采用物料失重率、金屬M(fèi)g還原率、X射線衍射(XRD)與掃描電子顯微鏡(SEM)等手段與方法,研究了真空條件下氧化鎂碳熱還原溫度、物料造球成型壓力、物料配比、碳熱還原保溫時(shí)間以及催化劑對(duì)氧化鎂碳熱還原法煉鎂工藝的影響。研究結(jié)果表明,在30~100 Pa時(shí),碳熱還原溫度高于1553 K,控制物料壓塊壓力為8 MPa,此時(shí)物料失重率最大,最有利于氧化鎂的還原。隨著焦煤還原劑與氧化鎂摩爾比以及碳熱還原時(shí)間的增加,碳熱還原反應(yīng)速率加大,還原率提高,但是變化效果不明顯,加入氟鹽CaF2后,物料失重率明顯提高,添加CaF2的質(zhì)量超過物料總質(zhì)量的3%時(shí),物料失重率超過95%,還原率也相應(yīng)大幅提高。因此,選擇適當(dāng)?shù)慕姑哼�原劑與氧化鎂摩爾比值以及碳熱還原時(shí)間,添加超過3%CaF2,將有利于該法煉鎂過程的順利進(jìn)行與金屬M(fèi)g還原率的提高。此研究為真空碳熱法從氧化鎂中提取金屬M(fèi)g工藝提供了很好的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：氧化鎂;鎂;碳熱還原;真空冶金

　　金屬M(fèi)g 的強(qiáng)度/重量比值高, 因而非常適用于運(yùn)輸工具的制造和特種合金生產(chǎn), 2009年中國(guó)原鎂產(chǎn)量達(dá)到43 萬噸, 出口鎂錠及鎂相關(guān)產(chǎn)品共計(jì)約23132 萬噸, 專家預(yù)期在今后10 年將進(jìn)一步擴(kuò)大增長(zhǎng)[1] 。當(dāng)前真空熱還原法是生產(chǎn)鎂的主要工藝, 當(dāng)中又以硅熱法的應(yīng)用最為廣泛[ 2-3] 。但是, 這種工藝方法的缺點(diǎn)卻很突出, 主要表現(xiàn)在資源消耗量大,能耗高, 污染較為嚴(yán)重等方面, 此外由于還原劑活性不足, 導(dǎo)致還原階段周期較長(zhǎng), 一般在12 h 左右, 生產(chǎn)效率較低[4-5] 。如果采用廉價(jià)的碳作為還原劑進(jìn)行鎂還原, 則可以達(dá)到既不用硅鐵, 從而降低成本,又可以適當(dāng)降低能耗的目的, 真空條件下的碳熱還原氧化鎂過程, 可以使氣態(tài)的金屬M(fèi)g冷凝后直接得到結(jié)晶鎂, 省去了后續(xù)鎂粉再蒸餾問題[6-9] 。從19 世紀(jì)30 年代到20 世紀(jì)80 年代, 國(guó)外有很多人分別在常壓和真空條件下對(duì)碳熱還原法進(jìn)行了一系列的研究[8-11] , 不過由于技術(shù)上的一些難題, 最終都導(dǎo)致了擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的失敗。近年, 昆明理工大學(xué)對(duì)氧化鎂真空碳熱還原法煉鎂開展了較多探索工作[12-14], 研究分析了氧化鎂真空碳熱還原的熱力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)機(jī)理。此外, 對(duì)鎂礦石碳熱還原制取金屬M(fèi)g 的過程進(jìn)行了研究, 小型實(shí)驗(yàn)獲得了成功[5-16] , 然而系統(tǒng)地對(duì)該工藝的研究鮮見報(bào)道。為此, 本文作者就碳熱還原溫度、物料成型壓力、物料配比、氧化鎂碳熱還原保溫時(shí)間、催化劑(CaF2) 等因素對(duì)真空下碳熱還原氧化鎂制取金屬M(fèi)g 的工藝影響進(jìn)行了系統(tǒng)考察, 以期為各類鎂礦直接碳熱還原法提取金屬M(fèi)g工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　(1) 通過單因素實(shí)驗(yàn)法得到各個(gè)因素對(duì)于碳熱還原法煉鎂的影響規(guī)律, 為該工藝的工業(yè)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。具體為: 在30~100 Pa時(shí), 碳熱還原溫度高于1553K, 控制物料壓塊壓力為8MPa, 此時(shí)物料失重率最大, 最有利于氧化鎂的還原。隨著焦煤還原劑與氧化鎂摩爾比以及碳熱還原時(shí)間的增加, 碳熱還原反應(yīng)反應(yīng)速率加大, 還原率提高, 但是變化效果不明顯, 加入氟鹽CaF2后, 物料失重率明顯提高, 添加CaF2的質(zhì)量超過物料總質(zhì)量的3% 時(shí),物料失重率超過95%, 還原率也相應(yīng)大幅提高。因此, 選擇適當(dāng)?shù)慕姑哼�原劑與氧化Mg 摩爾比值以及碳熱還原時(shí)間, 添加超過3% CaF2, 將有利于該法煉鎂過程的順利進(jìn)行與金屬M(fèi)g還原率的提高。

　　(2) 通過對(duì)冷凝物的XRD分析及SEM檢測(cè)可知, 在冷凝盤得到的金屬為金屬M(fèi)g, 且純度較高。但是由于金屬M(fèi)g與CO蒸氣發(fā)生可逆反應(yīng), 所以在冷凝物中檢測(cè)到MgO。需通過進(jìn)一步處理, 才能得到不含有MgO純金屬M(fèi)g。

　　Abstract: Magnesium metal was extracted from magnesia by carbothermic reduction in vacuum.The Mg condensates were characterized with X-ray diffraction and scanning electron microscopy.The impacts of extraction conditions,including the pressure,temperature,molar ratio,carbothermic time and content of the catalyst,compactness of magnesia grains,etc.,on the Mg reduction rate and reactant weight loss were evaluated.The results show that the newly-developed Mg vacuum extraction technique does a good job,and that the extraction conditions strongly affect the Mg extraction rate and reactant weight loss.For instance,at a temperature over 1553 K,a pressure ranging 30～100 Pa,and with the grains compressed at 8 MPa,the largest reactant weight losses were obtained,resulting in the highest Mg reduction rate.As the molar ratio of C/MgO and reaction time increased,the rates of both carbothermic reaction and Mg reduction increased slowly.Addition of CaF2 significantly increased the reactant weight loss.When CaF2 accounted for 3% of the total weight,the weight loss rate increased up to 95%,coinciding with a large Mg reduction rate.

　　Keywords: Magnesia,Magnesium,Carbothermic reduction,Vacuum metallurgy

　　基金項(xiàng)目: 云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(No.2010C257)

參考文獻(xiàn)：
　　[1]楊英惠譯.碳熱還原法煉鎂[J].現(xiàn)代材料動(dòng)態(tài),2007,(3):4-8
　　[2]朱昱,姚麗,徐秀茹.世界鎂生產(chǎn)現(xiàn)狀[J].世界有色金屬,2000,(11):14-17
　　[3]胡文鑫,劉建,馮乃祥.新型真空熱還原法制鎂工藝分析[J].有色礦冶,2010,26(4):39-41
　　[4]熊呈輝,周徐謝.我國(guó)硅熱法煉鎂現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].輕金屬,2005,(11):49-51
　　[5]李曉波,殷建華.利用碳還原法生產(chǎn)鎂與氧化鋁的新工藝研究[J].世界有色金屬,2007,(1):53-55
　　[6]彭建平,馮乃祥,陳世棟,等.CaC2還原MgO熱力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2009,29(6):637-640
　　[7]郁青春,楊斌,馬文會(huì),等.氧化鎂真空碳熱還原行為研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2009,29(5):68-71
　　[8]Winand R.Production of Magnesium by Vacuum CarbothermicReduction of Calcined Dolomite[J].Trans Instn Min Metall(Section C),1990:105-111
　　[9]Duncan T A.Production of Magnesium by Carbothermic Pro-cess at Permanente[C].Trans of AIMME,1944,159:308-314
　　[10]Hansgirg F.The Iron Age[C],1943:56-63
　　[11]Geoffrey Brooks,Simon Trang,Peter Witt,et al.The Car-bothermic Route to Magnesium[C].JOM;2006,58(5)ABI/INFORM Trade&Industry
　　[12]李志華,戴永年.真空中煤還原氧化鎂的研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2004
　　[13]鐘勝.氧化鎂真空碳熱還原研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,1999
　　[14]劉紅湘.真空碳熱法冶煉金屬鎂的實(shí)驗(yàn)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008
　　[15]薛懷生,李志華.煅白真空碳熱還原試驗(yàn)研究[J].有色金屬設(shè)計(jì),2004,31(1):21-24
　　[16]李一夫.真空碳熱還原菱鎂礦制取金屬鎂的實(shí)驗(yàn)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008
　　[17]LI RONGTI,PAN WEI,MASAMICHI SANO.Kinetics andMechanism of Carbothermic Reduction of Magnesia[J].Met-allurgical and Materials Transactions,2003(8):433-437
　　[18]鐘興厚,徐紹齡,呂云陽(yáng).《無機(jī)化學(xué)叢書》第六卷-鹵素、銅分族、鋅分族[M].北京:科學(xué)出版社,1995:5-445
　　[19]徐日瑤.有色金屬提取冶金手冊(cè)(鎂)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1992:263-299