(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110257646 A(43)申请公布日 2019.09.20
(21)申请号 201910515097.2(22)申请日 2019.06.14
(71)申请人 长安大学
地址 710064 陕西省西安市雁塔区二环南
路中段126号(72)发明人 赵鹏 李江江 陈彤丹 (74)专利代理机构 西安恒泰知识产权代理事务
所 61216
代理人 史玫(51)Int.Cl.
C22B 26/22(2006.01)C22B 5/04(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图1页
CN 110257646 A(54)发明名称
一种炼镁工艺与装置(57)摘要
本发明公开了一种炼镁工艺与装置。所公开的炼镁工艺包括：将含硅和镁矿的制备原料混匀后压力成型，其特征在于，13-4000Pa条件下，将成型原料加热至600-1100℃后,在成型原料上直接施加电压，施加电压大小为10-200V/mm，施加电压时长为1-5min。所公开的炼镁装置包括真空冶炼炉，所述真空冶炼炉内设有一对电极，用于对炼镁过程中的成型原料直接施加电压。本发明克服了传统硅热法还原金属镁温度高、时间长等系列问题，大幅度降低还原装置温度，大幅度提高金属镁还原速度，金属镁渣可以作为水泥类材料使用，绿色环保，具有重要的经济效益和社会效益。
CN 110257646 A
权 利 要 求 书
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1.一种炼镁工艺，包括：将含硅和镁矿的制备原料混匀后压力成型，其特征在于，13-4000Pa条件下，将成型原料加热至600-1100℃后,在成型原料上直接施加电压，施加电压大小为10-200V/mm，施加电压时长为1-5min。
2.如权利要求1所述的炼镁工艺，其特征在于，所述制备原料由合理配比的硅铁、煅烧白云石和萤石组成。
3.如权利要求1所述的炼镁工艺，其特征在于，所述制备原料中添加有铝土矿或氢氧化铝。
4.如权利要求3所述的炼镁工艺，其特征在于，所述制备原料中：硅率为2.0-2.5；铝率为0.8-1.0；石灰饱和系数为0.7-0.9。
5.如权利要求1所述的炼镁工艺，其特征在于，所述成型原料形状为规则柱形或规则块形。
6.一种炼镁装置，装置包括真空冶炼炉，其特征在于，所述真空冶炼炉内设有一对电极，用于对炼镁过程中的成型原料直接施加电压，所述真空冶炼炉内的真空条件控制范围为：13-4000Pa、温度控制范围为：600-1100℃。
7.如权利要求4所述炼镁装置，其特征在于，所述真空冶炼炉内设有多对电极。
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CN 110257646 A
说 明 书一种炼镁工艺与装置
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技术领域
[0001]本发明属于冶金工业领域，具体涉及一种金属镁硅热还原工艺与装置。
背景技术
[0002]硅热还原法在高温、高真空条件下，用硅作还原剂进行还原反应，制取金属镁。此方法称为硅热法炼镁。由于硅铁性质稳定、还原性强、价格相对低廉、还原反应条件容易达到和控制，使得硅热还原法冶炼金属镁工艺成为当今世界炼镁工业中除了电解法之外最为广泛应用的一种炼镁工艺。尤其在中国硅热法炼镁几乎成为生产金属镁的主要方法。[0003]根据炼镁的工艺过程和设备差异，硅热还原法主要包括：皮江法(Pidgeon Process)、波尔札诺法(Bolzano Process)和马格内姆法(Magnetherm Process),皮江法属于外热法,波尔扎诺工艺和马格内姆工艺属于内热法。
[0004]皮江法热还原炼镁工艺是生产金属镁的主要方法，皮江法炼镁工艺是在高温(1150～1250℃)和高真空(1～13Pa)条件下用75号硅铁从白云石煅烧后形成的煅白(MgO·CaO)中提取金属镁，在还原罐中反应生成金属镁蒸气，金属镁蒸汽经过冷凝结晶得到粗镁，粗镁再经过精炼之后得到纯度较高的商品镁。
[0005]波尔札诺法(Bolzano)又称为内热还原法，所用的原料与原理和皮江法一样。将煅烧后的煅白粉、硅铁粉与萤石粉按照一定的比例充分混匀后压制成砖状球团，将球团放入真空还原炉内进行真空热还原，还原炉尺寸约为φ2m×5m，钢外壳，内砌耐火材料。与皮江法的以块煤或是煤气为热源外部加热还原罐，间接加热球团的方式不同，波尔札诺法采用的是内部加热方式，内部有若干串联的电阻环，砖形球团直接置于电阻环之上实现加热，能源的利用率高于皮江法，热损耗少，有较高的加热效率，使得该工艺可以采用内径更大的真空还原罐，有利于产能的提高。该工艺在1250℃和低于400Pa下进行，反应温度较高，镁的产出率高，原料的消耗少。此法由于采用内部加热法，还原室只是起到储存和保温作用，不需要消耗价格昂贵的耐高温铬镍合金钢还原罐，设备成本降低。此法的优点是极大地提高了能源的热利用率；缺点有机械化程度低，装卸料困难，电阻发热体容易被反应物料腐蚀，造成电热体的电热参数不稳定，寿命短，生产成本高。
[0006]马格内姆(Magnetherm)法是20世纪六十年代在法国发展起来的一种生产金属镁的工艺。其主体设备类似于一个真空矿热炉，炉子采用炭素内衬及内砌有保温材料的钢外壳密封，釆用电阻材料内部加热。反应炉料均以块状的形式加入还原炉中，还原炉内的反应温度在1400～1600℃之间，真空条件为400～4000Pa。在反应炉料中，除煅烧白云石与还原剂硅铁外，还有煅烧铝土矿，加入铝土矿的目的是为了降低熔渣的熔点，铝土矿中的氧化铝能与硅铁与煅白反应生成的还原产物正硅酸钙化合生成呈熔融状态的熔渣。利用熔渣导电产生的热量来加热炉料，加大了炉料之间的传热效率和硅铁与煅白之间的接触面积，可以使氧化镁的还原过程进行更加彻底，提高金属镁还原效率。马格内姆法实现了热法炼镁半连续化作业，能够连续加料、除渣，半连续出镁。此法的优点是反应速度快，单炉产量大，缺点是反应温度高，工艺不稳定，产品的纯度不高。因此这一方法并未得到推广应用。
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CN 110257646 A
说 明 书
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发明内容
[0007]针对国内外现有技术的不足，本发明提供一种炼镁工艺与装置。[0008]本发明提供的炼镁工艺包括：将含硅和镁矿的制备原料混匀后压力成型，，13-4000Pa条件下，将成型原料加热至600-1100℃后,在成型原料上直接施加电压，施加电压大小为10-200V/mm，施加电压时长为1-5min。[0009]可选的，所述制备原料由合理配比的硅铁、煅烧白云石和萤石组成。[0010]可选的，所述成型原料形状为规则柱形或规则块形。[0011]本发明提供的炼镁装置包括真空冶炼炉，其特征在于，所述真空冶炼炉内设有一对电极，用于对炼镁过程中的成型原料直接施加电压，所述真空冶炼炉内的真空条件控制范围为：13-4000Pa、温度控制范围为：600-1100℃。[0012]可选的，所述真空冶炼炉内设有多对电极。[0013]与现有技术相比，本发明的金属镁还原方法的有益效果是：[0014]相比于现有的硅热法炼镁方法，本发明真空条件要求低(现有要求低于13Pa)，炉温低、制备时间快，具有生产效率高和节能的优点。
[0015]本发明进一步改进的方案中金属镁渣可综合利用，开拓了一种金属镁还原的绿色新技术。
附图说明
[0016]图1为本发明装置的结构示意图之一；[0017]图2为本发明装置的结构示意图之二。
具体实施方式
[0018]适用于本发明的原料与硅热法炼镁的原料相同，原料中至少含有硅和镁矿。其中硅的原料来源为硅铁合金、硅铝合金等，镁矿如白云石、菱镁矿等。[0019]本发明工艺中涉及的原料配比、混匀、压力成型方法均与硅热法炼镁相同，不同之处在于，本发明的原料成型后呈规则柱状，如圆柱体、立方柱体等，或者规则块状，可以有效施加电压，进行通电反应。[0020]本发明的“V/mm”为在成型原料上直接施加电压的单位，表示在成型原料的每毫米长度上施加电压的大小，其中成型原料的长度方向为成型原料安装在一组电极之间后一个电极到另一个电极的方向。
[0021]考虑到煤渣的综合利用，本发明的制备原料中可添加铝土矿或氢氧化铝等含铝原料，添加含铝原料后所得的金属镁渣可以作为水泥类材料使用，为便于考量金属煤渣作为水泥类材料的质量，在该工艺下原料中的各成分可按照硅率、铝率和石灰饱和系数的大小控制，其中的硅率表示制备原料中氧化硅含量与氧化铝和氧化铁之和的质量比；铝率表示制备原料中氧化铝质量与氧化铁质量之比；石灰饱和系数表示制备原料中二氧化硅被氧化钙饱和成硅酸三钙的程度。
[0022]本发明的炼镁装置是在硅热法炼镁装置的基础上，在其中的真空冶炼炉内设置电极，用于炼镁过程中对成型原料直接施加电压。根据工艺需要，真空冶炼炉内可以设置多组电极，同时对成型原料进行通电反应。
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CN 110257646 A[0023]
说 明 书
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与硅热法炼镁装置相同的是，真空冶炼炉体上可以实现抽真空和温控的功能；并
且真空冶炼炉的加热方式有内热式和外热式，其中内热式是在炉内设有辅助加热元件等热源，如电加热源；外热式的结构式在炉体外设有加热装置，如火焰或者热风加热装置。进一步在采用外热式炉体时，可同时设置多套真空冶炼炉，采用统一外热源为多套真空冶炼炉提供外热源。
[0024]以下是发明人提供的具体实施例，以对本发明的技术方案做进一步解释说明。[0025]实施例1：
[0026]将氧化镁含量为36wt％的煅白(煅白为白云石、菱镁矿预烧后的矿料，其主要成分为氧化镁和氧化钙)与硅铁、萤石按照100:20:5质量比进行配料，球磨到过200目筛余8％，在25Mpa压力下成型为直径6mm、长度为12mm的圆柱状；[0027]将成型原料置于真空还原炉内两个电极之间，抽真空至100Pa，成型原料加热至700℃后，在成型原料上直接施加电压600V(50V/mm)，电流控制在0.4安培，通电反应3分钟后冷却。
[0028]该实施例整个工艺耗时：加热1小时，通电3min，冷却1.5小时。[0029]测量试样中氧化镁的含量由30.24％变为8％，氧化镁还原率74％。[0030]实施例2：
[0031]将氧化镁含量为35wt％的煅白与硅铝、萤石按照110:21:6质量比进行配料，球磨到过200目筛余10％，在30Mpa压力下成型为直径7mm、长度为10mm的圆柱状；[0032]将成型原料置于真空还原炉内两个电极之间，抽真空至2000Pa，成型原料加热至1000℃后，试样施加电压600V(60V/mm)，电流控制在0.4安培，通电反应5分钟后冷却。[0033]该实施例整个工艺耗时：加热1.5小时，通电5min，冷却1小时。[0034]测量试样中氧化镁的含量由31.64％变为12％，氧化镁还原率85％。[0035]实施例3：
[0036]将氧化镁含量为35wt％的煅白与硅铁、萤石按照105:18:4质量比进行配料，球磨到过200目筛余3％，在15Mpa压力下成型为长6mm、高为3mm、宽为5mm的规则块状；[0037]将成型原料置于真空还原炉内两个电极之间，抽真空至4000Pa，成型原料加热至1100℃后，在成型原料上直接施加电压600V(200V/mm)，电流控制在0.4安培，通电反应4分钟后冷却。
[0038]该实施例整个工艺耗时：加热1.5小时，通电4min，冷却1小时。[0039]测量试样中氧化镁的含量由32.01％变为10％氧化镁还原率79％。[0040]实施例4：
[0041]将氧化镁含量为37wt％的煅白与硅铁、萤石按照107:20:4质量比进行配料，球磨到过200目筛余4％，在15Mpa压力下成型为长5mm、高为60mm、宽为5mm的规则块状；[0042]将成型原料置于真空还原炉内上下电极之间，抽真空至3000Pa，成型原料加热至900℃后，在成型原料上直接施加电压600V(10V/mm)，电流控制在0.4安培，通电反应3分钟后冷却。
[0043]该实施例整个工艺耗时：加热1.5小时，通电3min，冷却1小时。[0044]测量试样中氧化镁的含量由30.89％变为9％，氧化镁还原率95％。[0045]实施例5：
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CN 110257646 A[0046]
说 明 书
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将氧化镁含量为36wt％的煅白与硅铁、萤石和铝土矿按照100:20:5：6质量比进行
配料，球磨到过200目筛余4％，在25Mpa压力下成型为直径6mm，长度为12mm的圆柱样品；[0047]将成型原料置于真空还原炉内上下电极之间，抽真空至100Pa，成型原料加热至700℃后，在成型原料上直接施加电压600V(10V/mm)，电流控制在0.4安培，通电反应3分钟后冷却。[0048]测量试样中氧化镁的含量由30.24％变为8％，氧化镁还原率74％，镁渣中硅酸三钙含量9％。
[0049]实施例6：
[0050]该实施例提供一种炼镁装置，该装置与现有硅热法炼镁装置不同之处在于，其中的真空冶炼炉内设有电极。
[0051]具体如图1所示为该实施例的真空冶炼炉，包括还原罐腔体2、还原罐腔体2上设有顶盖6；还原罐腔体2侧壁设有抽真空气孔4；还原罐腔体2内设有电加热装置3及上下相对的上电极5和下电极1；冶炼过程中成型原料7安装在上电极5和下电极1之间。[0052]实施例7：
[0053]该实施例的炼镁装置是在实施例5的基础上，还原罐腔体2靠近底部的侧壁上设有高温气体进气孔8；顶盖6上设有加热气体排气孔9(参考图1)。[0054]其中的高温气体进气孔8用于抽真空前的炉内预热，加热气体排气孔9用于抽真空前的炉内预热气体排出，从而节省加热过程中的电耗。[0055]实施例8：
[0056]该实施例的炼镁装置与实施例1不同之处在于，实施例5的真空冶炼炉加热方式为内热式，该实施例的为加热方式为外热式。[0057]具体如图2所示，该实施例的真空冶炼炉，包括外炉体10和内还原罐腔体11，内还原罐腔体11设置在外炉体10内，二者之间设有外热源通道；外炉体10侧壁上开设有外热气体入口16和外热气出口17，外热气体进入通道中对内还原罐腔体11进行加热；外炉体11和内还原罐腔体11上设有顶盖12；顶盖上开设有设有抽真空气孔13；内还原罐腔体11内设有辅助加热元件13及上下相对的上电极14和下电极15；冶炼过程中成型原料安装在上电极14和下电极15之间。
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CN 110257646 A
说 明 书 附 图
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