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鎂電解車間工藝設(shè)計的實踐

2014-07-24 09:54:52普瓊仙
有色金屬設(shè)計 2014年1期
關(guān)鍵詞:精煉爐熔劑工段

普瓊仙

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南 昆明 650051)

0 引言

該設(shè)計是為云南超拓鈦業(yè)有限公司10 kt/a鎂法海綿鈦生產(chǎn)線配套的鎂電解車間(亦稱鎂還原劑生產(chǎn)車間)工藝。鎂電解車間的主要工段有MgCl2電解工段(包括Cl2壓縮)及鎂精煉工段。根據(jù)10 kt/a海綿鈦產(chǎn)能計算,鎂電解生產(chǎn)能力為大約每年處理MgCl243600 t,產(chǎn)出粗鎂11000 t,陽極氯氣33900 t。

1 鎂電解車間工藝

1.1 氯化鎂電解工段工藝

電解生產(chǎn)是在相對獨立的生產(chǎn)廠房中進行的,該生產(chǎn)廠房與一個搬運過道的還原車間相連。在四氯化鈦還原處理的工藝流程中提取出來熔化的MgCl2,可直接用真空抬包車運到電解處理車間放入電解槽。電解槽放成兩排,全車間的電解槽用母線串接起來。

電解回路母線為鋁質(zhì)材料制作,電流強度在90~165 kA之間,可通過自動控制系統(tǒng)根據(jù)整個電解生產(chǎn)線綜合各個電解槽的運行狀況確定每個運行階段的具體電流強度,以取得最優(yōu)化的電解效率。每個電解槽的電壓約在9~12.65 V之間。電解質(zhì)由NaCl、CaCl2、CaF2按照一定的比例與MgCl2共同構(gòu)成。電解過程會消耗少量的電解質(zhì)組分,因此需要每天進行補充,具體方法是把需要補充的組分與MgCl2一并加入到中轉(zhuǎn)爐或抬包中。電解過程要求保持電解質(zhì)液位穩(wěn)定,通過自動控制系統(tǒng)和特殊的液位調(diào)節(jié)工藝裝置不斷對液位進行調(diào)整,尤其是抽取液鎂和加料等有較大液位時,使電解液始終保持在不超過±30 mm的浮動區(qū)間。電解過程需要電解質(zhì)保持適中且穩(wěn)定的溫度,同時要避免溫度過高,以減少鎂氧化和增加電耗。通過電解槽內(nèi)部的加熱裝置和冷卻裝置,由自動系統(tǒng)精確控制電解質(zhì)溫度保持在655±2℃。海綿鈦還蒸車間排出的MgCl2通過抬包容器,抬包運送車或天車被送至MgCl2中轉(zhuǎn)爐或電解槽,通過設(shè)置在電解槽槽蓋上部的加料口加入到電解槽中,每日加入4~6次。MgCl2電解后生成Mg和Cl2,Mg上升到電解液上面,聚積在電解槽中的集鎂室,定期使用真空抬包將其從電解槽中抽取出來,用抬包運送車或天車運送加入到精煉爐(液鎂保溫緩沖爐)或還蒸工序(液鎂質(zhì)量達還蒸要求)。

電解槽達到約24個月的運行周期后,由于陽極消耗和槽渣積累的緣故,導致電解能力和效率下降,需要退出運行進行整體維修。停槽時應對電解質(zhì)和沉積在電解槽底的廢渣進行分離處理,回收大部分電解質(zhì)繼續(xù)使用,對日常沉積在電解槽內(nèi)的廢渣一次性清理。廢渣的主要成分為MgO和電解質(zhì)的混合物,經(jīng)過石灰混合中和處理后,送入廢渣場。

電解后產(chǎn)生的氯氣(Cl2)在氯壓機(0.3 MPa)的抽吸作用下,由各電解槽匯集到氯氣總管,通過袋濾器除塵后,再經(jīng)過硫酸洗滌塔除塵和脫水,經(jīng)過氯壓機壓縮后送往四氯化鈦車間的氯化工序。

1.2 鎂精煉工段工藝

鎂精煉工段是鎂熱方式生產(chǎn)海綿鈦的一個重要環(huán)節(jié),即向還原爐提供高品質(zhì)的金屬鎂。

鎂精煉工段與電解生產(chǎn)在同一廠房內(nèi)。經(jīng)電解槽用真空抬包運來的液鎂,送到連續(xù)精煉爐的加料室。連續(xù)精煉爐物料從加料室通過隔板上的小口,進入提純處理室,對鎂進行提純處理。

為了防止鎂被氧化,在連續(xù)精煉爐的加料室中,要定期使用助熔劑噴涂裝置,通過干燥的壓縮空氣,噴吹熔劑,向連續(xù)精煉爐的提純室中不斷地提供氬氣。

進行過提純處理的鎂,利用真空抬包,從連續(xù)精煉爐提純室中抽出,送到鈦還原處理工段。為了避免鎂被氧化,在真空抬包內(nèi)要充氬保護。

精煉爐中沉積下來的雜質(zhì)和在底部的礦渣,要定期加以清除。這種礦渣,要用連續(xù)精煉爐風動抓斗取出,裝在貯渣箱中,運去進行再加工處理。

補充鎂錠是在鉗鍋中進行熔化的。在鉗鍋中要加入數(shù)量不多的廢電解質(zhì),或者加入一點固態(tài)的電解質(zhì),然后裝入鎂錠,并且熔化過程中,要定期添撒熔劑。已經(jīng)熔化的鎂,要用真空抬包,從鉗鍋中取出,再注入連續(xù)精煉爐。在鉗鍋殘留的鎂,借助翻轉(zhuǎn)機,重新收集熔化。

鎂精煉及補充鎂錠的熔化需要熔劑,而優(yōu)質(zhì)的熔劑不能長時間儲存,只能幾天且要密封得當,一般就要配套熔劑的制備。

為了清洗設(shè)備和對這種工藝所使用的操作設(shè)備的加熱,要在鎂還原劑的制備車間里,安裝1個專用工具清洗爐。這些鉗鍋電爐和用來清洗設(shè)備的工具清洗爐,熔體都備有自己專用抽吸泵,產(chǎn)生的氣體,必須送去進行凈化處理。

2 主要設(shè)備

2.1 鎂電解主要設(shè)備

電解槽是鎂電解的主要設(shè)備,有電解室和集鎂室組成。鋼陰極、石墨陽極、交流加熱電極、雙電極(雙極性電極)位于電解室,MgCl2在電解室電解成Mg和Cl2。Cl2匯集到電解室上部空間由支管排出,經(jīng)氯壓機送至TiCl2生產(chǎn)車間;Mg在陰極匯集通過陰極導鎂槽迅速離開電解室匯集到集鎂室,受到氬氣保護。定時用真空抬包抽取出來,天車吊運至精煉爐或經(jīng)抬包運輸車輛直接運至鈦還原蒸餾工序。交流加熱電極、液下罐、熱交換器等安裝于集鎂室中。在電解槽生產(chǎn)過程中,由于采用國際先進鎂電解槽,避免了電解質(zhì)的水解反應以及液態(tài)鎂的氧化反應,同時使液態(tài)鎂的二次反應達到最小化,因此在整個電解槽的使用周期中,無須出渣。

電解工序配置:14臺電解槽(其中2臺為備用槽);電解槽主要技術(shù)經(jīng)濟指標:電流強度:110 kA;槽電壓:10~12 V;直流電耗:11000~12450 kW·h/t Mg;回收氯氣濃度:95%;槽壽命:24個月,見圖1。

圖1 鎂電解槽工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of magnesium electrolytic cell

2.2 鎂精煉的主要設(shè)備

(1)連續(xù)精煉爐。在所有的前蘇聯(lián)鈦鎂企業(yè)中還原劑鎂的制備均采用連續(xù)精煉爐技術(shù),至大修前它可以連續(xù)工作30~36個月的時間。連續(xù)精煉爐有2個室:加料室、提純處理室。鎂精煉爐的主要技術(shù)指標:保溫爐輸出能力35 t/d;處理鎂時的容積15 t;處理熔鹽時容積27 t;精煉鎂溫度690~720℃;電發(fā)熱最大功率300 kW;最大電極電壓40 V;電極類型:鋼電極,水冷卻。

連續(xù)精煉爐制備還原劑鎂具備如下工藝特性:①還原劑鎂質(zhì)量穩(wěn)定:氯和氧含量<0.005%,鐵<0.030%;②金屬鎂的損失極少:<0.5%;③化學成分的混勻及鎂加熱溫度在700~720℃;④混合爐除渣的類似高強度勞動采用了機械化方式,即特別構(gòu)造的風動抓斗和離心泵;⑤采用10~15 t的混合爐可以保證電解槽和還原爐的穩(wěn)定運行,同時,也能改善經(jīng)濟技術(shù)指標(電流效率、還原爐產(chǎn)能等)。連續(xù)精煉爐基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 連續(xù)精煉爐基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Basic structure chart of continuous refining furnace

(2)坩堝爐。主要用于熔化精煉補充的固體鎂錠,配制精煉熔劑和緩沖爐熔鹽。坩堝爐電阻絲加熱,電氣加熱區(qū)域數(shù)量為3個,額定功率252 kW,最高熔化溫度800℃;坩堝工作容量1.152 t。

3 車間配置

(1)電解廠房跨度30 m,吊車軌頂標高14.000 m。電解的主要設(shè)備電解槽,縱向配置在廠房的中間。該設(shè)計共14臺電解槽。電解槽操作場地在靠窗戶的兩邊;基本操作場地的標高為5.500 m;操作場地不僅要滿足電解槽的進出料、檢修的要求,還要保證真空抬包車在廠房內(nèi)通行。電解槽母線、煙道、氯氣導管等配置在操作臺下方。為便于通風換氣屋頂設(shè)有天窗,兩邊設(shè)有自然通風道。

(2)精煉與電解配置在同一廠房內(nèi),便于真空抬包由電解槽取出的粗鎂,直接運送到精煉工段,加入到精煉爐中進行精煉。運送距離短,減少熱損失。

精煉主要設(shè)備:1臺連續(xù)精煉爐(保溫爐),配置還考慮預留1臺精煉爐的位置;1臺清洗工具的鹽浴爐;3臺坩堝爐;1套真空抬包加熱臺等設(shè)施。這些設(shè)備的操作及維修都在標高5.500 m的樓面(即操作平臺)。

(3)其它必須配套的工藝設(shè)施。在電解車間中部,配置了1套真空系統(tǒng)。其配置位置兼顧了電解工段與精煉工段對真空的需求;為真空抬包加熱臺配備了1套供熱系統(tǒng);為鎂精煉所需熔劑配套了熔劑的制備系統(tǒng)。其它如壓縮空氣,氬氣等為全廠共用的配套,其通過管道引入車間,通過減壓措施得到該車間所需的各種壓力要求的各類氣體。

4 工藝對其它專業(yè)的要求

鎂電解生產(chǎn)的特點是采用強大的直流電,將電解質(zhì)電解。鎂電解車間廠房具有濕熱的特性,在生產(chǎn)中散發(fā)Cl2、HCl氣體和氯鹽塵埃,這些物質(zhì)吸潮水解后具有較強酸性,不但侵蝕建筑物,最大的一個問題是絕緣短路。一般的絕緣是兩級絕緣,有部分設(shè)多級絕緣;所用材料都為不導電、不透水、防火防爆、耐酸耐鹽耐熱的。

(1)電解工藝對土建的要求。加強車間廠房建筑中的絕緣設(shè)計,保證生產(chǎn)安全,是鎂電解車間廠房設(shè)計首要考慮的問題,必須按電解車間廠房結(jié)構(gòu)的絕緣專項要求進行廠房設(shè)計。按工藝要求選擇絕緣點。

(2)電解工藝對電力供應的控制要求:生產(chǎn)過程24小時運轉(zhuǎn),配備雙回路電源及專用的硅整流室。主要為12臺電解槽配套2臺CaCl2中轉(zhuǎn)爐提供電源。自控專業(yè)采用先進的測量控制檢測儀表(防腐)和計算機控制系統(tǒng),滿足全廠生產(chǎn)發(fā)展的要求。電解原料如MgCl2的計量,是在起重機吊鉤上安裝一個專用的計量裝置,現(xiàn)場顯示、中控室顯示累計,在一般的稱量方式上作了升級。

(3)電解工藝對給排水的要求:電解車間的用水主要為循環(huán)冷卻水,電解槽陽極冷卻器用水;鎂中轉(zhuǎn)爐冷卻水;酸冷卻冷卻水;水環(huán)式真空泵;鎂精煉爐冷卻水等。循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求pH=7.5;硬度為11.5 mg/L。其它用水有沖洗地面(氯壓機室)及生活用水。從電解的絕緣要求來看,不允許在電解車間設(shè)排水溝,給排水都封閉于管道內(nèi)。

(4)電解工藝對真空系統(tǒng)的要求:電解工段與精煉工段都需要真空,既滿足最遠點真空度的要求,也要實現(xiàn)最近點的真空度。這就要求配置及設(shè)備選型的合理,管道的密封質(zhì)量也是真空度均衡的關(guān)鍵。設(shè)計要保證真空管道系統(tǒng)內(nèi)的負壓均要求為-0.07 MPa。

(5)電解工藝對熔劑的制備,公輔的要求:①熔劑破碎系統(tǒng)在破碎、球磨出料過程中產(chǎn)生的粉塵要做好收塵設(shè)計,其配置位置要考慮周全,不能離鉗鍋爐太遠(原料在鉗鍋爐中熔化),又不能使精煉工段受其污染。②電解鎂生產(chǎn)工藝所需氬氣主要用于電解槽,鎂精煉爐保護用氣、真空抬包加料工藝所需動力用氣、電解槽液位控制所需動力用氣,動力用氣壓力為0.5 MPa,保護用壓力為0.2 MPa。氬 氣成 分 要 求:Ar≥ 99.990%;O2≤0.0007%;N2≤0.005%;H2O≤0.0009%;CO2≤0.0005%。③壓縮干燥空氣。電解、精煉及修理工段壓縮空氣質(zhì)量要求:露點≤-60℃;壓力0.4~0.6 MPa。④真空抬包加熱臺供熱系統(tǒng)可燃氣體(或液態(tài))的壓力為0.03 MPa,熱值為90000 kJ/m3。⑥其它專業(yè)必須按鎂電解車間的特點,制定相應的配套措施,確保生產(chǎn)安全。

5 一般安全設(shè)備

5.1 主要危險和有害生產(chǎn)要素

粗鎂和鎂還原劑生產(chǎn)有一系列的危險和有害生產(chǎn)要素:①直流交流電的使用。②溫度為690~780℃時,熔融狀粗鎂和精鎂的運輸。③腐蝕性氣體(Cl2和HCl氣體)影響。④從電解槽產(chǎn)生的高熱量(對流和輻射熱)。⑤腐蝕性流體的使用,例如發(fā)煙硫酸和硫酸。⑥運輸方式和起重(提升)設(shè)備的使用。

5.2 工作安全措施

在電解車間設(shè)計方面,采取措施來阻止接地電壓傳入生產(chǎn)設(shè)施。為了達到目的,對廠房結(jié)構(gòu)和設(shè)備的電氣絕緣物有特殊的要求及工藝安全運行的強制性要求。系統(tǒng)地控制車間環(huán)境中的 Cl2和HCl氣體含量,保證通風設(shè)備的正常運行;給運輸MgCl2抬包的交通工具配上防護措施。

6 結(jié)語

該設(shè)計于2010年5月完成施工圖設(shè)計,已建成投產(chǎn)。2012年生產(chǎn)產(chǎn)品,運行效果良好。該設(shè)計所采用的工藝、所選設(shè)備及配套設(shè)施為國際先進,國內(nèi)領(lǐng)先。目前生產(chǎn)已達設(shè)計指標。

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