硅熱法提煉金屬鎂（鍛白）工藝設(shè)備

硅熱法提煉金屬鎂（鍛白）工藝設(shè)備

一、鎂的性質(zhì)及用途

1、性質(zhì)：

□□鎂的化學(xué)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(shù)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(jié)晶溫度：423K

鎂在固態(tài)下的收縮率：2％

2、用途：

1）、生產(chǎn)難熔金屬的還原劑：

□□鎂既可作生產(chǎn)稀有金屬Ti、Zr、Hf等的不原劑，也可作為生產(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)度、延展性更高。鎂在球墨鑄鐵中的應(yīng)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(chǎn)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(zhì)，使鋼鐵市場在較低的成本下達(dá)到高產(chǎn)量、高質(zhì)量，并能生產(chǎn)出如HSLA級低硫鋼，這種優(yōu)質(zhì)鋼可用于汽車、設(shè)備及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件的重量，進(jìn)一步增加了鎂在鋼鐵工業(yè)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(chǎn)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(chǎn)鎂合金：

□□鎂合金以其密度低，比強(qiáng)度高，降噪減振好，電磁屏蔽性好，易于回收等優(yōu)點，成為現(xiàn)代交通工具、航空航天和電子通訊等領(lǐng)域的首選材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)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(jié)構(gòu)材料。因此，鎂的最大應(yīng)用領(lǐng)域是生產(chǎn)不同牌號的鎂合金。

二、鎂的冶煉方法

□□根據(jù)鎂礦資源和種類不同，鎂的生產(chǎn)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(yè)上較少采用。

硅熱法（現(xiàn)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(chǎn)方法。硅熱法又分為外熱法和內(nèi)熱法，采用硅鐵還原氧化鎂生產(chǎn)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(nèi)熱法，根據(jù)生產(chǎn)的連續(xù)性又分為間歇式和半連續(xù)式。

□□硅熱法是我國目前主要應(yīng)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(xì)粉，壓成團(tuán)塊，裝在耐熱合金罐內(nèi)，在一定溫度和壓力條件下還原得到鎂蒸氣，冷凝結(jié)晶成固態(tài)粗鎂，精煉后得到純鎂。

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

白云石的化學(xué)組成應(yīng)在如下范圍內(nèi)才能符合硅熱法煉鎂的要求：

三、煅燒白云石的產(chǎn)物

□□煅燒白云石的產(chǎn)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(zhì)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(zhì)量相當(dāng)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(jié)構(gòu)（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(chǎn)。

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

煅白化學(xué)成分一覽表

煅白質(zhì)量等級

四、回轉(zhuǎn)窯煅燒白云石的優(yōu)點

□□回轉(zhuǎn)窯的特點是生產(chǎn)能力大，機(jī)械化程度高，維護(hù)操作簡單，煅白活性高，灼減低，且無論白云石是何種結(jié)構(gòu)，只要控制好工藝條件，其煅燒效果均很好。

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

五、煅白的生產(chǎn)方法及要求

□□煅燒白云石生產(chǎn)線是將豎式預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、豎式冷卻器、煙氣處理系統(tǒng)、原料輸送系統(tǒng)、成品輸送系統(tǒng)、煤粉制備系統(tǒng)等組成一條完整的生產(chǎn)線。

全線采用技術(shù)先進(jìn)，性能可靠的DCS中央控制系統(tǒng)，在主控制室集中操作管理，以PLC實現(xiàn)各設(shè)備運(yùn)行的相互連鎖。

煅白工藝流程說明

a）、原料儲運(yùn)輸送

□□粒度在5～35mm的合格品經(jīng)皮帶機(jī)送至預(yù)熱器頂部料倉。

b）、白云石煅燒

□□白云石煅燒系統(tǒng)是由一臺豎式預(yù)熱器，一臺回轉(zhuǎn)窯及一臺豎式冷卻器組成。物料由預(yù)熱器頂部料倉經(jīng)下料溜管導(dǎo)入預(yù)熱器本體內(nèi)，同時由回轉(zhuǎn)窯傳入的高溫?zé)煔鈱⑽锪项A(yù)熱至600℃以上，使白云石發(fā)生部分分解，再由豎式預(yù)熱器液壓推桿依次推入回轉(zhuǎn)窯尾部，經(jīng)回轉(zhuǎn)窯高溫煅燒后再卸入冷卻器內(nèi)，通過風(fēng)機(jī)吹入的冷風(fēng)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(jìn)入回轉(zhuǎn)窯參與煅燒。

c）、成品輸送

□□成品煅白由冷卻器卸出后經(jīng)鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)輸送至成品庫。

d）、煙氣處理

□□回轉(zhuǎn)窯燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓陬A(yù)熱器內(nèi)與白云石進(jìn)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(tǒng)中，利用其余熱烘干煤粉。廢氣經(jīng)收塵器過濾后，煙氣溫度進(jìn)一步降至80℃以下，含塵濃度符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)后排入大氣；另一部分進(jìn)入袋除塵器后經(jīng)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(chǎn)線所用原煤（要求揮發(fā)份大于20%）經(jīng)外購入廠，經(jīng)過儲存、均化后利用風(fēng)掃煤磨配動態(tài)選粉機(jī)組成的閉路系統(tǒng)將原煤粉磨至0.08mm<10%，成品煤粉通過輸送設(shè)備進(jìn)入儲庫，滿足回轉(zhuǎn)窯煅燒16小時以上的燃料儲備需要。煤粉生產(chǎn)、輸送、儲存均設(shè)防爆裝置，防止因煤粉意外遇明火爆炸。

□□風(fēng)掃煤磨所需熱源由回轉(zhuǎn)窯尾280-300℃廢氣供應(yīng)，既節(jié)省能源又環(huán)保。

f）、質(zhì)量控制

□□為嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，做到以質(zhì)量求生存，采取以下措施進(jìn)行全面質(zhì)量管理：

（1）嚴(yán)格精選原料，提高白云石入窯質(zhì)量，保證原料入窯符合要求。

（2）原料進(jìn)廠要跟蹤化驗，以保證原料的化學(xué)成分滿足要求。

（3）在生產(chǎn)過程中加強(qiáng)質(zhì)量管理，制定企業(yè)內(nèi)控質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，逐步達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO9002認(rèn)證），提高職工素質(zhì)量意識，設(shè)質(zhì)量檢驗員，加強(qiáng)自檢工作。

六、煅白提煉金屬鎂(粗鎂)

1、           還原劑：

1）硅鐵（工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)生的鎂平衡蒸氣壓最高，即鋁的還原性比硅鐵強(qiáng)，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(dá)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(yīng)大于94％，細(xì)度為100—200目。

□□目前生產(chǎn)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(jìn)入球磨機(jī)進(jìn)行混合。

□□還原劑硅鐵、原料煅白和礦化劑螢石經(jīng)細(xì)磨混合制成球團(tuán)。制團(tuán)一般采用高壓球機(jī)，壓力15～20MPa，球團(tuán)密度可達(dá)2g/cm³。其合格標(biāo)準(zhǔn)通常是球團(tuán)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(tuán)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。球團(tuán)在高溫下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)在固相與固相之間進(jìn)行。其反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，并在真空條件下無對流給熱，還原反應(yīng)過程中，沒有還原氣體從球團(tuán)外面向里擴(kuò)散，只有還原析出的鎂蒸氣向外擴(kuò)散并在鎂結(jié)晶器中冷凝結(jié)晶。

□□硅熱法煉鎂過程中，Si還原煅白云石的反應(yīng)如下式：

2(CaO·MgO)+Si=2CaO·SiO₂+2Mg

□□硅熱法煉鎂還原反應(yīng)在1473K和真空狀態(tài)下進(jìn)行，該溫度高于鎂的沸點，所以還原出來的鎂是氣體狀態(tài)。對于Si還原煅燒白云石的反應(yīng)，反應(yīng)物（原料及還原劑）應(yīng)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(yīng)具有較高的蒸氣壓。

4、           主要還原設(shè)施：

1）金屬鎂還原爐：是硅熱法煉鎂的核心設(shè)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(nèi)應(yīng)用的金屬鎂還原爐的爐型較多，根據(jù)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(guī)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(jìn)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(jīng)煙道與煙道閘門后進(jìn)入煙囪。二次風(fēng)由二次風(fēng)管再通過爐底第二層二次風(fēng)道送入爐內(nèi)。

□□還原爐底部兩個還原罐中間設(shè)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(nèi)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(jī)組相連接(真空機(jī)組由滑閥泵和羅茨泵組成)，每臺還原爐還設(shè)有一個備用真空機(jī)組，因此一臺還原爐一般有5個真空機(jī)組，每臺還原爐設(shè)有一個水環(huán)泵作為預(yù)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(fā)展與進(jìn)步，出現(xiàn)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(shè)置在后面，爐內(nèi)裝有14-16支還原罐，在兩支還原罐中間設(shè)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(jī)械化，但其產(chǎn)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(jīng)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(shè)置了四個對稱分布在兩側(cè)面的燃燒室(每面兩個)，燃燒室內(nèi)有傾斜15°的梁式爐柵，火焰從窯兩側(cè)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(yōu)點是爐子結(jié)構(gòu)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(kuò)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(cè)面設(shè)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(shù)量有限，產(chǎn)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(nèi)應(yīng)用最為廣泛的爐型。內(nèi)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(jī)組的連接較方便。燃燒室設(shè)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(jīng)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(chǎn)量大、空間利用率較高、能源消耗較低、經(jīng)濟(jì)性好，因此在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

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

還原罐屬易消耗部件。其典型結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qiáng)度和綜合機(jī)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(dǎo)致還原罐生產(chǎn)成本居高不下一直是煉鎂廠家關(guān)切的問題。

□□還原罐的使用壽命與下述因素有關(guān): 

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(jī)械強(qiáng)度極差,在真空下,造成擠壓變形

⑤.臺金鋼的質(zhì)量、制造方法及焊接質(zhì)量也會影響罐的使用壽命。 

3）還原爐抽真空設(shè)施：一般采用三級泵的抽氣方案。粗抽泵采用水環(huán)式真空泵，101.3KPa時，抽氣速率可達(dá)27m³/min。預(yù)抽泵采用機(jī)械式滑閥泵，主泵一般采用羅茨泵，即通常所說的JZJ真空機(jī)組。視真空系統(tǒng)的情況和球團(tuán)料的情況，一般真空達(dá)標(biāo)時間為1—1.5h，真空度可以達(dá)到13.3—1.3Pa，能夠滿足硅熱法工藝要求。

□□目前，大多數(shù)鎂廠改用蒸氣射流式真空泵，它兼顧了水環(huán)泵和JZJ機(jī)組的優(yōu)點，尤其是真空達(dá)標(biāo)時間縮短為0.5h之內(nèi)，真空度可達(dá)  10Pa以內(nèi)，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(xiàn)了能源的充分綜合利用。

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