硅熱法提煉金屬鎂（鍛白）工藝設備

硅熱法提煉金屬鎂（鍛白）工藝設備

一、鎂的性質及用途

1、性質：

□□鎂的化學活性高，在自然界以化合物形式存在于白云石、菱鎂石、橄檻石、蛇紋石、地下鹵水、鹽湖和海水中。鎂是銀白色金屬，純鎂具有密度小、膨脹系數較大、彈性模量較低的特性。

鎂的密度：1.738g/cm³      鎂的熔點：922～924K

鎂的沸點：1380K           鎂的開始再結晶溫度：423K

鎂在固態下的收縮率：2％

2、用途：

1）、生產難熔金屬的還原劑：

□□鎂既可作生產稀有金屬Ti、Zr、Hf等的不原劑，也可作為生產鈹、硼的還原劑。

2）、鋁合金的添加元素：

□□鋁合金中加入金屬鎂，使合金更輕，強度更大，抗腐蝕能力更好。作為鋁合金中的主要合金元素，是鎂的一大用途。

3）、球墨鑄鐵的球化劑：

□□鎂在球墨鑄鐵中起著 球化作用，使鑄件強度、延展性更高。鎂在球墨鑄鐵中的應用在逐年增大。

4）、鋼鐵脫硫的脫硫劑：

□□整個北美、歐洲鋼鐵生產中用鎂作為鋼鐵脫硫劑。我國用鎂作為鋼鐵脫硫劑的用量也在不斷增長，市場前景廣闊。用鎂粉作為鋼鐵脫硫劑不僅工藝簡單，且由于鎂對硫具有大的親和力這種獨特性質，使鋼鐵市場在較低的成本下達到高產量、高質量，并能生產出如HSLA級低硫鋼，這種優質鋼可用于汽車、設備及結構體中。用鎂脫硫不僅改善了鋼的可鑄性、延展性、焊接性和沖擊韌性，而且降低了結構件的重量，進一步增加了鎂在鋼鐵工業中的需求量。

5）、高儲能材料：

□□鎂在常壓下，大約523K和H₂作用生成MgH₂，在低壓或稍高溫度下又能釋放出氫，鎂具有儲氫的作用。MgH₂較一般金屬氫化物儲能高，所以鎂可以作為高儲能材料。

6）、煙火：

□□鎂在早期用來制造煙火，含鋁量超過30％的鎂鋁合金粉末燃燒時會產生耀眼的白光，該白光比自然光更適合于攝影，從而被作攝影閃光燈。鎂粉不廣泛用于焰火、禮花、軍用信號彈、照明彈、燃燒彈等方面。

7）、生產鎂合金：

□□鎂合金以其密度低，比強度高，降噪減振好，電磁屏蔽性好，易于回收等優點，成為現代交通工具、航空航天和電子通訊等領域的首選材料，被譽為“21世紀的綠色工程材料”，同時也成為僅次于鋼鐵、鋁合金的第三大金屬結構材料。因此，鎂的最大應用領域是生產不同牌號的鎂合金。

二、鎂的冶煉方法

□□根據鎂礦資源和種類不同，鎂的生產方法分為兩大類，熱還原法和氯化熔鹽電解法。熱還原法有硅熱法、炭熱法和碳化物熱還原法，后兩種在工業上較少采用。

硅熱法（現只介紹硅熱法）：

□□硅熱還原法煉鎂是利用硅鐵作還原劑，將鎂從其化合物中還原出來而制得金屬鎂的一種生產方法。硅熱法又分為外熱法和內熱法，采用硅鐵還原氧化鎂生產金屬鎂的工藝有Pidgeon（硅熱法）工藝和Magnethern工藝。Pidgeon工藝屬于外熱法；Magnethern工藝屬于內熱法，根據生產的連續性又分為間歇式和半連續式。

□□硅熱法是我國目前主要應用的方法。該工藝將煅燒后的白云石和硅鐵按一定配比磨成細粉，壓成團塊，裝在耐熱合金罐內，在一定溫度和壓力條件下還原得到鎂蒸氣，冷凝結晶成固態粗鎂，精煉后得到純鎂。

□□硅熱法的特點是投資少，建設周期短，且生產工藝簡單，單位投資成本低，生產過程不產生有害氣體，副產品的爐渣可用作生產肥料或水泥的原料。

白云石的化學組成應在如下范圍內才能符合硅熱法煉鎂的要求：

三、煅燒白云石的產物

□□煅燒白云石的產物通常叫煅白。合格的煅白呈白色，表面有微粉，其斷面疏松多孔，質量為白云石的一半，硬度較小，不能重拍。過燒煅白表面呈微黃色，有裂紋；生燒的煅白，其質量相當于白云石，色澤基本上是白云石的本色。

□□煅白中的主要成分是CaO、MgO以分子結構（MgO·CaO）存在，其灼減量小，水化活性度高.

□□如果煅白吸收空氣中的Co₂和H₂O。煅白吸收少量水分后，立即干固，表面生成一層硬殼，即Ca(OH)₂或Mg(OH)₂。影響下道工序生產。

□□因此、出窯的煅白應在較短時間內送入密封的煅白料倉中，且貯存時間般不超過12小時。窯內排出的煅白，如貯存方法合理或貯存時間太長均會變質。

煅白化學成分一覽表

煅白質量等級

四、回轉窯煅燒白云石的優點

□□回轉窯的特點是生產能力大，機械化程度高，維護操作簡單，煅白活性高，灼減低，且無論白云石是何種結構，只要控制好工藝條件，其煅燒效果均很好。

□□回轉窯主要是輻射傳熱與對流傳熱，窯內物料隨窯的旋轉，充分翻滾，強化了輻射傳熱過程。物料加熱均勻，煅燒溫度易控制。回轉窯常用煤粉、煤氣作為燃料。

五、煅白的生產方法及要求

□□煅燒白云石生產線是將豎式預熱器、回轉窯、豎式冷卻器、煙氣處理系統、原料輸送系統、成品輸送系統、煤粉制備系統等組成一條完整的生產線。

全線采用技術先進，性能可靠的DCS中央控制系統，在主控制室集中操作管理，以PLC實現各設備運行的相互連鎖。

煅白工藝流程說明

a）、原料儲運輸送

□□粒度在5～35mm的合格品經皮帶機送至預熱器頂部料倉。

b）、白云石煅燒

□□白云石煅燒系統是由一臺豎式預熱器，一臺回轉窯及一臺豎式冷卻器組成。物料由預熱器頂部料倉經下料溜管導入預熱器本體內，同時由回轉窯傳入的高溫煙氣將物料預熱至600℃以上，使白云石發生部分分解，再由豎式預熱器液壓推桿依次推入回轉窯尾部，經回轉窯高溫煅燒后再卸入冷卻器內，通過風機吹入的冷風冷卻，將物料冷卻至100℃以下排出冷卻器，冷卻器吹入的空氣作為二次空氣進入回轉窯參與煅燒。

c）、成品輸送

□□成品煅白由冷卻器卸出后經鏈式輸送機輸送至成品庫。

d）、煙氣處理

□□回轉窯燃燒產生的高溫煙氣，在預熱器內與白云石進行熱交換后，溫度降至280-300℃，一部分廢氣用管道輸送到煤粉制備系統中，利用其余熱烘干煤粉。廢氣經收塵器過濾后，煙氣溫度進一步降至80℃以下，含塵濃度符合國家排放標準后排入大氣；另一部分進入袋除塵器后經煙囪排入大氣，氣體的含塵濃度小于50mg/Nm³。

e）、煤粉制備

□□本生產線所用原煤（要求揮發份大于20%）經外購入廠，經過儲存、均化后利用風掃煤磨配動態選粉機組成的閉路系統將原煤粉磨至0.08mm<10%，成品煤粉通過輸送設備進入儲庫，滿足回轉窯煅燒16小時以上的燃料儲備需要。煤粉生產、輸送、儲存均設防爆裝置，防止因煤粉意外遇明火爆炸。

□□風掃煤磨所需熱源由回轉窯尾280-300℃廢氣供應，既節省能源又環保。

f）、質量控制

□□為嚴把質量關，做到以質量求生存，采取以下措施進行全面質量管理：

（1）嚴格精選原料，提高白云石入窯質量，保證原料入窯符合要求。

（2）原料進廠要跟蹤化驗，以保證原料的化學成分滿足要求。

（3）在生產過程中加強質量管理，制定企業內控質量標準，逐步達到國際標準（ISO9002認證），提高職工素質量意識，設質量檢驗員，加強自檢工作。

六、煅白提煉金屬鎂(粗鎂)

1、           還原劑：

1）硅鐵（工業生產中通常選用75％Si硅鐵作還原劑，其組成

為Si=49.86％，FeSi₂=50.14％；

2）硅鋁合金：含硅和鋁各半的硅鋁合金，其還原能力高于含硅大于75％的硅鐵，在同一溫度下用硅鋁還原時，其還原能力為硅鐵的2.5倍，且還原溫度比硅鐵低373K左右,還原周期縮短;

3）廢鋁：鋁在所有還原劑中產生的鎂平衡蒸氣壓最高，即鋁的還原性比硅鐵強，鉭鋁的價格較高。如果能用廢鋁來代替硅鐵作還原劑，在同等還原條件下，還原溫度降到1323K以下，仍可達到硅熱法在1473K的效果，且還可延長還原罐的使用壽命。

2、           礦化劑：

□□螢石：螢石中CaF₂的含量應大于94％，細度為100—200目。

□□目前生產上采用的配料比一般為：

□□煅白：硅鐵：螢石粉=80（MgO≥38％）：16.5(Si≥75％)：3.5(CaF₂≥75％)

3、           制球：

□□將硅鐵先碎至3—5mm，螢石為浮選得到的粉狀料（-200目），煅白為15—35mm，三種原料按配料比配好后，同時進入球磨機進行混合。

□□還原劑硅鐵、原料煅白和礦化劑螢石經細磨混合制成球團。制團一般采用高壓球機，壓力15～20MPa，球團密度可達2g/cm³。其合格標準通常是球團在1.5米高的高空中自由下落到光滑的水泥地面上，以碎成四瓣作為衡量球團強度的標準。球團在高溫下進行反應，反應在固相與固相之間進行。其反應是吸熱反應，并在真空條件下無對流給熱，還原反應過程中，沒有還原氣體從球團外面向里擴散，只有還原析出的鎂蒸氣向外擴散并在鎂結晶器中冷凝結晶。

□□硅熱法煉鎂過程中，Si還原煅白云石的反應如下式：

2(CaO·MgO)+Si=2CaO·SiO₂+2Mg

□□硅熱法煉鎂還原反應在1473K和真空狀態下進行，該溫度高于鎂的沸點，所以還原出來的鎂是氣體狀態。對于Si還原煅燒白云石的反應，反應物（原料及還原劑）應具有較低的蒸氣壓且在還原溫度下不形成熔體，而生成物金屬應具有較高的蒸氣壓。

4、           主要還原設施：

1）金屬鎂還原爐：是硅熱法煉鎂的核心設備，必須保證還原工藝條件（1473K，小于13.3Pa的真空度）的要求。

□□金屬鎂還原爐普遍采用的是外加熱臥式還原罐還原爐。目前，國內應用的金屬鎂還原爐的爐型較多，根據所用燃料的不同，大體上可分為兩類：用煤氣或重油加熱的還原爐與以煤為燃料的還原爐。

□□用煤氣或重油為燃料的還原爐，通常是16個橫罐的還原爐，其規格為10.54×3.59×2.94(m)。這種還原爐為矩形爐膛，還原罐間中心距約為600mm，罐呈單面單排排列，爐子背面一般分布有多支低壓燒。火焰從燃燒室進入爐膛空間，繞過還原罐周邊，靠煙囪抽力將燃燒后的煙氣抽入爐底部支煙道，經煙道與煙道閘門后進入煙囪。二次風由二次風管再通過爐底第二層二次風道送入爐內。

□□還原爐底部兩個還原罐中間設有燃燒室或煙室。還原爐既是一個倒焰爐又是一個貯熱爐。爐膛內一般裝有16支鎳鉻合金鋼制的還原罐。16個還原罐分成四組，即4個還原罐組成一組，與一個真空機組相連接(真空機組由滑閥泵和羅茨泵組成)，每臺還原爐還設有一個備用真空機組，因此一臺還原爐一般有5個真空機組，每臺還原爐設有一個水環泵作為預抽泵。

□□以煤為燃料的還原爐，在我國金屬鎂還原爐主要以燃煤為主，隨著鎂冶煉工藝的不斷發展與進步，出現過多種燃煤還原爐，典型的有下面幾種：

①.單火室單面單排罐還原爐：該爐型與燃煤氣、重油還原爐爐型相似，單面單排布置還原罐。燃燒室設置在后面，爐內裝有14-16支還原罐，在兩支還原罐中間設置一過火孔。該爐型由于只有單排罐，又是單面布置，故操作十分方便，車間布置便于機械化，但其產量和熱效率都低。該爐型屬于矩形倒焰窯，火焰從燃燒室通過擋火板反射至爐頂，受煙囪抽力火焰向下，使還原罐受熱，再經過火孔，支煙道至主煙道排出。

②.雙火室雙面雙排還原罐還原爐：該爐型也是矩形倒焰窯，裝有10支還原罐，在長度方向分兩端各裝5支上、下排列。爐型設置了四個對稱分布在兩側面的燃燒室(每面兩個)，燃燒室內有傾斜15°的梁式爐柵，火焰從窯兩側燃燒室翻過擋火墻，流向爐膛中心窯頂，然后火焰倒流向爐底吸火孔、支煙道再由一端的主煙道排入煙囪。該爐的優點是爐子結構簡單，罐子排列較緊湊，爐膛空間利用率較高，其缺點在于爐子四面均為操作面，加煤燒火與還原出鎂、扒渣、裝料互有干擾，操作條件差，車間布置困難。該爐型也有爐膛空間擴大而布置14-22支罐的。

③.單火室雙面雙排罐還原爐：該爐型是兩端面雙排布罐，單火室燒火的還原爐。在兩個端面各分上、下排裝6支罐，共布罐12支，在一個側面設多個燃燒室，這樣燃煤操作比較方便，空間利用率也較高，但還原罐數量有限，產量小。

④.單火室單面雙排罐還原爐：該爐型也屬于外加熱火焰反射爐(俗稱倒焰爐)。是國內應用最為廣泛的爐型。內還原罐上、下錯開上牌布置。空間利用率較高，爐長方向沒有限制，故可以布置較多的還原罐，一般有30-40支。還原罐單面開口，與真空機組的連接較方便。燃燒室設置在爐膛后面，由擋火墻隔開，火焰從燃燒室通過擋火墻反射至爐頂，受煙囪抽力火焰向下，使還原罐受熱，再經爐底過火孔、支煙道至主煙道排出。相對于上述其他爐型，該爐型產量大、空間利用率較高、能源消耗較低、經濟性好，因此在國內得到了廣泛的應用。

2）還原罐：正常工作時，還原罐內抽成真空，其真空度為10Pa左右。目前煉鎂還原罐的材質主要為ZG3Cr24Ni7RE和ZG40Cr28Ni16兩種。

還原罐屬易消耗部件。其典型結構由半球型封頭、直筒罐體和冷卻水套等三部分組成。還原罐工作條件惡劣，一般是在1180℃-1200℃的高溫及罐內抽真空的條件下長期工作，所以要求還原罐具有良好的高溫抗氧化、抗腐蝕性能，以及足夠的高溫強度和綜合機械性能。目前，罐身一般采用離心鑄造工藝，帽頭采用砂型鑄造，半球端底和筒體的連接采用焊接工藝，冷卻水套采用鉚焊件。

□□還原罐的使用壽命：目前還原罐基本上是用高鉻鎳合金鋼鑄造成的，使用壽命較短，一般不超過2-3個月，由此導致還原罐生產成本居高不下一直是煉鎂廠家關切的問題。

□□還原罐的使用壽命與下述因素有關: 

①.煙氣中含氧量高,會加速氧化；

②.煙氣中含硫量高,氧化速度更快；

③.溫度超過抗氧化臨界溫度極限,也會加快氧化速度；

④.溫度超過使用溫度,合金鋼罐機械強度極差,在真空下,造成擠壓變形

⑤.臺金鋼的質量、制造方法及焊接質量也會影響罐的使用壽命。 

3）還原爐抽真空設施：一般采用三級泵的抽氣方案。粗抽泵采用水環式真空泵，101.3KPa時，抽氣速率可達27m³/min。預抽泵采用機械式滑閥泵，主泵一般采用羅茨泵，即通常所說的JZJ真空機組。視真空系統的情況和球團料的情況，一般真空達標時間為1—1.5h，真空度可以達到13.3—1.3Pa，能夠滿足硅熱法工藝要求。

□□目前，大多數鎂廠改用蒸氣射流式真空泵，它兼顧了水環泵和JZJ機組的優點，尤其是真空達標時間縮短為0.5h之內，真空度可達  10Pa以內，且省電，維修量小。該泵所需蒸氣由還原爐余熱鍋爐供給，實現了能源的充分綜合利用。

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