金属镁及镁合金大电流低能耗熔盐电解技术基础研究

In order to achieve the planning objectives of magnesium electrolysis production process project with a capacity of 400,000 tons per year, fundamental study on molten salt electrolysis process of magnesium and magnesium alloys with high current will be investigated in this research to have lower energy consumption for the sustainable development as well as the technical progress on 430 kA magnesium electrolysis technology in Qinghai Salt Lake.Molecular kinetics of structure and properties of multi-component magnesium chloride molten saltssystemwill be investigated to reveal the electrolyte ionic structure of alkaline earth metal and multi-component magnesium chloride molten salts system. The theory and methods of molten salt electrolyte design are established to obtain the best melting salt electrolyte systems with independent intellectual property rights.The catalytic graphitization mechanism will also be investigated using the first-principles to screen catalyst, optimize the preparation process of graphite anode, and prepare the high-strength low-resistance magnesium electrolytic graphite anode, whose indicators have reached the international advanced level.The hydrolysis and pyrolysis mechanism of magnesium chloride,the mechanism of interaction betweenmolten salt ions and water molecules in molten salt system, and the passivation mechanism and suppression methods of cathode are studied to achieve the hydrolysis slagging of electrolyte and the effectivelycontrol of cathode passivation.Multi-physical fields coupling simulation of large-scale magnesium electrolysis cell and the principles and process of molten salt electrolysis of strontium-magnesium alloy are investigated to design large-scale and low energy consumption magnesium electrolysis cell with independent intellectual property rights and to lay the theoretical and technical foundation of strontium and magnesium alloy molten salt electrolysis apparatus.

为了保证青海盐湖430kA镁电解技术进步和可持续发展，降低镁电解能耗，实现40万吨熔盐电解金属镁的规划目标，课题开展大电流熔盐电解金属镁及镁合金技术基础研究。主要包括氯化镁多元体系熔盐结构与性质的分子动力学研究，揭示碱土金属及三元、四元氯化镁熔盐体系电解质离子结构，建立熔盐电解质设计理论与方法，获得自主知识产权的最佳熔盐电解质体系；开展石墨化催化机理的第一性原理研究，筛选催化剂，优化阳极石墨制备工艺，制备高强度低电阻镁电解专用阳极石墨，指标达到国际先进水平；研究氯化镁水解热解机理及在熔盐体系中熔盐离子与水分子的作用机理，阴极钝化机制与抑制方法，实现电解质水解造渣与阴极钝化的有效控制；开展大型镁电解槽多物理场的耦合与模拟研究，镁锶合金熔盐电解原理与工艺研究，为开发设计自主知识产权的大型低能耗镁电解槽及镁锶合金熔盐电解装置奠定理论和技术基础。

利用第一性原理和经典分子动力学方法进行了镁电解质的微观结构和物化性质的研究，获得了不同温度和组成下碱金属氯化物一元、二元、三元混合熔盐的微观离子结构及输运性质，建立了熔盐构效关系；利用不同模型研究极化作用对计算结果的影响；通过实验验证模拟结果；利用第一性原理分子动力学研究氯化镁熔盐微观结构。.利用分子动力学模拟石墨化过程，研究温度和类石墨结构添加剂对石墨化过程的影响。运用密度泛函理论，通过计算不同键合方式的金属-碳原子键断裂解离能筛选催化剂，发现稀土元素是较为理想的石墨催化剂。实验研究了不同催化剂对石墨微观结构与形貌、性能的影响，结果表明，催化剂能够有效促进石墨化，其中稀土复合催化剂催化效果最好，能够降低石墨化温度400℃，抗折强度提高67%，催化石墨化后石墨电阻率最低达到3.6·m。通过X射线衍射、透射电子显微技术、选区电子衍射等表征手段明确了钛、铁、硼、稀土等元素催化石墨化机理。.利用分子动力学模拟水氯镁石的热解水解过程，通过高温原位XRD、SEM和TEM等技术，研究水氯镁石热分解过程中的晶体结构演化，结合热解动力学计算结果，提出新的分段式热分解微观机理。水氯镁石热解水解过程中间产物复杂，包括多种不稳定电荷不平衡的中间产物以及高活性不稳定结构的MgO，这些产物是造成金属镁电解阴极钝化的主要因素。.利用有限元法建立了三维镁电解槽的电热、电磁仿真模型，研究了结构参数对电热场、电磁场、流动场分布的影响。通过镁电解过程多物理场耦合求解，开发了镁电解槽物理场数值模拟和优化设计软件，软件集成了具有用户友好界面的前后处理模块，其中前处理模块使用了自定义网格结构框架，并具有快速生成二维均匀结构化网格的功能。.通过电化学测试与电解实验，优化工艺参数，获得了最佳工艺，制备了Mg-Sr合金，电流效率达到了85%，锶含量大于35%。