霍燕清，李秋書，柴躍生，康 麗，魏 偉，劉 敏

（太原科技大學材料科學與工程學院，山西太原 030024）

金屬鎂是我國具有國際競爭力的重要出口物資，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%以上，年產(chǎn)量已經(jīng)能夠達64萬t之多，居世界第一[1]。目前世界上大多采用的是傳統(tǒng)皮江法煉鎂。傳統(tǒng)皮江法煉鎂過程主要可分為白云石煅燒、原料制備、還原和精煉四個階段，其工藝是將白云石原料（主要是Mg CO3·CaCO3）在爐窯中煅燒（俗稱“煅白”），研磨成一定粒度后與硅鐵粉和螢石粉混合并制成一定尺寸的球團物料，送入一端封閉、另一端開口的水平放置的耐熱鋼還原罐內(nèi)，在約1150℃～1200℃高溫狀態(tài)和1 Pa～13 Pa的真空壓力條件下用Si來還原Mg，國內(nèi)絕大多數(shù)鎂企業(yè)都采用此生產(chǎn)方式，在還原裝備中多以水平放置還原罐結(jié)構(gòu)為主要特點，但傳統(tǒng)煉鎂法是一種間歇式生產(chǎn)方式，其生產(chǎn)效率低下，不便于實現(xiàn)機械化，不僅造成能源浪費，而且影響還原罐壽命[2]。為了提高鎂的還原效率，和實現(xiàn)連續(xù)、環(huán)保生產(chǎn)，人們在還原設備和還原反應速率方面都進行了大量的研究和實驗，并取得了很多成果，本文主要綜述了煉鎂工藝的影響因素以及提高還原鎂生產(chǎn)率的方法。

1 影響還原罐內(nèi)還原速率的因素

在煉鎂工藝方面，還原鎂需要的環(huán)境是1150℃～1200℃高溫狀態(tài)和1P a～13P a的真空壓力條件[3]，由此可見溫度是影響還原效率的最主要的因素。除了還原的溫度及真空壓力條件外，以下因素的影響非常重要：

1）球團物料的配料和配制。球團物料中作為還原劑的Si與“煅白”后MgO的接觸面積大小直接影響著還原效率的高低。這主要與原料中鎂的品位、物料的研磨粒度、還原劑的加入量以及球團壓制密度有關(guān)。鎂的還原反應實際上是固－固反應，在一定條件下，球團物料中Si原子必須擴散遷移并與MgO接觸才發(fā)生反應，擴散距離的大小直接關(guān)系到還原反應速度和時間。配料過程中需要根據(jù)實際情況進行計算，制定科學的物料配比和生產(chǎn)工藝。這些參數(shù)不但影響生產(chǎn)成本，最重要是影響還原反應過程的快慢。

2）還原反應產(chǎn)物鎂蒸氣[4]脫附球團物料的界面。在還原過程中，球團物料外表層最先被加熱到還原反應所需溫度，反應產(chǎn)物（鎂蒸氣）很快脫附反應表面，從而造成了球團物料內(nèi)部和外部的濃度梯度，而內(nèi)部的反應產(chǎn)物只能通過不斷地擴散才能夠從中心高濃度區(qū)擴散遷移至外表層低濃度區(qū)并脫附逃逸，使還原反應不斷進行。這種現(xiàn)象成為整個還原過程的限制環(huán)節(jié)。擴散遷移距離越大則反應時間就越長。也就是說，鎂蒸氣和球團物料接觸界面的多少是決定還原反應時間長短的又一個重要因素。但長期以來，人們只是按照傳統(tǒng)工藝進行生產(chǎn)，而恰恰是二者之間的最重要的關(guān)系卻很少有人涉及和研究。只注重了球團物料的形狀以及強度，以保證球團之間的間隙，而忽視了球團的結(jié)構(gòu)和界面對還原反應速率及時間的影響。

3）還原罐內(nèi)球團物料受熱的均勻度。在加熱過程中，球團物料在時間和空間上受熱都不均勻，與罐壁接觸的最外層球團物料升溫較快，中心區(qū)域球團物料升溫較慢，內(nèi)外區(qū)域存在較大溫差。當外層球團物料開始還原時，因為是吸熱反應，又吸收了一部分熱量，這樣就更加阻止了熱量向內(nèi)部的傳導，進一步增大了熱差值。隨著外層球團物料反應逐漸趨于完成，熱量也逐漸加大了向內(nèi)部的傳導，內(nèi)部球團物料也就開始了還原反應。由此可知，裝料越厚，則傳熱路徑就越長，熱阻就越大，罐內(nèi)中心區(qū)域的球團溫度上升就越緩慢，導致還原時間變長，產(chǎn)鎂速率[2]下降。因而加大熱量向內(nèi)部的傳導能力，保證不同部位物料的受熱均勻性，是提高反應速率的重要工藝措施。

4）球團物料的形狀?，F(xiàn)有硅熱法煉鎂過程中，球團都是壓實后放入還原罐內(nèi)進行還原的，從前人進行的數(shù)值計算和實驗研究中我們可以分析看出在還原過程中物料球團的受熱存在“冷芯”現(xiàn)象，這就嚴重影響了鎂的還原反應速率。如果能夠在物料球團的制造方面進行適當?shù)母脑欤热?，將其做成空心或者網(wǎng)狀的話，可能會在一定程度上加快還原反應速率。

2 皮江法煉鎂設備裝置的改進

針對上述影響還原鎂過程中的各種因素，人們進行了大量的實驗研究，但由于改變物料球團的受熱均勻度相對來說比較容易實現(xiàn)，所以目前實現(xiàn)的改進技術(shù)都是改進受熱均勻度方面的一些成果。

2.1 蓄熱燃燒技術(shù)

蓄熱燃燒技術(shù)是通過彌散燃燒、多點供熱以及爐體結(jié)構(gòu)的設計實現(xiàn)爐膛溫度的三維均勻，達到爐體新型化、提高產(chǎn)鎂率、延長還原罐及爐體壽命、縮短還原周期等目的。

傳統(tǒng)的硅熱法是利用煙氣對還原罐進行加熱，存在著嚴重的能量浪費，在加熱過程中大約有87.66%的熱量被浪費掉，其中60%左右被煙氣帶走，僅有10%左右的熱量用于還原鎂。由此可見，要想提高還原效率最主要的就是把煙氣中的那部分熱量有效利用起來。肖友軍等[5]認為可以對煙氣的余熱進行回收利用，并對還原罐的構(gòu)造進行改造，提高溫度的三維均勻性和隨時間的穩(wěn)定性，進而達到提高還原效率的目的。

解決的方法是一方面改進還原罐結(jié)構(gòu)以及其加熱方式，設計新型蓄熱燃燒裝置（如圖1），采用蓄熱式燃氣在側(cè)面對還原罐進行加熱，蓄熱燒嘴布置在還原爐的側(cè)面，蓄熱燃燒系統(tǒng)主要包括：新型高效蓄熱式燃燒器、煤氣補熱噴嘴、兩位三通換向閥以及相應的空氣、煤氣和煙氣管路。

圖1 直燃式多點燃燒器的布置與雙面雙排還原罐排布

另一方面相對于傳統(tǒng)硅熱法該方法還對還原罐的排列方式進行了改進，如圖2[5]所示。傳統(tǒng)還原罐是分層排列，最多兩排，煙氣從爐膛進入入口，自上而下利用對流對還原罐進行加熱，這將導致還原罐上層溫度偏高，下層溫度相對較低。而此設計中將燒嘴設計在爐體的側(cè)面，將爐體下部原來的進火孔變成還原罐的支撐，并放置還原罐，使還原罐間的距離更小，還原罐的排布更加緊密。

圖2 新型鎂還原爐結(jié)構(gòu)示意圖

采用蓄熱燃燒技術(shù)的煉鎂法在節(jié)能方面效果顯著，傳統(tǒng)硅熱法生產(chǎn)粗鎂1 t需要原煤5.5 t，而此方法生產(chǎn)等量粗鎂所需原煤是傳統(tǒng)方法的一半；因為可以適當加長罐子的長度，單罐鎂產(chǎn)量是原來的2倍；新型金屬鎂還原爐采用發(fā)生爐煤氣為燃料，燃料可以連續(xù)供給和精確調(diào)整，這樣時間上的溫度不均勻性就不存在了；上、下兩層燒嘴的布置和交替蓄熱換向保證了爐溫在全爐膛空間內(nèi)的溫度均勻性，這對提高產(chǎn)鎂率十分有利。但是此技術(shù)的不足之處一方面高溫條件下，長時間使用可能會使管道發(fā)生腐蝕和或氧化并發(fā)生堵塞。另一方面其經(jīng)濟成本比較高，這就限制了此技術(shù)的推廣和使用。

2.2 煉鎂還原罐中的徑向強化技術(shù)

徑向強化器如圖3所示，是一種安裝在還原罐中強化罐內(nèi)徑向傳熱的裝置，這種裝置縮短鎂還原周期的30%左右。同時，一定程度上實現(xiàn)了還原金屬鎂的機械化裝出料。

圖3 強化器結(jié)構(gòu)示意圖

鎂還原過程中耗能高，還原效率低的瓶頸就是還原罐內(nèi)外的傳熱問題，因為整個還原罐不是均勻受熱的，這就導致罐子在向內(nèi)部物料傳熱的過程中，罐內(nèi)存在著較大的溫度梯度，這對于鎂的還原周期有著相當大的影響。針對這個問題，夏德宏等人認為還原罐傳熱效率低下的最主要因素是還原罐外的對流換熱熱阻過大[6]。球團物料中心區(qū)域升溫速率緩慢嚴重制約著鎂還原效率的提高。提高還原罐內(nèi)外的傳熱效率須從改進還原爐和還原罐結(jié)構(gòu)上下功夫。

設備在還原罐中設計了徑向強化器，此裝置由支撐架、強化棒、出料弧形鋼板、連接件、裝料罐、進料鋼板和液壓驅(qū)動裝置組成。其中出料鋼板、強化棒和連接件和支撐架聯(lián)為一體，推桿和進料鋼板是一體的。設計模仿火車車廂之間的對接形式，設計的關(guān)鍵零件是連接桿，裝料罐內(nèi)裝滿物料后與還原罐接上，液壓驅(qū)動裝置推動進料鋼板，將物料和強化器推入還原罐內(nèi)，之后推桿和連接桿分離，完成裝料。在還原進行完后，推桿直接伸入還原罐內(nèi)與連接桿對接，液壓驅(qū)動裝置再次驅(qū)動，將物料從還原罐內(nèi)拉出。另外，強化棒的長度沒有還原罐的長度長，這樣，強化器與冷凝器沒有接觸，避免了還原罐內(nèi)軸向上與冷凝器的傳熱得到加強。

強化器裝置解決了還原罐中心區(qū)域物料升溫慢的問題，一定程度上提高了還原效率，縮短沒還原周期；裝置上面配備的液壓傳動裝置實現(xiàn)了機械化裝出料，也從另外一個角度縮短了沒還原周期。

2.3 還原罐內(nèi)導熱技術(shù)

工業(yè)煉鎂技術(shù)中存在著還原時間長、熱效率低、高污染等缺陷，其中還原效率低的主要原因是還原罐內(nèi)熱傳遞速率低，所以蘇明等人提出從增加罐內(nèi)傳熱速率出發(fā)，設計了罐內(nèi)導熱裝置（如圖4），改善罐內(nèi)導熱，縮短還原周期，以期達到提高能源利用率的目的[7]。

圖4 導熱裝置結(jié)構(gòu)圖

通過有限元模擬的方法可以得到傳統(tǒng)煉鎂法在還原過程中還原罐軸線上的點溫度分布曲線如圖5所示。

圖5 還原罐中心軸線上點溫度分布

從圖可以看出還原罐中心軸線上的溫度被加熱到1000℃需要2 h左右，但是溫度要想再上升到1150℃還需要10h，所以我們可以推斷還原罐內(nèi)物料的導熱速率是非常慢的，要想使罐內(nèi)溫度盡快上升到反應所需溫度（1150℃），在罐內(nèi)安裝強化導熱裝置是非常必要的。

導熱裝置的材質(zhì)為7 Ni25Cr，中心管材質(zhì)為1 Crl8Ni。使用方法是先將強化器安裝在一個套筒里，并且留一部分在套筒以外，在套筒一側(cè)上設計一個開口，料球能夠順著開口倒進套筒內(nèi)，然后慢慢把加強器推進套筒內(nèi)，并裝料球。記錄裝料量，然后把套有強化器的裝料筒放進還原罐，把套筒的一端放進還原罐內(nèi)，另一端支起，用力把強化器緩慢推進還原罐內(nèi)，然后取出套筒。這樣導熱裝置就和球團一起放到了還原罐中，封罐進行還原，并記錄時間和沒還原量。有限元模擬結(jié)果顯示，在還原出相同質(zhì)量鎂的前提下，此裝置與傳統(tǒng)裝置相比，還原罐中心軸線溫度達到反應溫度（1150℃）所用時間縮短3 h～5 h，這就相應的減少了能源的消耗，提高了冶煉效率。

3 結(jié)束語

中國是世界上儲鎂量最多的國家，經(jīng)過幾代人的不懈努力和研究，皮江法煉鎂這一古老的技術(shù)已經(jīng)煥發(fā)出蓬勃的生命力，但距離綠色冶金還有很大的距離。為了提高我國鎂生產(chǎn)效率、質(zhì)量和水平，維護鎂生產(chǎn)大國的聲譽，創(chuàng)新生產(chǎn)裝備技術(shù)和工藝，增強金屬鎂產(chǎn)品在國際上的競爭優(yōu)勢，節(jié)能降耗，保護環(huán)境，有必要對低排高效連續(xù)煉鎂新技術(shù)以及新工藝理論進行研究，為鎂冶煉裝備的創(chuàng)新提供具有可操作性的設計思路和新的工藝理論基礎。

［1］張津，章宗和.鎂合金及其應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

［2］Froats A.Lihgt M etal ［M ］.N ew Y ork:M etallurgical Society ofAIM E，1980.

［3］徐日瑤.硅熱法煉鎂生產(chǎn)工藝學［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

［4］郭國文，黃亮輝，李元元，等.一種新的煉鎂還原罐結(jié)構(gòu)［J］.鑄造，2001，50（7）：395-397.

［5］肖友軍，王靈鋒，徐祥斌.新型硅熱法煉鎂還原爐的設計開發(fā)［J］.中國有色冶金，2010（2）：45-47.

［6］夏德宏，張剛，郭梁.金屬鎂還原罐徑向傳熱強化器的研究［J］.工業(yè)加熱，2005，34（6）：39-41.

［7］蘇明，謝水生，閏亮，等.硅熱法煉鎂還原罐導熱裝置的試驗和數(shù)值模擬［J］.有色金屬，2007（4）：18-20.