一种铝热生产金属镁的制备方法
阅读说明：本技术 一种铝热生产金属镁的制备方法 (Preparation method for producing magnesium metal through aluminothermic process ) 是由 孟浩杰 王鑫健 李峰 赵秀峰 白洋 李波 褚丙武 李长勇 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明特别涉及一种铝热生产金属镁的制备方法,属于金属镁制备技术领域,方法包括：将含镁矿石进行煅烧,获得煅白；将所述煅白和还原剂进行混合,后进行压制,获得团块；将所述团块进行真空还原,获得金属镁和还原渣料；其中,所述还原剂为含铝还原剂,所述煅白和所述含铝还原剂的质量比为4-6：1；所述还原渣料无需后续处理加工,可直接作为炼钢用精炼渣,将含镁矿石煅烧后与含铝还原剂混合还原,与皮江法相比,采用该工艺还原温度降低50-100℃,还原时间缩短50％以上,能耗降低,镁回收率85％以上,无废渣排放。(The invention particularly relates to a preparation method for producing metal magnesium by aluminothermy, which belongs to the technical field of metal magnesium preparation and comprises the following steps: calcining the magnesium-containing ore to obtain calcined dolomite; mixing the calcined dolomite and a reducing agent, and then pressing to obtain a briquette; carrying out vacuum reduction on the briquette to obtain metal magnesium and reduction slag charge; wherein the reducing agent is an aluminum-containing reducing agent, and the mass ratio of the calcined dolomite to the aluminum-containing reducing agent is 4-6: 1; the reduction slag can be directly used as refining slag for steelmaking without subsequent treatment and processing, magnesium-containing ore is calcined and then is mixed with an aluminum-containing reducing agent for reduction, compared with the Pidgeon process, the reduction temperature is reduced by 50-100 ℃, the reduction time is shortened by more than 50%, the energy consumption is reduced, the magnesium recovery rate is more than 85%, and no waste slag is discharged.)
技术领域
本发明属于金属镁制备技术领域，特别涉及一种铝热生产金属镁的制备方法。
背景技术
金属镁的比重是1.74g/cm3，只有铝的2/3，钛的2/5，钢的1/4。具有比强度、比刚度高，导热导电性能好，并具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低和易于回收等优点。作为我国独特的战略性金属和新型结构材料，在交通轻量化、新能源材料、环保产业、消费电子、海洋工程、航空航天以及军工配套、军民融合等领域将发挥更大的作用。我国建设运营城际轨道交通的快速发展，也必将使镁合金铸件、型材、板材大有用武之地。
生产镁的主要方法有电解法和硅热法(皮江法)。电解法是从卤水中电解氯化镁而生产镁，皮江法是利用硅铁(Si>75％)还原煅烧后的白云石生产镁。由于投资成本低，操作简单，皮江法成为了当今工业热法炼镁工艺中的主要方法，但该工艺目前存在能源消耗高，资源利用效率低，环境污染严重的问题。在传统的皮江法炼镁过程中，每生产1吨金属镁需要消耗11吨白云石、30公斤萤石和1.05吨硅铁，其能耗4吨标煤；除此之外，每生产1吨金属镁需要排放CO2约15吨，废渣约6.5吨。高能耗、高排放制约了皮江法炼镁的发展。
现有技术中，中国发明专利申请CN103184352A提出一种白云石生产金属镁的工艺方法，通过将白云石煅烧、消化、过滤、碳化、固液分离、热解、碱式碳酸镁烘干等工序制备出中间产物碱式碳酸镁，再以廉价焦炭为还原剂及添加氟化钙为催化剂，焦炭混入量为C：MgO＝1-4：1的摩尔配比，在1300-1500℃进行真空碳热还原反应90-120min，得到镁蒸汽，虽然该工艺减少了废渣的排放，降低了原料成本，但产生了大量的一氧化碳和二氧化碳气体，另外该工艺方法步骤冗长且仍有废渣的排出。中国发明专利申请CN102808089A提出一种以氧化镁为原料制备金属镁和镁铝尖晶石的方法，采用氧化镁、铝粉和铝镁合金粉为原料，混合压块后在真空条件下，在1100-1400℃进行还原反应，反应时间为0.5-8小时，生产气态的金属镁和固体还原渣料，其化学反应式为：4MgO+2Al＝3Mg+MgAl2O4，在固体还原渣料中配入氧化镁粉，固体还原渣料与氧化镁粉的质量比为(1-100)：1，混合压块，经煅烧后获得镁铝尖晶石成品，或者制取成品电熔镁铝尖晶石。虽然将还原渣进行了利用，但是还需要取料、粉碎、加料、成团、煅烧等多个工序，工序复杂，高温烧结中消耗大量能耗，此外，采用铝粉及铝合金粉等原料价格偏高，进一步提高了炼镁成本。
发明内容
本申请的目的在于提供一种铝热生产金属镁的制备方法，以解决镁行业能源、资源和环境问题。
本发明实施例提供了一种铝热生产金属镁的制备方法，所述方法包括：
将含镁矿石进行煅烧，获得煅白；
将所述煅白和还原剂进行混合，后进行压制，获得团块；
将所述团块进行真空还原，获得金属镁和还原渣料；
将所述还原渣料直接用于炼钢的精炼渣；
其中，所述还原剂为含铝还原剂，所述煅白和所述含铝还原剂的质量比为4-6：1。
可选的，所述真空还原的温度为1100℃-1150℃，所述真空还原的时间为2h-5h。
可选的，所述含铝还原剂为铝基印刷板支撑的铝粉。
可选的，所述铝基印刷板为1系合金，其中，以重量计，Al含量≥99％。
可选的，所述1系合金包括：1060合金、1050合金或1050A合金。
可选的，所述铝粉的粒度为150μm-355μm。
可选的，所述真空还原的真空度为5Pa-10Pa。
可选的，所述含镁矿石包括：白云石。
可选的，所述煅烧的温度为1100℃-1200℃，所述煅烧的时间为1.5h-3h。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的铝热生产金属镁的制备方法，所述方法包括：将含镁矿石进行煅烧，获得煅白；将所述煅白和还原剂进行混合，后进行压制，获得团块；将所述团块进行真空还原，获得金属镁和还原渣料；其中，所述还原剂为含铝还原剂，所述煅白和所述含铝还原剂的质量比为4-6：1，所述还原渣料无需后续处理加工，可直接作为炼钢用精炼渣；将含镁矿石煅烧后与含铝还原剂混合还原，与皮江法相比，采用该工艺还原温度降低50-100℃，还原时间缩短50％以上，能耗降低，镁回收率85％以上，无废渣排放。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的
具体实施方式
。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的流程图；
图2是本发明实施例提供的框图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种铝热生产金属镁的制备方法，参阅图1，所述方法包括：
S1.将含镁矿石进行煅烧，获得煅白；
具体而言，含镁矿石为白云石，将白云石在1100-1200℃煅烧1.5-3h，获得煅白；
白云石中MgCO3分解温度需要720℃～800℃，CaCO3分解温度需要900℃～930℃。实际生产中，一般将煅烧温度设定为1100℃～1250℃，具体可通过实验确定。煅烧温度过低，煅烧时间过短，则分解进行不完全；当温度过高时，煅烧时间过长，MgO晶粒长大并逐渐失去活性。
S2.将所述煅白和还原剂进行混合，后进行压制，获得团块；其中，所述还原剂为含铝还原剂，所述煅白和所述含铝还原剂的质量比为4-6：1。
具体而言，含铝还原剂为铝基印刷板，将铝基印刷板进行切削、粉碎处理，然后，采用干式球磨法将破碎后小颗粒送入球磨机进行研磨，经过粉体分级后得到不同粒度的铝粉，选取其中粒径为150-355μm的铝粉作为还原剂，然后白云石煅白经磨碎后与铝粉混合配料，然后压制成团块，其中白云石煅白与铝粉配料的质量比为(4-6)：1。实际操作中，铝基印刷版为1系1060，1050，1050A合金，Al含量≥99％。
控制铝粉粒径为150-355μm，铝粉粒径过大会导致与白云石煅白接触不充分，过小经济性不合适。
控制煅白与铝粉配料的质量比为(4-6)：1的原因是保证还原渣满足炼钢用精炼渣成分，该质量比取值过大的不利影响是导致氧化镁、氧化钙含量超标，过小的不利影响一是经济性差，二是氧化铝含量超标。
S3.将所述团块进行真空还原，获得金属镁和还原渣料；
具体而言，将团块放入还原炉中进行真空还原，获得金属镁和固体还原渣料，其中还原温度为1100-1150℃，还原时间为2-5h；获得金属镁和还原渣料。
固体还原渣料无需后续处理加工，可直接作为炼钢用精炼渣，实现一步法生产金属镁和炼钢用精炼渣。
以上工艺中，发生的化学反应式可能有两种，具体如下：
3CaO+3MgO+2Al＝3Mg+3CaO·Al2O3
12CaO+21MgO+14Al＝21Mg+12CaO·7Al2O3
该工艺适用于各种成分的白云石，由于皮江法炼镁为固固反应，反应速度慢，加入氟化钙等助剂可以增大氧化物表面的反应能，促使反应加速，而本申请不需配菱镁矿等辅料及其他助剂，从热力学角度看，铝热炼镁的反应温度低于皮江法炼镁的反应温度，且为固液反应，反应速度快，因此不需添加助剂；与皮江法相比，该工艺还原温度降低50-100℃，还原时间缩短50％以上，能耗降低，镁回收率85％以上，无废渣排放。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的铝热生产金属镁的制备方法进行详细说明。
实施例1
本发明工艺流程图如图2，一种铝热生产金属镁副产炼钢用精炼渣的工艺，采用白云石为原料，铝粉为还原剂，按照以下步骤进行：
(1)将白云石在1100℃煅烧1.5h，获得煅白。采用白云石含有21.29％MgO，28.57％CaO，3.51％SiO2，0.76％Al2O3，0.38％Fe2O3，45.15％CO2，其中CaO与MgO摩尔比为0.959；
(2)将铝基印刷板进行切削、粉碎处理，然后，采用干式球磨法将破碎后小颗粒送入球磨机进行研磨，经过粉体分级后得到不同粒度的铝粉，选取粒度150μm的铝粉；
(3)白云石煅白经磨碎后与铝粉混合配料，然后在100MPa的压强下压制成团块，其中白云石煅白与铝粉配料的质量比为4：1；
(4)将团块放入还原炉中进行真空还原，获得金属镁和固体还原渣料，其中还原温度为1100℃，还原时间为3h，真空度5-10Pa。
实施例2
本发明工艺流程图如图2，一种铝热生产金属镁副产炼钢用精炼渣的工艺，采用白云石为原料，铝粉为还原剂，按照以下步骤进行：
(1)将白云石在1100℃煅烧3h，获得煅白。采用白云石含有20.76％MgO，30.29％CaO，0.96％SiO2，0.35％Al2O3，0.56％Fe2O3，46.24％CO2，其中CaO与MgO摩尔比为1.042；
(2)将铝基印刷板进行切削、粉碎处理，然后，采用干式球磨法将破碎后小颗粒送入球磨机进行研磨，经过粉体分级后得到不同粒度的铝粉，选取粒度180μm的铝粉；
(3)白云石煅白经磨碎后与铝粉混合配料，然后在122MPa的压强下压制成团块，其中白云石煅白与铝粉配料的质量比为5.2：1；
(4)将团块放入还原炉中进行真空还原，获得金属镁和固体还原渣料，其中还原温度为1100℃，还原时间为5h，真空度5-10Pa。
实施例3
本发明工艺流程图如图2，一种铝热生产金属镁副产炼钢用精炼渣的工艺，采用白云石为原料，铝粉为还原剂，按照以下步骤进行：
(1)将白云石在1200℃煅烧1.5h，获得煅白。采用白云石含有20.69％MgO，31.42％CaO，0.62％SiO2，0.054％Al2O3，0.036％Fe2O3，46.14％CO2，其中CaO与MgO质量比为1.085；
(2)将铝基印刷板进行切削、粉碎处理，然后，采用干式球磨法将破碎后小颗粒送入球磨机进行研磨，经过粉体分级后得到不同粒度的铝粉，选取粒度150μm的铝粉；
(3)白云石煅白经磨碎后与铝粉混合配料，然后在150MPa的压强下压制成团块，其中白云石煅白与铝粉配料的质量比为5.5：1；
(4)将团块放入还原炉中进行真空还原，获得金属镁和固体还原渣料，其中还原温度为1150℃，还原时间为2h，真空度5-10Pa。
实施例4
本发明工艺流程图如图2，一种铝热生产金属镁副产炼钢用精炼渣的工艺，采用白云石为原料，铝粉为还原剂，按照以下步骤进行：
(1)将白云石在1200℃煅烧3h，获得煅白。采用白云石含有19.67％MgO，31.89％CaO，1.51％SiO2，0.31％Al2O3，0.15％Fe2O3，46.23％CO2，其中CaO与MgO质量比为1.158；
(2)将铝基印刷板进行切削、粉碎处理，然后，采用干式球磨法将破碎后小颗粒送入球磨机进行研磨，经过粉体分级后得到不同粒度的铝粉，选取粒度355μm的铝粉；
(3)白云石煅白经磨碎后与铝粉混合配料，然后在190MPa的压强下压制成团块，其中白云石煅白与铝粉配料的质量比为6：1；
(4)将团块放入还原炉中进行真空还原，获得金属镁和固体还原渣料，其中还原温度为1150℃，还原时间为3h，真空度5-10Pa。
对比例1
采用菱镁矿为原料，铝粉为还原剂，按照以下步骤进行：
(1)将菱镁矿在850℃煅烧1.5h。采用菱镁矿含有47.30％MgO，0.62％CaO，0.42％SiO2，0.08％Al2O3，0.36％Fe2O3，51.02％CO2；
(2)将铝基印刷板进行切削、粉碎处理，然后，采用干式球磨法将破碎后小颗粒送入球磨机进行研磨，经过粉体分级后得到不同粒度的铝粉，选取粒度150μm的铝粉；
(3)煅后菱镁矿经磨碎后与铝粉混合配料，然后在190MPa的压强下压制成团块，其中煅后菱镁矿与铝粉配料的质量比为3：1；
(4)将团块放入还原炉中进行真空还原，获得金属镁和固体还原渣料，其中还原温度为1150℃，还原时间为2h，真空度5-10Pa。
对比例2
采用白云石和菱镁矿为原料，铝粉为还原剂，按照以下步骤进行：
(1)将白云石在1200℃煅烧1.5h，获得煅白。采用白云石含有20.69％MgO，31.42％CaO，0.62％SiO2，0.054％Al2O3，0.036％Fe2O3，46.14％CO2，其中CaO与MgO质量比为1.085；
(2)将菱镁矿在850℃煅烧1.5h。采用菱镁矿含有47.30％MgO，0.62％CaO，0.42％SiO2，0.08％Al2O3，0.36％Fe2O3，51.02％CO2；
(3)将铝基印刷板进行切削、粉碎处理，然后，采用干式球磨法将破碎后小颗粒送入球磨机进行研磨，经过粉体分级后得到不同粒度的铝粉，选取粒度150μm的铝粉；
(4)白云石煅白和煅后菱镁矿经磨碎后与铝粉混合配料，然后在190MPa的压强下压制成团块，其中白云石煅白、煅后菱镁矿与铝粉配料的质量比为1：2：1；
(5)将团块放入还原炉中进行真空还原，获得金属镁和固体还原渣料，其中还原温度为1150℃，还原时间为2h，真空度5-10Pa。
实验例
将实施例1-4和对比例1-2生产的固体还原渣料进行成分分析，结果如下表所示：
MgO％
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>％
SiO<sub>2</sub>％
CaO％
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>％
实施例1
0.98
46.33
5.64
45.02
1.98
实施例2
1.29
45.90
2.92
49.16
1.78
实施例3
0.34
48.01
1.63
49.87
0.13
实施例4
0.74
36.06
2.57
59.21
0.38
对比例1
30.7
64.48
1.42
2.64
0.67
对比例2
6.15
72.20
1.02
20.07
0.40
由上表可得，与目前铝热法相比，采用本申请实施例提供的方法制得的还原渣料符合炼钢用精炼渣成分要求，无需后续处理可直接作为炼钢用精炼渣，采用白云石为原料，可以提供适当的氧化镁与氧化钙，满足一步法生产金属镁和炼钢用精炼渣产品的要求，配料简单。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例提供的方法解决了镁行业能源、资源和环境问题，该工艺一方面还原剂利用铝基印刷废板生产，另一方面生产金属镁的副产品可直接用作炼钢用精炼渣，无需后续处理加工，能够实现镁冶炼生产过程中无废渣产生，环保节能、清洁生产；同时也是对铝基印刷废板的综合利用。；
(2)本发明实施例提供的方法与皮江法相比，该工艺还原温度降低50-100℃，还原时间缩短50％以上，能耗降低，镁回收率85％以上，无废渣排放；
(3)本发明实施例提供的方法与目前铝热法相比，该工艺镁还原过程中产生的还原渣料无需后续处理可直接作为炼钢用精炼渣；该工艺采用白云石为原料，可以提供适当的氧化镁与氧化钙，满足一步法生产金属镁和炼钢用精炼渣产品的要求，配料简单；该工艺采用的铝粉为铝基印刷版再生铝粉，资源综合利用。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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