金属镁的生产方法
阅读说明：本技术 金属镁的生产方法 (Method for producing metal magnesium ) 是由 李凤善 黄忠源 梁文玉 张富信 刘猛 张�杰 徐子涵 陈欣舒 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种金属镁的生产方法,包括如下步骤：将高温熔融态的镍铁渣加入到真空反应容器中,并对真空反应容器进行抽真空处理；向抽真空处理后的真空反应容器中喷入还原剂粉末；对喷入还原剂粉末的真空反应容器进行加热处理,使镍铁渣与还原剂粉末发生充分还原反应,得到低硅位SiFe和高品位的含镁渣；向充分还原反应后的真空反应容器中加入稀渣剂,得到含有氧化镁的液态稀渣；向加入稀渣剂后的真空反应容器中加入硅铁,对真空反应容器内产生的单质镁进行净化回收处理,得到金属镁。利用本发明能够解决现有技术中,从镍铁渣中提取金属镁的过程中反应效率低、成本高、对镍铁渣的利用量有限等问题。(The invention provides a method for producing metal magnesium, which comprises the following steps: adding the ferronickel slag in a high-temperature molten state into a vacuum reaction container, and vacuumizing the vacuum reaction container; spraying reducing agent powder into the vacuum reaction container after vacuum-pumping treatment; heating the vacuum reaction container sprayed with the reducing agent powder to ensure that the ferronickel slag and the reducing agent powder are subjected to full reduction reaction to obtain low-silicon-level SiFe and high-grade magnesium-containing slag; adding a slag diluting agent into the vacuum reaction container after the full reduction reaction to obtain liquid slag containing magnesium oxide; and adding ferrosilicon into the vacuum reaction container after the slag diluent is added, and purifying and recycling the simple substance magnesium generated in the vacuum reaction container to obtain the metal magnesium. The method can solve the problems of low reaction efficiency, high cost, limited utilization amount of the ferronickel slag and the like in the process of extracting the metal magnesium from the ferronickel slag in the prior art.)
技术领域
本发明属于冶金废渣综合利用技术领域，更为具体地，涉及一种金属镁的生产方法。
背景技术
镍铁渣是镍铁冶炼工艺中排放的液体或固体废渣，每生产1吨镍铁大约产生6吨炉渣，随着我国冶炼镍铁合金规模逐步扩大，镍铁渣的年排放量超过3000万吨，已成为继铁渣、钢渣、赤泥之后第四大冶炼渣。与其他冶金渣相比，镍铁渣有价金属回收难度大，排渣量大，已逐步成为冶金废渣处理的一大难题。目前，镍铁渣处置、利用技术的发展相对滞后，我国对镍铁渣的综合利用率不足10％，缺少大规模消纳途径，主要采用堆砌或填埋处理，不仅占用大量土地，且对土壤和环境造成污染，给镍铁冶炼的可持续发展带来严峻挑战。为了减少镍铁渣带来的危害，提高二次资源的再利用，为镍铁冶炼行业探索出一条绿色发展的工艺，有必要加强镍铁渣的综合利用研究。
目前针对水淬镍铁渣含有一定的火山灰活性的特性，参照高炉渣、矿渣、粉煤灰综合利用的方法，镍铁渣可部分替代高炉渣、矿渣等用来制备水泥、混凝土或用作混凝土骨料，还可用来制备矿渣纤维、微晶玻璃等建筑材料，但大多处于实验室研究阶段。且水泥原料要求氧化镁含量低于6％，而镍铁渣的氧化镁含量一般高于25％。更重要的是制造微晶玻璃、无机聚合物等的方法所处理利用的镍铁渣量相对于我国如此之大的镍铁渣产量来说十分微小，不具有可大规模消纳性。且未能综合利用其Fe、Mg、Si、Al等元素，造成了资源的大量浪费。而制约镍铁渣在这些领域广泛应用的主要原因就是镍铁渣中的镁含量太高。
专利CN107513621B公开了一种从镍铁渣中富集镁的方法，包括两种方案。方案一为：以熔融的镍铁渣为原料，将熔融的镍铁渣的温度控制在1500-600℃后保温至少5min，冷却；得到富镁渣和贫镁渣。方案二为：以冷却的镍铁渣为原料，将冷却的镍铁渣加热至熔融后，降温至1500-600℃，保温至少5min，冷却；得到富镁渣和贫镁渣。本发明工艺简单，成本低廉，有利于镍铁渣中有价元素镁的富矿化，使得镍铁冶金渣的大量利用成为可能，具有可观的社会经济效益。
专利CN108048667A公开了一种从高镁镍铁熔渣中回收金属镁的方法。该方法主要是以高温熔融态高镁镍铁渣为原料先将固体碳加入带有磁场的设备中，然后将含镁镍铁熔渣加入到设备中，抽真空至炉内压力为5500Pa反应，得到单质镁。该发明工艺简单，能源、资源利用率高。
论文“红土镍矿火法冶炼镍铁-金属镁联产工艺分析”中对马格内姆炼镁工艺进行改造后，对镍铁渣进行硅铁熔融还原得到金属镁，且比较分析了传统炼镁工艺与红土镍矿热熔渣生产镁在一次能源消耗、碳排量及技术经济指标发现该工艺金属镁的生产成本低于传统工艺，具有良好的经济效益。但该文章只是从理论上分析了新工艺流程，并未进行实验验证。
以上专利或论文所述工艺或方法均对镍铁渣提镁进行了一定研究，一定程度上实现了镍铁渣的利用，但是大多只处于理论阶段且反应效率不高，对镍铁渣的利用量十分有限，未能综合利用Fe、Mg、Si、Al等元素和高温熔融镍铁渣的热能，造成了余热及资源的大量浪费。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种金属镁的生产方法，以解决目前的在现有技术中，从镍铁渣中提取金属镁的过程中反应效率低、对镍铁渣的利用量有限、不能综合利用Fe、Mg、Si、Al等元素和高温熔融镍铁渣的热能，造成了资源的大量浪费等问题。
本发明提供一种金属镁的生产方法，所述方法包括如下步骤：
将高温熔融态的镍铁渣加入到真空反应容器中，并对所述真空反应容器进行抽真空处理，使所述真空反应容器的内部压强维持在5000Pa-10000Pa；
通过喷射装置以惰性气体为载体向所述真空反应容器中喷入还原剂粉末；其中，所述还原剂粉末中的有效还原成分的量为所述镍铁渣中铁和硅之和的摩尔当量的1-1.1倍；所述真空还原反应容器中的惰性气体压力为1500Pa-3000Pa；
对喷入还原剂粉末的真空反应容器进行加热处理，使所述真空反应容器中的温度维持在1550℃±50℃，保温30min-50min，使所述镍铁渣与所述还原剂粉末发生充分还原反应，得到低硅位SiFe和高品位的含镁渣；其中，在所述低硅位SiFe中，Si含量为30％-55％；在所述高品位的含镁渣中，MgO含量为30％-50％；
向充分还原反应后的真空反应容器中加入稀渣剂，对所述高品位的含镁渣进行稀释处理，得到含有氧化镁的液态稀渣；
向加入稀渣剂后的真空反应容器中加入硅铁，并对所述真空还原反应容器进行加热抽真空处理，当所述真空反应容器的内部压强为1000Pa±100Pa，温度为1450℃-1600℃时，通过净化装置，对所述真空反应容器内产生的单质镁进行净化回收处理，得到金属镁。
此外，优选的方案是，所述高温熔融态的镍铁渣的温度为1450℃-1500℃。
此外，优选的方案是，所述还原剂粉末为碳粉；其中，所述碳粉为烟煤碳粉或半焦碳粉。
此外，优选的方案是，在对喷入还原剂粉末的真空反应容器进行加热处理，使所述真空反应容器中的温度维持在1550℃±50℃，保温30min-50min，使所述镍铁渣与所述还原剂粉末发生充分还原反应，得到含氧化镁的高粘度炉渣的过程中，
在所述真空反应容器内发生的还原反应包括：
SiO2(l)+5C(s)+Fe2O3(l)＝2SiFe(l)+5CO(g)。
此外，优选的方案是，所述稀渣剂的加入量为所述镍铁渣质量的3％-9％。
此外，优选的方案是，所述稀渣剂为CaF2、KF、NaF中的任意一种或至少两种按照任意比例混合而成。
从上面的技术方案可知，本发明提供的金属镁的生产方法，通过还原剂粉末和硅铁的两次提镁还原，在低真空热还原高温熔融镍铁渣，得到产品硅铁和富镁渣，再在此基础上加入少量的硅铁还原富镁渣得到金属镁，不仅能有效利用镍铁渣的丰富热能，且能对镍铁渣中的各元素Si、Fe、Mg等进行综合利用，产生良好的经济效益；本发明可与镍铁炉配合100％消纳液态镍铁渣，消除了镍铁渣对环境的危害，有助于镍铁生产企业的可持续发展，且充分利用高温镍铁渣的热量，降低还原加热能耗，可有效降低炼镁成本。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的金属镁的生产方法的流程图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。
针对前述提出的目前在现有技术中，从镍铁渣中提取金属镁的过程中反应效率低、对镍铁渣的利用量有限、不能综合利用Fe、Mg、Si、Al等元素和高温熔融镍铁渣的热能，造成了资源的大量浪费等问题，提出了一种金属镁的生产方法。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
为了说明本发明提供的金属镁的生产方法，图1示出了本发明实施例的金属镁的生产方法的流程。
如图1所示，本发明提供的金属镁的生产方法，包括如下步骤：
S1、将高温熔融态的镍铁渣加入到真空反应容器中，并对真空反应容器进行抽真空处理，使真空反应容器的内部压强维持在5000Pa-10000Pa。
具体的，通过给料斗等装置将高温熔融态的镍铁渣加入到真空反应容器中，对加入了高温熔融态的镍铁渣的真空反应容器进行抽真空处理，使真空反应容器的内部压强维持在5000Pa-10000Pa。
其中，高温熔融态的镍铁渣的温度为1450℃-1500℃。此温度与镍铁渣刚产生的温度相近，后续对高温熔融态的镍铁渣进行还原时，能够充分对镍铁渣的温度进行利用，降低还原加热能耗，降低成本。
S2、通过喷射装置以惰性气体为载体向真空反应容器中喷入还原剂粉末；其中，还原剂粉末中的有效还原成分的量为镍铁渣中铁和硅之和的摩尔当量的1-1.1倍；真空还原反应容器中的惰性气体压力为1500Pa-3000Pa。
具体的，通过喷射装置以惰性气体为载体向待反应的真空反应容器中喷入还原剂粉末能够使还原剂粉末与镍铁渣接触的更加充分，有利于后续还原反应的进行。
其中，在通过喷射装置以惰性气体为载体向真空反应容器中喷入还原剂粉末的过程中，
通过喷射装置以惰性气体为载体向真空反应容器的反应铁水包中喷入还原剂粉末；其中，真空反应容器包括真空罐、设置在真空罐的内部的反应铁水包；在反应铁水包的底部设置有熔池；在反应铁水包的顶部设置有防溅盖，在防溅盖上设置有插口，在反应铁水包的底部设置有熔池；在真空罐的顶部设置有真空盖，在真空盖上设置有开口；开口设置在所述插口的下方。通过真空罐便于对真空反应容器进行真空处理，通过防溅盖上的插口和真空盖上的开口便于向反应铁水包内喷射还原剂粉末。
S3、对喷入还原剂粉末的真空反应容器进行加热处理，使真空反应容器中的温度维持在1550℃±50℃，保温30min-50min，使镍铁渣与还原剂粉末发生充分还原反应，得到低硅位SiFe和高品位的含镁渣；其中，在所述低硅位SiFe中，Si含量为30％-55％；在所述高品位的含镁渣中，MgO含量为30％-50％；
具体的，此真空度和温度恰好可控制镍铁渣中的铁和硅被充分还原，而铝、镁不反应。保温30min-50min，使其发生充分还原反应，加热方法可选择通电加热。
其中，在对喷入还原剂粉末的真空反应容器进行加热处理，使真空反应容器中的温度维持在1550℃±50℃，保温30min-50min，使镍铁渣与还原剂粉末发生充分还原反应，得到低硅位SiFe和高品位的含镁渣的过程中，
通过将喷射装置穿过真空盖的开口和防溅盖的插口插入反应铁水包的内部，在向反应铁水包中喷入还原剂粉末的同时对反应铁水包的底部的熔池进行加热处理，使熔池中的温度维持在1550℃±50℃，保温30min-50min，使镍铁渣与还原剂粉末发生充分还原反应，得到低硅位SiFe和高品位的含镁渣。
其中，喷射装置为喷枪，喷枪通过穿过真空盖的开口和防溅盖的插口插入真空反应容器内部。喷枪为常用的喷射装置，也可选择其它的喷射装置进行替换，在此不做特别限定。
其中，还原剂粉末为碳粉；其中，碳粉为烟煤碳粉或半焦碳粉。碳粉能够更好的利用镍铁渣的热量。
其中，在对喷入还原剂粉末的真空反应容器进行加热处理，使真空反应容器中的温度维持在1550℃±50℃，保温30min-50min，使镍铁渣与还原剂粉末发生充分还原反应，得到含氧化镁的高粘度炉渣的过程中，
在真空反应容器内发生的还原反应包括：
SiO2(l)+5C(s)+Fe2O3(l)＝2SiFe(l)+5CO(g)。S4、向充分还原反应后的真空反应容器中加入稀渣剂，对含氧化镁的高粘度炉渣进行稀释处理，得到含有氧化镁的液态稀渣。
具体的，通过给料装置向真空反应容器加入适量的稀渣剂，使高氧化镁的高粘度炉渣转化为工业生产可接受的液态稀渣。
其中，此稀渣剂的加入量为镍铁渣质量的3％-9％。
其中，稀渣剂为CaF2、KF、NaF中的任意一种或至少两种按照任意比例混合而成。
S5、向加入稀渣剂后的真空反应容器中加入硅铁，并对真空还原反应容器进行加热抽真空处理，当真空反应容器的内部压强为1000Pa±100Pa，温度为1450℃-1600℃时，通过净化装置，对真空反应容器内产生的单质镁进行净化回收处理，得到金属镁。
具体的，硅铁选用75％硅铁(硅的占比含量为75％)，能够对液态稀渣进一步还原，有利于金属镁的提取。加热升温并抽真空，当真空反应容器内压强为1000Pa±100Pa，温度为1450-1600℃时，高品位的含镁渣被硅铁液还原生成单质镁，最后通过净化装置收集净化在所述真空反应容器生成的金属镁。
本发明可以采用真空反应容器周期性还原模式生产，即镍铁渣中Mg素在不断的还原过程中不断消耗降低，当Mg素减低到≤5％时，反应停止。更换新镍铁渣液再次开始新一个周期的还原过程。本发明也可采用双真空反应容器交替半连续还原模式生产，即采用二个相同的真空反应容器将收集管道通过切换阀门并联在同一套液态收集及收集净化系统和排气系统上，当一个真空反应容器处于第一步碳热还原SiO2状态时，排放的CO产物气体进入煤气柜收集，另一个真空反应容器处于第二步硅铁还原氧化镁状态，产物镁蒸气切换到收集净化系统收集金属镁及副产物金属。
通过上述具体实施方式可看出，本发明提供的金属镁的生产方法，通过还原剂粉末和硅铁的两次提镁还原，在低真空热还原高温熔融镍铁渣，得到产品硅铁和富镁渣，再在此基础上加入少量的硅铁还原富镁渣得到金属镁，不仅能有效利用镍铁渣的丰富热能，且能对镍铁渣中的各元素Si、Fe、Mg等进行综合利用，产生良好的经济效益；本发明可与镍铁炉配合100％消纳液态镍铁渣，消除了镍铁渣对环境的危害，有助于镍铁生产企业的可持续发展，且充分利用高温镍铁渣的热量，降低还原加热能耗，可有效降低炼镁成本。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的金属镁的生产方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的金属镁的生产方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
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