基于相对真空的连续热还原炼镁的基础研究

The development of magnesium industry in Liaoning province has been restricted by single pattern resource utilization, unemployed low-grade magnesite and without magnesium production. In addition, the traditional magnesium production processes are characterized as excessive energy consumption and serious environmental pollution. In order to solve these problems, this project proposed the conception of relative vacuum and a novel technology for magnesium production from low-grade magnesite by continuous thermal reduction in relative vacuum. In the process, low-grade magnesite and ferrosilicon are mixed to produce pellets and then calcined. The pellets are heated at once after calcinations and reduction reactions occur in flowing argon. The magnesium vapor is continuously condensate in flowing argon. In the project, the main research contents include mineralogy of low-grade magnesite, relationship between pelleting process and pellets structure, interface reactions among gas-liquid-solid during calcinations process, continuous thermal reduction of magnesia in relative vacuum, continuous condensation of magnesium vapor and reactor design. The technology thoroughly solves the intrinsic problems in the traditional vacuum thermal reduction, including long reduction period, low efficiency and semi-continuous production. The reduction period is shortened from 10-14h of traditional silicothermic process to 60-90min of the new process. The reduction ratio reaches 90%. As a result of that, new technology and theory are formed for the utilization of low-grade magnesite.

针对辽宁菱镁矿利用单一、低品位资源无法利用及辽宁无原镁生产以及硅热法炼镁存在的能耗高、污染重的现状，项目提出了“相对真空”的概念，建立了以低品位菱镁矿为原料的“相对真空”气氛下连续热还原炼镁新方法及关键装备。即先将菱镁矿造球，然后煅烧分解得到煅烧熟球团，熟球团在流动氩气气氛连续还原得到高温镁蒸汽，最后惰性载气携带下高温镁蒸汽连续冷凝实现非真空条件下连续炼镁。项目具体对新工艺关键步骤的关键科学问题进行研究，包括低品位菱镁矿造球过程与球团结构的关系、球团煅烧过程中气液固界面反应规律、相对真空条件下氧化镁快速连续还原以及惰性载气携带下高温镁蒸气连续冷凝与反应器结构。从根本上解决了硅热还原周期长、效率低、生产不连续的工艺局限，使得还原周期由硅热法的10~14h缩短到60~90min，镁的收率达到90%以上。研究成果为辽宁省大量低品位菱镁矿的高效利用开辟了新途径，提供了技术支撑和理论基础。

针对目前辽宁菱镁资源利用单一、低品位菱镁矿未得到利用以及辽宁无原镁生产的现状，加之目前金属镁的生产方法能耗高、污染重的实际情况，项目提出以低品位菱镁矿为原料基于相对真空的快速连续热还原炼镁新技术，即先将菱镁矿造球，然后煅烧分解得到煅烧熟球团，熟球团在流动氩气气氛连续还原得到高温镁蒸汽，最后镁蒸汽连续冷凝实现非真空条件下连续炼镁。.项目围绕新工艺涉及的关键基础科学问题展开研究，获得以下成果：提出了一种制造碳酸盐类预制球团的概念及新方法，生球团抗压强度可达至上千牛，熟球团的抗压强度介于500-1000N，完全能够满足工业要求。通过对预制球团成球规律的研究发明了煅烧还原一体化炼镁新技术。发现球团煅烧过程中生成硅钙合金，在煅烧温度下（1250K-1300K），硅钙合金（CaSi2）能够稳定存在，且生成量随着Si含量增加而增加，其作为有效还原剂强化镁还原过程。在煅烧过程中，Si元素与氧化钙发生反应，生成CaSi2，通过TG-DTA及XRD分析，证明了CaSi2的生成；原创性提出了相对真空的概念，发明了相对真空连续炼镁技术及装备，研究了相对真空下镁的还原机理，发现反应过程中，Si元素向氧化镁或煅白颗粒扩散，与氧化钙和氧化镁发生反应，而Fe元素依然留在硅铁颗粒中，不发生扩散。获得了预制球团相对真空下炼镁的工艺条件为：载气流量0.2m3/h，制团压强15MPa，n(MgO):n(Si-Fe)= 2:1.15，菱镁石粒度小于74μm；相对真空下预制球团炼镁的动力学模型表明控制还原反应进行的环节是反应物与产物的扩散，且球团还原的表观活化能为218.75kJ/mol；通过对镁蒸气冷凝行为的研究，得到三种不同冷凝形貌金属镁，发现低气流流速下有利于液滴状冷凝镁的形成，并首次采用PIV技术拍摄到镁蒸气在相对真空下的流动轨迹。建成了1t/h预制球团连续制备装置以及百公斤级基于相对真空的感应式竖罐炼镁装备。项目形成了相对真空炼镁理论及相对真空连续炼镁技术，为大量低品位镁资源的高效利用提供一个新方法及其科学和实验依据。