1、冶金过程强化论文论文题目：硅热法炼镁过程中的强化指导老师： XXXXXXXX班 级： XXXXXXXX姓 名： XXXXXXXX学 号：XXXXX XXXX硅热法炼镁过程中的强化摘要：硅热法又称皮江法,是以白云石为原料、硅(铁)为还原剂、萤石为矿化剂,将煅烧后的白云石粉碎至 200 目左右,制成球团,装入还原罐,在 1200左右的高温和小于 13.3Pa 的真空下热还原制得结晶镁, 经精炼后再铸成镁锭。20 世纪80 年代末期 ,皮江法在中国大陆得到了蓬勃发展,以连续 40%的年平均增长速度,使中国成为世界生产金属镁的第一大国。2004 年全球原镁产量为 64.4 万吨,而中国原镁产量为 45
2、.0 万吨, 占了全球产量的 69.88%,而中国镁产量的98%是用皮江法所生产。关键词：白云石 强化 我国金属镁产量增大迅速。1990 年只有 0.59 万吨；1999 年镁产量达到 12万吨，超过美国跃居第一；2000 年镁产量约为 20 万,几乎占世界产量的40%；2006 年镁产量达到 61.3 万吨，比 1990 年增长 100 倍。我国镁工业发展之所以如此之快,一是改革开放的政策,市场经济调动了地方、集体、个体兴办炼镁企业的积极性;二是由于热法炼镁工艺的改进,使其投资少、技术可行。目前我国炼镁方法几乎全部是热法炼镁。本文将从还原时间、温度、配硅比及制球压力等方面对镁产出条件的选择及
3、优化进行研究。 1、硅热法炼镁的基本原理1. 1 MgO 还原的热力学原理为了将镁从氧化镁中还原出来，只有用对氧亲和力大于镁对氧亲和力的物质作为还原剂才行。通常，衡量氧化物亲和力大小的是氧化物的标准吉布斯自由能。图 1-1 中绘出了一系列氧化物标准吉布斯自由能与温度的关系曲线。从上面图可知：各种氧化物的G 值均随温度的变化而变化，但变化的方向与幅度各不相同，有些曲线的相互位置都发生了变化。从图还可推知，只有在温度超过 2373以后，SiO2 的稳定性才会高于MgO 的，才能发生如下反应：2Mg + O2 = 2MgO (1)Si + O2 = SiO2 (2)2MgO + Si = SiO2
4、+ 2Mg (3)计算表明：在温度低于 2000K 时，用 Si 还原 MgO 根本就不可能。1. 2 MgOCaO 还原的热力学原理从前面知道，用硅还原氧化镁时，如果常压则温度必须超过 2373，这在实际中实现起来很难，并且在此高温下，SiO 2 与 MgO 会反应生成硅酸镁。但是，根据热力学，如果反应过程中存在 CaO，则还原温度可降到 1750，下页的图中列出了某些复杂氧化物的吉布斯自由能与温度的关系。从上图可知，当温度超过 2060后，会发生如下反应：4MgO + Si = 2Mg + 2MgOSiO2此反应是一个造渣反应，可以降低反应温度，然而也降低了 MgO 的有效利用率。当有 C
5、aO 存在时，由于 2CaOSiO2 比 2MgOSiO2 更加稳定，所以可以发生：2(CaOSiO2) + Si = 2Mg + 2CaOSiO21. 3 MgOCaO 真空还原的热力学原理从前面知道，常压下还原 MgO 的温度超过 2373，当有 CaO 存在时，还原温度可降至 1750，这么高温度在工业上实现起来有相当难度。那么，如果将常压改为真空状态，会怎么样？下图是某些物质在不同真空度下吉布斯自由能与温度的变化关系。就反应：2MgO + Si = 2Mg + SiO2 而言，MgO、Si 、SiO2 均为固态，其活度为 1，此时，吉布斯自由能的表达式为 G= G0+RTlnpMg当反
6、应中 PMg 101.325pa 时， RTlnpMg 为负值， G G0 这有利于将反应的温度降低。所以，硅热法炼镁，一般是在真空条件下进行。2、影响还原效率及硅利用率的因素2. 1 还原温度右图为 p1716 2 105Pa，配硅比11 时在不同的时间下，镁的还原效率与硅利用率随着温度变化而变化，图中虚线为镁的还原效率，实线为硅的利用率。此外还标注了时间为 1-2h 时镁的还原效率与硅的利用率的数值。上图表明：1）随着温度的升高，在同一还原时间内，还原效率和硅的利用率都有不同程度的提高。在低温区域内，镁的还原效率和硅的利用率与温度的关系近似为直线，曲线的斜度较大，也就是说，在低温区域内，同
7、一时间内镁的还原效率与硅的利用率增加更为明显。2）当温度超过 1150以后，还原效率与硅利用率增加较少，曲线趋于平缓。为了达到较高的镁的还原效率与硅的利用率，温度必须高于 1150，但是，当温度超过 1200以后，同一时间内的还原效率与硅的利用率增加也不多，由于还原罐的材质在高温下抗氧化的性能较小，故温度不能超过 1200所以，硅热法炼镁过程，最合适的还原温度范围是 1150-1180，在这一反应温度范围内，镁的还原效率实验值可达 93-95 ( 还原时间为 2h)，工业生产中镁的还原效率可达 85以上( 还原时间为 8h)，硅的利用率可达 87-88(实验值)，工业生产中硅的利用率可达 70
8、75。为了达到同样的还原效率，如果还原时间较短，则需更高的还原温度和进一步降低还原体系中的剩余压力(13Pa)。2. 2 还原时间在一定的还原温度与体系的剩余压力下，增加还原时间，可以使热传递的深度增大，还原反应彻底，从而，镁的产出率高，硅的利用率也高。下图是配硅比1 1 ，P 17162 105Pa，在 1100 、 1150、1200 三种温度下，不同还原时间内镁的还原效率与硅的利用率变化。图中的虚线为镁的还原效率，实线为硅的利用率。上图表明，随着反应时间的延长，镁的还原效率和硅的利用率随之增加。在反应开始阶段，镁的还原效率和硅的利用率增加较快，曲线的斜率也较大。随着反应的进行，开始时反应
9、速度很快，后来反应速度急剧减小，当反应进行一定时间后，曲线的斜率几乎为零，即反应速度近于零。由此表明，还原反应进行一段时间后，反应速度很慢，再延长反应时间已经没有意义了。对于不同的还原温度，达到最大镁的还原率的时间不同，1200时约为 15h(实验值)，工业生产时为 76h，1150时约为 175h(实验值)，工业生产时为 85h。从图中还可以看出，提高还原温度比延长还原时间更能增加产量和提高硅的利用率。但是在生产上由于还原罐材质受到影响，不能用提高还原温度来缩短还原周期(即缩短还原时间 )达到高产的目的。这样做势必缩短了还原罐的寿命。所以在低于 1180温度下还原可适当延长还原时间，但是绝对
10、不能用提高温度、缩短还原时间来提高镁的还原效率和硅的利用率。2. 3 制球压力球团的真空热还原，在温度、还原时间、配料比一定的条件下，随着制球压力的增大，镁的产出率和硅的利用率增大。但是，不同矿物结构的煅白，它有一个最佳的压力值，压型压力超过此值后，还原温度、还原时间、配硅比增大都对镁的产出率，硅的利用率影响不大，压型压力超过此值后，镁的产出率和硅的利用率反而降低。上图为在 1100、l125、1200) 下，还原效率和硅利用率与压型压力的关系曲线(M 11 ，还原时间为 15h) 。图中虚线为还原效率，实线为硅利用率。24 配硅比的影响还原过程中反应式：2(MgOSiO2) + Si = 2
11、Mg + 2CaOSiO2其配硅比(M)为 Si2MgO1此时镁的产出率一定，而硅的利用率最大。如果增大配硅比，则镁的产出率增大，硅的利用率降低，所以对硅热法炼镁而言，镁的产出率随配硅比的增加而增大，硅的利用率随配硅的增大而降低。右图是在 1100 、1125 、1150 、1200，1716.2105Pa，1.5h 时，还原效率、硅利用率与配硅比之间的关系曲线。前图表明：1）当配硅比(M)增加时，镁的还原效率随着增加，而硅的利用率却逐步减小2）当 M1 25 以后，镁的还原效率增加很少，而硅的利用率则降低很多。当M1 时，硅的利用率基本上保持一定，而镁的还原效率却很低，尽管硅的利用率较高，但
12、由于镁的还原效率太低，工业生产中是很不合算的。因此最佳的配硅比应在 M10-1 25 之间。在工业生产中配硅比应取多少为好，可以根据白云石结构、还原温度、还原时间、制球压力的条件确定，但更需要从经济角度来考虑，也就是说，应该考虑当时市场上硅铁与镁的比价，当硅铁价格较高时，选择 M1，当镁的价格上涨时，则取125。3. 结语硅热法炼镁技术虽是我国主流的炼镁技术，但它依旧能耗高，资源消耗大，环境污染严重,“废渣+废气” 几乎没有处理，以牺牲资源与环境作为代价！只有通过不断的实践，考虑各方面的技术要点，才能更好的在白云石中提取镁金属。而除了以上提到的控制因素外，还有杂质、冶炼设备对整个流程的影响，需要我们更多的研究。参考文献：1硅热法炼镁生产工艺学（中南大学出版社，2003，徐日瑶主编）2金属镁生产工艺学（中南大学出版社，2003，徐日瑶主编）
