硅热法炼镁动力学分析及工艺优化

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我国吉林省白山市拥有十分丰富的白云石资源,而白云石又是硅热法炼镁皮江工艺的重要原料。近年来,白山市大力发展镁工业,已形成两个工业园区,拥有多家炼镁企业。通过对白山市镁资源和镁产业现状的调研,提出了白山市镁工业的发展预期和所需要的技术突破。通过光学显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱等实验手段对白山市浑江区天安金属镁矿业有限公司的炼镁用白云石进行品质鉴定,结果表明该白云石矿平均含镁量为13.04%,钙镁比大约为1:1,含有非常少量的二氧化硅杂质,纯度高,品质优良,是理想的硅热法炼镁原料。通过热力学分析证明了硅可以用作还原剂将氧化镁和煅白中的镁还原出来,并且通过计算得出还原反应起始温度。当物料中不含氧化钙时,用硅还原氧化镁的起始温度为2349.71K,如果二氧化硅与氧化镁造渣反应生成原硅酸镁,则起始还原温度降至2106.11K,当物料中含有氧化钙时,二氧化硅与氧化钙造渣生成原硅酸钙,起始还原温度为1768.07K。这说明了在白云石的硅热法炼镁还原过程中,造渣反应可以降低还原反应温度,而煅白中已有氧化钙,无需额外添加氧化钙来造渣,使得还原工艺更加简便。通过对硅热法炼镁热还原过程的宏观动力学分析,影响还原反应速度的因素有固—固两相之间的接触面积,物质在两相中的扩散速度,外部环境对原料球团的传热,产物层之间的传热,原料球团的制团压力和金属镁蒸气扩散速度等,但是镁蒸气的冷凝速度的大小不会影响还原反应的速度。根据热力学理论并且结合白山市浑江区天安金属镁矿业有限公司硅热法炼镁热还原的生产参数计算出硅热法炼镁热还原过程的能耗,通过对比可知在此方面有16.12%的节能空间。对白山市浑江区天安金属镁矿业有限公司使用硅热法炼镁工艺生产得到的固态结晶粗镁进行了质量鉴定,在镁的结晶套中凝结的固态镁呈表面积很大的树枝状结晶,结晶状况十分良好,比较致密。通过光学显微镜观察和X射线衍射分析可知固态结晶粗镁的纯度很高,只含有少量的二氧化硅和氧化铝杂质,说明该炼镁企业的生产条件和工艺参数控制得很好。对在硅热法炼镁的热还原过程中影响还原反应速率和镁产出率的三个工艺条件——还原温度、还原时间和制球压力进行优化,可以达到提高还原反应效率、降低成本的目的。最佳的工艺条件控制范围:还原反应的温度:1175~1200℃;还原反应的时间:7~9h;制球压力:150~160kg/cm~2。
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