鎂液蒸發(fā)吸熱的鎂蒸氣冷凝聯(lián)產(chǎn)精鎂的方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有色金屬鎂提取冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鎂蒸氣冷凝聯(lián)產(chǎn)純鎂的方 法，另外還涉及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬鎂及鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，使用在交通工具、電子產(chǎn)品、建筑材料、 航空航天等領(lǐng)域，帶來節(jié)能的效果，被譽(yù)為"第三金屬"、"二十一世紀(jì)的綠色金屬材料"。鋼 鐵、鋁等主要金屬材料的礦產(chǎn)資源正在逐步趨于枯竭，而金屬鎂的礦產(chǎn)資源非常豐富，況且 海水中蘊(yùn)含更為豐富的鎂資源，可供人類使用上千年。
[0003] 從自然礦產(chǎn)中提取金屬鎂的工藝技術(shù)分兩大類：電解法和熱還原法。電解法一般 采用氯化鎂為原料，在電解獲得金屬鎂的同時，副產(chǎn)氯氣，環(huán)保問題難以克服，目前全球的 金屬鎂產(chǎn)量中只有不到20%采用電解法。
[0004] 熱還原法的主要工藝是硅熱還原法，即采用硅為還原劑還原氧化鎂，在高溫和真 空條件下獲得金屬鎂蒸氣，然后冷凝獲得金屬鎂的工藝，其中占據(jù)主流的是所謂"皮江法" 工藝（Pidgeon Process)，也就是外熱式橫罐周期硅熱還原法，該法是目前的主導(dǎo)工業(yè)技 術(shù)。此外，法國曾經(jīng)開發(fā)了半連續(xù)的烙漁導(dǎo)電娃熱還原工藝（Magnetherm Process)并實(shí)現(xiàn) 了產(chǎn)業(yè)化，目前已經(jīng)很少有工廠采用這種工藝。
[0005] 與硅熱法同樣屬于熱還原工藝的還有Hansgirg的碳熱法。碳熱法煉鎂就是采用 碳質(zhì)還原劑還原氧化鎂，獲得金屬鎂蒸氣和C0氣體，快速降溫冷凝后獲得金屬鎂。碳熱法 煉鎂的最大難題是產(chǎn)物為金屬鎂氣體與C0氣體的混合氣體，當(dāng)降溫冷卻以獲得金屬鎂時， 會發(fā)生鎂還原的逆反應(yīng)，導(dǎo)致鎂被C0氣體重新氧化，產(chǎn)物中混合了太多的MgO和碳，使得鎂 的收得率大大降低，因此如何使得鎂氣體盡量快速降溫的驟冷操作變得十分關(guān)鍵。碳熱還 原法采用大量天然氣、氫氣等還原性氣體稀釋的方法來降低混合氣體的溫度，大量外來氣 體的引入導(dǎo)致成本增加，因此這種碳熱還原法后來被工業(yè)界放棄。近年來，澳大利亞聯(lián)邦科 學(xué)與工業(yè)研究組織CSIR0的科學(xué)家考慮將混合氣體通過收縮一擴(kuò)張噴管膨脹獲得超音速 射流，從而使得氣體溫度驟降，并將這種工藝命名為MagSonic工藝，但尚處于研究試驗階 段。
[0006] 概括來說，歷史上有一定規(guī)模產(chǎn)量的工業(yè)煉鎂方法主要有電解法、碳熱還原法、皮 江法以及Magnetherm半連續(xù)煉鎂工藝，其中碳熱煉鎂工藝只在1930-1940年代的工廠使 用過，目前世界上的主流工業(yè)方法只有電解法和皮江法。1990年代中期之前，電解法產(chǎn)量 占全球鎂產(chǎn)量80%以上，皮江法和Magnetherm法產(chǎn)量只有約20%。從21世紀(jì)初開始， Magnetherm工藝基本停產(chǎn)，電解法也萎縮了很多，只有皮江法產(chǎn)量占到了全球80 %以上。
[0007] 無論是皮江法工藝還是法國的Magnetherm半連續(xù)煉鎂工藝，都以娃鐵特別是含 硅75 %以上的硅鐵（通常為#75硅鐵）作為還原劑，含有MgO的礦石作為煉鎂原料，在高溫 真空條件下，發(fā)生硅還原氧化鎂的化學(xué)反應(yīng)，如式（1)所示。
[0008] 2Mg0+Si = Si02+2Mg(gas) (1)
[0009] 由于反應(yīng)物、生成物中只有Mg在高溫下成為氣體，被真空抽氣系統(tǒng)抽出，從而離 開反應(yīng)區(qū)域，在真空管路中的低溫段冷凝成為固體或液體，從而獲得金屬鎂。
[0010] 一般情況下，硅是以硅鐵的形式作為反應(yīng)物料，含鎂原料一般是采用白云石煅燒 后的產(chǎn)物CaO ? MgO進(jìn)行反應(yīng)，工業(yè)上通常的化學(xué)反應(yīng)式如（2)所示
[0011] 2 (CaO ? MgO) +Si (+Fe) = 2Ca0 ? SiO2 (+Fe) +2Mg (gas) (2)
[0012] 硅在冶金工業(yè)中是良好的還原劑，但由于鎂是活潑金屬，與氧的結(jié)合能力很強(qiáng)，所 以在常壓下硅還原鎂需要極高的溫度。通過采用真空降低生成物金屬鎂氣體的分壓，以及 用CaO結(jié)合Si0 2生成穩(wěn)定的硅酸二鈣，使得硅還原氧化鎂的溫度只要1200°C以下即可進(jìn)行 工業(yè)生產(chǎn)。
[0013] 所謂皮江法，是加拿大冶金學(xué)家皮江教授在1940年代早期開發(fā)完善的工藝，并沿 用至今。皮江法工藝是將含硅75%的硅鐵、含鎂礦石等以混合壓球等固相接觸，置于耐熱鋼 制成的蒸餾罐中，罐內(nèi)抽真空，罐外采用火焰加熱，熱量從罐外通過罐體傳到到罐內(nèi)的爐料 中，促進(jìn)橫罐內(nèi)物料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，鎂蒸氣在罐中沿著真空抽氣的方向運(yùn)動時，在罐口位置 被冷凝水套冷卻成固態(tài)，成為結(jié)晶鎂粘附在冷卻水套內(nèi)壁上，一個周期10-12小時后，開罐 將結(jié)晶鎂取出，然后重熔成鎂液，進(jìn)行精煉或合金化，然后鑄錠，物料反應(yīng)溫度約為1150~ 1250°C，真空度一般小于13Pa，周期性間歇生產(chǎn)?，F(xiàn)有的皮江法煉鎂具有如下本質(zhì)缺陷：
[0014] 1.反應(yīng)物硅鐵和煅白以固相接觸方式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速率慢，典型的工藝過 程中還原反應(yīng)周期長達(dá)10~12小時，效率低下；
[0015] 2.采用火焰外部加熱，熱量由反應(yīng)器外部逐逐漸傳導(dǎo)到內(nèi)部，周期長，熱能損失 大，熱能利用率低，專業(yè)分析認(rèn)為典型工藝的熱能利用率只有20%左右；
[0016] 3.由于外部加熱的方式限制了反應(yīng)器容積，典型的橫罐內(nèi)徑在400毫米以內(nèi)，一 般為直徑300-370mm，一次裝料量小，單罐一次10 -12小時產(chǎn)出原鎂只有20~30公斤，占 地面積大，現(xiàn)場管理難度大，不易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和機(jī)械化作業(yè)；
[0017] 4.米用含娃兀素75%娃鐵為還原劑，一般噸鎂娃鐵消耗為1. 05~1. 20噸，即娃 遠(yuǎn)超過理論消耗值而造成浪費(fèi)，同時所有鐵元素都浪費(fèi)了；
[0018] 5.橫罐一般采用含有鎳、鉻的昂貴的耐熱鋼，消耗很快，成本高；
[0019] 6.煙塵污染嚴(yán)重，勞動環(huán)境惡劣，對周圍生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響大；
[0020] 7.需要人工裝料、扒漁、清理結(jié)晶鎂，勞動強(qiáng)度大，難以實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)。
[0021] 法國開發(fā)的Magnetherm半連續(xù)煉鎂工藝比皮江法有所進(jìn)步，不僅體現(xiàn)在采用電 力進(jìn)行內(nèi)部加熱，從而提高了能源利用率，而且生產(chǎn)效率獲得很大提升。Magnetherm煉鎂工 藝是半連續(xù)的，每生產(chǎn)1噸金屬鎂同時約產(chǎn)生5~6噸還原渣，需要及時將大部分還原渣排 出反應(yīng)區(qū)，這就需要打破真空、停止冶煉，造成生產(chǎn)的中斷。
[0022] 南非 Mintek 機(jī)構(gòu)在 Magnetherm 工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了 MTMP (Mintek Thermal Magnesium Process)工藝，其突出變化是爐內(nèi)不再采用真空操作，而是在常壓下煉鎂，這樣 排渣過程可以在不停產(chǎn)狀態(tài)下進(jìn)行，成為全連續(xù)工藝，代價是溫度要提升至約1750°C，造成 能耗升高和爐襯耐火材料壽命縮短，而且更多元素隨同鎂一起揮發(fā)進(jìn)入爐氣，導(dǎo)致鎂的純 度下降。
[0023] 美國專利US2971833所描述的就是被稱為Magnetherm的煉鎂工藝，采用真空下 的熔渣電阻加熱，也即電渣加熱，曾經(jīng)在多個國家實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。美國專 利US5090996在Magnetherm煉鎂工藝基礎(chǔ)上，改變?yōu)槌籂顟B(tài)下的還原煉鎂。美國專 利US5383953描述了常壓下用金屬還原煉鎂，通過控制渣的成分來實(shí)現(xiàn)，也應(yīng)該看作是 Magnetherm工藝的改進(jìn)。美國專利US3151977公開了電熱還原煉鎂的方法。美國專利 US4699653描述了在常壓下等離子體作為熱源的連續(xù)硅熱煉鎂。
[0024] 美國專利5570454是針對Magnetherm法煉鎂的一種鎂蒸氣冷凝方法，通過特殊設(shè) 計的雙層密封的冷凝器，維持特定的冷凝溫度，將負(fù)壓下的鎂蒸氣冷凝成液態(tài)。
[0025] 美國專利7641711公開了一種金屬蒸氣的冷凝方法，其中包括鎂蒸氣，通過攪動 液池將金屬蒸氣吸收冷凝為液態(tài)。美國專利2847295、3151977公開了一種電熱煉鎂的方 法和裝置，特別對冷凝裝置進(jìn)行了描述，采用分段式冷凝，一冷段將大部分鎂蒸氣冷凝成液 態(tài)，殘余鎂蒸氣繼續(xù)冷凝至固態(tài)，然后交替加熱固態(tài)鎂熔化流出收集。
[0026] 中國專利CN95100495. 6公開了一種內(nèi)熱煉鎂的技術(shù)，其工藝與Magnetherm有相 似之處，也只是在裝入固態(tài)爐料