[发明专利]一种无碳化硅热还原镁冶金装置及方法

说明书

一种无碳化硅热还原镁冶金装置及方法。针对铁合金产业与镁冶金产业在“双碳”和“双控”目标的重压下，通过两个产业之间物质流和能量流协同衔接，利用硅系合金过热能源作为镁冶金还原能源，实现镁冶金的无碳化目标。即本发明采用熔融态硅系合金还原MgO，通过调整MgO反应量，在过量(硅/氧比≥1.5)硅系合金过热(温度高于75FeSi的1300℃熔点温度300℃以上)完成MgO还原过程；保持硅系合金的熔融状态，有助于镁冶金过程通过液相(硅系合金)与固相(MgO)反应替代皮江法固相(硅系合金)与固相(MgO)反应，特别是通过熔融态金属雾化，形成液相包裹固相反应结构，强化两相之间的传热、传质、传能，提高还原效率，大幅度降低镁冶金能耗，同时实现无碳化进程。

技术领域

本发明涉及一种镁冶金制备方法，特别涉及一种无碳化硅热还原镁冶金装置及方法。

背景技术

金属镁及其合金具有比强度高、导热和电导性能好、阻尼减震、电磁外屏蔽、易机械加工和易回收等优点，应用十分广泛，已成为仅次于钢铁和铝的第三大金属工程材料。2017年世界金属镁产量已超过120万吨。我国是世界产镁大国，产量占世界总产量的85％以上。而中国的金属原镁全部采用皮江法生产。皮江法是以白云石为原料、以含75％硅的硅铁合金(75#硅铁)为还原剂的真空热还原炼镁技术。皮江法自诞生以来已有70多年历史，在我国的工业应用已超过40年。经过几十年的发展，特别是近十几年来蓄热式还原炉的应用，能耗已从生产1t镁消耗标煤10t降至4～5t。如果加上还原剂硅铁合金的能耗，皮江法炼镁技术的综合能耗仍高达8-9t标煤以上，单位能耗甚至超过金属铝，是单位能耗最高的有色冶金行业之一。以石化能源为主的镁冶金行业，更是二氧化碳排放量的主力之一。据中国有色金属工业协会统计，2019年全国镁产量为84万吨以上，二氧化碳排放量约为1375-1498万吨，约占全国当年二氧化碳排放量的13-15％。随着国家“双碳”目标的强制性推进和对能耗双控目标的总要求，镁冶金与以硅铁合金合金为代表的“两高”产业和CO₂排放大户，正在面临着严重的生存危机。如何大幅度节能与降碳是决定皮江法镁冶金能否生存与发展的关键。

皮江法镁冶金是将焙烧白玉石、75硅铁合金、萤石与氧化钙等制成的球团在真空度10pa和1200℃左右进行还原。由于球团导热性能差，加之固固反应本身效率低，且随着镁蒸气溢出效率不断下降，因此还原时间长达8-12h，能耗大，且MgO还原率不足80％。同样地，作为镁冶金的还原剂，硅系合金的冶炼是在矿热炉内将碳源与石英石和铁源混合物，经过电弧加热形成的熔融态下还原的，温度大约1800℃以上，铁水出口高达1700℃以上。包括硅系合金在内的所有铁合金，由于成型过程基本以地坑浇筑为主。溶解热和凝固热无法回收，造成铁合金产业能耗居高不下。

在皮江法镁冶金中，硅系合金仅作为镁冶金的还原剂的功能使用。镁冶金温度在900℃以上，硅的熔点在1410℃，硅铁合金的熔点1200-1400℃之间，其中主要采用的75FeSi熔点为1300℃。如果将硅系合金作为镁冶金的热源，必将显著降低镁冶炼能源成本。准确地说，利用熔融态硅系合金出口1750℃降低至1300℃之间的热量，作为镁冶金还原的热源，将极大地实现硅系合金热量的回收与再利用，实现硅系合金产业和镁冶金产业“双控”和“双碳”目标。

硅系合金属于铁合金产业，长期以来备受“高能耗、高污染”的产业定性而困扰。业界也持续在设备大型化、工业流程自动化以及生产精益化方面做了大量工作，单台设备产能及连续与自动化控制水平显著提高。在节能方面，从烟气余热、烟气中可燃气体回收以及废渣余热利用等方面也取得了突破，能源消耗显著降低。但是由于铁合金成型为静态成形为主，现有的成型技术不能满足规划化生产要求，几乎所有铁合金的凝固热都被消耗掉了。这是铁合金热能流失最大的部分。但是自铁合金诞生以来，始终没有取得关键性的改变。