硅热法提炼金属镁（锻白）工艺设备

一、镁的性质及用途      

1、性质：

□□镁的化学活性高，在自然界以化合物形式存在于白云石、菱镁石、橄槛石、蛇纹石、地下卤水、盐湖和海水中。镁是银白色金属，纯镁具有密度小、膨胀系数较大、弹性模量较低的特性。

镁的密度：1.738g/cm³      镁的熔点：922～924K

镁的沸点：1380K           镁的开始再结晶温度：423K

镁在固态下的收缩率：2％

2、用途：

1）、生产难熔金属的还原剂：

□□镁既可作生产稀有金属Ti、Zr、Hf等的不原剂，也可作为生产铍、硼的还原剂。

2）、铝合金的添加元素：

□□铝合金中加入金属镁，使合金更轻，强度更大，抗腐蚀能力更好。作为铝合金中的主要合金元素，是镁的一大用途。

3）、球墨铸铁的球化剂：

□□镁在球墨铸铁中起着 球化作用，使铸件强度、延展性更高。镁在球墨铸铁中的应用在逐年增大。

4）、钢铁脱硫的脱硫剂：

□□整个北美、欧洲钢铁生产中用镁作为钢铁脱硫剂。我国用镁作为钢铁脱硫剂的用量也在不断增长，市场前景广阔。用镁粉作为钢铁脱硫剂不仅工艺简单，且由于镁对硫具有大的亲和力这种独特性质，使钢铁市场在较低的成本下达到高产量、高质量，并能生产出如HSLA级低硫钢，这种优质钢可用于汽车、设备及结构体中。用镁脱硫不仅改善了钢的可铸性、延展性、焊接性和冲击韧性，而且降低了结构件的重量，进一步增加了镁在钢铁工业中的需求量。

5）、高储能材料：

□□镁在常压下，大约523K和H₂作用生成MgH₂，在低压或稍高温度下又能释放出氢，镁具有储氢的作用。MgH₂较一般金属氢化物储能高，所以镁可以作为高储能材料。

6）、烟火：

□□镁在早期用来制造烟火，含铝量超过30％的镁铝合金粉末燃烧时会产生耀眼的白光，该白光比自然光更适合于摄影，从而被作摄影闪光灯。镁粉不广泛用于焰火、礼花、军用信号弹、照明弹等方面。

7）、生产镁合金：

□□镁合金以其密度低，比强度高，降噪减振好，电磁屏蔽性好，易于回收等优点，成为现代交通工具、航空航天和电子通讯等领域的首选材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，同时也成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材料。因此，镁的最大应用领域是生产不同牌号的镁合金。

二、镁的冶炼方法

□□根据镁矿资源和种类不同，镁的生产方法分为两大类，热还原法和氯化熔盐电解法。热还原法有硅热法、炭热法和碳化物热还原法，后两种在工业上较少采用。

硅热法（现只介绍硅热法）：

□□硅热还原法炼镁是利用硅铁作还原剂，将镁从其化合物中还原出来而制得金属镁的一种生产方法。硅热法又分为外热法和内热法，采用硅铁还原氧化镁生产金属镁的工艺有Pidgeon（硅热法）工艺和Magnethern工艺。Pidgeon工艺属于外热法；Magnethern工艺属于内热法，根据生产的连续性又分为间歇式和半连续式。

□□硅热法是我国目前主要应用的方法。该工艺将煅烧后的白云石和硅铁按一定配比磨成细粉，压成团块，装在耐热合金罐内，在一定温度和压力条件下还原得到镁蒸气，冷凝结晶成固态粗镁，精炼后得到纯镁。

□□硅热法的特点是投资少，建设周期短，且生产工艺简单，单位投资成本低，生产过程不产生有害气体，副产品的炉渣可用作生产肥料或水泥的原料。

白云石的化学组成应在如下范围内才能符合硅热法炼镁的要求：

三、煅烧白云石的产物

□□煅烧白云石的产物通常叫煅白。合格的煅白呈白色，表面有微粉，其断面疏松多孔，质量为白云石的一半，硬度较小，不能重拍。过烧煅白表面呈微黄色，有裂纹；生烧的煅白，其质量相当于白云石，色泽基本上是白云石的本色。

□□煅白中的主要成分是CaO、MgO以分子结构（MgO·CaO）存在，其灼减量小，水化活性度高.

□□如果煅白吸收空气中的Co₂和H₂O。煅白吸收少量水分后，立即干固，表面生成一层硬壳，即Ca(OH)₂或Mg(OH)₂。影响下道工序生产。

□□因此、出窑的煅白应在较短时间内送入密封的煅白料仓中，且贮存时间般不超过12小时。窑内排出的煅白，如贮存方法合理或贮存时间太长均会变质。

煅白化学成分一览表

煅白质量等级

四、回转窑煅烧白云石的优点

□□回转窑的特点是生产能力大，机械化程度高，维护操作简单，煅白活性高，灼减低，且无论白云石是何种结构，只要控制好工艺条件，其煅烧效果均很好。

□□回转窑主要是辐射传热与对流传热，窑内物料随窑的旋转，充分翻滚，强化了辐射传热过程。物料加热均匀，煅烧温度易控制。回转窑常用煤粉、煤气作为燃料。

五、煅白的生产方法及要求

□□煅烧白云石生产线是将竖式预热器、回转窑、竖式冷却器、烟气处理系统、原料输送系统、成品输送系统、煤粉制备系统等组成一条完整的生产线。

全线采用技术先进，性能可靠的DCS中央控制系统，在主控制室集中操作管理，以PLC实现各设备运行的相互连锁。

煅白工艺流程说明

a）、原料储运输送

□□粒度在5～35mm的合格品经皮带机送至预热器顶部料仓。

b）、白云石煅烧

□□白云石煅烧系统是由一台竖式预热器，一台回转窑及一台竖式冷却器组成。物料由预热器顶部料仓经下料溜管导入预热器本体内，同时由回转窑传入的高温烟气将物料预热至600℃以上，使白云石发生部分分解，再由竖式预热器液压推杆依次推入回转窑尾部，经回转窑高温煅烧后再卸入冷却器内，通过风机吹入的冷风冷却，将物料冷却至100℃以下排出冷却器，冷却器吹入的空气作为二次空气进入回转窑参与煅烧。

c）、成品输送

□□成品煅白由冷却器卸出后经链式输送机输送至成品库。

d）、烟气处理

□□回转窑燃烧产生的高温烟气，在预热器内与白云石进行热交换后，温度降至280-300℃，一部分废气用管道输送到煤粉制备系统中，利用其余热烘干煤粉。废气经收尘器过滤后，烟气温度进一步降至80℃以下，含尘浓度符合国家排放标准后排入大气；另一部分进入袋除尘器后经烟囱排入大气，气体的含尘浓度小于50mg/Nm³。

e）、煤粉制备

□□本生产线所用原煤（要求挥发份大于20%）经外购入厂，经过储存、均化后利用风扫煤磨配动态选粉机组成的闭路系统将原煤粉磨至0.08mm<10%，成品煤粉通过输送设备进入储库，满足回转窑煅烧16小时以上的燃料储备需要。煤粉生产、输送、储存均设防爆装置，防止因煤粉意外遇明火爆炸。

□□风扫煤磨所需热源由回转窑尾280-300℃废气供应，既节省能源又环保。

f）、质量控制

□□为严把质量关，做到以质量求生存，采取以下措施进行全面质量管理：

（1）严格精选原料，提高白云石入窑质量，保证原料入窑符合要求。

（2）原料进厂要跟踪化验，以保证原料的化学成分满足要求。

（3）在生产过程中加强质量管理，制定企业内控质量标准，逐步达到国际标准（ISO9002认证），提高职工素质量意识，设质量检验员，加强自检工作。

六、煅白提炼金属镁(粗镁)

1、           还原剂：

1）硅铁（工业生产中通常选用75％Si硅铁作还原剂，其组成

为Si=49.86％，FeSi₂=50.14％；

2）硅铝合金：含硅和铝各半的硅铝合金，其还原能力高于含硅大于75％的硅铁，在同一温度下用硅铝还原时，其还原能力为硅铁的2.5倍，且还原温度比硅铁低373K左右,还原周期缩短;

3）废铝：铝在所有还原剂中产生的镁平衡蒸气压最高，即铝的还原性比硅铁强，钽铝的价格较高。如果能用废铝来代替硅铁作还原剂 ，在同等还原条件下，还原温度降到1323K以下，仍可达到硅热法在1473K的效果，且还可延长还原罐的使用寿命。

2、           矿化剂：

□□萤石：萤石中CaF₂的含量应大于94％，细度为100—200目。

□□目前生产上采用的配料比一般为：

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

3、           制球：

□□将硅铁先碎至3—5mm，萤石为浮选得到的粉状料（-200目），煅白为15—35mm，三种原料按配料比配好后，同时进入球磨机进行混合。

□□还原剂硅铁、原料煅白和矿化剂萤石经细磨混合制成球团。制团一般采用高压球机，压力15～20MPa，球团密度可达2g/cm³。其合格标准通常是球团在1.5米高的高空中自由下落到光滑的水泥地面上，以碎成四瓣作为衡量球团强度的标准。球团在高温下进行反应，反应在固相与固相之间进行。其反应是吸热反应，并在真空条件下无对流给热，还原反应过程中，没有还原气体从球团外面向里扩散，只有还原析出的镁蒸气向外扩散并在镁结晶器中冷凝结晶。

□□硅热法炼镁过程中，Si还原煅白云石的反应如下式：

2(CaO·MgO)+Si=2CaO·SiO₂+2Mg

□□硅热法炼镁还原反应在1473K和真空状态下进行，该温度高于镁的沸点，所以还原出来的镁是气体状态。对于Si还原煅烧白云石的反应，反应物（原料及还原剂）应具有较低的蒸气压且在还原温度下不形成熔体，而生成物金属应具有较高的蒸气压。

4、           主要还原设施：

1）金属镁还原炉：是硅热法炼镁的核心设备，必须保证还原工艺条件（1473K，小于13.3Pa的真空度）的要求。

□□金属镁还原炉普遍采用的是外加热卧式还原罐还原炉。目前，国内应用的金属镁还原炉的炉型较多，根据所用燃料的不同，大体上可分为两类：用煤气或重油加热的还原炉与以煤为燃料的还原炉。

□□用煤气或重油为燃料的还原炉，通常是16个横罐的还原炉，其规格为10.54×3.59×2.94(m)。这种还原炉为矩形炉膛，还原罐间中心距约为600mm，罐呈单面单排排列，炉子背面一般分布有多支低压烧。火焰从燃烧室进入炉膛空间，绕过还原罐周边，靠烟囱抽力将燃烧后的烟气抽入炉底部支烟道，经烟道与烟道闸门后进入烟囱。二次风由二次风管再通过炉底第二层二次风道送入炉内。

□□还原炉底部两个还原罐中间设有燃烧室或烟室。还原炉既是一个倒焰炉又是一个贮热炉。炉膛内一般装有16支镍铬合金钢制的还原罐。16个还原罐分成四组，即4个还原罐组成一组，与一个真空机组相连接(真空机组由滑阀泵和罗茨泵组成)，每台还原炉还设有一个备用真空机组，因此一台还原炉一般有5个真空机组，每台还原炉设有一个水环泵作为预抽泵。

□□以煤为燃料的还原炉，在我国金属镁还原炉主要以燃煤为主，随着镁冶炼工艺的不断发展与进步，出现过多种燃煤还原炉，典型的有下面几种：

①.单火室单面单排罐还原炉：该炉型与燃煤气、重油还原炉炉型相似，单面单排布置还原罐。燃烧室设置在后面，炉内装有14-16支还原罐，在两支还原罐中间设置一过火孔。该炉型由于只有单排罐，又是单面布置，故操作十分方便，车间布置便于机械化，但其产量和热效率都低。该炉型属于矩形倒焰窑，火焰从燃烧室通过挡火板反射至炉顶，受烟囱抽力火焰向下，使还原罐受热，再经过火孔，支烟道至主烟道排出。

②.双火室双面双排还原罐还原炉：该炉型也是矩形倒焰窑，装有10支还原罐，在长度方向分两端各装5支上、下排列。炉型设置了四个对称分布在两侧面的燃烧室(每面两个)，燃烧室内有倾斜15°的梁式炉栅，火焰从窑两侧燃烧室翻过挡火墙，流向炉膛中心窑顶，然后火焰倒流向炉底吸火孔、支烟道再由一端的主烟道排入烟囱。该炉的优点是炉子结构简单，罐子排列较紧凑，炉膛空间利用率较高，其缺点在于炉子四面均为操作面，加煤烧火与还原出镁、扒渣、装料互有干扰，操作条件差，车间布置困难。该炉型也有炉膛空间扩大而布置14-22支罐的。

③.单火室双面双排罐还原炉：该炉型是两端面双排布罐，单火室烧火的还原炉。在两个端面各分上、下排装6支罐，共布罐12支，在一个侧面设多个燃烧室，这样燃煤操作比较方便，空间利用率也较高，但还原罐数量有限，产量小。

④.单火室单面双排罐还原炉：该炉型也属于外加热火焰反射炉(俗称倒焰炉)。是国内应用最为广泛的炉型。内还原罐上、下错开上牌布置。空间利用率较高，炉长方向没有限制，故可以布置较多的还原罐，一般有30-40支。还原罐单面开口，与真空机组的连接较方便。燃烧室设置在炉膛后面，由挡火墙隔开，火焰从燃烧室通过挡火墙反射至炉顶，受烟囱抽力火焰向下，使还原罐受热，再经炉底过火孔、支烟道至主烟道排出。相对于上述其他炉型，该炉型产量大、空间利用率较高、能源消耗较低、经济性好，因此在国内得到了广泛的应用。

2）还原罐：正常工作时，还原罐内抽成真空，其真空度为10Pa左右。目前炼镁还原罐的材质主要为ZG3Cr24Ni7RE和ZG40Cr28Ni16两种。

还原罐属易消耗部件。其典型结构由半球型封头、直筒罐体和冷却水套等三部分组成。还原罐工作条件恶劣，一般是在1180℃-1200℃的高温及罐内抽真空的条件下长期工作，所以要求还原罐具有良好的高温抗氧化、抗腐蚀性能，以及足够的高温强度和综合机械性能。目前，罐身一般采用离心铸造工艺，帽头采用砂型铸造，半球端底和筒体的连接采用焊接工艺，冷却水套采用铆焊件。

□□还原罐的使用寿命：目前还原罐基本上是用高铬镍合金钢铸造成的，使用寿命较短，一般不超过2-3个月，由此导致还原罐生产成本居高不下一直是炼镁厂家关切的问题。

□□还原罐的使用寿命与下述因素有关: 

①.烟气中含氧量高,会加速氧化；

②.烟气中含硫量高,氧化速度更快；

③.温度超过抗氧化临界温度极限,也会加快氧化速度；

④.温度超过使用温度,合金钢罐机械强度极差,在真空下,造成挤压变形

⑤.台金钢的质量、制造方法及焊接质量也会影响罐的使用寿命。 

3）还原炉抽真空设施：一般采用三级泵的抽气方案。粗抽泵采用水环式真空泵，101.3KPa时，抽气速率可达27m³/min。预抽泵采用机械式滑阀泵，主泵一般采用罗茨泵，即通常所说的JZJ真空机组。视真空系统的情况和球团料的情况，一般真空达标时间为1—1.5h，真空度可以达到13.3—1.3Pa，能够满足硅热法工艺要求。

□□目前，大多数镁厂改用蒸气射流式真空泵，它兼顾了水环泵和JZJ机组的优点，尤其是真空达标时间缩短为0.5h之内，真空度可达  10Pa以内，且省电，维修量小。该泵所需蒸气由还原炉余热锅炉供给，实现了能源的充分综合利用。