情况。氯化镁浓度对槽温、槽电压及电流效率的影响见表3。

表3 氯化镁浓度对槽温、槽电压及电流效率的影响

(2)氯化钙含量的影响

CaCl2能增加电解质的密度，增加熔体粘度，使液镁易于上浮，能很好地与电解质分离。因此，电解质中氯化钙含量必须从密度和粘度综合考虑。在实际生产过程中电解质中的氯化钙含量基本上都控制在22%～26%之间，只是在生产试运行初期，曾出现电解质中氯化钙含量偏低或超高现象，经调整后一直处于规定范围之内。氯化钙组分小于22%，电解质与液镁密度差较小，电解质中未及时上浮的液镁与氯气进行二次反应，槽温升高，电流效率降低;氯化钙组分大于26%时，电解质过于黏稠，镁、渣与电解质不能很好分离，同样加剧镁氯的二次反应，导致槽温升高，电流效率降低。

2．4 电解室密封和槽负压的影响

多极镁电解槽电解室采用盐、沥青等材料进行密封，密闭性好和单槽负压控制低的电解槽集气罩出口氯气浓度可达到98%～99%，也就是说流入槽内电解室的空气量极少，镁与空气接触燃烧损失少，从而槽温控制正常，电流效率高。在槽体密封出现泄漏点或单槽负压偏高，集气罩氯气浓度将明显下降，当氯气浓度降至92%以下时，单槽槽温异常，电流效率下降，主要是由于空气流入液镁燃烧损失增加造成的。