淺談硅熱法煉鎂工藝中粗鎂回收率的影響因素

王秀芬

（云南省有色地質(zhì)局三一七隊(duì)，云南 曲靖 655000）

硅熱法煉鎂是以煅燒白云石為原料，以硅鐵做還原劑，以螢石做礦化劑，在高溫、真空條件下通過(guò)還原反應(yīng)生產(chǎn)金屬鎂。其主要工藝過(guò)程包括白云石煅燒、爐料制備、真空熱還原和粗鎂精煉等主要工序。

硅熱法煉鎂工藝中，粗鎂回收率的高低（單罐產(chǎn)量高低）受以下諸多因素的影響：

1 煅燒白云石和氧化鎂的質(zhì)量

煅燒就是白云石在高溫條件下的熱分解，其反應(yīng)式為：MgCO3·CaCO3→MgO+CO2↑,煅燒工序時(shí)整個(gè)工藝過(guò)程中的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵工序，評(píng)價(jià)煅燒白云石和氧化鎂的質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是其活性度、灼減量和雜質(zhì)含量三項(xiàng)指標(biāo)，這三項(xiàng)指標(biāo)的好壞直接影響還原反應(yīng)的進(jìn)行和粗鎂的回收率。

（1）煅白的活性度反映了煅白的結(jié)晶顆粒大小和表面自由能大小，以及MgO參與化學(xué)反應(yīng)的能力大小?；钚远雀?，表明煅白的結(jié)晶細(xì)小，具有較大的表面自由能，MgO參與反應(yīng)的能力大，則還原反應(yīng)進(jìn)行的速度快，粗鎂回收率必然提高。

（2）煅白的灼減量反映了白云石在煅燒過(guò)程中CO2和水分的排除程度。還原反應(yīng)是在較好的真空條件下進(jìn)行的，煅白灼減量越低，說(shuō)明白云石在煅燒過(guò)程中CO2和水分排除的越徹底，越有利于還原反應(yīng)中真空條件的改善及硅鐵和粗鎂的防氧化。

（3）硅熱法煉鎂，一般要求白云石中MgO含量達(dá)19%～21%，CaO含量達(dá)30%～33%。但若是礦石中含有SiO2、AL2O3、Fe2O3等雜質(zhì)，在煅燒或還原過(guò)程中，他們同MgO或CaO形成爐渣，使MgO的活性降低，同時(shí)容易造成爐料熔融結(jié)瘤，給操作帶來(lái)困難。

2 還原溫度和真空度

硅熱法煉鎂的化學(xué)反應(yīng)式為：

2CaO+2MgO+Si=2Mg+2CaO·SiO2

其基本原理是利用溫度越高，鎂的飽和蒸氣壓越高；而真空度越高，還原時(shí)平衡溫度越低的理論生產(chǎn)。

通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算可知，在常壓下其還原反應(yīng)溫度為2373℃，這在工業(yè)上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。由于反應(yīng)中出現(xiàn)渣相,此時(shí)反應(yīng)溫度可降至1750℃，但在生產(chǎn)中，這個(gè)溫度仍然是很高的。當(dāng)考慮到參加反應(yīng)物質(zhì)的狀態(tài)時(shí)可知,在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,化學(xué)反應(yīng)的自由能△F=△F°+RT/nP,式中P為參與反應(yīng)物質(zhì)的原始分壓比。

反應(yīng)物中只有鎂蒸氣呈氣態(tài),因此△F=△F°-2RT/nPMg,當(dāng)PMg＜101.3KPa時(shí)，△F的負(fù)值將減小，在氧焓圖中，其曲線位置將向上移動(dòng)，反應(yīng)溫度則隨之下降，故壓力越低，真空度越高，用硅還原氧化鎂或煅白的平衡溫度也越低。當(dāng)系統(tǒng)壓力由101.3KPa降到5Pa以下時(shí)，還原溫度可降到1180℃以下。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，硅熱法煉鎂過(guò)程中，在爐料成分一定的情況下，決定粗鎂回收率高低最主要的因素為還原溫度和真空度。生產(chǎn)中由于受到加熱方法、爐體結(jié)構(gòu)以及操作工技能、真空機(jī)組性能、氣候條件的影響，一般廠家都很難正常保證達(dá)到上述條件，故才會(huì)出現(xiàn)各廠家生產(chǎn)水平的差距。

3 還原劑的還原能力

還原劑的還原能力實(shí)際是指還原劑對(duì)氧親和力的大小。對(duì)氧的親和力大于金屬鎂對(duì)氧親和力的，就能取代金屬鎂而同氧化合成氧化物而把金屬鎂從氧化鎂中還原出來(lái)。綜合經(jīng)濟(jì)型考慮，硅熱法煉鎂一般用75#硅鐵（含硅72%～80%）。因?yàn)椴煌肺还梃F的還原能力不同。

主要是由于硅鐵中Si存在的形態(tài)不同引起的。硅鐵中除有游離Si外，還能形成FeSi2、FeSi和Fe3Si2三種化合物，在還原反應(yīng)中參與反應(yīng)的主要是游離狀態(tài)的Si，故品位低于50%的硅鐵，由于沒有游離狀態(tài)的硅，所以整個(gè)還原反應(yīng)速度都較慢。

我國(guó)硅熱法煉鎂中，普遍存在著硅鐵含硅量低的問(wèn)題，國(guó)標(biāo)規(guī)定含硅72%～80%的硅鐵都稱為75#硅鐵，而實(shí)際上含硅僅能達(dá)到下限72%，少數(shù)甚至低于72%，嚴(yán)重影響了粗鎂回收率。

4 配料比

硅熱法煉鎂按以下反應(yīng)式來(lái)計(jì)算配料：

2CaO+2MgO+Si＝2Mg+2CaO·SiO2

在實(shí)際配料中，還應(yīng)考慮煅燒白云石帶入的SiO2、AL2O3等雜質(zhì)以及氧化鎂的產(chǎn)出率和還原劑的利用率等因素。鎂產(chǎn)出率隨爐料中〔Si〕/〔2MgO〕（摩爾比）的增大而提高，爐料中CaO含量，應(yīng)保證結(jié)合成2CaO·SiO2，若CaO不足，則有一部分未反應(yīng)的MgO會(huì)與SiO2反應(yīng)生成2MgO·SiO2，降低鎂的產(chǎn)出率。從我國(guó)的情況來(lái)看，多采用的配料比為MgO/Si=2.05、CaO/SiO2=1.8。這樣計(jì)算出的硅鐵配入量最符合生產(chǎn)實(shí)際。

生產(chǎn)實(shí)踐中，可按以下經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行配料：煅白：硅鐵：螢石=100：20～27:3。硅鐵20～27主要視硅鐵含硅量多少和生產(chǎn)效果確定，如果含75%Si配加硅鐵20Kg,隨著含硅量降低，逐漸增加配硅鐵量。

5 其他因素對(duì)鎂回收率的影響

（1）添加劑：硅熱法煉鎂中，添加1%～3%的螢石粉作為礦化劑，有利于物料間相互擴(kuò)散，加速還原反應(yīng)，還可以防止?fàn)t料燒結(jié)和燒熔。

（2）混合料粒度和制團(tuán)壓力：

混合料顆粒小，有利于顆粒之間的接觸，從而有利于反應(yīng)的進(jìn)行；但若太細(xì)，會(huì)使壓團(tuán)過(guò)程復(fù)雜化，制得的團(tuán)塊還原時(shí)容易發(fā)生熱裂，還原罐內(nèi)有較多碎塊和粉末時(shí)，影響傳熱并降低粗鎂產(chǎn)出率。所以混合料粒度并非越細(xì)越好，生產(chǎn)中大于80目就可以了。

制團(tuán)壓力的大小，影響到團(tuán)塊的強(qiáng)度和密度，物料之間的接觸情況，導(dǎo)熱率、鎂蒸氣的擴(kuò)散等方面。生產(chǎn)中要求制團(tuán)壓力大，但也并非越大越好，因?yàn)樘髸?huì)妨礙鎂蒸氣擴(kuò)散，對(duì)還原過(guò)程不利。最適宜的制團(tuán)壓力在1×108Pa～3×108Pa之間。

（3）還原時(shí)間：還原時(shí)間的長(zhǎng)短取決于把爐料加熱到還原溫度并保證還原反應(yīng)進(jìn)行到終了所需的時(shí)間。由于爐料導(dǎo)熱性差，還原罐的直徑不宜太大，一般Φ外為320mm、壁厚30mm。為了縮短還原周期，生產(chǎn)中要求升溫速度快，真空度好，一般還原周期8～10小時(shí)。

綜上所述，硅熱法煉鎂工藝中粗鎂回收率的影響因素主要是煅燒白云石的質(zhì)量、還原溫度和真空度、配量比，此外混合料粒度、制團(tuán)壓力、添加劑、還原時(shí)間等也不同程度影響著還原反應(yīng)的進(jìn)行。

故在生產(chǎn)實(shí)踐中，最主要的工作就是抓原材料供應(yīng)質(zhì)量、機(jī)械設(shè)備的配套及改善環(huán)保、穩(wěn)定質(zhì)量、降低能耗,提高熱利用率，提高粗鎂產(chǎn)出率和反應(yīng)效率，降低成本；科學(xué)的工作態(tài)度、創(chuàng)新的思維。只有這樣，才能確保較高的粗鎂產(chǎn)量。