氧化镁真空碳热还原法炼镁的工艺研究
采用物料失重率、金属Mg还原率、X射线衍射(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)等手段与方法,研究了真空条件下氧化镁碳热还原温度、物料造球成型压力、物料配比、碳热还原保温时间以及催化剂对氧化镁碳热还原法炼镁工艺的影响。研究结果表明,在30~100 Pa时,碳热还原温度高于1553 K,控制物料压块压力为8 MPa,此时物料失重率最大,最有利于氧化镁的还原。随着焦煤还原剂与氧化镁摩尔比以及碳热还原时间的增加,碳热还原反应速率加大,还原率提高,但是变化效果不明显,加入氟盐CaF2后,物料失重率明显提高,添加CaF2的质量超过物料总质量的3%时,物料失重率超过95%,还原率也相应大幅提高。因此,选择适当的焦煤还原剂与氧化镁摩尔比值以及碳热还原时间,添加超过3%CaF2,将有利于该法炼镁过程的顺利进行与金属Mg还原率的提高。此研究为真空碳热法从氧化镁中提取金属Mg工艺提供了很好的实验依据。
关键词：氧化镁;镁;碳热还原;真空冶金
金属Mg 的强度/重量比值高, 因而非常适用于运输工具的制造和特种合金生产, 2009年中国原镁产量达到43 万吨, 出口镁锭及镁相关产品共计约23132 万吨, 专家预期在今后10 年将进一步扩大增长[1] 。当前真空热还原法是生产镁的主要工艺, 当中又以硅热法的应用最为广泛[ 2-3] 。但是, 这种工艺方法的缺点却很突出, 主要表现在资源消耗量大,能耗高, 污染较为严重等方面, 此外由于还原剂活性不足, 导致还原阶段周期较长, 一般在12 h 左右, 生产效率较低[4-5] 。如果采用廉价的碳作为还原剂进行镁还原, 则可以达到既不用硅铁, 从而降低成本,又可以适当降低能耗的目的, 真空条件下的碳热还原氧化镁过程, 可以使气态的金属Mg冷凝后直接得到结晶镁, 省去了后续镁粉再蒸馏问题[6-9] 。从19 世纪30 年代到20 世纪80 年代, 国外有很多人分别在常压和真空条件下对碳热还原法进行了一系列的研究[8-11] , 不过由于技术上的一些难题, 最终都导致了扩大实验的失败。近年, 昆明理工大学对氧化镁真空碳热还原法炼镁开展了较多探索工作[12-14], 研究分析了氧化镁真空碳热还原的热力学以及动力学机理。此外, 对镁矿石碳热还原制取金属Mg 的过程进行了研究, 小型实验获得了成功[5-16] , 然而系统地对该工艺的研究鲜见报道。为此, 本文作者就碳热还原温度、物料成型压力、物料配比、氧化镁碳热还原保温时间、催化剂(CaF2) 等因素对真空下碳热还原氧化镁制取金属Mg 的工艺影响进行了系统考察, 以期为各类镁矿直接碳热还原法提取金属Mg工艺提供基础数据。
(1) 通过单因素实验法得到各个因素对于碳热还原法炼镁的影响规律, 为该工艺的工业生产提供基础参考数据。具体为: 在30~100 Pa时, 碳热还原温度高于1553K, 控制物料压块压力为8MPa, 此时物料失重率最大, 最有利于氧化镁的还原。随着焦煤还原剂与氧化镁摩尔比以及碳热还原时间的增加, 碳热还原反应反应速率加大, 还原率提高, 但是变化效果不明显, 加入氟盐CaF2后, 物料失重率明显提高, 添加CaF2的质量超过物料总质量的3% 时,物料失重率超过95%, 还原率也相应大幅提高。因此, 选择适当的焦煤还原剂与氧化Mg 摩尔比值以及碳热还原时间, 添加超过3% CaF2, 将有利于该法炼镁过程的顺利进行与金属Mg还原率的提高。
(2) 通过对冷凝物的XRD分析及SEM检测可知, 在冷凝盘得到的金属为金属Mg, 且纯度较高。但是由于金属Mg与CO蒸气发生可逆反应, 所以在冷凝物中检测到MgO。需通过进一步处理, 才能得到不含有MgO纯金属Mg。
Abstract: Magnesium metal was extracted from magnesia by carbothermic reduction in vacuum.The Mg condensates were characterized with X-ray diffraction and scanning electron microscopy.The impacts of extraction conditions,including the pressure,temperature,molar ratio,carbothermic time and content of the catalyst,compactness of magnesia grains,etc.,on the Mg reduction rate and reactant weight loss were evaluated.The results show that the newly-developed Mg vacuum extraction technique does a good job,and that the extraction conditions strongly affect the Mg extraction rate and reactant weight loss.For instance,at a temperature over 1553 K,a pressure ranging 30～100 Pa,and with the grains compressed at 8 MPa,the largest reactant weight losses were obtained,resulting in the highest Mg reduction rate.As the molar ratio of C/MgO and reaction time increased,the rates of both carbothermic reaction and Mg reduction increased slowly.Addition of CaF2 significantly increased the reactant weight loss.When CaF2 accounted for 3% of the total weight,the weight loss rate increased up to 95%,coinciding with a large Mg reduction rate.
Keywords: Magnesia,Magnesium,Carbothermic reduction,Vacuum metallurgy
基金项目: 云南省教育厅科学研究基金项目(No.2010C257)
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