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1、毕毕业业 论论文文 题题 目：目：镁冶炼工艺方法改进探讨 姓姓 名：名：付光辉 学学 号：号：0504205021 指指 导导 教教 师师 ： 陈明彪（教授） 年年 级级 专专 业业 ： 2005 级冶金工程 所在学院和系：所在学院和系： 机械系 完完 成成 日日 期：期：2009 年 06 月 08 日 青海大学本科毕业论文：镁冶炼工艺方法改进探讨 机械系 IV 答答 辩辩 日日 期：期：2009 年 06 月 13 日 镁冶炼工艺方法改进探讨 摘 要 本文从镁冶炼的各个方法入手，探索镁冶炼工艺改进的方法。通过相关试验及相关书籍的查阅 对镁相关冶炼方法进行研究，找出镁冶炼各个方法中的缺陷，并
2、通过相关试验和相关书籍及老师的 指导找出改进冶炼方法的措施。进而达到提高镁质量、降低成本的目的。 关键词：镁 冶炼工艺 真空还原 THE IMPROVEMENT AND DISCUSSION OF THE MAGNESIUM SMELTINGS PROCESSMETHOD ABSTRACT In this paper, various methods of magnesium smelting start magnesium smelting process to explore ways to improve. Through the relevant testing and inspect
3、ion of books related to the magnesium smelting methods of research to identify the various methods of smelting magnesium deficiencies, and related test and relevant books and teachers to identify measures to improve methods of smelting. Magnesium to achieve quality, reduce costs. Key words： Magnesiu
4、m, Smelting process, Vacuum and restore 目 录 前言1 1 基本原理3 1.1 热还原法炼镁.3 1.1.1 皮江法3 1.1.2 巴尔札诺法4 1.1.3 玛格尼法5 1.2 电解法.5 1.2.1 道乌法5 1.2.2 氧化镁氯化法5 1.2.3 诺斯克法5 1.2.4 光卤石法5 1.3 真空蒸馏原理.5 2 镁冶炼工艺方法改进措施6 2.1 现有方法的优缺点及改进措施6 2.1.1 皮江法6 2.1.2 电解法6 2.2 真空碳热法冶炼镁的探讨.7 2.2.1 真空碳热法炼镁原理7 2.2.2 工艺设想7 2.2.3 实验研究8 2.2.4 现有
5、实验遇到的问题及分析10 3 讨论11 4 结语12 参考文献13 致谢14 附录 附录 I：外文资料翻译 附录 II：撰写读书笔记 前言 机械系 1 前言 镁是一种发现和应用都比较晚的轻活泼金属，由于其优良的物理性能和机械加工性能，在短短 的近200 年的时间里，镁工业得到了快速发展。随着镁冶炼工艺和镁合金材料的不断发展，镁以 “时代金属”的角色出现在冶金材料的舞台上，成为有色金属中的佼佼者，现在镁已经成为继铜铝铅 锌之后的第五大有色金属。加上镁蕴藏量丰富，因此被人们誉为21世纪最有前途的轻量化材料和绿 色金属工程材料。由于现代工业的飞速发展，金属材料的消耗急速增加，一些传统金属资源已逐渐
6、趋于枯竭。具有资源优势的金属镁，其市场潜力却尚未充分挖掘，其开发利用远不如钢铁、铜、铝 等成熟。因此如何加速发展镁工业，扩展镁的应用领域，进一步开发我国镁的资源优势和市场优势， 已成为我国当前的重要任务之一。 我国蕴藏着十分丰富的矿石镁资源和海水卤水镁资源。菱镁矿约31.45亿吨，占全球总储量的 22. 5%，处于世界第一位。矿床主要集中在辽宁和山东两省（储量占全国的95%），大部分为大中 型矿床，开采条件比较好，适合于露采、机械化作业和规模经营。矿石质量优良，符合炼镁要求的 、级矿就占到78%，在国际市场上具有很强的竞争力。我国的白云石资源也十分丰富，已探明 的储量在40亿吨以上，矿床主要分
7、布在辽东半岛、冀东、内蒙古、山西、江苏、福建、湖北、湖南 等地。我国盐湖卤水中镁盐储量为48.15亿吨，其中氯化镁31.43亿吨，硫酸镁16.73亿吨。正在开发 中的察尔汉盐湖，已探明的氯化镁储量就达16.5亿吨。我国拥有漫长的海岸线，海水中氯化镁和硫 酸镁的储量分别达到4493亿吨和3570亿吨。 1938年日本在我国的东北抚顺建立了第一个镁车间，抗战结束后，这个镁车间没有再恢复生产。 1957年在苏联的帮助下，在原来的基础上建了一个年产3000t的金属镁车间，工艺采用菱镁矿干团 炉料氯化生产熔融氯化镁，再经过电解生成金属镁。从新中国成立初到今天，中国镁冶炼工业经过 近50年的发展，尤其是2
8、0世纪末随着皮江法的广泛推广应用，中国的镁工业发展的更快，大一点的 炼镁企业就有一百多家。自1998年以来我国的镁产量一直居世界首位，2005年我国原镁产量近47万 吨，出口量为35.3万吨，占世界市场份额的75%，已经连续8年居世界首位。产量在十种有色金属中 排第五，出口额居第四位，净出口创汇额居有色金属之首。 常用的金属镁冶炼工艺方法有热还原法和电解法。但两种方法都存在这样何那样的缺点：例皮 江法白云石原料耗量大、能耗高、还原效率低、硅铁耗量大、还原周期长、还原罐耗量大、粗镁质 量不稳定、部分杂质（Mn、Si 、Al 、Ni）含量偏高等等。在实际的工业生产中，还存在温度不 均匀、过烧严重、
9、产量低、煅白的质量不稳；能源和资源的浪费，而且排放出大量的废气，造成比 较严重的环境污染。现有的改进方法有：在主要的物料破碎和物料混合工序，增加粉尘收集装置， 一方面减少污染，同时也极大减少了跑冒滴漏。采用计算机优化程序优化出最佳配硅比，既可以得 到最佳的出镁率，同时又保证了最恰当的硅利用率。提高产量，降低成本。通过采用煅白、硅铁、 萤石三种原料混合磨的方法，可以保证炉料的细度和混合度。同时，使炉料混合更均匀，也减少了 与空气的接触几率，保证了炉料的质量。改进还原罐结构、采用新型保温材料、切断热短路、提高 内部介质的综合导热系数、改变升华和结晶路径、改进炉型，采用水煤浆对还原罐底部加热等途径。
10、 电解法制取的粗镁中主要含有电解质中的氯化物及Fe、Si、Ni、Cr、Mn和K、Na等金属杂质，其存 在会降低镁及其合金的耐腐蚀性能。生产过程复杂，电耗高，生产条件差，设备腐蚀严重；经常发 生氯气的跑、冒、漏，给环境造成污染，给工人的身体健康带来影响；其废气、废水、废渣处理的 任务重、费用高；设备和厂房由于腐蚀严重，维修费用高等缺陷。现有改进方法有： 将电解的原 青海大学本科毕业论文：镁冶炼工艺方法改进探讨 机械系 2 材料由粒状氯化镁经过无水氯化氢脱水转变为水球氯化镁，使原料准备阶段的能耗由15 kWh/kg降 到了10 kWh/kg。改进氯压系统等途径。 热法炼镁方面，碳热法炼镁是人们研究
11、的一个热点。与其它的炼镁方法比较，真空碳热法炼镁 有如下的优点：镁蒸气可直接冷凝成块状的结晶镁，省去了后续镁粉再蒸馏工艺，解决了镁粉易 燃的安全问题。还原剂用的煤比硅铁便宜，而且来源广、易于获得。有可能研制出新的真空炉 突破罐子容量的限制，提高热效率和单台设备的产能，改善劳动条件。冶金过程在密闭的真空系 统中进行，对环境污染很小。能耗分别比硅热法和电解法低3. 3 %和8. 7 %，降低了生产成本。 真空碳热法炼镁一旦在工业上应用成功将给我们带来可观的经济、社会及环境效益。下一步需 要做的是扩大实验以及半工业化实验，对真空碳热还原的焦结过程、还原过程、金属镁蒸气的冷凝 过程以及添加剂的种类选择
12、和添加量还需要进行深入的研究。 1 基本原理 机械系 3 1 基本原理 金属镁的制备方法可分为2大类：热还原法和电解法。 1.1 热还原法炼镁 热还原法炼镁的原理：硅(一般用75Si-Fe合金)在高温(1100-l 2500C)和真空(13.3133.3Pa)条 件下，还原白云石中的氧化镁，制得金属镁。 1电炉；2还原罐；3原料；4麦氏真空计；5电离真空计；6过滤器；7罗茨泵；8机械真空泵 图 1 真空热还原法炼镁装置 硅热还原法，按照所用设备装置不同，可分3种：皮江法(Pidgeon Process)，巴尔札诺法 (BalzanoProcess)和玛格尼法(Magnetherm Proces
13、s)。巴尔札诺法和玛格尼法生产规模较小，故重点谈 皮江法。 1.1.1 皮江法 皮江法炼镁原理皮江法炼镁方法由加拿大人皮江(Pidgeon)1941年研制成功，此方法采用的是在 外热式真空蒸馏罐内用硅铁还原白云石制镁的工艺。皮江法经过60多年的发展，取得了巨大的进步， 形成了基本成熟的理论。生产方式为间歇式的，每个生产周期大约为10h，可分为3个步骤： (1)预热期：装料后，预热炉料，排除炉料中的二氧化碳与水分。 (2)低真空加热期：盖上蒸馏罐的盖子，在低真空条件下加热。 (3)高真空加热期：罐内真空度保持13.3133.3Pa，温度达1200左右，时间保持9h左右。由于 外面水箱的冷却作用，
14、钢套的温度大约250，镁蒸气冷凝在钢罐中的钢套上。 最终切断真空，将盖子打开，取出冷凝着镁的钢套。蒸馏后的残余物为二钙硅酸盐渣和铁。 图 2 炼镁还原罐结构及罐中原料和产物分布 青海大学本科毕业论文：镁冶炼工艺方法改进探讨 机械系 4 皮江法炼镁过程可分为白云石煅烧、原料制备、还原和精炼四个阶段，其工艺实质是将白云石 (MgCO3 CaCO3)在回转窑中煅烧(煅烧温度11501250)，反应式是MgCO3CaCO3 MgOCaO + 2CO2 ；然后经研磨与硅铁粉(含硅量75%)和萤石粉(氟化钙95%)混合制球(制球压力9182914MPa)， 送入耐热钢还原罐内，在11901210的温度及1
15、13310Pa真空条件下，还原制成粗镁，反应过程 是：2CaO(固)+ 2MgO(固)+ Si(固)2Mg(气)+ CaSiO4 (固)，经过熔剂精炼、铸锭、表面处理，产出 金属镁锭。 总反应的化学计量方程由(1-1)式给出。 2MgO2CaO + Si(Fe) Ca2SiO4 + 2Mg + Fe (1-1) 反应式的自由能函数G 与温度T 的关系由式(1-2)给出： G = 115600 + 11174 Tlog T - 100138 T (1-2) 反应热H 与温度T 的关系见(1-3) 式： H = 115600 - 51098 T(1-3) 由(1-2)式可知此还原反应的临界温度Tc
16、。若使反应(1-1)正向进行，反应温度必须大于临界值Tc 温度越高，或提高反应速度越显著，反应(1-1)就越能够进行到底。真实的还原过程是在真空下进行 的，这样一来大大降低了临界温度Tc，并提供了镁蒸气的传输通道，但也降低了反应物料的热传递 效率，并形成皮江法生产中复杂及其特殊的真空热还原机理。 图 3 皮江法工艺流程图 1.1.2 巴尔札诺法 此法从皮江法演化而来，加大了真空罐的尺寸，内部采取电加热。所用的原料同皮江法，但是 加料和排渣的方式有所不同。 1 基本原理 机械系 5 1.1.3 玛格尼法 以铝土矿和白云石为原料，硅铁作还原剂，在真空电炉中进行还原反应；反应的温度为 16001700，真空度为0.26613.3kPa。该法的最大特点是炉内所有的物质
