新法真空鋁熱復(fù)原煉鎂的分析

新法真空鋁熱復(fù)原煉鎂的分析對(duì)以煅后白云石和煅后菱鎂石為原料,以鋁粉為復(fù)原劑的新法煉鎂技術(shù)的熱力學(xué)開展了分析,并開展了真空熱復(fù)原實(shí)驗(yàn)。通過X射線衍射和掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)原渣的主要物相與物質(zhì)形態(tài)開展了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明:以煅后白云石和煅后菱鎂石為原料,以鋁粉為復(fù)原劑的新法真空熱復(fù)原煉鎂技術(shù)是可行的,在復(fù)原溫度1200℃,復(fù)原時(shí)間2h,鋁粉過量5%和無氟鹽添加劑的條件下,氧化鎂的復(fù)原率可達(dá)90%,CaF2或MgF2的添加可大幅度地提高復(fù)原過程中氧化鎂的復(fù)原率,降低復(fù)原溫度。復(fù)原后復(fù)原渣主要物相為CaO.2Al2O3,復(fù)原渣中氧化鋁的含量在65%以上,氧化硅含量低于2%,是一種非常適合生產(chǎn)氫氧化鋁的原料。

金屬M(fèi)g是僅次于鋼鐵和鋁的第三大金屬構(gòu)造材料,也是迄今工程應(yīng)用最輕的金屬構(gòu)造材料,由于鎂及鎂合金具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱和電導(dǎo)性能好、阻尼減震、電磁外屏蔽、易于機(jī)械加工和容易回收等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于軍工、汽車、電子通訊等領(lǐng)域,被人稱為/21世紀(jì)綠色工程金屬材料0[1-3]。另外,鎂及鎂合金的發(fā)展還在于它的資源優(yōu)勢(shì),世界鎂礦資源豐富,其礦產(chǎn)的保障年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵、鋁、銅、鉛、鋅礦,是少數(shù)幾個(gè)取之不盡、用之不竭的金屬資源之一[4-5]。

目前工業(yè)生產(chǎn)金屬M(fèi)g的方法主要有兩種:一種是熔鹽電解法,另外一種就是皮江法。電解法生產(chǎn)金屬M(fèi)g的根底投資大,環(huán)保費(fèi)用高,電能消耗大,工藝復(fù)雜,成本高,而皮江法生產(chǎn)金屬M(fèi)g工藝單、投資小、易操作,因此電解法逐漸被皮江法所取代[6]。目前,世界上80%以上的金屬M(fèi)g是由皮江法生產(chǎn)的,但皮江法煉鎂能耗高、原料消耗量大,溫室氣體和廢渣排放量大[7-8]。中國(guó)金屬M(fèi)g95%以上采用皮江法生產(chǎn),煉鎂行業(yè)每年能源消耗超過800萬噸標(biāo)煤,CO2氣體排放超過2400萬噸,固體廢渣排放超過400萬噸,因此皮江法煉鎂行業(yè)仍然是一種典型的高能耗高污染的冶金行業(yè),是一種以消耗資源和能源、犧牲環(huán)境為代價(jià)的粗放型產(chǎn)業(yè)。

近年來,為了降低煉鎂行業(yè)能耗,減少?gòu)U渣排放,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)以白云石為原料,以鋁硅鐵合金、鋁硅合金或鋁粉為復(fù)原劑的鋁熱真空熱復(fù)原煉鎂技術(shù)開展了研究[9-12],取得了一定的成果,研究結(jié)果說明,與傳統(tǒng)的硅鐵復(fù)原劑相比,鋁熱復(fù)原具有復(fù)原溫度低、復(fù)原速度快、復(fù)原劑過量系數(shù)小、復(fù)原率高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)可提高鎂廠的生產(chǎn)效率,降低鎂生產(chǎn)能耗,但由于其研究多集中于以白云石為原料,復(fù)原后渣的物相主要為12CaO#7Al2O3,同皮江法相比能耗降低較少(降低約20%),且復(fù)原劑鋁粉或鋁硅合金粉的成本較硅鐵要高,使得該方法生產(chǎn)金屬M(fèi)g的成本較皮江法還高,因此一直未能開展工業(yè)化生產(chǎn)。以菱鎂石和白云石為原料,以廢鋁為復(fù)原劑的新法煉鎂技術(shù)可大幅度降低煉鎂綜合能耗,減少礦石原料消耗,降低溫室氣體和廢渣排放量,是未來真空金屬熱復(fù)原煉鎂的發(fā)展方向[13]。

新法真空鋁熱復(fù)原煉鎂的原理

新法真空鋁熱復(fù)原煉鎂技術(shù)以白云石和菱鎂石為原料,以回收的廢鋁加工的鋁粉為復(fù)原劑,在真空條件下復(fù)原,復(fù)原后獲得金屬M(fèi)g和主要成分為鋁酸鈣的復(fù)原渣,鋁酸鈣復(fù)原渣作為堿液浸出生產(chǎn)氫氧化鋁的原料回收再利用。該方法由于增加了復(fù)原物料中的MgO含量降低復(fù)原過程的料鎂比,和實(shí)現(xiàn)了煉鎂復(fù)原渣的回收再利用,從而到達(dá)節(jié)能減排和降低成本的目的[14]。

在真空熱復(fù)原過程中,鋁復(fù)原MgO生成鎂蒸氣和Al2O3,生成的Al2O3與復(fù)原物料中的CaO結(jié)合成為穩(wěn)定的鋁酸鈣降低鋁復(fù)原MgO反應(yīng)的自由能從而使反應(yīng)向生產(chǎn)金屬M(fèi)g的方向開展,根據(jù)白云石和菱鎂石的配料不同(即復(fù)原物料中CaO和MgO的比例不同),復(fù)原后獲得的復(fù)原渣**酸鈣的主要物相不同,CaO-Al2O3體系主要有12CaO#7Al2O3,CaO#Al2O3,CaO#2Al2O3和CaO#6Al2O3四種化合物,其反應(yīng)機(jī)理如下表1中式2-式5所示。皮江法煉鎂為硅熱復(fù)原反應(yīng),其反應(yīng)機(jī)理如下表1中式1所示,皮江法和鋁熱復(fù)原煉鎂復(fù)原反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)也列于表1中[15]。

(1)熱力學(xué)計(jì)算說明,以煅后菱鎂石和煅后白云石混合物為原料以鋁粉為復(fù)原劑的真空熱復(fù)原煉鎂是可行的,且其復(fù)原溫度比皮江法低100e以上。

(2)應(yīng)用新法真空鋁熱復(fù)原煉鎂技術(shù)開展煉鎂,在復(fù)原溫度1200e,復(fù)原時(shí)間2h,鋁粉過量5%的條件下,氧化鎂的復(fù)原率可達(dá)90%以上。CaF2或MgF2的添加可大幅度地提高復(fù)原過程中氧化鎂的復(fù)原率,降低復(fù)原溫度。

(3)復(fù)原反應(yīng)后復(fù)原渣的主要成分為Al2O3,CaO和MgO,主要物相為CaO#2Al2O3。同現(xiàn)行的皮江法煉鎂技術(shù)相比,新法真空鋁熱復(fù)原煉鎂技術(shù)復(fù)原過程的氧化鎂復(fù)原率可提高5%以上,復(fù)原溫度可降低50e。

Abstract:Anoveltechnique,aluminothermicreductioninvacuum,wasdevelopedtoproduceMgmetalwiththecalcineddolomiteandmagnesiteasthereactantsandAlmetalpowderasthereductant.Theimpactsofthereductionconditions,includingthereductiontemperatureandtime,pressure,molarratio,andcatalyst,ontheMgOreductionratewereevaluated.ThereductionslagwascharacterizedwithX-raydiffractionandscanningelectronmicroscopy.Theresultsshowthatthenewly-developedvacuumaluminothermicreductionisfeasibletoproduceMgonindustrialscale.Undertheoptimizedconditions:at1200℃,for2h,with5%excessiveAlmetalpowder,theMgreductionratewasfoundtobe90%.Moreover,additionoffluoride(CaF2orMgF2)catalystsignificantlyincreasedtheMgOreductionrateanddecreasedthetemperature.TheCaO·2Al2O3phasedominatedtheresidueslagwith67%Al2O3andlessthan2%SiO2.Wesuggestthattheresidueslagbeapotentialfeedstockofaluminumhydrox