一种连续生产金属镁的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种连续生产金属镁的装置及方法，装置的熔盐制备单元包括炉体，电解单元包括电解槽和直流电源；电解槽中设置有分隔墙，并且炉体的底部插设在电解槽的左部中，电解槽的右部中插设有阴电极和阳电级，直流电源的两个电源端分别与两个电极相连；炉体的顶部设置有加料口和气体逸出口，炉体中自上而下依次设置有保护加热区、氯化/脱水区、脱铵转化区、保护熔化区和水解产物沉降区，并且保护熔化区和水解产物沉降区均位于电解槽的左部中；水解产物沉降区对应的炉体的右侧壁上开设有第一扩散孔，分隔墙上且位于第一扩散孔的上下两侧分别开设有第二扩散孔和第三扩散孔。本发明专利技术使得电解制备金属镁能够连续、高效、稳定和低成本地运行。

【技术实现步骤摘要】
一种连续生产金属镁的装置及方法
本专利技术涉及金属材料的制备
，具体涉及一种连续生产金属镁的装置及利用该装置连续生产金属镁方法。
技术介绍
金属镁和镁合金是一种非常重要的轻质结构金属材料。随着社会的进步和科技的发展，镁及镁合金制品在工业、农业及人们的生活各个领域的运用越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。目前，金属镁的制备方法很多，但最常用的两种方法为热还原法和电解法。其中，热还原法以白云石（MgCO3·CaCO3）为原料，硅（含硅75%的硅铁合金）为还原剂，在高温（1100-1250℃）和高真空（1.33-13.3Pa）的条件下进行还原反应，镁蒸气冷凝在水冷的蒸馏罐一端（纯度可达99.95%）。该方法具有工艺简单、流程短、投资小、建厂快、规模灵活、产品质量高等优点，因而成为金属镁的主要制备方法（全球每年金属镁产量的85%以上由热还原法生产）。然而，该方法对环境污染严重且能耗很高，大大限制了其在未来的长远发展。随着各国对环保意识和生态平衡的日益重视，很多热还原法制备金属的工艺逐渐被列入限制类发展的项目。例如，我国《产业结构调整指导目录》（2010和2011年版本）中均将金属镁冶炼的硅热还原法（又名皮江法）列入限制类发展的行列。电解法普遍采用较廉价的水合氯化镁为原料，首先通过加热脱水制备得到无水氯化镁。然后，将得到的无水氯化镁作为原料加入电解槽中形成三元或四元电解质体系，并通过电解制备得到金属镁。该方法可以克服热还原法制备金属镁过程中产生的能耗大、环境污染严重、间歇式生产等缺点。然而，限制该方法大规模应用的关键问题是高纯无水氯化镁的制备。目前，高纯无水氯化镁制备方法主要有：（1）氯化氢脱水该方法以金属水合氯化镁（多取自液体矿物）为原料，在流化床反应器中以氯化氢气体作为流化介质进行脱水反应，从而制备得到无水氯化镁。例如，Boyum等人（详见文献：BoyumO.Anhydrousmagnesiumchlorideproduction.USPatent:3742100）以氯化镁浓溶液为原料，将其浓缩至氯化镁含量约为55%左右进行造粒，经过200℃热空气流化干燥脱水得到二水氯化镁粉末，再用300℃的无水氯化氢气体进行流化脱水，制备得到氧化镁和水含量均小于0.2%的无水氯化镁。该方法氯化氢气体的使用量大，对设备的腐蚀较大，对设备的密封性要求也较高，并且气体的净化难度也很高，大大增加了脱水的成本。（2）复盐法脱水该方法以水合氯化镁为原料，首先利用氯化铵将其转化为光卤石结构的复盐，通过加热该复盐制备得到无水氯化镁。例如，周宁波等人（详见文献：周宁波，陈白珍等，铵光卤石气固反应法制备无水氯化镁，应用化学，22（2005）874-878）利用复盐铵光卤石和氯化铵为原料，利用氯化铵分解释放氨气的特点，使高温下反应体系中氨气的分压达到30.5kPa以上，制备得到无水氯化镁。该方法消耗了大量的氯化铵，增加了氯化铵回收的难度，且大量氯化铵高温同时释放很容易造成堵塞管道等技术问题。（3）有机溶剂法脱水该方法将氧化镁的氯化和水合氯化镁的脱水均置于有机溶剂的环境中进行，然后将无水氯化镁与有机溶剂进行分离得到固态无水氯化镁。例如，闫岩等人（详见文献：闫岩，卢旭晨等，氨络合法制备无水氯化镁工艺，过程工程学报，6（2010）1143-1147）以煅烧菱镁矿和氯化铵为原料，在乙二醇溶液中进行氯化反应。然后，向乙二醇溶液中通入氨气形成六氨氯化镁沉淀。最后，将六氨氯化镁进行热解制备得到无水氯化镁。该方法需要消耗大量的有机溶剂对无水产物进行清洗，大大增加了生产成本。除了上述各方法存在的独特问题，以上无水氯化镁制备方法及由该方法制备金属镁存在如下通用问题：（1）电解过程不稳定。向电解槽中固定点加入固体无水氯化镁后，由于无水氯化镁的熔点（714℃）高于电解温度（650-700℃），其在电解槽中熔化和均匀化需要一定的时间。在该段时间内，电解质成分、温度和液位高度都不稳定，导致电解过程非常不稳定。除此之外，电解过程中电解槽内无水氯化镁浓度随着电解的进行浓度逐渐降低，电解质物理化学性质变化较大，也很容易造成电解过程的不平稳；（2）无水氯化镁不稳定。无水氯化镁常温很容易吸水变质，且无水氯化镁很容易在高温熔化过程中与空气中含氧气体发生反应，由此产生的水解产物对后续电解过程危害很大；（3）槽内除渣。电解一段时间后随着水解产物在电解槽底部的不断累积，需要停止电解进行槽内除渣。槽内除渣操作繁琐，且再次启动电解槽也很麻烦，电解槽从开始启动到运行平稳非常耗时耗能；（4）氯化/脱水与电解过程相互独立，无法利用相互强化机制。氯化/脱水过程和电解过程存在着相互强化的协同机制，然而传统方法中氯化/脱水过程和电解过程在不同的设备中完成，无法利用这种协同机制，故氯化/脱水和电解的效率都比较低；（5）设备通用性差。由于缺乏对氯化过程和脱水过程共性的深入研究，传统制备无水氯化镁的过程中用于氯化和脱水的设备具有很强的专一性（例如利用菱镁矿作为原料时的氯化炉和利用水合氯化镁作为原料时的流化床），设备无法实现通用，大大增加了设备的投资建设成本。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术的不足而提供一种连续生产金属镁的装置及方法，以在相对简单的工艺条件下连续生产金属镁。为解决上述技术问题，本专利技术的内容包括：一种连续生产金属镁的装置，所述装置包括熔盐制备单元和电解单元；所述熔盐制备单元包括炉体，所述电解单元包括电解槽和直流电源；所述电解槽中设置有将其内部分隔成左右两部的分隔墙，并且炉体的底部插设在电解槽的左部中，电解槽的右部中插设有阴电极和阳电级，直流电源的两个电源端分别与两个电极相连；所述炉体的顶部设置有加料口和气体逸出口，炉体中自上而下依次设置有保护加热区、氯化/脱水区、脱铵转化区、保护熔化区和水解产物沉降区，并且保护熔化区和水解产物沉降区均位于电解槽的左部中；所述水解产物沉降区对应的炉体的右侧壁上开设有第一扩散孔，所述分隔墙上且位于第一扩散孔的上下两侧分别开设有第二扩散孔和第三扩散孔。进一步的，所述保护加热区的长径比为0.2-25.0，所述氯化/脱水区的长径比为1.0-48.0，所述脱铵转化区的长径比为2.3-45.0，所述保护熔化区的长径比为1.5-42.5，所述水解沉降区的长径比为0.1-16.5。进一步的，所述第一扩散孔上端与阴电极下端的连线与阴电极之间的夹角为8-20°，所述阴电极设置在靠近分隔墙的位置。进一步的，所述分隔墙与第一扩散孔之间的垂直距离为0.1-4.5米。一种利用上述装置连续制备金属镁的方法，包括如下步骤：（a）从加料口加入适量氯化铵至脱铵转化区中，控制保护加热区中氯化氢和氨气的分压之和为5-75kpa，然后将原料从加料口加入至保护加热区；原料在保护加热区的长径比为0.2-25.0；在65-95℃对原料进行加热0.1-1.5小时以脱除其表面的自由水，将原料中自由水含量将至2.0wt.%以下，得到低自由水含量的原料；（b）将步骤（a）得到的低自由水含量的原料加入氯化/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续生产金属镁的装置，其特征在于：所述装置包括熔盐制备单元和电解单元；所述熔盐制备单元包括炉体（14），所述电解单元包括电解槽（12）和直流电源（13）；所述电解槽（12）中设置有将其内部分隔成左右两部的分隔墙（9），并且炉体（14）的底部插设在电解槽（12）的左部中，电解槽（12）的右部中插设有阴电极和阳电级，直流电源（13）的两个电源端分别与两个电极相连；所述炉体（14）的顶部设置有加料口（1）和气体逸出口（2），炉体（14）中自上而下依次设置有保护加热区（3）、氯化/脱水区（4）、脱铵转化区（5）、保护熔化区（6）和水解产物沉降区（7），并且保护熔化区（6）和水解产物沉降区（7）均位于电解槽（12）的左部中；所述水解产物沉降区（7）对应的炉体（14）的右侧壁上开设有第一扩散孔（8），所述分隔墙（9）上且位于第一扩散孔（8）的上下两侧分别开设有第二扩散孔（10）和第三扩散孔（11）。/n

【技术特征摘要】
1.一种连续生产金属镁的装置，其特征在于：所述装置包括熔盐制备单元和电解单元；所述熔盐制备单元包括炉体（14），所述电解单元包括电解槽（12）和直流电源（13）；所述电解槽（12）中设置有将其内部分隔成左右两部的分隔墙（9），并且炉体（14）的底部插设在电解槽（12）的左部中，电解槽（12）的右部中插设有阴电极和阳电级，直流电源（13）的两个电源端分别与两个电极相连；所述炉体（14）的顶部设置有加料口（1）和气体逸出口（2），炉体（14）中自上而下依次设置有保护加热区（3）、氯化/脱水区（4）、脱铵转化区（5）、保护熔化区（6）和水解产物沉降区（7），并且保护熔化区（6）和水解产物沉降区（7）均位于电解槽（12）的左部中；所述水解产物沉降区（7）对应的炉体（14）的右侧壁上开设有第一扩散孔（8），所述分隔墙（9）上且位于第一扩散孔（8）的上下两侧分别开设有第二扩散孔（10）和第三扩散孔（11）。


2.根据权利要求1所述连续生产金属镁的装置，其特征在于：所述保护加热区（3）的长径比为0.2-25.0，所述氯化/脱水区（4）的长径比为1.0-48.0，所述脱铵转化区（5）的长径比为2.3-45.0，所述保护熔化区（6）的长径比为1.5-42.5，所述水解沉降区（7）的长径比为0.1-16.5。


3.根据权利要求1所述连续生产金属镁的装置，其特征在于：所述第一扩散孔（8）上端与阴电极下端的连线与阴电极之间的夹角为8-20°，所述阴电极设置在靠近分隔墙（9）的位置。


4.根据权利要求1所述连续生产金属镁的装置，其特征在于：所述分隔墙（9）与第一扩散孔（8）之间的垂直距离为0.1-4.5米。


5.一种利用权利要求1-4任一所述的装置连续制备金属镁的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
（a）从加料口（1）加入适量氯化铵至脱铵转化区（5）中，控制保护加热区（3）中氯化氢和氨气的分压之和为5-75kpa，然后将原料从加料口（1）加入至保护加热区（3）；原料在保护加热区（3）的长径比为0.2-25.0；在65-95℃对原料进行加热0.1-1.5小时以脱除其表面的自由水，将原料中自由水含量将至2.0wt.%以下，得到低自由水含量的原料；
（b）将步骤（a）得到的低自由水含量的原料加入氯化/脱水区（4）中并形成物料长径比为1.0-48.0，在90-348℃进行氯化/脱水反应0.1-2.5小到氯化/脱水产物；
（c）将步骤（b）得到的氯化/脱水产物加入脱铵转化区（5）中并形成物料长径比为2.3-45.0，在350-650℃加热0.2-1.5小时对原料进行脱铵并实现水解产物向无水氯化镁的转化，得到低氯化铵含量的无水氯化镁；
（d）将步骤（c）...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢旭晨，张志敏，闫岩，王天华，薛立强，李金沙，
申请(专利权)人：河北大有镁业有限责任公司，中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13