本发明涉及一种炼镁工艺，具体涉及一种真空微波炼镁的方法。
背景技术：
镁属于轻金属，具有优良的综合性能，具有比重轻、比强度高、比刚度大、电磁屏蔽性好、抗振减振性强、切削加工性能和成型性能好、易回收再利用等优点，因而广泛应用于高铁、汽车、摩托车、3C产品、手动工具、航空航天及国防军工等领域。
目前，原镁冶炼普遍采用皮江法工艺，白云石经过煅烧后得到煅白，煅白与还原剂硅铁、矿化剂萤石一起磨粉、造球，然后送入还原罐中进行固相还原反应。皮江法大多采用煤气、兰炭气等为燃料对还原罐进行加热。由于煅白等原料的传热性差，因此还原过程中将原料加热至还原反应所需温度的时间很长，实际生产中还原工序所需时间通常在8-10小时，因此还原反应过程的能耗非常高、能源效率低。此外在皮江法炼镁过程中，煅烧和还原是不连续的，白云石在煅烧之后需要经过冷却、研磨、造球，才能进行还原，这也造成了大量能源的损耗。皮江法在煅烧时，还产生大量CO2对外排放，造成环境污染和温室气体大量增加。因此皮江法炼镁能耗高、能效低、环境污染严重的问题，成为原镁冶炼领域亟待解决的重要课题。
微波是一种清洁、高效的能源，与采用燃煤、燃气、电阻、电磁等加热方式相比较，微波对于粉状矿石的加热尤其有效，所以将微波加热技术应用于镁的冶炼，对于提高能效、降低能耗有十分显著的作用。
将微波加热引入原镁冶炼是一种提高能效的有效方法。专利申请号为CN200810232855.1公开了一种微波加热皮江法炼镁的工艺，主要包括如下步骤：1.白云石煅烧：将白云石加热至1100-1200℃，烧成煅白；2.将煅白、硅铁粉和萤石粉计量配料、粉磨，然后压制成符合工艺要求的球团；3.将球团放置在微波加热炉中的密闭非金属还原罐中加热，加热温度在1000℃-1200℃之间，使球团中的镁化合物与硅铁粉发生反应；4.保持密闭非金属还原罐的真空度至13.3Pa或更高，持续时间在4-6小时，镁蒸气在冷凝器中冷凝后成为粗镁。上述炼镁方法实际应用时效果并不佳，主要原因是在镁冶炼时，由于白云石等原料的微波吸波性能差，尽管硅铁有较好的微波吸波性能，但由于硅铁占原料总量的比例较小，所以如果直接采用微波对于原料进行加热，原料的温度上升速度较慢，加热效果较差。此外，上述炼镁方法在原镁冶炼过程中煅烧、还原是不连续的，这也将导致能耗的增加。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种真空微波炼镁的方法，通过添加辅助加热材料，在煅烧和还原工艺时采用微波加热，所需时间明显缩短，能耗大幅度下降,能源效率提高。
实现本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种真空微波炼镁的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备球团：将含碳酸镁的矿石、还原剂和矿化剂分别进行破碎、研磨，然后按照氧化镁还原反应所需的合理比例配料混合，得到第一混合物；同时将辅助加热材料进行破碎、研磨，将辅助加热材料与第一混合物按照(5-100)：100的重量比进行混合，得到第二混合物，将第二混合物进行挤压造球，得到球团；
2)预抽真空：将球团装入密闭的具有微波加热器的冶炼炉中，该冶炼炉连接真空泵系统；启动真空泵预抽真空；
3)煅烧：当冶炼炉预抽真空度达到500Pa绝对压力以下之后，开启微波加热器进行微波加热煅烧；煅烧温度控制在700℃-1100℃，煅烧真空度控制在300Pa-5KPa，煅烧时间为1-4小时；
4)还原：当煅烧结束后，控制真空度至100Pa绝对压力以下，控制微波加热的温度至1100℃以上，并保持真空度和温度，使得球团内的物质发生还原反应，反应过程中产生的镁蒸汽通过冷凝收集，得到金属镁；还原反应的时间0.5-4小时。
作为优选，所述含碳酸镁的矿石为白云石或菱镁矿，或者是，所述含碳酸镁的矿石为菱镁矿与石灰石的混合物。
作为优选，所述还原剂为硅铁、煤炭、焦炭、兰炭、金属铝、铝合金、铝土矿和碳化钙中的一种。
作为优选，所述矿化剂为萤石、氟化镁、氟化铝和氟化钠中的一种。
作为优选，所述辅助加热材料为碳化硅、煤炭、焦炭、兰炭、铁粉末、氧化镁和石墨中的一种；辅助加热材料是一种微波的吸波材料，且不会对氧化镁的还原反应产生不利影响。
作为优选，步骤1)中，将含碳酸镁的矿石、还原剂、矿化剂分别进行破碎、研磨，研磨成粉后粒度小于100目；将辅助加热材料进行破碎、研磨，研磨成粉后粒度小于40目。
作为优选，步骤2)中，所述冶炼炉是一个密封的容器，内置坩埚和预热装置，还设有微波加热器对于坩埚内原料进行加热；所述冶炼炉外接真空泵系统；球团经过预热器预热之后装入坩埚内，通过微波加热器对坩埚内的球团进行微波加热。所述真空泵系统可以是射流泵式真空装置或机械泵式真空装置。
作为优选，步骤3)中，微波加热煅烧分为两阶段进行，第一阶段：先控制煅烧温度为700-900℃，煅烧时间为0.5-2小时；第二阶段：再将煅烧温度提升到900-1100℃，煅烧时间为0.5-2小时。
作为优选，步骤3)中，煅烧时含碳酸镁的矿石分解产生的气体(主要是CO2)经过预热器对其中球团进行预热，然后通过真空系统排出后，送入CO2气体收集装置，经过冷却、除尘、净化后，获得纯净的CO2。
作为优选，步骤4)中，还原反应过程中，控制真空度在100Pa绝对压力以下，温度在1100-1650℃。
本发明的有益效果在于：
1、皮江法在镁冶炼过程中主要工艺包括煅烧工艺和还原工艺。煅烧时，含碳酸镁的矿石分解出CO2气体。白云石煅烧时反应式如下：
CaCO3.MgCO3＝CaO.MgO+2CO2
CaCO3＝CaO+CO2
MgCO3＝MgO+CO2
还原时反应式如下：
2(CaO.MgO)+Si＝2Mg+2CaO.SiO2
通过白云石煅烧和还原，得到镁蒸汽，镁蒸汽通过冷凝收集，就可以获得金属镁。镁冶炼在煅烧和还原过程中，需要消耗大量能量。在采用微波加热时，针对白云石、菱镁矿等原料的微波吸波性能差，加热效果较差的问题，我们在原料之中加入辅助加热材料，这种材料要求具有良好的微波吸波性能，在微波场中升温速度快，同时要求辅助加热材料不会对氧化镁的还原反应产生不良影响。加入辅助加热材料之后，原料的微波吸收性能将明显提升，微波加热时升温速度提高。与煤气、兰炭气等对还原罐外加热方法相比较，在煅烧和还原工艺时采用微波加热，所需时间明显缩短，能耗大幅度下降,能源效率提高。
2、煅烧时，MgCO3和CaCO3在高温下分解，但分解温度约有不同，白云石热分解是分阶段的，因此煅烧分为两个阶段进行，第一阶段：先控制煅烧温度为700-900℃，煅烧时间为0.5-2小时；第二阶段：再将煅烧温度提升到900-1100℃，煅烧时间为0.5-2小时。这种煅烧方式可以降低能耗。
此外，在原料球团煅烧时，由于还原剂、辅助加热材料在高温时容易氧化，例如，如果采用硅铁作为还原剂、焦炭作为辅助加热材料，在高温环境中，如果存在氧气，则会与硅铁、焦炭发生氧化反应。包括如下反应式：
Si+O2＝SiO2
2Si+O2＝2SiO
2SiO+O2＝2SiO2
C+O2＝CO2
2C+O2＝2CO
氧化反应使硅铁的还原性能下降、焦炭的辅助加热性能下降。对于坩埚也会产生不良影响。对此本发明提出预抽真空和控制煅烧真空度的方法，通过对冶炼炉预抽真空和控制煅烧时的真空度，使得煅烧时冶炼炉内氧气大幅度下降，硅铁、焦炭就不易发生氧化反应，保证了辅助加热性能和还原工艺的顺利进行，也提高了坩埚的使用寿命。
3、本发明在煅烧时含碳酸镁的矿石分解产生CO2气体的温度高、纯度高，可以用于原料的预热和收集使用。煅烧时产生的气体(主要是CO2)经过预热器对其中球团进行预热，然后通过真空泵系统排出后，送入CO2气体收集装置，经过冷却、除尘、净化后，获得纯净的CO2，达到资源充分利用和节能减排的目的。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述：
本发明实施例中，采用白云石为矿石原料，白云石的主要成分如下：MgO 20.9％，CaO 32.1％，SiO2 0.08％，Al2O3 0.018％，Fe2O3 0.16％，MnO 0.032％,K2O 0.006％，Na2O 0.019％。
实施例1：
一种真空微波炼镁的方法，包括以下步骤：
1)制备球团：采用白云石为矿石原料，硅铁为还原剂，萤石为矿化剂，兰炭为辅助加热材料；将白云石、硅铁、萤石分别进行破碎、研磨，研磨后粒度小于100目，然后将白云石、硅铁、萤石按照100：(10-13)：(2-3)的重量比进行混合，得到第一混合物；同时将兰炭进行破碎、研磨，研磨后粒度小于60目，将兰炭与第一混合物按照30：100的重量比进行混合，得到第二混合物，将第二混合物进行挤压造球，得到球团；
2)预抽真空：将球团装入具有微波加热器的冶炼炉中，该冶炼炉连接射流泵式真空系统；启动真空泵预抽真空；
3)煅烧：当冶炼炉预抽真空达到500Pa绝对压力以下后，开启微波加热器进行微波加热煅烧；微波加热煅烧分为两阶段进行，第一阶段：先控制煅烧温度为850℃，煅烧时间为1小时；第二阶段：再将煅烧温度提升到1000℃，煅烧时间为1小时；煅烧真空度控制在300Pa-5KPa。煅烧时白云石分解产生的CO2气体经过预热器对其中球团进行预热，然后通过真空泵系统排出后，送入CO2气体收集装置，经过冷却、除尘、净化后，获得纯净的CO2。
4)还原：当煅烧结束后，控制真空度至13Pa绝对压力以下，控制微波加热的温度至1200℃，并保持真空度和温度，使得球团内的物质发生还原反应，反应过程中产生的镁蒸汽通过结晶器冷凝收集，得到结晶镁；还原反应的时间1.5小时，金属镁还原率为88％。
实施例2
一种真空微波炼镁的方法，包括以下步骤：
1)制备球团：采用白云石为矿石原料，硅铁为还原剂，萤石为矿化剂，碳化硅为辅助加热材料；将白云石、硅铁、萤石分别进行破碎、研磨，研磨后粒度小于200目，然后将白云石、硅铁、萤石按照100：(10-13)：(2-3)的重量比进行混合，得到第一混合物；同时将碳化硅进行破碎、研磨，研磨后粒度小于150目，将碳化硅与第一混合物按照20：100的重量比进行混合，得到第二混合物，将第二混合物进行挤压造球，得到球团；
2)预抽真空：将球团装入具有微波加热器的冶炼炉中，该冶炼炉连接射流泵式真空系统；启动真空泵预抽真空；
3)煅烧：当冶炼炉预抽真空达到500Pa绝对压力以下之后，开启微波加热器进行微波加热煅烧；微波加热煅烧分为两阶段进行，第一阶段：先控制煅烧温度为800℃，煅烧时间为1.5小时；第二阶段：再将煅烧温度提升到950℃，煅烧时间为1.5小时；煅烧真空度控制在300Pa-5KPa。煅烧时白云石解产生的CO2气体经过预热器对其中球团进行预热，然后通过真空系统排出后，送入CO2气体收集装置，经过冷却、除尘、净化后，获得纯净的CO2。
4)还原：当煅烧结束后，控制真空度至13Pa绝对压力以下，控制微波加热的温度至1150℃，并保持真空度和温度，使得球团内的物质发生还原反应，反应过程中产生的镁蒸汽通过结晶器冷凝收集，得到结晶镁；还原反应的时间2小时，金属镁还原率为91％。
实施例3
一种真空微波炼镁的方法，包括以下步骤：
1)制备球团：采用白云石为矿石原料，焦炭为还原剂，萤石为矿化剂，辅助加热材料也采用焦炭；将白云石、焦炭、萤石分别进行破碎、研磨，研磨后粒度小于200目，然后将白云石、萤石按照100：2的重量比进行混合，得到第一混合物；然后将焦炭与第一混合物按照45：100的重量比进行混合，得到第二混合物，将第二混合物进行挤压造球，得到球团；
2)预抽真空：将球团装入具有微波加热器的冶炼炉中，该冶炼炉连接射流泵式真空系统；启动真空泵预抽真空；
3)煅烧：当冶炼炉预抽真空达到500Pa绝对压力以下之后，开启微波加热器进行微波加热煅烧；微波加热煅烧分为两阶段进行，第一阶段：先控制煅烧温度为850℃，煅烧时间为1小时；第二阶段：再将煅烧温度提升到1000℃，煅烧时间为1小时；煅烧真空度控制在300Pa-5KPa。煅烧时白云石分解产生的CO2气体经过预热器对其中球团进行预热，然后通过真空系统排出后，送入CO2气体收集装置，经过冷却、除尘、净化后，获得纯净的CO2。
4)还原：当煅烧结束后，控制真空度至20Pa绝对压力以下，控制微波加热的温度至1600℃，并保持真空度和温度，使得球团内的物质发生还原反应，反应过程中产生的镁蒸汽通过冷凝收集，得到金属镁；还原反应的时间3小时。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。