专利名称：一种熔融还原碳热法制镁工艺及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种炼镁工艺，具体指一种熔融还原碳热法制镁工艺。本发明同时还 涉及利用该工艺设计的一套制镁装置，属于冶金技术领域。
技术背景
皮江法是目前使用最广泛的一种热法炼镁工艺，它是在真空下用硅铁合金还原煅 烧白云石制取金属镁。由于皮江法存在着污染环境、生产效率低、能耗高等问题，开发新的 炼镁工艺成为镁产业发展的必然趋势。目前，热法炼镁主要有两个发展方向1、采用廉价的 碳代替硅铁合金作为还原剂制取金属镁，即碳热法；2、在半连续电阻炉中，用铝土矿和锻白 混合，形成熔渣，用硅铁作还原剂，制取金属镁，即半连续还原法。这两种方法均较皮江法有 一定的进步，但仍存在一些不足。碳热法采用廉价的碳代替硅铁合金作为还原剂，大大降低 了原料成本，但是碳热法依然是固体之间的反应，因此还原速度依然不高，也无法达到连续 生产。半连续法能够在半连续电阻炉内通过不断的加料形成熔渣从而实现连续生产，提高 了生产效率，但是半连续法大都仍采用硅铁做还原剂，原料基本跟皮江法一样，故原料成本 较高，而且反应中是固液混合，液相所占比例较小，反应速度受液相所占比例制约，提高幅 度不大
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种降低原料成本、加快 反应速度并实现连续生产的熔融还原碳热法制镁工艺。
本发明的另一个目的是基于上述熔融还原碳热法制镁工艺而设计的一套制镁装置。
本发明的技术方案是这样实现的一种熔融还原碳热法制镁工艺，本工艺以菱镁 石为主原料，氧化钙、氧化铝和二氧化硅为造渣剂，煤、碳或石墨为还原剂；其制备步骤为(1)煅烧-菱镁石通过煅烧获得煅烧菱镁石以备用；(2)基渣配制-基渣采用氧化钙、氧化铝和二氧化硅三种物质配成，碱度氧化钙/二氧 化硅的范围控制在1 1. 8之间，氧化铝占基渣总重量的20% 40% ；(3)原料配制-将配好的煅烧菱镁石和还原剂混合，还原剂中C与煅烧菱镁石中MgO摩 尔比为1. 1 1.4 ；(4)抽真空-将配好的基渣装入装料坩埚中，再将基渣连同装料坩埚放入真空反应器 中，反应器真空控制在101 10001 之间；(5)炉渣熔化-在真空反应器内对基渣加热使基渣处于完全熔融状态；(6)加料-将第(3)步配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在 基渣中，形成CaO-MgO-Al2O3-SiA四元炉渣，并使MgO质量控制在四元炉渣的20%以下；(7)还原反应-在温度为1550°C 1650°C下使MgO发生还原反应；(8)收集-还原反应得到的镁蒸气通过冷凝收集即得金属镁。
所述第(6)步的加料为持续加料或间隔加料，以使第(7)步的还原反应持续进行， 并始终保持MgO质量在四元炉渣的20%以下。
所述菱镁石和碳粒粒度大于60目。
所述第(4)步基渣占装料坩埚容积的1/3 1/2。
根据上述熔融还原碳热法制镁工艺设计的制镁装置，它包括上端敞口的炉壳和将 炉壳上端封盖的炉盖，炉壳和炉盖内为真空；在炉壳底部和周围设有耐火砖层，耐火砖层中 间为空腔形成加热区，加热区内设有盛装炉渣的装料坩埚，在装料坩埚四周与耐火砖层之 间设有加热元件；在炉壳外设有加料机构，加料机构的加料管穿过炉壳和耐火砖层进入装 料坩埚；在装料坩埚开口上方设有石墨隔热体，石墨隔热体周围由耐火砖层支撑，石墨隔热 体中心设有通孔；在石墨隔热体上方设有正对通孔的结晶器。
进一步地，在结晶器内设有防尘罩，防尘罩将石墨隔热体中心通孔罩住，在防尘罩 下端周围设有若干通气孔。
同时，在炉盖内设有夹层结构的冷却罩，冷却罩与结晶器形状对应并罩在结晶器 上，冷却罩上设有与夹层相通的冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口和冷却液出口分别 通过冷却液管引出炉盖与冷却液连接。
在装料坩埚底部与耐火砖层之间设有耐火砖垫块。
所述加料机构包括放料罐和备料罐，放料罐和备料罐通过管道连通，在管道上设 有调节阀，加料管与放料罐连通。
本发明氧化镁的还原、镁蒸汽的收集在同一反应器内进行。本工艺利用廉价的煤 碳作为还原剂，降低了原料成本；反应在完全熔化的炉渣中进行，加快了反应速度；原料不 需制球，且可以不断加入反应炉中，实现了镁的连续生产，有效的降低了劳动强度，并提高 了设备利用率和生产效率。
图1-本发明制镁装置结构示意图。
其中，1-炉壳；2-耐火砖层；3-耐火砖垫块；4-加热元件；5-石墨隔热体；6_防尘 罩；7-结晶器；8-炉盖；9-抽真空系统；10-加料机构；11-装料坩埚；12-炉渣；13-加料 管；14-放料罐；15-备料罐；16-调节阀；17-通孔；18-冷却罩；19-冷却液管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明熔融还原碳热法制镁工艺以菱镁矿为主原料，氧化钙、氧化铝和二氧化硅 为造渣剂，煤、碳或石墨为还原剂；其制备步骤为4(1)煅烧-菱镁石通过煅烧获得煅烧菱镁石以备用；(2)基渣配制-基渣采用氧化钙、氧化铝和二氧化硅三种物质配成，碱度Ca0/Si02的范 围控制在广1. 8之间，Al2O3占炉渣总量的209Γ40%较合适；(3)原料配制-将配好的煅烧菱镁石和还原剂碳粒(煤或者石墨)混合，为了加大接触 面积，可以采用粒度小的菱镁石和还原剂颗粒，比如过60目筛。为了提高还原速度，需加入 过量的还原剂，还原剂中C/MgO摩尔比为1. Γ1. 4 ；这里的C是指碳、煤或者石墨中的可用 于反应的单质碳。
(4)抽真空-将配好的基渣装入装料坩埚中，基渣最好占装料坩埚的1/3 1/2，再 将基渣连同装料坩埚放入真空反应器(反应炉)中，真空度越低越有利于还原反应的进行。 固态的碳热还原在1200°C下，真空要达到101 才能反应，在1600°C下，真空只需100001 就可以发生，而采用熔融态进行还原时，反应较固态更为容易，因此IOOOOPa以下碳还原液 态氧化镁均能进行，采用低真空时，炉内的残余的氧气容易氧化镁蒸汽，因此本工艺把真空 控制在IOPa 10001 之内；(5)炉渣熔化-在真空反应器内对基渣加热使基渣处于完全熔融状态。反应炉采用硅 钼作为加热元件，加热最高温度可达1700°C，CaO-Al2O3-SiO2三元渣系在1200°C 1400°C 能够实现完全熔融状态；(6)加料-将第(3)步配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在 基渣中，形成CaO-MgO-Al2O3-SiA四元炉渣。为保证炉渣在反应温度下呈完全熔融态，MgO 质量控制在四元炉渣的20%以下；(7)还原反应-在温度为1550°C 1650°C下使MgO发生还原反应；(8)收集-还原反应得到的镁蒸气通过冷凝收集即得金属镁。
所述第(6)步的加料为持续加料或间隔加料，以使第(7)步的还原反应持续进行， 并始终保持MgO质量在四元炉渣的20%以下。因为三元基渣在反应过程中不会消耗，只需要 通过加料适时补充反应消耗的煅烧菱镁石和还原剂，使还原反应不会中断，但又不能使MgO 质量超过四元炉渣的20%即可。
根据上述熔融还原碳热法制镁工艺设计的制镁装置，本装置实质是一个真空反应 炉，它包括上端敞口的炉壳1和将炉壳上端封盖的炉盖2，炉壳1和炉盖2内通过抽真空系 统9抽为真空。炉壳1是用IOmm的不锈钢板焊接而成，厚的钢板可以很好的防止在真空状 态下变形。在炉壳1底部和周围砌有空心泡沫球耐火砖层2，能有效地起到保温隔热作用， 耐火砖层2中间为空腔形成加热区，加热区内设有盛装炉渣12的装料坩埚11，在装料坩埚 11四周与耐火砖层2之间设有加热元件4，加热元件4采用硅钼棒加热，加热温度上限高达 1700°C。在装料坩埚11底部与耐火砖层2之间设有平衡坩埚用的耐火砖垫块3。在炉壳1 外设有加料机构10，加料机构的加料管13穿过炉壳1和耐火砖层2进入装料坩埚11。在 装料坩埚11开口上方设有与之正对的结晶器7，结晶器7放置在耐火砖层2上。结晶器7 为上小下大的筒状结构。
所述加料机构10包括放料罐14和备料罐15，放料罐14和备料罐15通过管道连 通，在管道上设有调节阀16，能够有效地阻止空气进入反应炉内。加料管13与放料罐14连 通，加料管13上也设有调节阀16。
在进行还原反应前，把装有炉渣12的装料坩埚11，放置在加热区的耐火砖垫块3上。盖上炉盖8后，通过抽真空系统9抽真空并开始加热。待炉渣12完全熔化后，通过加 料机构10加入按比例混好的原料。当装料坩埚11中的原料反应得差不多时，此时又可以 通过加料机构10进行加料，这样就到达了连续生产的目的。由于采用碳热还原，还原反应 过程中会形成CO和CO2，这些气体会在通过装有过滤装置的抽真空系统9中被处理掉。
由于还原反应在高温熔渣中进行，加热区的热量很高，会快速传递到结晶器7上， 因此在装料坩埚11和结晶器7之间放置石墨隔热体5，石墨隔热体5设有中心通孔17，结 晶器7正对石墨隔热体的通孔17。石墨隔热体5由数块带有一个中心有通孔的石墨板组 成，周围由耐火砖层支撑。石墨隔热体5能够有效的防止加热区的温度向上传递，中心通孔 又能顺利的让还原产生的镁蒸汽顺利通过。
为了防止抽真空和反应时有尘渣通过石墨隔热体的中心通孔而污染结晶器7，在 结晶器7内设有防尘罩6，防尘罩6将石墨隔热体中心通孔17罩住。防尘罩6为倒扣的圆 筒状结构，防尘罩6的顶端封闭，在防尘罩周围设有若干通气孔。封闭的顶部能够很好的防 止通过石墨隔热体5的中心通孔的热辐射和灰尘，镁蒸汽通过防尘罩四周的通气孔富集在 结晶器7上。
在捕集镁蒸汽时，结晶器的温度非常关键，过低过高都会影响镁的收得率和质量。 本装置装有热电偶监控结晶器的温度，如果温度过高，可以通过冷却机构进行调节。具体 为，在炉盖8内设有夹层结构的冷却罩18，冷却罩18与结晶器形状对应并罩在结晶器7上， 冷却罩上设有与夹层相通的冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口和冷却液出口分别通过 冷却液管19引出炉盖8与冷却液连接。本冷却机构能有效的起到调节结晶器温度的作用。
实施例1将装有基渣的装料坩埚放入反应炉加热区内，基渣加入量为其熔化后高度为坩埚 高度的1/2，基渣成分为Ca0:Si02:Al203=45%:30%:25%，碱度为1. 5。接着放置好石墨板和 防尘罩，然后盖上炉盖，进行抽真空并加热。真空抽至炉内气压为lOOOPa，反应温度控制在 1550°C左右。待温度稳定一段时间后，基渣已完全熔化，这时通过加料机构向装料坩埚输送 原料，原料为煅烧菱镁石和碳粒，其中C/MgO摩尔比为1. 1。煅烧菱镁石加入后形成的炉渣 成分为Ca0:Mg0:Si02:Al203=37%:18%:25%: 20%。高温下碳粒还原液态渣中的MgO，随着反 应的进行，原料不断消耗殆尽时，再次通过加料机构向装料坩埚输送原料。还原产生的镁蒸 汽富集在结晶器上，为保证结晶效果，通过油冷确保结晶器温度控制在500°C附近。结晶器 获得块状金属镁，反应后，渣中的MgO含量为5%，氧化镁的还原率达85%。
实施例2所用基渣量为其熔化后高度为装料坩埚高度的1/3，基渣成分为 Ca0:Si02:Al203=40%:30%:30%，碱度为1.3。真空为10Pa，反应温度控制在1650°C左右。原 料为煅烧菱镁石和石墨粉，其中C/Mg0摩尔比为1.4，煅烧菱镁石加入后形成的炉渣成分为 CaOMgO SiO2 Al203=35% 13% 26% 26%。整个过程加料三次，最后获得块状金属镁，渣中 MgO含量为2. 6%，氧化镁的还原率达94%。权利要求
1.一种熔融还原碳热法制镁工艺，其特征在于本工艺以菱镁石为主原料，氧化钙、氧 化铝和二氧化硅为造渣剂，煤、碳或石墨为还原剂；其制备步骤为(1)煅烧-菱镁石通过煅烧获得煅烧菱镁石以备用；(2)基渣配制-基渣采用氧化钙、氧化铝和二氧化硅三种物质配成，碱度氧化钙/二氧 化硅的范围控制在1 1. 8之间，氧化铝占基渣总重量的20% 40% ；(3)原料配制-将配好的煅烧菱镁石和还原剂混合，还原剂中C与煅烧菱镁石中MgO摩 尔比为1. 1 1.4 ；(4)抽真空-将配好的基渣装入装料坩埚中，再将基渣连同装料坩埚放入真空反应器 中，反应器真空控制在101 10001 之间；(5)炉渣熔化-在真空反应器内对基渣加热使基渣处于完全熔融状态；(6)加料-将第(3)步配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在 基渣中，形成CaO-MgO-Al2O3-SiA四元炉渣，并使MgO质量控制在四元炉渣的20%以下；(7)还原反应-在温度为1550°C 1650°C下使MgO发生还原反应；(8)收集-还原反应得到的镁蒸气通过冷凝收集即得金属镁。
2.根据权利要求1所述的熔融还原碳热法制镁工艺，其特征在于所述第(6)步的加料 为持续加料或间隔加料，以使第(7)步的还原反应持续进行，并始终保持MgO质量在四元炉 渣的20%以下。
3.根据权利要求1或2所述的熔融还原碳热法制镁工艺，其特征在于所述菱镁石和 碳粒粒度大于60目。
4.根据权利要求3所述的熔融还原碳热法制镁工艺，其特征在于所述第(4)步基渣占 装料坩埚容积的1/3 1/2。
5.根据权利要求1所述的熔融还原碳热法制镁工艺设计的制镁装置，其特征在于它 包括上端敞口的炉壳(1)和将炉壳上端封盖的炉盖(8)，炉壳和炉盖内为真空；在炉壳(1) 底部和周围设有耐火砖层(2)，耐火砖层中间为空腔形成加热区，加热区内设有盛装炉渣的 装料坩埚(11)，在装料坩埚(11)四周与耐火砖层(2)之间设有加热元件(4);在炉壳(1)外 设有加料机构(10)，加料机构的加料管(13)穿过炉壳和耐火砖层进入装料坩埚(11)；在装 料坩埚(11)开口上方设有石墨隔热体(5)，石墨隔热体周围由耐火砖层支撑，石墨隔热体 (5)中心设有通孔(17)；在石墨隔热体(5)上方设有正对通孔的结晶器(7)。
6.根据权利要求5所述的制镁装置，其特征在于在结晶器(7)内设有防尘罩(6)，防 尘罩(6)将石墨隔热体中心通孔(17)罩住，在防尘罩下端周围设有若干通气孔。
7.根据权利要求5或6所述的制镁装置，其特征在于在炉盖(8)内设有夹层结构的冷 却罩(18)，冷却罩(18)与结晶器形状对应并罩在结晶器(7)上，冷却罩上设有与夹层相通 的冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口和冷却液出口分别通过冷却液管引出炉盖与冷却 液连接。
8.根据权利要求7所述的制镁装置，其特征在于在装料坩埚(11)底部与耐火砖层之 间设有耐火砖垫块(3)。
9.根据权利要求8所述的制镁装置，其特征在于所述加料机构(10)包括放料罐(14) 和备料罐(15)，放料罐(14)和备料罐(15)通过管道连通，在管道上设有调节阀(16)，加料 管(13)与放料罐(14)连通。
全文摘要
本发明公开了一种熔融还原碳热法制镁工艺及装置，其步骤为用氧化钙、氧化铝和二氧化硅配成基渣；将煅烧菱镁石和还原剂煤、碳或石墨混合配成原料；将配好的基渣装入装料坩埚中，再将装料坩埚放入真空反应器中；在真空反应器内对基渣加热使基渣处于完全熔融状态；将配好的原料加入到已熔融的基渣中，使原料中的MgO完全熔解在基渣中；在温度为1550℃～1650℃下使MgO发生还原反应，还原反应得到的镁蒸气收集即得金属镁。本发明利用廉价的煤碳作为还原剂，降低了原料成本；反应在完全熔化的炉渣中进行，加快了反应速度；原料可以不断加入反应炉中，实现了镁的连续生产，有效的降低了劳动强度，并提高了设备利用率和生产效率。
文档编号C22B26/22GK102041398SQ201010550400
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者唐祁峰, 陈小华, 高家诚 申请人:重庆大学