镁电解质熔盐性质测定及多极电解槽试验研究

摘要

镁的冶炼方法主要分为热还原法和电解法两种。当下热还原法炼镁工艺是我国炼镁行业使用的主要方法，但其生产工艺具有能耗高、排放量大等缺点;而电解法可实现在高自动化控制下的连续生产，生产过程绿色环保，所以对电解法炼镁的研究而言，从长期发展的角度上看仍具有重要的意义。多极电解槽作为镁电解工业生产中的一种新型电解槽，和传统电解槽相比优势明显，但对于多极电解槽的相关研究与应用相对滞后，因此开展多级槽的相关研究将有助于推动我国镁工业的发展。
　　多极电解槽在电解过程中应用了一种新的电解质配比，国内对该配比的电解质物理性质研究较少，本实验以极端顶点设计法选取测量点，对多极电解槽所采用的熔盐体系物理性质进行系统研究，通过拟合曲线分析了电解质体系内各组分变化对电解质物理性质的影响。同时，设计、制作、安装了一台小型多级槽并进行了电解试验，得到的结果如下：
　　1、初晶温度随组分变化的关系曲线为y=2616.21x1+936.52x2+522.18x3-9109.26x1x2-1051.85x1x3+1109.26x2x3。曲线分析表明:镁电解质的初晶温度随NaCl含量增大而增大，随MgCl2或CaCl2含量的增大而减小，其中NaCl对镁电解质初晶温度的影响最为显著，为降低电解质的初晶温度以满足对工业电解过程中对电解温度的要求，氯化钠的含量不应超过56％。
　　2、密度随组分变化的关系曲线为y=2.82x1+2.79x2+1.65x3-2.91x1x2-1.46x1x3-0.91x2x3。曲线分析表明:镁电解质的密度随CaCl2含量的增大而增大，随MgCl2或NaCl含量增大而减小，其中CaCl2对镁电解质密度的影响最为显著。现行工业电解质体系的密度范围基本满足镁电解对电解质密度的要求。
　　3、表面张力随组分变化的关系曲线:y=3052.32x1+433.68x2+301.31x3-4986.67x1x2-4606.66x1x3-225.00x2x3。曲线分析表明:镁电解质的表面张力随CaCl2或NaCl含量增大而增大，随MgCl2含量增大而减小，其中MgCl2对镁电解质表面张力的影响最为显著。为使生成的镁得到更好的保护，应适当增大MgCl2的所占比例。
　　4、电导率随组分变化的关系曲线y=8.86x1+9.82x2+3.89x3-27.59x1x2-7.41x1x3-14.63x2x3。曲线分析表明:镁电解质的电导率随NaCl含量增大而增大，随MgCl2或CaCl2含量增大而减小，其中氯化钠对镁电解质电导率的影响最为显著，为了降低电解过程中的电压降，应适当增大NaCl所占比例。综合分析认为:实际生产中应在平衡NaCl用量的基础上，尽量增加MgCl2在电解质中的比例，保持生产过程在高浓度MgCl2熔盐体系中运行。
　　5、结合测量的电解质物理性质进行的电解试验表明，所选择的电解槽内部结构、制作材料及加热系统、电解系统能够满足电解要求，电解室有金属镁和氯气生成，设计的多级槽经重新选择碳化硅槽材质可用于电解金属镁。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 金属镁的制备及应用

1．1．1 镁资源简介

1．1．2 国内外镁工业的发展状况

1．1．3 镁及镁合金的应用

1．2 电解法炼镁工艺的概述

1．2．1 诺斯克法

1．2．2 克劳尔法

1．2．3 诺兰达法

1．3 镁电解槽的研究进展

1．3．1 有隔板电解槽

1．3．2 无隔板电解槽

1．3．3 多极电解槽

1．4 研究的意义及主要内容

1．4．1 研究的意义

1．4．2 研究内容

第2章 熔盐电解质体系的性质及测量原理

2．1 电解法炼镁的原理

2．2 初晶温度的测量原理

2．3 密度的测量原理

2．4 表面张力的测量原理

2．5 电导率的测量原理

2．6 电解质组成对电解过程的影响

2．7 熔盐性质测量点的选取

2．7．1 极端顶点设计法简介

2．7．2 极端顶点设计中测量点选取

2．7．3 拟合曲线的验证

2．8 本章小结

第3章 熔盐性质的测定及分析

3．1 实验原料及设备简介

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验设备

3．2 熔盐体系初晶温度的的测量及结果分析

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验步骤

3．2．3 实验结果

3．2．4 回归方程的建立与检验

3．2．5 电解质初晶温度的分析

3．3 熔盐体系密度的测量及结果分析

3．3．1 实验装置

3．3．2 实验步骤

3．3．3 实验结果

3．3．4 回归方程的建立与检验

3．3．5 电解质密度的分析

3．4 熔盐体系表面张力的测量及结果分析

3．4．1 实验装置

3．4．2 实验步骤

3．4．3 实验结果

3．4．4 回归方程的建立与检验

3．4．5 电解质表面张力的分析

3．5 熔盐体系电导率的的测量及结果分析

3．5．1 实验装置

3．5．2 实验步骤

3．5．3 实验结果

3．5．4 回归方程的建立与检验

3．5．5 电解质电导率的分析

3．6 工业电解温度下电解质物理性质的研究

3．6．1 实验过程及结果

3．6．2 实验现象

3．6．3 实验分析

3．7 本章小结

第4章 多极电解槽的设计

4．1 电解装置的设计

4．1．1 多极电解槽的设计

4．1．2 辅助装置的设计

4．2 电解过程中的电解质循环

4．3 电解槽结构计算

4．3．1 电极尺寸的计算

4．3．2 槽膛尺寸的计算

4．4 本章小结

第5章 多级槽电解试验

5．1 实验设备及原料

5．1．1 实验设备

5．1．2 实验原料

5．2 物料平衡的计算

5．2．1 投料量的计算

5．2．2 物料平衡的计算

5．3 能量平衡的计算

5．3．1 物料熔化热的计算

5．3．2 能量平衡计算

5．4 实验步骤及过程

5．4．1 实验步骤

5．4．2 实验过程

5．5 实验结果与讨论

5．5．1 加热过程分析

5．5．2 电解过程分析

5．6 本章小结

第6章 结论

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢