一種在皮江法還原鎂過程製備出鋁矽鐵合金及還原鎂的方法與流程
2023-05-11 05:44:21 1
本發明屬於冶金技術領域，具體涉及一種真空生產鋁矽鐵及用作鎂還原的方法。
背景技術：
皮江法煉鎂的傳統工藝是將白雲石煅燒，煅燒後獲得的物料通常稱作煅白，在煅白中按還原配比要求配入一定量的矽鐵及氟化鈣後在1200℃，真空條件下加熱12小時左右，將其中的鎂還原。由於還原工藝、爐料配比、加熱條件等原因，皮江法還原鎂時鎂的還原率普遍在75％左右。還原後獲得的渣稱作鎂渣，根據工廠實踐結果來看，渣中氧化鎂含量普遍在5％-12％之間，渣中還含有矽酸鐵、矽酸鈣、氧化鎂等。
因為傳統皮江法煉鎂工藝在1200℃還原12小時左右，所以導致能耗較高，為了降低能耗，很多研究都在尋找還原溫度更低、還原速度更快的還原劑，目前已探索的還原劑有鋁粉、鋁矽合金和鋁矽鐵合金等，矽鐵作為還原劑時，因矽鐵的熔化溫度較高(1300℃)，在皮江法煉鎂的還原溫度(1200℃)時，矽鐵不能熔化，矽鐵與煅白之間的還原反應屬於固相還原反應，因此還原速度較慢，並且需要還原溫度較高，鋁粉作為鎂的還原劑，其熔點較低(660℃)，在還原過程中鋁能較快的熔化，即在皮江法還原溫度1200℃時，其可以與煅白之間發生液相化學反應，還原速度較矽鐵快，其相較於傳統皮江法，其還原溫度可降低至1100℃左右，其還原生成的鎂渣中會產生高熔點的鋁酸鈣，減少還原罐的結渣。但鋁粉價格較高，也導致其無法大量的作為鎂的還原劑。鋁矽合金作為還原劑，含鋁40％～60％的鋁矽合金的熔點為930～1100℃，用鋁矽合金作為還原劑煉鎂比用矽鐵合金為還原劑時，反應溫度可以降低。鋁矽合金比矽鐵合金活潑，並且鋁矽合金與氧化鎂之間發生的是固液反應，所以，反應速度加快，可以縮短反應時間反應時間，提高生產效率。當鋁矽合金中有鐵存在時，鐵可以提高鋁的還原活性，另鋁矽鐵合金可以降低鎂的還原溫度至1000℃左右，並能縮短還原鎂的時間和提高鎂的還原率，具有良好的發展前景。
目前已有的鋁矽鐵合金的生產方法有兩種，一種是兌摻法,即用純鋁錠與75#矽鐵在中頻感應爐內進行冶煉，其冶煉工藝為先在爐內加入廢鋼熔化，再加入矽鐵，待矽鐵熔化後加入鋁錠，熔化後的熔體中加入氯化鋅除氣精煉，精煉後扒渣澆鑄，獲得一定鋁、矽、鐵含量的鋁矽鐵合金。另一種冶煉鋁矽鐵的方法是用含鋁的礦物如高嶺土，工業氧化鋁與含矽的礦物等，將含鋁的礦物與煙煤和石油焦等混合，再用紙漿等作為粘結劑混捏成塊狀，混捏塊經乾燥後在電弧爐內進行冶煉，獲得鋁矽鐵合金，這兩種方式冶煉鋁矽鐵合金的成本均較高，鋁矽鐵合金作為皮江法煉鎂工藝的還原劑其成本較矽鐵作為還原劑時成本增加很多，導致鋁矽鐵合金無法在皮江法煉鎂過程中使用，無法發揮鋁矽鐵合金再還原鎂過程中降低鎂還原溫度，縮短還原時間及提高鎂的還原率的優勢。因此目前矽鐵仍然是皮江法煉鎂的主要還原劑，用矽鐵做還原劑時的能耗高，鎂渣中氧化鎂含量高的問題依然無法克服。
由以上分析可知，鋁粉、鋁矽合金及鋁矽鐵合金均較矽鐵還原鎂的效率高，能耗低；從還原溫度來看，鋁矽鐵合金能夠大幅降低鎂的還原溫度(1000℃)，如果能夠降低鋁矽鐵合金的生產成本，有望成為較有前景的鎂還原劑，即降低了鎂還原的能耗，又提高了鎂的還原效率；但從成本來看，以上三種新的還原劑代替矽鐵均存在成本較高的問題，現階段難以實現大規模產業化應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種在皮江法還原鎂過程製備出鋁矽鐵合金及還原鎂的方法，該方法是用廢鋁代替部分矽鐵，以鋁與矽鐵的混合物作為傳統皮江法煉鎂的還原劑，在鎂還原罐升溫過程中，在真空條件下在還原罐內生產出鋁矽鐵合金，並且將以鋁矽鐵合金作為鎂的還原劑，簡化了鋁矽鐵的生產的流程，並降低了鋁矽鐵作為煉鎂還原劑的成本，提高了鎂還原效率、降低了鎂渣中的氧化鎂含量，為鎂渣的利用創造了有利條件；降低了鎂還原溫度，為降低還原過程能耗、提高還原罐壽命提供條件；降低了還原罐的結渣速度，為提高生產效率提供了條件。
為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種在皮江法還原鎂過程製備出鋁矽鐵合金及還原鎂的方法，包括以下步驟：
1)將煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣混合併壓球，得到混合球體，然後將混合球體裝入鎂還原罐，加熱反應；
2)，反應結束後降溫，破真空，將揮發出的鎂以單質鎂形式回收。
進一步的，步驟1)中混合球體中煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣的質量百分比分別為：80-85％，1-12％，4-15％，1-3％。
進一步的，步驟1)中反應溫度為1000-1300℃，反應時間為1-12h。
進一步的，步驟1)中加入的煅白為白雲石煅燒後得到的物料。
進一步的，步驟1)中加入的鋁粉為廢鋁、再生鋁或純鋁。
進一步的，步驟1)加入的鋁粉的粒度為74μm-3mm。
進一步的，步驟1)中加入的矽鐵的粒度為74μm-1mm。
進一步的，步驟1)中加入的鋁粉、矽鐵、氟化鈣與煅白混合時採用研磨機、擠壓機或圓筒混料機進行混料。
進一步的，步驟1)中混合球體的直徑小於100mm。
進一步的，步驟1)中煅白用傳統皮江法產出的鎂渣代替。
進一步的，步驟1)中將混合球體裝入鎂還原罐後對反應罐抽真空後進行反應。
進一步的，步驟1)中將混合球體裝入鎂還原罐後對反應罐抽真空只200pa後進行反應。
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
本發明通過合理的控制矽鐵、廢鋁的比例，以及在加熱過程中溫度和時間，就能實現在真空條件下生產出鋁矽鐵合金，並且將生產出的鋁矽鐵合金用作鎂還原劑，降低了鋁矽鐵合金用作鎂還原過程的成本；另外，可以降低鎂還原溫度，減少還原罐結渣量，本發明是在現有傳統皮江法生產鎂的過程中改變還原劑配料來實現，傳統皮江法的設備即可實現，設備成熟可靠，安全可控，操作方便，能有效實現鎂的還原效率。
本發明為了降低鋁矽鐵在還原鎂過程中的成本，在鎂還原過程中，用廢鋁或者再生鋁等替代傳統皮江法煉鎂的部分矽鐵，以鋁與矽鐵的混合物作為煉鎂的還原劑，將鋁、矽鐵與煅白按工藝要求配料，配料完成後將混合料壓塊，裝入還原罐進行升溫還原，在升溫過程中，鋁在660℃(鋁的熔點)左右熔化，與矽鐵生成鋁矽鐵合金，鋁矽鐵合金的熔點較低(880℃)，即在鋁與矽鐵形成鋁矽鐵合金之前，不會出現鋁、矽鐵分別與煅白中氧化鎂發生還原反應的可能性，因此鋁和矽鐵在還原罐升溫過程中即可生產出鋁矽鐵合金，同時生產出的鋁矽鐵合金即可作為煉鎂的還原劑，由於使用的是新製備的液態鋁矽鐵合金，活性較高,並且在混合料中分布較均勻,其還原鎂的效果比單獨加入煅白中的鋁矽鐵合金的還原效果要好。
本發明是在鋁粉、矽鐵、煅白、氟化鈣混合團塊升溫過程中採用兌摻法製備出了鋁矽鐵合金，制出的鋁矽鐵合金用作還原鎂的還原劑，減少了傳統方式造出的鋁矽鐵的降溫、破碎和磨細的工序。現有技術主要用的還原劑為矽鐵、鋁矽或高鋁的鋁矽鐵合金，本發明的創新點主要是：
(1)在皮江法煉鎂過程中通過用鋁粉代替部分矽鐵進行鎂還原，矽鐵仍然為主要還原劑，還原劑的成本提高較少。
(2)在皮江法升溫還原過程中使配入的鋁粉與矽鐵在800℃左右首先合成鋁矽鐵合金，再用鋁矽鐵合金還原鎂，可以減少鋁矽鐵合金製備過程中的工序。
(3)加少量鋁粉，因鋁粉熔點較低(660℃)在升溫過程中首先形成液相，可以加快團塊混合料的傳熱速度，隨著溫度進一步的升高(800℃)左右，鋁液滴與矽鐵粉生成鋁矽鐵合金液相，使液相進一步的增加，更能促進團塊混合料的傳熱速度，在溫度升至1000℃左右鋁矽鐵開始與氧化鎂發生還原反應，並且鋁矽鐵與氧化鎂的還原反應屬於液固反應，相較於矽鐵還原鎂的固固反應，反應速度更快，可以加速還原速率。
(4)所摻入鋁粉為鋁合金的邊角料、廢鋁件等產出的再生鋁粉，鋁原料成本低，本方法既可以實現鎂的高效還原，又可以實現廢鋁的資源高效利用。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步詳細說明。
實施例1：
將含鎂17％的煅白、鋁粉、矽鐵粉和氟化鈣用研磨機進行混料並壓球，得到直徑10mm的混合球體，然後將混合球體放入石墨坩堝中再裝入真空爐，抽真空至真空爐內壓力達到200pa以下時，開始升溫至1000℃保溫6h，保溫結束後降溫至常溫，取出爐內剩餘物料檢測其中的鎂含量；其中，所加入的煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣的質量比為84:6:10:2，檢測還原後剩餘物料中鎂含量為0.5％。
實施例2：
將含鎂17％的煅白、鋁粉、矽鐵粉和氟化鈣用研磨機進行混料並壓球，得到直徑10mm的混合球體，然後將混合球體放入石墨坩堝中再裝入真空爐，抽真空至真空爐內壓力達到200pa以下時，開始升溫至1200℃保溫6h，保溫結束後降溫至常溫，取出爐內剩餘物料檢測其中的鎂含量；其中，所加入的煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣的質量比為84:12:4:2，檢測還原後剩餘物料中鎂含量為0.1％。
實施例3：
將含鎂17％的煅白、鋁粉、矽鐵粉和氟化鈣用研磨機進行混料並壓球，得到直徑10mm的混合球體，然後將混合球體放入石墨坩堝中再裝入真空爐，抽真空至真空爐內壓力達到200pa以下時，開始升溫至1100℃保溫6h，保溫結束後降溫至常溫，取出爐內剩餘物料檢測其中的鎂含量；其中，所加入的煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣的質量比為84:10:6:2，檢測還原後剩餘物料中鎂含量為0.2％。
實施例4：
將傳統皮江法產出的鎂渣、鋁粉、矽鐵粉和氟化鈣用研磨機進行混料並壓球，得到直徑50mm的混合球體，然後將混合球體放入石墨坩堝中再裝入真空爐，抽真空至真空爐內壓力達到200pa以下時，開始升溫至1000℃保溫12h，保溫結束後降溫至常溫，取出爐內剩餘物料檢測其中的鎂含量；其中，所加入的煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣的質量比為85:10:4:1，檢測還原後剩餘物料中鎂含量為0.4％。
實施例5：
將含鎂17％的煅白、鋁粉、矽鐵粉和氟化鈣用研磨機進行混料並壓球，得到直徑80mm的混合球體，然後將混合球體放入石墨坩堝中再裝入真空爐，抽真空至真空爐內壓力達到200pa以下時，開始升溫至1100℃保溫1h，保溫結束後降溫至常溫，取出爐內剩餘物料檢測其中的鎂含量；其中，所加入的煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣的質量比為80:2:15:3，檢測還原後剩餘物料中鎂含量為0.3％。
實施例6：
將含鎂17％的煅白、鋁粉、矽鐵粉和氟化鈣用研磨機進行混料並壓球，得到直徑80mm的混合球體，然後將混合球體放入石墨坩堝中再裝入真空爐，抽真空至真空爐內壓力達到200pa以下時，開始升溫至1300℃保溫3h，保溫結束後降溫至常溫，取出爐內剩餘物料檢測其中的鎂含量；其中，所加入的煅白、鋁粉、矽鐵、氟化鈣的質量比為84:1:12:3，檢測還原後剩餘物料中鎂含量為0.3％。
由實施例可以看出，經過本發明方法還原煅白，可以使還原後鎂渣中的鎂降低至0.5％以下。