采用物料失重率、金屬Mg還原率、X射線衍射(XRD)與掃描電子顯微鏡(SEM)等手段與方法,研究了真空條件下氧化鎂碳熱還原溫度、物料造球成型壓力、物料配比、碳熱還原保溫時間以及催化劑對氧化鎂碳熱還原法煉鎂工藝的影響。研究結果表明,在30~100 Pa時,碳熱還原溫度高于1553 K,控制物料壓塊壓力為8 MPa,此時物料失重率最大,最有利于氧化鎂的還原。隨著焦煤還原劑與氧化鎂摩爾比以及碳熱還原時間的增加,碳熱還原反應速率加大,還原率提高,但是變化效果不明顯,加入氟鹽CaF2后,物料失重率明顯提高,添加CaF2的質量超過物料總質量的3%時,物料失重率超過95%,還原率也相應大幅提高。因此,選擇適當的焦煤還原劑與氧化鎂摩爾比值以及碳熱還原時間,添加超過3%CaF2,將有利于該法煉鎂過程的順利進行與金屬Mg還原率的提高。此研究為真空碳熱法從氧化鎂中提取金屬Mg工藝提供了很好的實驗依據。

　　關鍵詞：氧化鎂;鎂;碳熱還原;真空冶金

　　金屬Mg 的強度/重量比值高, 因而非常適用于運輸工具的制造和特種合金生產, 2009年中國原鎂產量達到43 萬噸, 出口鎂錠及鎂相關產品共計約23132 萬噸, 專家預期在今后10 年將進一步擴大增長[1] 。當前真空熱還原法是生產鎂的主要工藝, 當中又以硅熱法的應用最為廣泛[ 2-3] 。但是, 這種工藝方法的缺點卻很突出, 主要表現在資源消耗量大,能耗高, 污染較為嚴重等方面, 此外由于還原劑活性不足, 導致還原階段周期較長, 一般在12 h 左右, 生產效率較低[4-5] 。如果采用廉價的碳作為還原劑進行鎂還原, 則可以達到既不用硅鐵, 從而降低成本,又可以適當降低能耗的目的, 真空條件下的碳熱還原氧化鎂過程, 可以使氣態的金屬Mg冷凝后直接得到結晶鎂, 省去了后續鎂粉再蒸餾問題[6-9] 。從19 世紀30 年代到20 世紀80 年代, 國外有很多人分別在常壓和真空條件下對碳熱還原法進行了一系列的研究[8-11] , 不過由于技術上的一些難題, 最終都導致了擴大實驗的失敗。近年, 昆明理工大學對氧化鎂真空碳熱還原法煉鎂開展了較多探索工作[12-14], 研究分析了氧化鎂真空碳熱還原的熱力學以及動力學機理。此外, 對鎂礦石碳熱還原制取金屬Mg 的過程進行了研究, 小型實驗獲得了成功[5-16] , 然而系統地對該工藝的研究鮮見報道。為此, 本文作者就碳熱還原溫度、物料成型壓力、物料配比、氧化鎂碳熱還原保溫時間、催化劑(CaF2) 等因素對真空下碳熱還原氧化鎂制取金屬Mg 的工藝影響進行了系統考察, 以期為各類鎂礦直接碳熱還原法提取金屬Mg工藝提供基礎數據。

　　(1) 通過單因素實驗法得到各個因素對于碳熱還原法煉鎂的影響規律, 為該工藝的工業生產提供基礎參考數據。具體為: 在30~100 Pa時, 碳熱還原溫度高于1553K, 控制物料壓塊壓力為8MPa, 此時物料失重率最大, 最有利于氧化鎂的還原。隨著焦煤還原劑與氧化鎂摩爾比以及碳熱還原時間的增加, 碳熱還原反應反應速率加大, 還原率提高, 但是變化效果不明顯, 加入氟鹽CaF2后, 物料失重率明顯提高, 添加CaF2的質量超過物料總質量的3% 時,物料失重率超過95%, 還原率也相應大幅提高。因此, 選擇適當的焦煤還原劑與氧化Mg 摩爾比值以及碳熱還原時間, 添加超過3% CaF2, 將有利于該法煉鎂過程的順利進行與金屬Mg還原率的提高。

　　(2) 通過對冷凝物的XRD分析及SEM檢測可知, 在冷凝盤得到的金屬為金屬Mg, 且純度較高。但是由于金屬Mg與CO蒸氣發生可逆反應, 所以在冷凝物中檢測到MgO。需通過進一步處理, 才能得到不含有MgO純金屬Mg。

　　Abstract: Magnesium metal was extracted from magnesia by carbothermic reduction in vacuum.The Mg condensates were characterized with X-ray diffraction and scanning electron microscopy.The impacts of extraction conditions,including the pressure,temperature,molar ratio,carbothermic time and content of the catalyst,compactness of magnesia grains,etc.,on the Mg reduction rate and reactant weight loss were evaluated.The results show that the newly-developed Mg vacuum extraction technique does a good job,and that the extraction conditions strongly affect the Mg extraction rate and reactant weight loss.For instance,at a temperature over 1553 K,a pressure ranging 30～100 Pa,and with the grains compressed at 8 MPa,the largest reactant weight losses were obtained,resulting in the highest Mg reduction rate.As the molar ratio of C/MgO and reaction time increased,the rates of both carbothermic reaction and Mg reduction increased slowly.Addition of CaF2 significantly increased the reactant weight loss.When CaF2 accounted for 3% of the total weight,the weight loss rate increased up to 95%,coinciding with a large Mg reduction rate.

　　Keywords: Magnesia,Magnesium,Carbothermic reduction,Vacuum metallurgy

　　基金項目: 云南省教育廳科學研究基金項目(No.2010C257)

參考文獻：
　　[1]楊英惠譯.碳熱還原法煉鎂[J].現代材料動態,2007,(3):4-8
　　[2]朱昱,姚麗,徐秀茹.世界鎂生產現狀[J].世界有色金屬,2000,(11):14-17
　　[3]胡文鑫,劉建,馮乃祥.新型真空熱還原法制鎂工藝分析[J].有色礦冶,2010,26(4):39-41
　　[4]熊呈輝,周徐謝.我國硅熱法煉鎂現狀及發展趨勢[J].輕金屬,2005,(11):49-51
　　[5]李曉波,殷建華.利用碳還原法生產鎂與氧化鋁的新工藝研究[J].世界有色金屬,2007,(1):53-55
　　[6]彭建平,馮乃祥,陳世棟,等.CaC2還原MgO熱力學分析與實驗研究[J].真空科學與技術學報,2009,29(6):637-640
　　[7]郁青春,楊斌,馬文會,等.氧化鎂真空碳熱還原行為研究[J].真空科學與技術學報,2009,29(5):68-71
　　[8]Winand R.Production of Magnesium by Vacuum CarbothermicReduction of Calcined Dolomite[J].Trans Instn Min Metall(Section C),1990:105-111
　　[9]Duncan T A.Production of Magnesium by Carbothermic Pro-cess at Permanente[C].Trans of AIMME,1944,159:308-314
　　[10]Hansgirg F.The Iron Age[C],1943:56-63
　　[11]Geoffrey Brooks,Simon Trang,Peter Witt,et al.The Car-bothermic Route to Magnesium[C].JOM;2006,58(5)ABI/INFORM Trade&Industry
　　[12]李志華,戴永年.真空中煤還原氧化鎂的研究[D].昆明:昆明理工大學博士學位論文,2004
　　[13]鐘勝.氧化鎂真空碳熱還原研究[D].昆明:昆明理工大學碩士學位論文,1999
　　[14]劉紅湘.真空碳熱法冶煉金屬鎂的實驗研究[D].昆明:昆明理工大學碩士學位論文,2008
　　[15]薛懷生,李志華.煅白真空碳熱還原試驗研究[J].有色金屬設計,2004,31(1):21-24
　　[16]李一夫.真空碳熱還原菱鎂礦制取金屬鎂的實驗研究[D].昆明:昆明理工大學碩士學位論文,2008
　　[17]LI RONGTI,PAN WEI,MASAMICHI SANO.Kinetics andMechanism of Carbothermic Reduction of Magnesia[J].Met-allurgical and Materials Transactions,2003(8):433-437
　　[18]鐘興厚,徐紹齡,呂云陽.《無機化學叢書》第六卷-鹵素、銅分族、鋅分族[M].北京:科學出版社,1995:5-445
　　[19]徐日瑤.有色金屬提取冶金手冊(鎂)[M].北京:冶金工業出版社,1992:263-299