專利名稱：一種熔融還原碳熱法制鎂工藝及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種煉鎂工藝，具體指一種熔融還原碳熱法制鎂工藝。本發明同時還 涉及利用該工藝設計的一套制鎂裝置，屬于冶金技術領域。
技術背景
皮江法是目前使用最廣泛的一種熱法煉鎂工藝，它是在真空下用硅鐵合金還原煅 燒白云石制取金屬鎂。由于皮江法存在著污染環境、生產效率低、能耗高等問題，開發新的 煉鎂工藝成為鎂產業發展的必然趨勢。目前，熱法煉鎂主要有兩個發展方向1、采用廉價的 碳代替硅鐵合金作為還原劑制取金屬鎂，即碳熱法；2、在半連續電阻爐中，用鋁土礦和鍛白 混合，形成熔渣，用硅鐵作還原劑，制取金屬鎂，即半連續還原法。這兩種方法均較皮江法有 一定的進步，但仍存在一些不足。碳熱法采用廉價的碳代替硅鐵合金作為還原劑，大大降低 了原料成本，但是碳熱法依然是固體之間的反應，因此還原速度依然不高，也無法達到連續 生產。半連續法能夠在半連續電阻爐內通過不斷的加料形成熔渣從而實現連續生產，提高 了生產效率，但是半連續法大都仍采用硅鐵做還原劑，原料基本跟皮江法一樣，故原料成本 較高，而且反應中是固液混合，液相所占比例較小，反應速度受液相所占比例制約，提高幅 度不大
發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種降低原料成本、加快 反應速度并實現連續生產的熔融還原碳熱法制鎂工藝。
本發明的另一個目的是基于上述熔融還原碳熱法制鎂工藝而設計的一套制鎂裝置。
本發明的技術方案是這樣實現的一種熔融還原碳熱法制鎂工藝，本工藝以菱鎂 石為主原料，氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅為造渣劑，煤、碳或石墨為還原劑；其制備步驟為(1)煅燒-菱鎂石通過煅燒獲得煅燒菱鎂石以備用；(2)基渣配制-基渣采用氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅三種物質配成，堿度氧化鈣/二氧 化硅的范圍控制在1 1. 8之間，氧化鋁占基渣總重量的20% 40% ；(3)原料配制-將配好的煅燒菱鎂石和還原劑混合，還原劑中C與煅燒菱鎂石中MgO摩 爾比為1. 1 1.4 ；(4)抽真空-將配好的基渣裝入裝料坩堝中，再將基渣連同裝料坩堝放入真空反應器 中，反應器真空控制在101 10001 之間；(5)爐渣熔化-在真空反應器內對基渣加熱使基渣處于完全熔融狀態；(6)加料-將第(3)步配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在 基渣中，形成CaO-MgO-Al2O3-SiA四元爐渣，并使MgO質量控制在四元爐渣的20%以下；(7)還原反應-在溫度為1550°C 1650°C下使MgO發生還原反應；(8)收集-還原反應得到的鎂蒸氣通過冷凝收集即得金屬鎂。
所述第(6)步的加料為持續加料或間隔加料，以使第(7)步的還原反應持續進行， 并始終保持MgO質量在四元爐渣的20%以下。
所述菱鎂石和碳粒粒度大于60目。
所述第(4)步基渣占裝料坩堝容積的1/3 1/2。
根據上述熔融還原碳熱法制鎂工藝設計的制鎂裝置，它包括上端敞口的爐殼和將 爐殼上端封蓋的爐蓋，爐殼和爐蓋內為真空；在爐殼底部和周圍設有耐火磚層，耐火磚層中 間為空腔形成加熱區，加熱區內設有盛裝爐渣的裝料坩堝，在裝料坩堝四周與耐火磚層之 間設有加熱元件；在爐殼外設有加料機構，加料機構的加料管穿過爐殼和耐火磚層進入裝 料坩堝；在裝料坩堝開口上方設有石墨隔熱體，石墨隔熱體周圍由耐火磚層支撐，石墨隔熱 體中心設有通孔；在石墨隔熱體上方設有正對通孔的結晶器。
進一步地，在結晶器內設有防塵罩，防塵罩將石墨隔熱體中心通孔罩住，在防塵罩 下端周圍設有若干通氣孔。
同時，在爐蓋內設有夾層結構的冷卻罩，冷卻罩與結晶器形狀對應并罩在結晶器 上，冷卻罩上設有與夾層相通的冷卻液進口和冷卻液出口，冷卻液進口和冷卻液出口分別 通過冷卻液管引出爐蓋與冷卻液連接。
在裝料坩堝底部與耐火磚層之間設有耐火磚墊塊。
所述加料機構包括放料罐和備料罐，放料罐和備料罐通過管道連通，在管道上設 有調節閥，加料管與放料罐連通。
本發明氧化鎂的還原、鎂蒸汽的收集在同一反應器內進行。本工藝利用廉價的煤 碳作為還原劑，降低了原料成本；反應在完全熔化的爐渣中進行，加快了反應速度；原料不 需制球，且可以不斷加入反應爐中，實現了鎂的連續生產，有效的降低了勞動強度，并提高 了設備利用率和生產效率。


圖1-本發明制鎂裝置結構示意圖。
其中，1-爐殼；2-耐火磚層；3-耐火磚墊塊；4-加熱元件；5-石墨隔熱體；6_防塵 罩；7-結晶器；8-爐蓋；9-抽真空系統；10-加料機構；11-裝料坩堝；12-爐渣；13-加料 管；14-放料罐；15-備料罐；16-調節閥；17-通孔；18-冷卻罩；19-冷卻液管。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。
本發明熔融還原碳熱法制鎂工藝以菱鎂礦為主原料，氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅 為造渣劑，煤、碳或石墨為還原劑；其制備步驟為4(1)煅燒-菱鎂石通過煅燒獲得煅燒菱鎂石以備用；(2)基渣配制-基渣采用氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅三種物質配成，堿度Ca0/Si02的范 圍控制在廣1. 8之間，Al2O3占爐渣總量的209Γ40%較合適；(3)原料配制-將配好的煅燒菱鎂石和還原劑碳粒(煤或者石墨)混合，為了加大接觸 面積，可以采用粒度小的菱鎂石和還原劑顆粒，比如過60目篩。為了提高還原速度，需加入 過量的還原劑，還原劑中C/MgO摩爾比為1. Γ1. 4 ；這里的C是指碳、煤或者石墨中的可用 于反應的單質碳。
(4)抽真空-將配好的基渣裝入裝料坩堝中，基渣最好占裝料坩堝的1/3 1/2，再 將基渣連同裝料坩堝放入真空反應器(反應爐)中，真空度越低越有利于還原反應的進行。 固態的碳熱還原在1200°C下，真空要達到101 才能反應，在1600°C下，真空只需100001 就可以發生，而采用熔融態進行還原時，反應較固態更為容易，因此IOOOOPa以下碳還原液 態氧化鎂均能進行，采用低真空時，爐內的殘余的氧氣容易氧化鎂蒸汽，因此本工藝把真空 控制在IOPa 10001 之內；(5)爐渣熔化-在真空反應器內對基渣加熱使基渣處于完全熔融狀態。反應爐采用硅 鉬作為加熱元件，加熱最高溫度可達1700°C，CaO-Al2O3-SiO2三元渣系在1200°C 1400°C 能夠實現完全熔融狀態；(6)加料-將第(3)步配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在 基渣中，形成CaO-MgO-Al2O3-SiA四元爐渣。為保證爐渣在反應溫度下呈完全熔融態，MgO 質量控制在四元爐渣的20%以下；(7)還原反應-在溫度為1550°C 1650°C下使MgO發生還原反應；(8)收集-還原反應得到的鎂蒸氣通過冷凝收集即得金屬鎂。
所述第(6)步的加料為持續加料或間隔加料，以使第(7)步的還原反應持續進行， 并始終保持MgO質量在四元爐渣的20%以下。因為三元基渣在反應過程中不會消耗，只需要 通過加料適時補充反應消耗的煅燒菱鎂石和還原劑，使還原反應不會中斷，但又不能使MgO 質量超過四元爐渣的20%即可。
根據上述熔融還原碳熱法制鎂工藝設計的制鎂裝置，本裝置實質是一個真空反應 爐，它包括上端敞口的爐殼1和將爐殼上端封蓋的爐蓋2，爐殼1和爐蓋2內通過抽真空系 統9抽為真空。爐殼1是用IOmm的不銹鋼板焊接而成，厚的鋼板可以很好的防止在真空狀 態下變形。在爐殼1底部和周圍砌有空心泡沫球耐火磚層2，能有效地起到保溫隔熱作用， 耐火磚層2中間為空腔形成加熱區，加熱區內設有盛裝爐渣12的裝料坩堝11，在裝料坩堝 11四周與耐火磚層2之間設有加熱元件4，加熱元件4采用硅鉬棒加熱，加熱溫度上限高達 1700°C。在裝料坩堝11底部與耐火磚層2之間設有平衡坩堝用的耐火磚墊塊3。在爐殼1 外設有加料機構10，加料機構的加料管13穿過爐殼1和耐火磚層2進入裝料坩堝11。在 裝料坩堝11開口上方設有與之正對的結晶器7，結晶器7放置在耐火磚層2上。結晶器7 為上小下大的筒狀結構。
所述加料機構10包括放料罐14和備料罐15，放料罐14和備料罐15通過管道連 通，在管道上設有調節閥16，能夠有效地阻止空氣進入反應爐內。加料管13與放料罐14連 通，加料管13上也設有調節閥16。
在進行還原反應前，把裝有爐渣12的裝料坩堝11，放置在加熱區的耐火磚墊塊3上。蓋上爐蓋8后，通過抽真空系統9抽真空并開始加熱。待爐渣12完全熔化后，通過加 料機構10加入按比例混好的原料。當裝料坩堝11中的原料反應得差不多時，此時又可以 通過加料機構10進行加料，這樣就到達了連續生產的目的。由于采用碳熱還原，還原反應 過程中會形成CO和CO2，這些氣體會在通過裝有過濾裝置的抽真空系統9中被處理掉。
由于還原反應在高溫熔渣中進行，加熱區的熱量很高，會快速傳遞到結晶器7上， 因此在裝料坩堝11和結晶器7之間放置石墨隔熱體5，石墨隔熱體5設有中心通孔17，結 晶器7正對石墨隔熱體的通孔17。石墨隔熱體5由數塊帶有一個中心有通孔的石墨板組 成，周圍由耐火磚層支撐。石墨隔熱體5能夠有效的防止加熱區的溫度向上傳遞，中心通孔 又能順利的讓還原產生的鎂蒸汽順利通過。
為了防止抽真空和反應時有塵渣通過石墨隔熱體的中心通孔而污染結晶器7，在 結晶器7內設有防塵罩6，防塵罩6將石墨隔熱體中心通孔17罩住。防塵罩6為倒扣的圓 筒狀結構，防塵罩6的頂端封閉，在防塵罩周圍設有若干通氣孔。封閉的頂部能夠很好的防 止通過石墨隔熱體5的中心通孔的熱輻射和灰塵，鎂蒸汽通過防塵罩四周的通氣孔富集在 結晶器7上。
在捕集鎂蒸汽時，結晶器的溫度非常關鍵，過低過高都會影響鎂的收得率和質量。 本裝置裝有熱電偶監控結晶器的溫度，如果溫度過高，可以通過冷卻機構進行調節。具體 為，在爐蓋8內設有夾層結構的冷卻罩18，冷卻罩18與結晶器形狀對應并罩在結晶器7上， 冷卻罩上設有與夾層相通的冷卻液進口和冷卻液出口，冷卻液進口和冷卻液出口分別通過 冷卻液管19引出爐蓋8與冷卻液連接。本冷卻機構能有效的起到調節結晶器溫度的作用。
實施例1將裝有基渣的裝料坩堝放入反應爐加熱區內，基渣加入量為其熔化后高度為坩堝 高度的1/2，基渣成分為Ca0:Si02:Al203=45%:30%:25%，堿度為1. 5。接著放置好石墨板和 防塵罩，然后蓋上爐蓋，進行抽真空并加熱。真空抽至爐內氣壓為lOOOPa，反應溫度控制在 1550°C左右。待溫度穩定一段時間后，基渣已完全熔化，這時通過加料機構向裝料坩堝輸送 原料，原料為煅燒菱鎂石和碳粒，其中C/MgO摩爾比為1. 1。煅燒菱鎂石加入后形成的爐渣 成分為Ca0:Mg0:Si02:Al203=37%:18%:25%: 20%。高溫下碳粒還原液態渣中的MgO，隨著反 應的進行，原料不斷消耗殆盡時，再次通過加料機構向裝料坩堝輸送原料。還原產生的鎂蒸 汽富集在結晶器上，為保證結晶效果，通過油冷確保結晶器溫度控制在500°C附近。結晶器 獲得塊狀金屬鎂，反應后，渣中的MgO含量為5%，氧化鎂的還原率達85%。
實施例2所用基渣量為其熔化后高度為裝料坩堝高度的1/3，基渣成分為 Ca0:Si02:Al203=40%:30%:30%，堿度為1.3。真空為10Pa，反應溫度控制在1650°C左右。原 料為煅燒菱鎂石和石墨粉，其中C/Mg0摩爾比為1.4，煅燒菱鎂石加入后形成的爐渣成分為 CaOMgO SiO2 Al203=35% 13% 26% 26%。整個過程加料三次，最后獲得塊狀金屬鎂，渣中 MgO含量為2. 6%，氧化鎂的還原率達94%。權利要求
1.一種熔融還原碳熱法制鎂工藝，其特征在于本工藝以菱鎂石為主原料，氧化鈣、氧 化鋁和二氧化硅為造渣劑，煤、碳或石墨為還原劑；其制備步驟為(1)煅燒-菱鎂石通過煅燒獲得煅燒菱鎂石以備用；(2)基渣配制-基渣采用氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅三種物質配成，堿度氧化鈣/二氧 化硅的范圍控制在1 1. 8之間，氧化鋁占基渣總重量的20% 40% ；(3)原料配制-將配好的煅燒菱鎂石和還原劑混合，還原劑中C與煅燒菱鎂石中MgO摩 爾比為1. 1 1.4 ；(4)抽真空-將配好的基渣裝入裝料坩堝中，再將基渣連同裝料坩堝放入真空反應器 中，反應器真空控制在101 10001 之間；(5)爐渣熔化-在真空反應器內對基渣加熱使基渣處于完全熔融狀態；(6)加料-將第(3)步配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在 基渣中，形成CaO-MgO-Al2O3-SiA四元爐渣，并使MgO質量控制在四元爐渣的20%以下；(7)還原反應-在溫度為1550°C 1650°C下使MgO發生還原反應；(8)收集-還原反應得到的鎂蒸氣通過冷凝收集即得金屬鎂。
2.根據權利要求1所述的熔融還原碳熱法制鎂工藝，其特征在于所述第(6)步的加料 為持續加料或間隔加料，以使第(7)步的還原反應持續進行，并始終保持MgO質量在四元爐 渣的20%以下。
3.根據權利要求1或2所述的熔融還原碳熱法制鎂工藝，其特征在于所述菱鎂石和 碳粒粒度大于60目。
4.根據權利要求3所述的熔融還原碳熱法制鎂工藝，其特征在于所述第(4)步基渣占 裝料坩堝容積的1/3 1/2。
5.根據權利要求1所述的熔融還原碳熱法制鎂工藝設計的制鎂裝置，其特征在于它 包括上端敞口的爐殼(1)和將爐殼上端封蓋的爐蓋(8)，爐殼和爐蓋內為真空；在爐殼(1) 底部和周圍設有耐火磚層(2)，耐火磚層中間為空腔形成加熱區，加熱區內設有盛裝爐渣的 裝料坩堝(11)，在裝料坩堝(11)四周與耐火磚層(2)之間設有加熱元件(4);在爐殼(1)外 設有加料機構(10)，加料機構的加料管(13)穿過爐殼和耐火磚層進入裝料坩堝(11)；在裝 料坩堝(11)開口上方設有石墨隔熱體(5)，石墨隔熱體周圍由耐火磚層支撐，石墨隔熱體 (5)中心設有通孔(17)；在石墨隔熱體(5)上方設有正對通孔的結晶器(7)。
6.根據權利要求5所述的制鎂裝置，其特征在于在結晶器(7)內設有防塵罩(6)，防 塵罩(6)將石墨隔熱體中心通孔(17)罩住，在防塵罩下端周圍設有若干通氣孔。
7.根據權利要求5或6所述的制鎂裝置，其特征在于在爐蓋(8)內設有夾層結構的冷 卻罩(18)，冷卻罩(18)與結晶器形狀對應并罩在結晶器(7)上，冷卻罩上設有與夾層相通 的冷卻液進口和冷卻液出口，冷卻液進口和冷卻液出口分別通過冷卻液管引出爐蓋與冷卻 液連接。
8.根據權利要求7所述的制鎂裝置，其特征在于在裝料坩堝(11)底部與耐火磚層之 間設有耐火磚墊塊(3)。
9.根據權利要求8所述的制鎂裝置，其特征在于所述加料機構(10)包括放料罐(14) 和備料罐(15)，放料罐(14)和備料罐(15)通過管道連通，在管道上設有調節閥(16)，加料 管(13)與放料罐(14)連通。
全文摘要
本發明公開了一種熔融還原碳熱法制鎂工藝及裝置，其步驟為用氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅配成基渣；將煅燒菱鎂石和還原劑煤、碳或石墨混合配成原料；將配好的基渣裝入裝料坩堝中，再將裝料坩堝放入真空反應器中；在真空反應器內對基渣加熱使基渣處于完全熔融狀態；將配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在基渣中；在溫度為1550℃～1650℃下使MgO發生還原反應，還原反應得到的鎂蒸氣收集即得金屬鎂。本發明利用廉價的煤碳作為還原劑，降低了原料成本；反應在完全熔化的爐渣中進行，加快了反應速度；原料可以不斷加入反應爐中，實現了鎂的連續生產，有效的降低了勞動強度，并提高了設備利用率和生產效率。
文檔編號C22B26/22GK102041398SQ201010550400
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者唐祁峰, 陳小華, 高家誠 申請人:重慶大學