以菱镁石为原料铝热还原炼镁的实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)王耀武 作者:东北大学材料与冶金学院

  对以菱镁石为原料,以铝粉为还原剂的真空热还原炼镁技术进行了实验研究,通过热力学分析和对还原渣的物相分析,对铝热还原煅后菱镁石的机理进行了探讨。还原实验结果表明: 当以还原反应4MgO+ 2Al= 3Mg+ MgO.Al2O3 进行配料时,在还原温度1200 ℃ ,还原时间2 h,铝粉过量5%的条件下,氧化镁的还原率在72%以上,铝粉利用率在91%以上,还原过程的实际料镁比低于3.3:1。进一步提高还原过程的铝粉加入量,可使镁铝尖晶石中的MgO 进一步被还原,还原过程中的氧化镁还原率可达85%以上,但铝粉利用率下降至84%左右。

  金属Mg 及其合金具有密度小、比强度高、导电导热性能较好、易于加工成型、废料容易回收等优点,广泛应用于军工、汽车、电子通讯等领域,被人称为二十一世纪绿色工程金属材料,其用量逐年增。2011 年中国金属Mg 产量66.06 万吨,占世界金属Mg 产量的83%,全部采用皮江法生产。皮江法炼镁是以白云石为原料,以硅铁为还原剂的真空热还原炼镁方法。

  近十年来,中国的皮江法炼镁技术取得了巨大的技术进步,特别是近几年蓄热式炼镁还原炉的应用,使皮江法炼镁还原过程的能耗降低了40%以上。尽管如此,皮江法炼镁技术的综合能耗仍然接近10 t 标煤( 其中炼镁阶段能耗约5 t 标煤/ 吨金属Mg,还原剂硅铁生产能耗约5 t煤/ 吨金属Mg) ,其单位能耗甚至超过了金属Al的单位能耗,是单位能耗最高的有色冶金行业之一。5有色金属工业/ 十二五0 发展规划6 明确指出,到 十二五末,中国镁冶炼能耗下降20%,温室气体排放降低18% 。但目前在现有皮江法的基础上,进一步降低炼镁能耗有一定的困难。皮江法炼镁能耗较高的原因主要有两个: 一是皮江法以白云石为原料,原料消耗量大,还原过程料镁比高。由于白云石中氧化镁含量只有21% 左右,生产1 t 金属Mg 需要消耗超过1015 t 的白云石,煅烧后配入还原剂的还原物料中氧化镁含量也仅有36% 左右,还原过程中实际的料镁比在6:1 以上,原料消耗量多导致煅烧过程能耗较高,料镁比高导致还原过程能耗较高。二是由于皮江法以硅铁为还原剂,还原温度高,镁还原率较低,一般工厂只有80%。

  若要使炼镁行业能耗获得大幅度降低,必须使用含镁量较高的原料和新的还原剂。以铝为还原剂可使氧化镁还原反应温度降低50~ 100 ℃ ,同时可使还原速率加快,另外更为重要的是以铝为还原剂可以以含镁量较高的菱镁石为原料,使还原原料消耗大幅度降低,使还原物料中的镁含量增加,降低还原过程的料镁比。因此,多年来国内外学者对铝热真空热还原炼镁技术的研究一直未停止过,也取得了一定的研究成果,但由于炼镁成本原因一直未能进行工业化生产。

  以菱镁石为原料,以铝粉为还原剂,真空热还原生产金属Mg,在炼镁的同时可获得富含镁铝尖晶石的还原渣,该还原渣经处理后可生产高附加值的镁铝尖晶石耐火材料,该技术从综合成本方面有望解决一直困扰铝热还原炼镁技术的成本问题。

1、以菱镁石为原料的铝热还原炼镁原理

  菱镁石煅烧后为较纯的MgO,以铝为还原剂还原过程中,理论上发生的还原反应为

铝热还原炼镁原理

  该反应在非标准状态下摩尔反应吉布斯自由能$G 与镁平衡蒸气压( 系统剩余压力) 的关系式为

铝热还原炼镁原理

  当镁的平衡蒸气压为10 Pa 时,上述反应的开始温度为T1= 981.74 K。在还原过程中反应生成的Al2O3 为两性氧化物,具有较好的活性,而MgO 为碱性氧化物,两种氧化物接触非常容易结合成为更稳定的MgO.Al2O3,因此在还原过程中初期实际的还原反应为

以菱镁石为原料铝热还原炼镁的实验研究

结论

  (1) 以菱镁石为原料的真空铝热还原炼镁技术,还原过程中首先进行的反应为4MgO(s) + 2Al(l) =3Mg(g) + MgO.Al2O3(s) ,当铝加入量足够多时,会进行镁铝尖晶石的分解反应: 3[MgO.Al2O3(s) ] + 2Al(l) = 3Mg(g) + 4Al2O3(s) ,前者的还原反应更容易进行,后者需要更高的还原条件才能进行。

  (2) 当以还原生成镁铝尖晶石的反应进行配料时,在还原温度为1200 ℃ ,还原时间为2 h,还原剂过量系数为5% 的条件下,还原过程中的氧化镁还原率为72%以上,铝粉利用率在91% 以上。由此可计算出,以菱镁石为原料铝热还原炼镁的实际料镁比为( 3.1~ 3.3) :1,菱镁石消耗量约5 t ,较皮江法( 际料镁比大于6:1,白云石消耗大于10.5 t / -t Mg) 料镁比降低40% 以上,原料消耗降低50% 以上,镁冶炼能耗可降低超过50%。

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