以菱鎂石為原料鋁熱還原煉鎂的實驗研究
對以菱鎂石為原料，以鋁粉為還原劑的真空熱還原煉鎂技術(shù)進(jìn)行了實驗研究，通過熱力學(xué)分析和對還原渣的物相分析，對鋁熱還原煅后菱鎂石的機(jī)理進(jìn)行了探討。還原實驗結(jié)果表明: 當(dāng)以還原反應(yīng)4MgO+ 2Al= 3Mg+ MgO.Al2O3 進(jìn)行配料時，在還原溫度1200 ℃ ，還原時間2 h，鋁粉過量5%的條件下，氧化鎂的還原率在72%以上，鋁粉利用率在91%以上，還原過程的實際料鎂比低于3.3：1。進(jìn)一步提高還原過程的鋁粉加入量，可使鎂鋁尖晶石中的MgO 進(jìn)一步被還原，還原過程中的氧化鎂還原率可達(dá)85%以上，但鋁粉利用率下降至84%左右。
金屬M(fèi)g 及其合金具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能較好、易于加工成型、廢料容易回收等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍工、汽車、電子通訊等領(lǐng)域，被人稱為二十一世紀(jì)綠色工程金屬材料，其用量逐年增。2011 年中國金屬M(fèi)g 產(chǎn)量66.06 萬噸，占世界金屬M(fèi)g 產(chǎn)量的83%，全部采用皮江法生產(chǎn)。皮江法煉鎂是以白云石為原料，以硅鐵為還原劑的真空熱還原煉鎂方法。
近十年來，中國的皮江法煉鎂技術(shù)取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，特別是近幾年蓄熱式煉鎂還原爐的應(yīng)用，使皮江法煉鎂還原過程的能耗降低了40%以上。盡管如此，皮江法煉鎂技術(shù)的綜合能耗仍然接近10 t 標(biāo)煤( 其中煉鎂階段能耗約5 t 標(biāo)煤/ 噸金屬M(fèi)g，還原劑硅鐵生產(chǎn)能耗約5 t煤/ 噸金屬M(fèi)g) ，其單位能耗甚至超過了金屬Al的單位能耗，是單位能耗最高的有色冶金行業(yè)之一。5有色金屬工業(yè)/ 十二五0 發(fā)展規(guī)劃6 明確指出，到 十二五末，中國鎂冶煉能耗下降20%，溫室氣體排放降低18% 。但目前在現(xiàn)有皮江法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低煉鎂能耗有一定的困難。皮江法煉鎂能耗較高的原因主要有兩個: 一是皮江法以白云石為原料，原料消耗量大，還原過程料鎂比高。由于白云石中氧化鎂含量只有21% 左右，生產(chǎn)1 t 金屬M(fèi)g 需要消耗超過1015 t 的白云石，煅燒后配入還原劑的還原物料中氧化鎂含量也僅有36% 左右，還原過程中實際的料鎂比在6：1 以上，原料消耗量多導(dǎo)致煅燒過程能耗較高，料鎂比高導(dǎo)致還原過程能耗較高。二是由于皮江法以硅鐵為還原劑，還原溫度高，鎂還原率較低，一般工廠只有80%。
若要使煉鎂行業(yè)能耗獲得大幅度降低，必須使用含鎂量較高的原料和新的還原劑。以鋁為還原劑可使氧化鎂還原反應(yīng)溫度降低50~ 100 ℃ ，同時可使還原速率加快，另外更為重要的是以鋁為還原劑可以以含鎂量較高的菱鎂石為原料，使還原原料消耗大幅度降低，使還原物料中的鎂含量增加，降低還原過程的料鎂比。因此，多年來國內(nèi)外學(xué)者對鋁熱真空熱還原煉鎂技術(shù)的研究一直未停止過，也取得了一定的研究成果，但由于煉鎂成本原因一直未能進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。
以菱鎂石為原料，以鋁粉為還原劑，真空熱還原生產(chǎn)金屬M(fèi)g，在煉鎂的同時可獲得富含鎂鋁尖晶石的還原渣，該還原渣經(jīng)處理后可生產(chǎn)高附加值的鎂鋁尖晶石耐火材料，該技術(shù)從綜合成本方面有望解決一直困擾鋁熱還原煉鎂技術(shù)的成本問題。
1、以菱鎂石為原料的鋁熱還原煉鎂原理
菱鎂石煅燒后為較純的MgO，以鋁為還原劑還原過程中，理論上發(fā)生的還原反應(yīng)為
該反應(yīng)在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下摩爾反應(yīng)吉布斯自由能$G 與鎂平衡蒸氣壓( 系統(tǒng)剩余壓力) 的關(guān)系式為
當(dāng)鎂的平衡蒸氣壓為10 Pa 時，上述反應(yīng)的開始溫度為T1= 981.74 K。在還原過程中反應(yīng)生成的Al2O3 為兩性氧化物，具有較好的活性，而MgO 為堿性氧化物，兩種氧化物接觸非常容易結(jié)合成為更穩(wěn)定的MgO.Al2O3，因此在還原過程中初期實際的還原反應(yīng)為
結(jié)論
(1) 以菱鎂石為原料的真空鋁熱還原煉鎂技術(shù)，還原過程中首先進(jìn)行的反應(yīng)為4MgO(s) + 2Al(l) =3Mg(g) + MgO.Al2O3(s) ，當(dāng)鋁加入量足夠多時，會進(jìn)行鎂鋁尖晶石的分解反應(yīng): 3[MgO.Al2O3(s) ] + 2Al(l) = 3Mg(g) + 4Al2O3(s) ，前者的還原反應(yīng)更容易進(jìn)行，后者需要更高的還原條件才能進(jìn)行。
(2) 當(dāng)以還原生成鎂鋁尖晶石的反應(yīng)進(jìn)行配料時，在還原溫度為1200 ℃ ，還原時間為2 h，還原劑過量系數(shù)為5% 的條件下，還原過程中的氧化鎂還原率為72%以上，鋁粉利用率在91% 以上。由此可計算出，以菱鎂石為原料鋁熱還原煉鎂的實際料鎂比為( 3.1~ 3.3) ：1，菱鎂石消耗量約5 t ，較皮江法( 際料鎂比大于6：1，白云石消耗大于10.5 t / -t Mg) 料鎂比降低40% 以上，原料消耗降低50% 以上，鎂冶煉能耗可降低超過50%。
