真空碳熱還原煅白制取金屬鎂的冷凝實驗研究

　　簡要分析了真空碳熱還原煅白制取金屬鎂過程中鎂蒸氣冷凝所遇到的主要問題，并通過理論計算和實驗提出了解決方案。首先從實驗結(jié)果的對比中發(fā)現(xiàn)，真空碳熱還原煅白的冷凝產(chǎn)物會發(fā)生燃燒甚至爆炸主要是鈉鉀等堿金屬的自燃所引起的。在對冷凝區(qū)的熱量分布進(jìn)行計算分析后，對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行了改造，結(jié)果表明，改造后的冷凝設(shè)備對金屬鎂的直收率有很大提升。最后，對現(xiàn)存的傳統(tǒng)真空冷凝設(shè)備提出了多級冷凝的改造方案，實驗結(jié)果表明冷凝產(chǎn)物形貌發(fā)生明顯改善，晶粒尺寸加大、氧化率降低，鉀鈉蒸氣與鎂蒸氣分級冷凝，達(dá)到安全生產(chǎn)的要求。

　　因碳熱還原具有還原劑成本低、設(shè)備使用率高、對環(huán)境友好等優(yōu)勢，一直備受中外研究者的青睞。19世紀(jì)30年代F.Hausgirg開發(fā)了碳熱還原制備金屬Mg的工藝路線，并于Radentheim進(jìn)行小型試驗；Permanente Metals Corporation也曾用該法在Kalifornion建立了一個大型鎂廠，但由于生產(chǎn)的鎂粉具有可燃性，不久便已停產(chǎn)。之后Winand及其同事進(jìn)行了真空碳熱還原段白的小型和擴大試驗，最終以鎂粉造成真空管道堵塞而宣告失敗；最近，澳大利亞CSIRO研究院在蒸氣冷凝上有了突破性進(jìn)展，他們采用拉法爾噴嘴噴射超音速氣體來使鎂蒸氣急速冷卻，在保證冷凝鎂粉不發(fā)生爆炸的條件下進(jìn)行了半工業(yè)化試驗。

　　真空冶金國家工程實驗室在真空碳熱還原制備金屬Mg的研究中也取得了一定成績:李一夫和羅啟分別對真空碳熱還原菱鎂礦和紅土鎳礦進(jìn)行了研究；而李志華則解決了真空碳熱還原過程中反應(yīng)室的噴料問題；田陽對碳熱還原過程中氟化鈣的催化機進(jìn)行了深入分析；郁青春則在其論文中闡述了提高還原率的方法。日前，作者正致力于真空碳熱還原煅白的實驗研究，但鎂蒸氣的冷凝效果卻無法達(dá)到收集要求，不僅得到的鎂晶粒尺寸過小，而且氧化率高，極易發(fā)生燃燒甚至爆炸，在增加金屬灼損率的同時，也威脅生產(chǎn)安全。因此，鎂蒸氣冷凝是否可以有效控制就成為該法能否走向工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

　　1、理論分析

　　1.1、冷凝區(qū)熱量的輸入

　　如圖1所示，反應(yīng)區(qū)(高溫區(qū)A)的熱量通過三個途徑進(jìn)入冷凝區(qū)(低溫區(qū)B):

　　(1)反應(yīng)區(qū)通過聯(lián)接套管(冷凝管C)向冷凝區(qū)輻射的熱量。輻射熱在高溫下是主要的傳熱方式，它可以在真空中傳播，不需要任何物質(zhì)媒介。

　　(2)過熱鎂蒸氣進(jìn)入冷凝區(qū)后冷凝成為固體鎂所放出的熱量。

　　(3)通過還原區(qū)坩堝表面向冷凝區(qū)輻射的熱量。由于整個還原區(qū)坩堝密封且都被保溫氈包裹，因此與前兩種輸入方式相比，這種方式可以忽略不計。

圖1 真空爐示意圖

　　4、總結(jié)

　　(1)冷凝區(qū)內(nèi)溫差較大是造成堿金屬蒸氣與鎂蒸氣無法分開冷凝的主要原因。通過理論計算和分析，現(xiàn)有傳統(tǒng)真空設(shè)備中輻射熱量占冷凝區(qū)輸入熱量的62%，鎂蒸氣帶入冷凝區(qū)的熱量占38%。輻射傳熱的控制對蒸氣冷凝起到至關(guān)重要的作用。

　　(2)對于用傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行的真空碳熱還原煅白的實驗，金屬Mg的灼損率很高，容易燃燒和爆炸，直收率低生產(chǎn)危險性大。在改變了輻射散熱的輸入量后，相同冷凝條件下的直收率有了明顯改善。而在運用多級冷凝設(shè)備的對比實驗中，直收率提高，冷凝產(chǎn)物達(dá)到收集要求，不僅晶粒尺寸大氧化率低，而且方便收集利于安全生產(chǎn)。