碳化钙真空还原镁热力学分析及试验

　　金属镁的发展到现在经历了200年的历史，如今镁及其合金已广泛应用于航空航天、交通、电子等行业。我国镁资源丰富，镁工业发展也非常迅速，2007年产量超过60 万吨，连续十年位居世界第一。我国绝大部分的金属镁由皮江法生产，该法将煅烧白云石与硅铁还原剂混合制团，在小于13Pa的真空条件下1200℃左右热还原提取金属镁。由于皮江法技术简单，投资小，而且我国白云石和煤资源丰富，所以在我国得到飞速发展。然而皮江法炼镁暴露出诸多问题，如热效率低，能耗高，还原罐寿命短等。这主要是由于以硅铁为还原剂炼镁的皮江法对真空条件和还原温度要求苛刻所致。

　　针对这些问题，国内专家进行了大量的研究。其中从改变还原剂角度入手的研究引起关注：昆明理工大学研究了以碳（烟煤）为还原剂在小型还原炉中提取金属镁；郭清富教授从原料、工艺和效益等方面对比分析了硅铝与硅铁还原镁，认为前者更有发展优势；夏德宏教授研究了以钙为还原剂，并设计一种新型镁还原装置，该反应温度低，可以连续生产。

　　本文提出碳化钙（CaC2）还原MgO 制取金属镁，下面从热力学角度分析常压和真空条件下的吉布斯自由能与反应温度关系。

1、反应机理的热力学分析

1.1、常压下碳化钙还原金属镁的热力学分析

　　用碳化钙还原氧化镁制取金属镁的基本还原反应如下：

CaC2(s）+MgO(s)=CaO(s)+Mg(g)+2C(s) (1)

　　式(1)可拆分如表1 所示的多个反应式：

表1 反应方程及其标准反应自由能

　　对于反应式(1)的标准反应自由能和温度的关系可表示为：

　　当T=2148K时，ΔGθ1≈0，故反应式(1)在常压下的临界反应温度为2148K（1875℃）。

1.2、真空条件下碳化钙还原镁的热力学分析

　　由于反应式（1）所得金属镁为气态，若还原反应在真空条件下进行：在相同温度时式(1)的反应吉布斯自由能降低；或者使式(1)的临界反应温度降低。对于本文所研究的真空系统中，可近似取P 系=PMg，故吉布斯反应自由能与反应温度和镁蒸汽压的关系如式(2)：

　　根据理论计算的自由能与温度和镁蒸汽压的关系式(2)，作部分镁蒸汽压下还原反应自由能与温度曲线如图1 所示。

图1 不同Mg蒸汽压下碳化钙还原氧化镁反应ΔG-T曲线

　　由图1可以看出，理论上随着系统压力降低，还原反应的临界温度也下降。当压力从常压101kPa降低至10kPa时临界反应温度为1690K，降低450K左右；当压力降低至1kPa时，临界反应温度为1395K，降低750K左右。另一方面当提高还原温度，可降低反应自由能，有利于还原反应的进行。

2、试验验证

2.1、试验设备

　　真空还原提取金属镁试验所用炉的示意图如图2所示。还原炼镁炉主要由加热炉、还原罐与冷凝器组成。图2中热电偶A 测量反应罐内温度，热电偶B测量反应罐外温度，在升温过程二者温差不能超过150，以保护反应罐。采用2X-15型旋片式真空泵和ZJP-70罗茨真空泵所组成的真空机组对整个还原罐内系统实现真空状态。真空计（量程：0.1～106Pa）可读取还原设备内的压强，本试验真空条件为1～2Pa。

图2 真空还原炼镁试验炉示意图