1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院金亚旭金亚旭前言前言我国金属镁产量增大迅速。我国金属镁产量增大迅速。19901990年只有年只有0.590.59万吨；万吨；20192019年镁产量达到年镁产量达到1212万吨，超过美国跃居万吨，超过美国跃居第一第一；20002000年镁产量约为年镁产量约为2020万万,几乎占世界产量的几乎占世界产量的40%40%；20192019年镁产量达到年镁产量达到61.361.3万吨，比万吨，比19901990年增长年增长100100倍。倍。我国镁工业发展之所以如此之快我国镁工业发展之所以如此之快,一是改革开放的政一是改革开放的政策策,市场经济调动了地方、集体、个体
2、兴办炼镁企业的积市场经济调动了地方、集体、个体兴办炼镁企业的积极性极性;二是由于热法炼镁工艺的改进二是由于热法炼镁工艺的改进,使其投资少、技术使其投资少、技术可行。目前我国炼镁方法几乎全部是热法炼镁。可行。目前我国炼镁方法几乎全部是热法炼镁。我国热法炼镁存在的问题：我国热法炼镁存在的问题：能耗高，资源消耗大。能耗高，资源消耗大。环境污染严重环境污染严重,“废渣废渣+废气废气”几乎没有处几乎没有处理理 以牺牲资源与环境作为代价！以牺牲资源与环境作为代价！基于的反应：基于的反应：2(MgOCaO)十十Si 2Mg十十2CaOSiO2 该工艺主要包括：该工艺主要包括：白云石煅烧成煅白；白云石煅烧成煅
3、白；混料（煅白混料（煅白+硅铁）；硅铁）；压球；压球；真空热还原等工序。真空热还原等工序。热法炼镁的创始人：皮江博士热法炼镁的创始人：皮江博士热法炼镁的基本原理：热法炼镁的基本原理：1 1 硅热法炼镁的原料与燃料硅热法炼镁的原料与燃料1.11.1硅热法炼镁的原料硅热法炼镁的原料白云石白云石 白云石中杂质含量（指氧化镁、氧化铝、氧化硅）偏高时，白云石中杂质含量（指氧化镁、氧化铝、氧化硅）偏高时，在白云石煅烧及球团真空还原过程中容易生成低熔点化合物，在白云石煅烧及球团真空还原过程中容易生成低熔点化合物，阻挡碳酸盐的分解及镁蒸气的逸出。阻挡碳酸盐的分解及镁蒸气的逸出。2.2.白云石的矿物结构白云石的
4、矿物结构 要求是晶粒细小、聚晶、格子晶格、网状结要求是晶粒细小、聚晶、格子晶格、网状结构，色泽为浅灰色。构，色泽为浅灰色。3.3.白云石的耐磨指数白云石的耐磨指数硅铁硅铁 硅铁是硅热法炼镁的还原剂，其质量的好硅铁是硅热法炼镁的还原剂，其质量的好坏直接影响到还原效率。是否用纯硅作还原剂坏直接影响到还原效率。是否用纯硅作还原剂更好？更好？图图2-12-1中示出了中示出了Fe-SiFe-Si二元状态。二元状态。从图可知，低品位硅铁中除了有从图可知，低品位硅铁中除了有FeSiFeSi2 2外，还有外，还有FeSiFeSi、FeFe3 3SiSi2 2等存在，而反应活性的顺序为：等存在，而反应活性的顺序
5、为：85%Si75%Si45%Si25%Si,85%Si75%Si45%Si25%Si,因此因此SiSi含量低的活性含量低的活性差，差，但是生产上为什么不用纯硅作还原剂但是生产上为什么不用纯硅作还原剂？萤石1.21.2硅热法炼镁的燃料硅热法炼镁的燃料重油半水煤气或煤气烟煤和无烟煤2.12.1硅热法炼镁的热力学硅热法炼镁的热力学MgOMgO还原的热力学原理还原的热力学原理 为了将镁从氧化镁中还原出来，只有用为了将镁从氧化镁中还原出来，只有用对氧亲和力大于镁对氧亲和力的物质作为还对氧亲和力大于镁对氧亲和力的物质作为还原剂才行。通常，衡量氧化物亲和力大小的原剂才行。通常，衡量氧化物亲和力大小的是氧化
6、物的标准吉布斯自由能。是氧化物的标准吉布斯自由能。图图1-11-1中绘出了一系列氧化物标准吉布斯中绘出了一系列氧化物标准吉布斯自由能与温度的关系曲线。自由能与温度的关系曲线。CuPbNiCoPFeZnCrMnVSiTiAlMgCa 从上面图可知：各种氧化物的从上面图可知：各种氧化物的G G值均随温度的值均随温度的变化而变化，但变化的方向与幅度各不相同，有些变化而变化，但变化的方向与幅度各不相同，有些曲线的相互位置都发生了变化。曲线的相互位置都发生了变化。从图还可推知，只有在温度超过从图还可推知，只有在温度超过23732373以后，以后，SiO2SiO2的稳定性才会高于的稳定性才会高于MgOMg
7、O的，才能发生如下反应：的，才能发生如下反应：计算表明：在温度低于计算表明：在温度低于2000K2000K时，用时，用SiSi还原还原MgOMgO根本就不可能。根本就不可能。MgOMgOCaOCaO还原的热力学原理还原的热力学原理 从前面知道，用硅还原氧化镁时，如果常压则从前面知道，用硅还原氧化镁时，如果常压则温度必须超过温度必须超过23732373，这在实际中实现起来很难，这在实际中实现起来很难，并且在此高温下，并且在此高温下，SiOSiO2 2与与MgOMgO会反应生成硅酸镁会反应生成硅酸镁 。成本问题，耐火材料问题，产物污染问题。成本问题，耐火材料问题，产物污染问题。但是，根据热力学，如
8、果反应过程中存在但是，根据热力学，如果反应过程中存在CaOCaO，则还原温度可降到则还原温度可降到17501750，下页的图中列，下页的图中列出了某些复杂氧化物的吉布斯自由能与温出了某些复杂氧化物的吉布斯自由能与温度的关系。度的关系。从右图可知，当温从右图可知，当温度超过度超过20602060后，会发后，会发生如下反应：生如下反应：4MgO+Si=2Mg+2MgO4MgO+Si=2Mg+2MgOSiO2SiO2 此反应是一个造渣反应，可以降低反应温度，然而也降低了MgO的有效利用率。当有CaO存在时，由于2CaO SiOSiO2 2比比2MgO2MgOSiOSiO2 2更加稳定更加稳定.MgO
9、MgOCaOCaO真空还原的热力学原理真空还原的热力学原理 从前面知道，常压下还原从前面知道，常压下还原MgOMgO的温的温度超过度超过23732373，当有，当有CaOCaO存在时，还原温存在时，还原温度可降至度可降至17501750，这么高温度在工业上，这么高温度在工业上实现起来有相当难度。实现起来有相当难度。那么，如果将常压改为真空状态，那么，如果将常压改为真空状态，会怎么样？下图是某些物质在不同真空会怎么样？下图是某些物质在不同真空度下吉布斯自由能与温度的变化关系。度下吉布斯自由能与温度的变化关系。就反应：就反应：2MgO+Si=2Mg+SiO2MgO+Si=2Mg+SiO2 2而言，
10、而言，MgOMgO、Si Si、SiOSiO2 2均为固态，其活度为均为固态，其活度为1 1，此，此时，吉布斯自由能的表达式为时，吉布斯自由能的表达式为 G=G=G G0 0+RTlnp+RTlnpMgMg 当反应中当反应中 p pMg Mg 101.325pa101.325pa时，时，RTlnpRTlnpMgMg为负值，为负值，G G G G0 0这有利于将这有利于将反应的温度降低。反应的温度降低。所以，硅热法炼镁，一般是在所以，硅热法炼镁，一般是在真空真空条条件下进行。件下进行。影响还原效率及硅利用率的因素影响还原效率及硅利用率的因素还原温度还原温度右图为右图为p p171617162 2
11、10105 5PaPa，配硅，配硅比比1 11 1时在不同的时时在不同的时间下，镁的还原效率与间下，镁的还原效率与硅利用率随着温度变化硅利用率随着温度变化而变化，图中虚线为镁而变化，图中虚线为镁的还原效率，实线为硅的还原效率，实线为硅的利用率。此外还标注的利用率。此外还标注了时间为了时间为1-2h1-2h时镁的还时镁的还原效率与硅的利用率的原效率与硅的利用率的数值。数值。上图表明：上图表明：随着温度的升高，在同一还原时间内，还原效率和随着温度的升高，在同一还原时间内，还原效率和硅的利用率都有不同程度的提高。在低温区域内，镁的还硅的利用率都有不同程度的提高。在低温区域内，镁的还原效率和硅的利用率
12、与温度的关系近似为直线，曲线的斜原效率和硅的利用率与温度的关系近似为直线，曲线的斜度较大，也就是说，在低温区域内，同一时间内镁的还原度较大，也就是说，在低温区域内，同一时间内镁的还原效率与硅的利用率增加更为明显。效率与硅的利用率增加更为明显。当温度超过当温度超过11501150以后，还原效率与硅利用率增加以后，还原效率与硅利用率增加较少，曲线趋于平缓。为了达到较高的镁的还原效率与硅较少，曲线趋于平缓。为了达到较高的镁的还原效率与硅的利用率，温度必须高于的利用率，温度必须高于11501150，但是，当温度超过，但是，当温度超过12001200以后，同一时间内的还原效率与硅的利用率增加也以后，同一
13、时间内的还原效率与硅的利用率增加也不多，由于还原罐的材质在高温下抗氧化的性能较小，故不多，由于还原罐的材质在高温下抗氧化的性能较小，故温度不能超过温度不能超过12001200所以所以，硅热法炼镁过程，最合适的还原温度范围，硅热法炼镁过程，最合适的还原温度范围是是1150-11801150-1180，在这一反应温度范围内，镁的，在这一反应温度范围内，镁的还原效率实验值可达还原效率实验值可达9393-95-95(还原时间为还原时间为2h)2h)，工业生产中镁的还原效率可达工业生产中镁的还原效率可达8585以上以上(还原时还原时间为间为8h)8h)，硅的利用率可达，硅的利用率可达8787-88-88
14、(实验值实验值)，工业生产中硅的利用率可达工业生产中硅的利用率可达70707575。为了达。为了达到同样的还原效率，如果还原时间较短，则需更到同样的还原效率，如果还原时间较短，则需更高的还原温度和进一步降低还原体系中的剩余压高的还原温度和进一步降低还原体系中的剩余压力力(1(13Pa)o3Pa)o还原时间还原时间在一定的还原温度与体系的剩余压力在一定的还原温度与体系的剩余压力下，增加还原时间，可以使热传递的下，增加还原时间，可以使热传递的深度增大，还原反应彻底，从而，镁深度增大，还原反应彻底，从而，镁的产出率高，硅的利用率也高。下图的产出率高，硅的利用率也高。下图是配硅比是配硅比1 11 1，
15、P P171617162 210105 5PaPa，在在1100 1100 、11501150、1200 1200 三种三种温度下，不同还原时间内镁的还原效温度下，不同还原时间内镁的还原效率与硅的利用率变化。图中的虚线为率与硅的利用率变化。图中的虚线为镁的还原效率，实线为硅的利用率。镁的还原效率，实线为硅的利用率。上图表明，随着反应时间的延长，镁的还原效率和上图表明，随着反应时间的延长，镁的还原效率和硅的利用率随之增加。在反应开始阶段，镁的还原效率硅的利用率随之增加。在反应开始阶段，镁的还原效率和硅的利用率增加较快，曲线的斜率也较大。随着反应和硅的利用率增加较快，曲线的斜率也较大。随着反应的进
16、行，开始时反应速度很快，后来反应速度急剧减小，的进行，开始时反应速度很快，后来反应速度急剧减小，当反应进行一定时间后，曲线的斜率几乎为零，即反应当反应进行一定时间后，曲线的斜率几乎为零，即反应速度近于零。由此表明，还原反应进行一段时间后，反速度近于零。由此表明，还原反应进行一段时间后，反应速度很慢，再延长反应时间已经没有意义了。对于不应速度很慢，再延长反应时间已经没有意义了。对于不同的还原温度，达到最大镁的还原率的时间不同，同的还原温度，达到最大镁的还原率的时间不同，12001200时约为时约为1 15h(5h(实验值实验值)，工业生产时为，工业生产时为7 76h6h，11501150时约为时
17、约为1 175h(75h(实验值实验值)，工业生产时为，工业生产时为8 85h5h。从图中还可以看出，提高还原温度比延长还从图中还可以看出，提高还原温度比延长还原时间更能增加产量和提高硅的利用率。但是原时间更能增加产量和提高硅的利用率。但是在生产上由于还原罐材质受到影响，不能用提在生产上由于还原罐材质受到影响，不能用提高还原温度来缩短还原周期高还原温度来缩短还原周期(即缩短还原时间即缩短还原时间)达到高产的目的。这样做势必缩短了还原罐的达到高产的目的。这样做势必缩短了还原罐的寿命。寿命。所以所以在低于在低于1180温度下还原可温度下还原可适当适当延延长还原时间，但是长还原时间，但是绝对不能绝对
18、不能用提高温度、缩短用提高温度、缩短还原时间来提高镁的还原效率和硅的利用率。还原时间来提高镁的还原效率和硅的利用率。制球压力制球压力 球团的真空热还原，在温度、还原时间、配球团的真空热还原，在温度、还原时间、配料比一定的条件下，随着制球压力的增大，镁的料比一定的条件下，随着制球压力的增大，镁的产出率和硅的利用率增大。但是，不同矿物结构产出率和硅的利用率增大。但是，不同矿物结构的煅白，它有一个最佳的压力值，压型压力超过的煅白，它有一个最佳的压力值，压型压力超过此值后，还原温度、还原时间、配硅比增大都对此值后，还原温度、还原时间、配硅比增大都对镁的产出率，硅的利用率影响不大，压型压力超镁的产出率，
19、硅的利用率影响不大，压型压力超过此值后，镁的产出率和硅的利用率反而降低。过此值后，镁的产出率和硅的利用率反而降低。右图为在右图为在11001100、l125l125、1200)1200)下，下，还原效率和还原效率和硅利用率与硅利用率与压型压力的压型压力的关系曲线关系曲线(M(M1 11 1，还，还原时间为原时间为1 15h)5h)。图。图中虚线为还中虚线为还原效率，实原效率，实线为硅利用线为硅利用率。率。配硅比的影响配硅比的影响还原过程中反应式：还原过程中反应式：2(MgOCaO)十十Si 2Mg十十2CaOSiO2 其配硅比其配硅比(M)为为Si2MgO1 此时镁的产出率一定，而硅的利用率最
20、大。此时镁的产出率一定，而硅的利用率最大。如果增大配硅比，则镁的产出率增大，硅的利用如果增大配硅比，则镁的产出率增大，硅的利用率降低，所以对硅热法炼镁而言，镁的产出率随率降低，所以对硅热法炼镁而言，镁的产出率随配硅比的增加而增大，硅的利用率随配硅的增大配硅比的增加而增大，硅的利用率随配硅的增大而降低。而降低。右图是在右图是在1100 1100、11251125、11501150、12001200，1716.21716.210105 5PaPa，1.5h1.5h时，还时，还原效率、硅原效率、硅利用率与配利用率与配硅比之间的硅比之间的关系曲线。关系曲线。前图表明：前图表明：当配硅比当配硅比(M)(
21、M)增加时，镁的还原效率随着增加，而增加时，镁的还原效率随着增加，而硅的利用率却逐步减小硅的利用率却逐步减小当当M M1 12525以后，镁的还原效率增加很少，而硅的以后，镁的还原效率增加很少，而硅的利用率则降低很多。当利用率则降低很多。当M M1 1时，硅的利用率基本上保持时，硅的利用率基本上保持一定，而镁的还原效率却很低，尽管硅的利用率较高，一定，而镁的还原效率却很低，尽管硅的利用率较高，但由于镁的还原效率太低，工业生产中是很不合算的。但由于镁的还原效率太低，工业生产中是很不合算的。因此最佳的配硅比应在因此最佳的配硅比应在M M1 10-10-12525之间。之间。在工业生产中配硅比应取多
22、少为好，可以根在工业生产中配硅比应取多少为好，可以根据白云石结构、还原温度、还原时间、制球据白云石结构、还原温度、还原时间、制球压力的条件确定，但更需要从压力的条件确定，但更需要从经济角度经济角度来考来考虑，也就是说，应该考虑当时市场上硅铁与虑，也就是说，应该考虑当时市场上硅铁与镁的比价，当硅铁价格较高时，选择镁的比价，当硅铁价格较高时，选择M1M1，当镁的价格上涨时，则取当镁的价格上涨时，则取1 12525。到底如何确定最佳的配硅比？到底如何确定最佳的配硅比？还原剂的种类及硅铁中合硅量还原剂的种类及硅铁中合硅量(品位品位)的影响的影响 硅热法炼镁时，还原剂可以是硅热法炼镁时，还原剂可以是Si
23、Si、SiSiFeFe，也可以用，也可以用AlAlSiSi合金或合金或AlAlSiSiFeFe合金，其组成如下表所示。合金，其组成如下表所示。上述合金都可作为硅热法炼镁的还原剂，但其反应性上述合金都可作为硅热法炼镁的还原剂，但其反应性不同，其反应活性为：不同，其反应活性为：Al-SiAl-SiSiSiSi-FeSi-FeAl-Si-FeAl-Si-Fe。下图为各种硅铁在下图为各种硅铁在11501150和和1200 1200 下的反应活性变化。下的反应活性变化。用用A1A1SiSi合金还原合金还原MgOMgO时，时，AlAl和和SiSi都能作为都能作为MgOMgO的还的还原剂，合金中原剂，合金中
24、AIAI和和SiSi的含量越高，其反应性越大，如用的含量越高，其反应性越大，如用含含AI 70AI 70左右的铝硅合金还原燃烧白云石，可使硅热左右的铝硅合金还原燃烧白云石，可使硅热法炼镁的反应温度从法炼镁的反应温度从12001200降至降至1000 1000 ，或在，或在12001200下加速反应来提高镁的产出率。然而用下加速反应来提高镁的产出率。然而用A1A1SiSi合金作还合金作还原时，其原时，其经济性较差经济性较差，如果用电热法炼铝生产的铝的残，如果用电热法炼铝生产的铝的残渣渣(即即AlAlSiSi合金合金)作还原剂，则较为经济。作还原剂，则较为经济。对于硅热法炼镁用的还原剂，通常选用含
25、硅对于硅热法炼镁用的还原剂，通常选用含硅7575SiSi的硅铁，它具有较大的反应性及经济性。的硅铁，它具有较大的反应性及经济性。含硅含硅7070以下的硅铁还原能力很差以下的硅铁还原能力很差，含硅，含硅7575以上以上的硅铁还原能力较大，与含硅的硅铁还原能力较大，与含硅80809090之间的硅铁还之间的硅铁还原能力相差不多。原能力相差不多。添加剂的种类及其用量的影响添加剂的种类及其用量的影响 通常添加通常添加MgF2和和CaF2等物质等物质/在实际生产中通常以萤在实际生产中通常以萤石粉石粉(或或CaF2)作为添加剂，尽管作为添加剂，尽管MgF2的添加量较小，但的添加量较小，但其经济性较其经济性较
26、CaF2差。差。炉料中添加炉料中添加CaF2可以加速反应速度，可以加速反应速度，但其添加量有一定的范围，如下图所但其添加量有一定的范围，如下图所示。示。添加添加1CaF2效果不显著，炉料中效果不显著，炉料中添加添加3CaF2对还原反应有利，添加对还原反应有利，添加量过多，对镁的产出率影响不大；量过多，对镁的产出率影响不大；炉料中炉料中CaF2的添加量超过的添加量超过4，还，还原后的炉渣发软性、不易扒渣，而且原后的炉渣发软性、不易扒渣，而且渣在扒渣时易吸附在还原罐罐壁上。渣在扒渣时易吸附在还原罐罐壁上。球团贮存时间的影响球团贮存时间的影响 炉料经过压型后，应立即送去还原，压型炉料经过压型后，应立
27、即送去还原，压型后至还原的贮存时间后至还原的贮存时间不应超过不应超过8h。贮存时间长，球团会吸收空气中的水分贮存时间长，球团会吸收空气中的水分而膨胀松散；还能吸收空气中的而膨胀松散；还能吸收空气中的CO2使使MgO与与CaO复原为复原为CaCO3；和；和MgCO3。吸湿后的。吸湿后的球团不仅镁的还原效率低，还会使析出后冷球团不仅镁的还原效率低，还会使析出后冷凝的镁失去金属光泽而成为黑色。凝的镁失去金属光泽而成为黑色。球团的吸湿与空气中的水蒸气分压有球团的吸湿与空气中的水蒸气分压有关，关，水蒸气分压愈大，球团的吸水性越大。水蒸气分压愈大，球团的吸水性越大。下表为室温及空气湿度的关系，及球团在下表
28、为室温及空气湿度的关系，及球团在不同水蒸气分压时的吸湿性。不同水蒸气分压时的吸湿性。从上面的两个表中数据对比可以明显看从上面的两个表中数据对比可以明显看到，到，球团的吸湿性比煅白吸湿性更大球团的吸湿性比煅白吸湿性更大，这主，这主要的原因是球团中煅白的颗料很小，比表面要的原因是球团中煅白的颗料很小，比表面积大，故更易吸湿。生产实践表明，球团贮积大，故更易吸湿。生产实践表明，球团贮存存2h2h后后(装在牛皮纸袋中装在牛皮纸袋中)，纸袋便发热，贮，纸袋便发热，贮存时间在存时间在8h8h后，纸袋中的团块将会全部吸湿后，纸袋中的团块将会全部吸湿而松散，这种炉料还原时还原效率极低。而松散，这种炉料还原时还
29、原效率极低。炉料中的杂质的影响炉料中的杂质的影响 炉料中的杂质炉料中的杂质SiO2、A12O3、Fe2O3、ZnO、MnO、Na2O、K2O等是由煅白、硅铁和萤石带来的。等是由煅白、硅铁和萤石带来的。这些杂质在还原过程中有的会被还原如这些杂质在还原过程中有的会被还原如Na2O、K2O、ZnO、MnO等还原后，会与镁蒸气同时冷凝，影等还原后，会与镁蒸气同时冷凝，影响结晶镁的纯度，使结晶镁中含有响结晶镁的纯度，使结晶镁中含有Zn、Mn、K、Na等金等金属杂质。属杂质。SiO2、A12O3、Fe2O3等杂质在还原过程中会与等杂质在还原过程中会与MgO和和CaO造渣（成低熔点化合物与复杂硅酸盐炉渣），降低造渣（成低熔点化合物与复杂硅酸盐炉渣），降低了了MgO与与CaO的有效利用率的有效利用率原因：原因：低熔点化合物的炉渣，低熔点化合物的炉渣，会妨碍硅和镁蒸气的扩散，会妨碍硅和镁蒸气的扩散，使使热量的传递减慢。热量的传递减慢。
