硅热法提炼金属镁（锻白）工艺设备
一、镁的性质及用途
1、性质：
□□镁的化学活性高，在自然界以化合物形式存在于白云石、菱镁石、橄槛石、蛇纹石、地下卤水、盐湖和海水中。镁是银白色金属，纯镁具有密度小、膨胀系数较大、弹性模量较低的特性。
镁的密度：1.738g/cm3 镁的熔点：922～924K
镁的沸点：1380K 镁的开始再结晶温度：423K
镁在固态下的收缩率：2％
2、用途：
1）、生产难熔金属的还原剂：
□□镁既可作生产稀有金属Ti、Zr、Hf等的不原剂，也可作为生产铍、硼的还原剂。
2）、铝合金的添加元素：
□□铝合金中加入金属镁，使合金更轻，强度更大，抗腐蚀能力更好。作为铝合金中的主要合金元素，是镁的一大用途。
3）、球墨铸铁的球化剂：
□□镁在球墨铸铁中起着 球化作用，使铸件强度、延展性更高。镁在球墨铸铁中的应用在逐年增大。
4）、钢铁脱硫的脱硫剂：
□□整个北美、欧洲钢铁生产中用镁作为钢铁脱硫剂。我国用镁作为钢铁脱硫剂的用量也在不断增长，市场前景广阔。用镁粉作为钢铁脱硫剂不仅工艺简单，且由于镁对硫具有大的亲和力这种独特性质，使钢铁市场在较低的成本下达到高产量、高质量，并能生产出如HSLA级低硫钢，这种优质钢可用于汽车、设备及结构体中。用镁脱硫不仅改善了钢的可铸性、延展性、焊接性和冲击韧性，而且降低了结构件的重量，进一步增加了镁在钢铁工业中的需求量。
5）、高储能材料：
□□镁在常压下，大约523K和H2作用生成MgH2，在低压或稍高温度下又能释放出氢，镁具有储氢的作用。MgH2较一般金属氢化物储能高，所以镁可以作为高储能材料。
6）、烟火：
□□镁在早期用来制造烟火，含铝量超过30％的镁铝合金粉末燃烧时会产生耀眼的白光，该白光比自然光更适合于摄影，从而被作摄影闪光灯。镁粉不广泛用于焰火、礼花、军用信号弹、照明弹、燃烧弹等方面。
7）、生产镁合金：
□□镁合金以其密度低，比强度高，降噪减振好，电磁屏蔽性好，易于回收等优点，成为现代交通工具、航空航天和电子通讯等领域的首选材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，同时也成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材料。因此，镁的最大应用领域是生产不同牌号的镁合金。
二、镁的冶炼方法
□□根据镁矿资源和种类不同，镁的生产方法分为两大类，热还原法和氯化熔盐电解法。热还原法有硅热法、炭热法和碳化物热还原法，后两种在工业上较少采用。
硅热法（现只介绍硅热法）：
□□硅热还原法炼镁是利用硅铁作还原剂，将镁从其化合物中还原出来而制得金属镁的一种生产方法。硅热法又分为外热法和内热法，采用硅铁还原氧化镁生产金属镁的工艺有Pidgeon（硅热法）工艺和Magnethern工艺。Pidgeon工艺属于外热法；Magnethern工艺属于内热法，根据生产的连续性又分为间歇式和半连续式。
□□硅热法是我国目前主要应用的方法。该工艺将煅烧后的白云石和硅铁按一定配比磨成细粉，压成团块，装在耐热合金罐内，在一定温度和压力条件下还原得到镁蒸气，冷凝结晶成固态粗镁，精炼后得到纯镁。
□□硅热法的特点是投资少，建设周期短，且生产工艺简单，单位投资成本低，生产过程不产生有害气体，副产品的炉渣可用作生产肥料或水泥的原料。
白云石的化学组成应在如下范围内才能符合硅热法炼镁的要求：
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名称 |
含量（％） |
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名称 |
含量（％） |
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MgO |
19％～21％ |
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CaO |
30％～33％ |
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SiO2 |
＜0.5％ |
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Fe2O3 |
＜0.5％ |
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Al2O3 |
＜0.3％ |
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Mn |
＜0.005％ |
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Na2O＋K2O |
＜0.01％ |
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Zn |
＜0.001％ |
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烧损率 |
46.5％～47.5％ |
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灼减量 |
＜0.5％ |
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水化活性度 |
＞35％ |
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三、煅烧白云石的产物
□□煅烧白云石的产物通常叫煅白。合格的煅白呈白色，表面有微粉，其断面疏松多孔，质量为白云石的一半，硬度较小，不能重拍。过烧煅白表面呈微黄色，有裂纹；生烧的煅白，其质量相当于白云石，色泽基本上是白云石的本色。
□□煅白中的主要成分是CaO、MgO以分子结构（MgO·CaO）存在，其灼减量小，水化活性度高.
□□如果煅白吸收空气中的Co2和H2O。煅白吸收少量水分后，立即干固，表面生成一层硬壳，即Ca(OH)2或Mg(OH)2。影响下道工序生产。
□□因此、出窑的煅白应在较短时间内送入密封的煅白料仓中，且贮存时间般不超过12小时。窑内排出的煅白，如贮存方法合理或贮存时间太长均会变质。
煅白化学成分一览表
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组成 |
MgO |
CaO |
K2O |
Na2O |
灼减度 |
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含量(％) |
38～44 |
56～62 |
≤0.05 |
≤0.05 |
≤0.5 |
煅白质量等级
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等级 |
一级品(％) |
二级品(％) |
三级品(％) |
四级品(％) |
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约减度 |
＜0.5 |
＜0.5 |
＜0.5 |
≥0.5 |
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活性度 |
＞34 |
≥33≤34 |
≥32＜33 |
＜32 |
四、回转窑煅烧白云石的优点
□□回转窑的特点是生产能力大，机械化程度高，维护操作简单，煅白活性高，灼减低，且无论白云石是何种结构，只要控制好工艺条件，其煅烧效果均很好。
□□回转窑主要是辐射传热与对流传热，窑内物料随窑的旋转，充分翻滚，强化了辐射传热过程。物料加热均匀，煅烧温度易控制。回转窑常用煤粉、煤气作为燃料。
五、煅白的生产方法及要求
□□煅烧白云石生产线是将竖式预热器、回转窑、竖式冷却器、烟气处理系统、原料输送系统、成品输送系统、煤粉制备系统等组成一条完整的生产线。
全线采用技术先进，性能可靠的DCS中央控制系统，在主控制室集中操作管理，以PLC实现各设备运行的相互连锁。
煅白工艺流程说明
a）、原料储运输送
□□粒度在5～35mm的合格品经皮带机送至预热器顶部料仓。
b）、白云石煅烧
□□白云石煅烧系统是由一台竖式预热器，一台回转窑及一台竖式冷却器组成。物料由预热器顶部料仓经下料溜管导入预热器本体内，同时由回转窑传入的高温烟气将物料预热至600℃以上，使白云石发生部分分解，再由竖式预热器液压推杆依次推入回转窑尾部，经回转窑高温煅烧后再卸入冷却器内，通过风机吹入的冷风冷却，将物料冷却至100℃以下排出冷却器，冷却器吹入的空气作为二次空气进入回转窑参与煅烧。
c）、成品输送
□□成品煅白由冷却器卸出后经链式输送机输送至成品库。
d）、烟气处理
□□回转窑燃烧产生的高温烟气，在预热器内与白云石进行热交换后，温度降至280-300℃，一部分废气用管道输送到煤粉制备系统中，利用其余热烘干煤粉。废气经收尘器过滤后，烟气温度进一步降至80℃以下，含尘浓度符合国家排放标准后排入大气；另一部分进入袋除尘器后经烟囱排入大气，气体的含尘浓度小于50mg/Nm3。
e）、煤粉制备
□□本生产线所用原煤（要求挥发份大于20%）经外购入厂，经过储存、均化后利用风扫煤磨配动态选粉机组成的闭路系统将原煤粉磨至0.08mm<10%，成品煤粉通过输送设备进入储库，满足回转窑煅烧16小时以上的燃料储备需要。煤粉生产、输送、储存均设防爆装置，防止因煤粉意外遇明火爆炸。
□□风扫煤磨所需热源由回转窑尾280-300℃废气供应，既节省能源又环保。
f）、质量控制
□□为严把质量关，做到以质量求生存，采取以下措施进行全面质量管理：
（1）严格精选原料，提高白云石入窑质量，保证原料入窑符合要求。
（2）原料进厂要跟踪化验，以保证原料的化学成分满足要求。
（3）在生产过程中加强质量管理，制定企业内控质量标准，逐步达到国际标准（ISO9002认证），提高职工素质量意识，设质量检验员，加强自检工作。
六、煅白提炼金属镁(粗镁)
1、 还原剂：
1）硅铁（工业生产中通常选用75％Si硅铁作还原剂，其组成
为Si=49.86％，FeSi2=50.14％；
2）硅铝合金：含硅和铝各半的硅铝合金，其还原能力高于含硅大于75％的硅铁，在同一温度下用硅铝还原时，其还原能力为硅铁的2.5倍，且还原温度比硅铁低373K左右,还原周期缩短;
3）废铝：铝在所有还原剂中产生的镁平衡蒸气压最高，即铝的还原性比硅铁强，钽铝的价格较高。如果能用废铝来代替硅铁作还原剂，在同等还原条件下，还原温度降到1323K以下，仍可达到硅热法在1473K的效果，且还可延长还原罐的使用寿命。
2、 矿化剂：
□□萤石：萤石中CaF2的含量应大于94％，细度为100—200目。
□□目前生产上采用的配料比一般为：
□□煅白：硅铁：萤石粉=80（MgO≥38％）：16.5(Si≥75％)：3.5(CaF2≥75％)
3、 制球：
□□将硅铁先碎至3—5mm，萤石为浮选得到的粉状料（-200目），煅白为15—35mm，三种原料按配料比配好后，同时进入球磨机进行混合。
□□还原剂硅铁、原料煅白和矿化剂萤石经细磨混合制成球团。制团一般采用高压球机，压力15～20MPa，球团密度可达2g/cm3。其合格标准通常是球团在1.5米高的高空中自由下落到光滑的水泥地面上，以碎成四瓣作为衡量球团强度的标准。球团在高温下进行反应，反应在固相与固相之间进行。其反应是吸热反应，并在真空条件下无对流给热，还原反应过程中，没有还原气体从球团外面向里扩散，只有还原析出的镁蒸气向外扩散并在镁结晶器中冷凝结晶。
□□硅热法炼镁过程中，Si还原煅白云石的反应如下式：
2(CaO·MgO)+Si=2CaO·SiO2+2Mg
□□硅热法炼镁还原反应在1473K和真空状态下进行，该温度高于镁的沸点，所以还原出来的镁是气体状态。对于Si还原煅烧白云石的反应，反应物（原料及还原剂）应具有较低的蒸气压且在还原温度下不形成熔体，而生成物金属应具有较高的蒸气压。
4、 主要还原设施：
1）金属镁还原炉：是硅热法炼镁的核心设备，必须保证还原工艺条件（1473K，小于13.3Pa的真空度）的要求。
□□金属镁还原炉普遍采用的是外加热卧式还原罐还原炉。目前，国内应用的金属镁还原炉的炉型较多，根据所用燃料的不同，大体上可分为两类：用煤气或重油加热的还原炉与以煤为燃料的还原炉镍铬合金钢制的还原罐。16个还原罐分成四组，即4个还原罐组成一组，与一个真空机组相连接(真空机组由滑阀泵和罗茨泵组成)，每台还原炉还设有一个备用真空机组，因此一台还原炉一般有5个真空机组，每台还原炉设有一个水环泵作为预抽泵。
□□以煤为燃料的还原炉，在我国金属镁还原炉主要以燃煤为主，随着镁冶炼工艺的不断发展与进步，出现过多种燃煤还原炉，典型的有下面几种：
①.单火室单面单排罐还原炉：该炉型与燃煤气、重油还原炉炉型相似，单面单排布置还原罐。燃烧室设置在后面，炉内装有14-16支还原罐，在两支还原罐中间设置一过火孔。该炉型由于只有单排罐，又是单面布置，故操作十分方便，车间布置便于机械化，但其产量和热效率都低。该炉型属于矩形倒焰窑，火焰从燃烧室通过挡火板反射至炉顶，受烟囱抽力火焰向下，使还原罐受热，再经过火孔，支烟道至主烟道排出。
②.双火室双面双排还原罐还原炉：该炉型也是矩形倒焰窑，装有10支还原罐，在长度方向分两端各装5支上、下排列。炉型设置了四个对称分布在两侧面的燃烧室(每面两个)，燃烧室内有倾斜15°的梁式炉栅，火焰从窑两侧燃烧室翻过挡火墙，流向炉膛中心窑顶，然后火焰倒流向炉底吸火孔、支烟道再由一端的主烟道排入烟囱。该炉的优点是炉子结构简单，罐子排列较紧凑，炉膛空间利用率较高，其缺点在于炉子四面均为操作面，加煤烧火与还原出镁、扒渣、装料互有干扰，操作条件差，车间布置困难。该炉型也有炉膛空间扩大而布置14-22支罐的。
③.单火室双面双排罐还原炉：该炉型是两端面双排布罐，单火室烧火的还原炉。在两个端面各分上、下排装6支罐，共布罐12支，在一个侧面设多个燃烧室，这样燃煤操作比较方便，空间利用率也较高，但还原罐数量有限，产量小。
④.单火室单面双排罐还原炉：该炉型也属于外加热火焰反射炉(俗称倒焰炉)。是国内应用最为广泛的炉型。内还原罐上、下错开上牌布置。空间利用率较高，炉长方向没有限制，故可以布置较多的还原罐，一般有30-40支。还原罐单面开口，与真空机组的连接较方便。燃烧室设置在炉膛后面，由挡火墙隔开，火焰从燃烧室通过挡火墙反射至炉顶，受烟囱抽力火焰向下，使还原罐受热，再经炉底过火孔、支烟道至主烟道排出。相对于上述其他炉型，该炉型产量大、空间利用率较高、能源消耗较低、经济性好，因此在国内得到了广泛的应用。
2）还原罐：正常工作时，还原罐内抽成真空，其真空度为10Pa左右。目前炼镁还原罐的材质主要为ZG3Cr24Ni7RE和ZG40Cr28Ni16两种。
还原罐属易消耗部件。其典型结构由半球型封头、直筒罐体和冷却水套等三部分组成。还原罐工作条件恶劣，一般是在1180℃-1200℃的高温及罐内抽真空的条件下长期工作，所以要求还原罐具有良好的高温抗氧化、抗腐蚀性能，以及足够的高温强度和综合机械性能。目前，罐身一般采用离心铸造工艺，帽头采用砂型铸造，半球端底和筒体的连接采用焊接工艺，冷却水套采用铆焊件。
□□还原罐的使用寿命：目前还原罐基本上是用高铬镍合金钢铸造成的，使用寿命较短，一般不超过2-3个月，由此导致还原罐生产成本居高不下一直是炼镁厂家关切的问题。
□□还原罐的使用寿命与下述因素有关:
①.烟气中含氧量高,会加速氧化；
②.烟气中含硫量高,氧化速度更快；
③.温度超过抗氧化临界温度极限,也会加快氧化速度；
④.温度超过使用温度,合金钢罐机械强度极差,在真空下,造成挤压变形
⑤.台金钢的质量、制造方法及焊接质量也会影响罐的使用寿命。
3）还原炉抽真空设施：一般采用三级泵的抽气方案。粗抽泵采用水环式真空泵，101.3KPa时，抽气速率可达27m3/min。预抽泵采用机械式滑阀泵，主泵一般采用罗茨泵，即通常所说的JZJ真空机组。视真空系统的情况和球团料的情况，一般真空达标时间为1—1.5h，真空度可以达到13.3—1.3Pa，能够满足硅热法工艺要求。
□□目前，大多数镁厂改用蒸气射流式真空泵，它兼顾了水环泵和JZJ机组的优点，尤其是真空达标时间缩短为0.5h之内，真空度可达 10Pa以内，且省电，维修量小。该泵所需蒸气由还原炉余热锅炉供给，实现了能源的充分综合利用。
