白云石真空铝热法提炼金属镁.pdf

第6 2 卷第2 期 2010 年5 月 有色金 属 N o n f e r r o u M e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．2 M a v2010 白云石真空铝热法提炼金属镁 刘占起1 ，刘家祥1 ，江兵2 ，邱谦2 1 ．北京化工大学材料科学- 9 工程学院，北京1 0 0 0 2 9 ； 2 ．武汉钢铁集团矿业有限责任公司灵乡铁矿，湖北大冶4 3 5 12 1 摘 要i 以白云石为原料，以铝粉为还原刺在真空条件下提取金属镁，研究影响还原工艺的因素。结果表明．温度、时间和压 样成型压力对还原反应的影响顺序为温度 成型压力 时间，还原反应受扩散步骤控制，金属镁蒸气的蒸气压对反应的进行起主 要作用。最佳还原工艺条件为还原温度1 3 0 0 ℃、反应时间1 h 、成型压力3 0 0 M P a ，镁还原率为9 2 ．9 9 ％。真空度对结晶镁的形态产 生影响，真空度高于2 1 0 4 P a 时，结晶镁形态为树枝状或针状，真空度低于3 ．5 1 0 4 P a 时，形成块状金属镁。 关键词冶金技术；镁；铝热法；白云石；真空度 中图分类号T F 8 2 2 ；T F 8 0 3 ．1 3 l文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 5 6 0 3 2 0 世纪9 0 年代中期以来，为适应全球可持续 发展的要求，镁及镁合金的研发及应用进入高速增 长期。在此期间，凭借资源、能源和成本优势，中国 镁工业发展强劲，从1 9 9 8 年至今中国镁产量一直位 居世界第一1 。然而我国炼镁行业9 8 ％以上采用 皮江法，由于皮江法生产效率低和巨大的能量消耗， 面对越来越严峻的资源、能源和环境制约因素和日 益激烈的市场竞争，实现节能降耗将是我国镁冶炼 行业发展的主要任务旧“1 。 ‘ 研究以灵乡铁矿白云石为原料，铝粉为还原剂， 真空条件下提取金属镁。结果表明，铝热法炼镁可 以降低还原温度，缩短还原时间，从而有利于节约能 源，延长还原罐的使用寿命，提高设备的生产率，减 少单位产品的投资。可以制备出纯度为9 9 ．8 8 ％的 金属镁。 1热力学分析 铝热还原法炼镁，就是在高温下，利用还原剂铝 将镁从其化合物中还原出来而制得金属镁的生产工 艺。研究以铝粉作为还原剂从白云石中提炼镁。 铝热法还原金属镁的基本反应式如式 1 所 示，其中氧化铝的生成反应为式 2 ，A G o 一 收稿日期2 0 0 9 0 9 2 7 作者简介刘占起 1 9 8 4 一 ，男，河南开封市人，硕士，主要从事无 机非金属材料和有色冶金等方面的研究。 联系人刘家祥 1 9 6 4 一 ，男，河南济源市人，教授，博士，主要从 事粉体制备工艺和无机非金属材料等方面研究。 1 1 2 0 5 0 0 2 1 4 ．2 T 9 3 2 2 4 3 5 K ，氧化镁的生成反 应为式 3 ，A G ，o 一1 4 7 3 7 2 3 4 1 7 ．2 6 T 一3 8 ．3 0 T l g p M 。p o ，／p o 1 3 6 3 2 0 0 0 K 。由反应 2 和反 应 3 得出反应 1 的A G 。o △G 2 0 A G ，o 3 5 3 2 2 3 2 0 3 ．0 6 T 一3 8 ．3 0 T l g p M 。／p o 。 4 ／3 A 1 Z 2 M g O s 2 ／3 A 1 2 0 3 s 2 M g g 1 4 ／3 A I Z 0 2 g 2 ／3 A 1 O ， s 2 2 M g g 0 2 g 2 M g O s 3 标准状态下，只有A G ．o 成型压力 时间， 在A ，B ，C ，对应条件下可以得到最佳的还原工艺参 数，即反应温度为1 3 0 0 ℃，反应时问l h ，成型压力 3 0 0 M P a 。最佳条件下，镁的还原率为9 2 ．9 9 ％。 表2 正交试验结果 T a b l e2R e s u l t so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t 序号鬻B 册譬篇雾鬻 4 8 ．3 3 4 5 ．0 5 4 8 ．0 9 5 7 ．2 8 5 7 ．4 6 5 6 ．9 4 6 6 ．3 2 5 8 ．5 2 6 1 ．2 2 7 6 ．1 4 7 2 ．4 2 7 6 ．5 0 8 5 ．9 5 8 7 ．5 8 8 3 ．1 5 9 2 ．9 9 8 8 ．4 0 9 0 ．6 4 表3 试验条件优化分析 T a b l e3A n a l y s i so fo p t i m a lp r o c e s sf o ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t 由表3 可知，温度对反应的进行影响最显著，这 主要是由于温度对反应速率影响较明显所致。根据 范特霍夫规则来解释温度每升高1 0 ℃，则反应速 率增加2 4 倍。另外根据阿累尼乌斯方程k A e x p 一E ／R T 可以得出，反应速率常数k 和温度T 以及反应活化能呈指数关系，所以温度对反应的影 响较其他两个因素显著。 表2 结果表明，在1 1 0 0 ℃对应三组试验数据 中，随时间和成型压力的增大，镁回收率呈先下降后 上升的趋势，且第一组试验对应回收率最高，这与其 在1 1 0 0 ℃所对应的饱和蒸气压为5 ．8 1 0 4 P a 有关。 在试验过程中，由于真空度随反应的进行而不断变 化，继而对镁蒸气的扩散和反应的控制步骤产生影 响。表4 至表6 为1 1 0 0 ℃条件下在不同成型压力 下真空度随时间的变化情况。 表4真空度随时间的变化 成型压力I O O M P a T a b l e4 C h a n g e so fv a c u u mw i t ht i m e p e l l e t i z i n g p r e s s u r e1 0 0M P a 0 1 0 4 0 5 5 5 8 1 7 2 0 由表4 可知，整个反应过程真空度相对较高，真 空度数值小于1 1 0 0 ℃所对应的饱和蒸气压，对反应 的进行起促进作用，反应产率较高。由表5 与表6 可知，在反应过程中，真空度变化较大，当反应时间 进行到一半左右时，真空度已达4 1 0 4 P a 左右，与 对应的饱和蒸气压相差不大，将会影响镁蒸气的扩 散，从而影响反应的进行，使反应受镁蒸气扩散步骤 控制。 另外当真空度不一样时，金属镁所冷凝的形态 也不一样，当真空度高于2 1 0 4 P a 时，形成的镁的 形态为树枝状或针状镁，而当真空度低于3 ．5 1 0 4 P a 时，会形成块状金属镁。这是由于当真空度 比较低时，同等温度下镁蒸气扩散变慢，且过饱和度 变大，更容易在高温区以液态冷凝，所以容易形成块 状金属。当真空度比较高时，所对应的过饱和度也 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞ l 2 3 2 3 l 3 l 2∞∞∞∞∞∞∞∞∞ ；2 2 2 3 3 3 万方数据 5 8 有色金属 第6 2 卷 较低，蒸气要想冷凝下来，必须要往温度低的区域移 动，加上真空度较高，移动速度较快，最后以树枝或 针状状形式出现。精炼后金属镁的纯度为 9 9 ．8 8 ％。 表5 真空度随时间的变化 成型压力2 0 0 M P a T a b l e5 C h a n g e so fv a c u u mw i t ht i m e p e l l e t i z i n g p r e s s u r e2 0 0M P a 保温时间／m i n 真空度／1 0 4 P a 73 ．0 3 03 ．2 7 04 ．0 l O O4 ．8 表6 真空度随时间的变化 成型压力3 0 0 M P a T a b l e6 C h a n g e so fv a c u u mw i t ht i m e p e l l e t i z i n gp r e s s u r e3 0 0M P a 保温时间／m i n真空度／1 0 3 P a 2 0 5 0 1 2 0 1 5 0 5 9 3 5 5 8 参考文献 l 2 3 4 5 6 7 娄光伟 曹大力 熊呈辉 邓军平 夏德宏 夏德宏 姚广春 4结论 以灵乡白云石为原料，采用真空铝热法可以制 备出纯度为9 9 ．8 8 ％的金属镁。最佳还原工艺条件 为反应温度1 3 0 0 ℃、反应时间l h 、成型压力为 3 0 0 M P a ，在此条件下，镁的还原率达到9 2 ．9 9 ％。温 度、时间和成型压力对还原反应的影响程度为温度 成型压力 时间。还原反应受扩散步骤控制，金 属镁蒸气的蒸气压对反应的进行起主要作用。真空 度对结晶镁的形态产生影响，真空度高于2 1 0 4 P a 时，结晶镁形态为树枝状或针状，真空度低于3 ．5 1 0 4 P a 时，形成块状金属镁。 张祖逖，申玉鹏．硅热法炼镁的节能和清洁能源解决方案[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 5 ， 3 1 6 1 9 邱竹贤，徐长伟，等．金属镁制备中存在的问题及对策[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 6 ，2 6 3 5 3 5 6 ． 周天瑞，徐河，等．我国硅热法炼镁现状及发展趋势[ J ] 。轻金属，2 0 0 5 ， 1 1 4 8 5 0 ． 王晓刚，田欣伟。等．热还原法炼镁的技术现状及进展[ J ] ．轻金属，2 0 0 6 ， 5 1 5 1 8 ． 张刚，郭梁，等．金属镁皮江法还原工艺中的热过程模拟[ J ] ．热科学与技术，2 0 0 5 ，4 3 2 5 7 2 6 1 ． 任春晓，任玲．大型金属镁还原炉的开发[ J ] ．冶金能源，2 0 0 8 ，2 7 4 2 9 3 2 ，5 5 ． 张晓明，郭清富，等．铝硅合金热法炼镁的理论分析[ J ] ．轻金属，1 9 9 8 ， 3 4 2 一“． P r o c e s sf o rP r e p a r i n gM a g n e s i u mf r o mD o l o m i t eb yV a c u u mA l u m i n o t h e r m i cR e d u c t i o n L I UZ h a n ．q i l ，L I UJ i a ．x i a n 9 1 ，J I A N GB i n 9 2 ，Q I UQ i a n 2 1 ．C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v e r s i t yo fC h e m i c a lT e c h n o l o g y ， 2 ．T h eL i n g x i a n gI r o nM i n eo f M i n e r a lC o ．，W I S C O ，D a y e4 3 5 1 2 1 ，H u b e i ， A b s t r a c t B e i j i n g1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ； C h i n a T h em a g n e s i u mi sp r e p a r e df r o md o l o m i t eb ya l u m i n o t h e r m i cp r o c e s s ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fv a c u u m a l u m i n o t h e r m i cr e d u c t i o na r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i m ef a c t o ri st h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t h e n e x ti sp e l l e t i z i n gp r e s s u r e ，a n dt h el a s ti sr e a c t i o nt i m e ．T h er e d u c t i o ni sc o n t r o l l e db yt h ed i f f u s i n gs t e p ，t h e v a p o rp r e s s u r eo fm a g n e s i u mp l a y sak e yr o l ei nt h er e a c t i o n ．T h eo p t i m a lc o n d i t i o no fr e d u c t i o n i st e m p e r a t u r e 1 3 0 0 。C ，r e d u c t i o nt i m e1h ，a n dt h ep e l l e t i z i n gp r e s s u r e3 0 0 M P a ．A tt h i sc o n d i t i o n ，t h er e c o v e r yo fm a g n e s i u mcan r e a c h9 2 ．9 9 ％．T h ep a t t e r no ft h ec r y s t a l l o g r a p h i cm a g n e s i u mi si n f l u e n c e db yt h ev a c u u md e g r e e ，w h e nv a c u u m d e g r e ei sh i g h e l “ t h a n2 10 4P a ．t h ed e n d r i t i c a l o ra c i c u l a rm a g n e s i u mi sp r o d u c e d ，w h i l et h ev a c u u md e g r e ei s l o w e rt h a n3 ．5 10 4P a 。t h el u m p i s hm a g n e s i u mi so b t a i n e d ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；m a g n e s i u m ；a l u m i n o t h e r m i cp r o c e s s ；d o l o m i t e ；v a c u u mr e d u c t i o n 万方数据