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1、收稿日期: 2005 - 04 - 26 刘金平(1979 ) , 硕士研究生;330029 江西省南昌市。 皮江法炼镁技术的缺陷及改进途径 刘金平 杨雪春 (南昌大学) 谢水生 李华清 (北京有色金属研究院) 徐 河 (维恩克科技有限公司) 摘 要 概略介绍了镁的优良性能、应用前景及皮江法在中国的应用前景,最后主要介绍了 目前皮江法炼镁技术存在的缺陷,同时对改进途径进行了探讨。 关键词 皮江法 原镁冶炼 改进途径 The deficiency and improvement methods of Pidgeon process Mg2smelting Liu Jinping Yang Xue
2、chun (Nanchang University) Xie Shuisheng Li Huaqing (General Research Institute for Non2ferrous Metals) Xu He (Winca corporation) Abstract This study summarily introduces the excellent capability and application prospect of magne2 sium and the application prospect of Pidgeon process in China. At las
3、t mainly talks about the deficien2 cy of Pidgeon process , at the same time , discusses about the improvement methods. Keywords Pidgeon process Mg2smelting improvement methods 镁及镁合金作为一种新型的应用材料,近年 来已广泛应用于军用、 民用领域的许多方面。镁 合金作为最轻的结构材料,能满足交通运输业日 益严格的节能和尾气排放的要求,镁合金具有优 异的薄壁铸造性能及良好的比强度、 刚度和抗撞 能力,能充分满足3C产品高度
4、集成化、 轻薄化、 微型化、 抗摔撞及电磁屏蔽、 散热和环保要求,镁 牺牲阳极是作为有效的防止金属腐蚀方法之一。 我国镁资源十分丰富,也是世界上产镁最多的国 家,改进原镁冶炼技术是我国镁工业发展的出路。 皮江法生产工艺简单,产品质量高;皮江法投 资成本低,中国丰富的白云石资源、 廉价的劳动力 是皮江法在中国发展的潜在优势。皮江法炼镁在 技术方面存在很大的缺陷,有很大的技术提升空 间。因此,可望研发出适合中国国情的中国式皮 江法。在资源优势的山西、 河南、 宁夏等地逐渐形 成了热法炼镁基地。千年不竭的镁资源,也正符 合中国政府提出的可持续发展的战略。作为以白 云石为原料炼镁的皮江法技术十分适合我
5、国国 情,皮江法在中国的应用前景值得期待。 虽然皮江法比较适合我国国情,近年来发展 迅速,在我国的原镁生产中98 %以上都是采用皮 江法生产。但在皮江法炼镁过程的每个生产环 节,都存在这样和那样的一些问题。如白云石原 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。随着我国金属 镁产量的迅速提高,以及国内外对环境意识的加 强。通过改进皮江法各工序存在的技术缺陷和对 各工序中工艺参数的优化,来解决一直困扰皮江 法发展的高耗能、 高污染和工业自动化程度低的 问题。 1 皮江法炼镁工艺特点
6、目前炼镁的主要方法有电解和热还原法,世 界上目前有40 %左右的镁是用电解法生产的。 我国具有近50年的氯化镁熔盐电解法的历史,积 累了丰富的生产经验,也取得了巨大的成就。由 12 Vol124 No15 Sept12005 冶 金 能 源 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 于电解法能耗高、 氯气排放严重,相对缺乏市场竞 争力。电解法炼镁的新工艺 用水氯镁石二次 脱水制备无水氯化镁作电解法炼镁原料,目前尚 未产业化、
7、商品化。法国和意大利曾有用电加热 内热硅还原法,由于没有降低电耗的新工艺,也全 部停产,因此皮江法炼镁仍然是目前的主要炼镁 工艺之一。 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。 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 (MgCO3CaCO3)在回转窑中煅烧(煅烧温度为 11501250 ) , 反应式是MgCO3CaCO3MgO CaO +2CO2;然后经研磨与硅铁粉(含硅量75 %)
8、和 萤石粉(氟化钙95 %)混合制球(制球压力918 2914MPa) ,送入耐热钢还原罐内,在11901210 的温度及113310Pa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(如图 1) 。 2 存在的缺陷和改进途径 211 白云石煅烧工序 我国皮江法外加热的热源基本上都是用液体 燃料、 气体燃料和固体燃料产生的热量,而其中绝 大部分镁厂都是以固体煤为燃料,每生产一吨镁 要消耗812t优质煤,不仅造成能源和资源的浪 图1 皮江法工艺流程图
9、费,而且排放出大量的废气,造成比较严重的环境 污染。 因此,使用清洁能源是提高皮江法炼镁水平 的有效途径。目前国内有些厂家使用水煤浆,使 燃烧的二氧化硫和氮氧化物的排放浓度大幅降 低,使烟尘排放达到林格曼黑度0级,符合国家环 保要求。 维恩克科技公司,在炼镁生产中,采用水煤浆 作为燃料以来,已经取得了很好的效果,不但使煤 的燃烧效率达到98 %以上,而且预计节煤20 % 30 %。 在实际的工业生产中,还存在温度不均匀、 过 烧严重、 产量低、 煅白的质量不稳定等问题。这都 是因为煅烧温度和煅烧时间等工艺参数控制不当 造成的。因此,笔者认为炉窑实行炉温自动调控 和对煅烧炉煅烧带长度的改进是有效
10、解决这些问 题的关键,针对该工艺步骤的改进,可以达到稳定 煅白质量之目的。 同时,有学者提出在真空条件下煅烧白云石, 可以降低煅烧的温度,降低能耗,并在实验室取得 了成功,最高温度仅在800900。但在实际工 业生产中未曾验证 1。 212 磨碎、 配料、 制球工序 目前国内大多数镁厂在磨碎、 配料、 制球工序 中存在着粉尘污染严重、 生产成本高、 制球不合格 等问题。其中,粉尘污染来源于物料破碎、 物料混 合。而对配硅比数据的掌握不当造成硅铁浪费, 从而使成本居高不下,是许多企业亟待解决的问 题。压形力、 炉料细磨工艺不正确以及球团吸湿 比较严重是造成球团不合格的主要原因。 因此,可以在主要
11、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。 皮江法炼镁的还原反应是固2固多相反应,炉 料必须经过压形,来增加物料之间的相互接触,以 缩短硅原子还原MgO的自由行程。而最佳制球 压力,一方面保证了球团的成型、 抗压强度以及较 高的热传导率,更重要的是保证了反应颗粒之间 有较大的接触表面积。另一方面,可以保证镁原 子有足够的扩散速度和一定的孔隙率。因此,制 22 冶 金 能 源 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUS
12、TRY Vol124 No15 Sept12005 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 球压力是影响还原效率和硅铁利用率的一个很重 要因素。 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。对于炉料的配硅比和配料比应该 严格控制,要通过理论实践的不断摸索以及加强 生产管理来实现。采用微机配料、 粉磨、 制球封闭 联动线,是达到制备合格球团的有效途径。 213 真空还原工序 目前国内多数
13、镁厂在还原工序中存在以下主 要问题 : (1) 热利用率低,只有8 %左右 ; (2) 还原 周期长,一般是12h ;(3)还原罐寿命短,一般0188 个/吨镁,占成本的15 %25 % ,寿命大概在35 个月左右。 解决的办法是改进还原罐结构、 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、 改进炉型等,同时,采用 现代化的控制技术,采用机械化装卸料设备,可以 使这状况得到改善。 维恩克公司对炉型做了改进,采用水煤浆对 还原罐底部加热,同时还附带余热交换器。实际 操作证明,这种新型的还原炉,不但使炉内传热 好,还原罐受热也更加均匀,还原罐之间的温差能
14、 得到保证,同时产生的余热通过回收来预热水煤 浆,余热得到了有效的利用,提高能源综合利用 率。 在保证相同单罐出镁率的条件下,还原过程 的吨镁燃料消耗与还原周期成正比;因此,缩短还 原周期是节能的主要措施之一。改进措施如下: 提高装出罐的自动化程度,缩短装出罐时 间; 改变装出罐程序,减少同时装出罐的支数; 优化工艺参数,提高热传导率,提高还原效 率; 改进还原罐的结构,加快传热,如罐内增加 加强筋,以提高还原罐内炉料的升温速度。 还原罐寿命问题一直是困扰国内皮江法炼镁 企业的主要问题,提高还原罐的使用寿命是降低 成本的一个重要措施。可采取的措施有以下几 点: 铸造还原罐时,净化钢液,细化材料
15、晶粒, 采用自动化焊接机,提高焊接质量,防止开裂; 采用新工艺,降低罐内剩余压力,降低还原 温度; 及时校正、 更新检测装置,防止超温烧损; 提高罐壁清渣效果,延长清渣周期; 开发和研究新型材质的具有抗高温蠕变性 能的还原罐。 改用先进的炉窑、 改善还原罐结构,可使整个 还原过程热利用率提高50 %以上;还原罐寿命达 到1年。采用新型过程控制技术、 新型还原罐结 构以及机械化装、 出罐装备,预计使每一生产周期 缩短1/ 3以上。 214 粗镁精炼工序 目前国内镁厂粗镁精炼的方法通常是熔剂精 炼,用二号熔剂和硫粉来阻燃和除杂。但存在的 问题是只对金属镁中非金属杂质起净化作用,对 金属元素如Fe、
16、Cu、Al、Mn等起不到净化作用,同 时还产生有毒气体SO2。国内有些厂家采用 KCl、NaCl、MgCl2新三元素熔剂,外加适量的氢 化钛粉,有效解决了金属镁金属杂质含量问题,不 仅降低了污染,还降低了成本。 3 结束语 通过对煅烧工序中煅烧时间煅烧温度的有效 控制,达到稳定煅白质量;改进磨碎技术,优化配 硅比,寻求最佳的制球压力,达到降低粉尘污染, 提高产量,降低成本;采用先进的炉窑、 采用新型 的控制技术、 新型的还原罐结构以及机械化装、 出 罐设备,达到提高热利用率,提高还原罐寿命,缩 短还原周期。因此,研究和开发符合中国国情的 新型皮江法是解决目前皮江法炼镁工艺中存在的 高耗能、 高污染、 工业自动化程度低的三大瓶颈问 题的唯一办法。采用清洁能源、 研究高效节能还 原装备、 优化生产工艺以及能源和资源综合利用 是实现高效、 节能、 环保型皮江法炼镁技术的关 键。对我国皮江法炼镁技术的可持续发展有十分 重要的意义。 参考文献 1 周长松 1 我国热法
