一种真空碳热还原炼镁的设备和方法

1.本发明属于镁冶金技术领域，具体涉及一种真空碳热还原炼镁的设备和方法。


背景技术：

2.镁作为一种轻质结构金属材料，具有密度低、比强度高、比刚度高、生物相容性好、阻尼性能好、储氢容量大的优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”、“革命性医用金属材料”，具有良好的发展前景。
3.当前，生产镁的主要工艺是硅热法，以煅烧白云石作原料，以硅铁为还原剂，在高温真空条件下，发生还原反应制得金属镁。但硅热法存在还原效率低和产物纯度低的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种真空碳热还原炼镁的设备和方法，利用本发明提供的设备还原炼镁的还原效率和产物纯度均较高。
5.为了实现以上目的，本发明提供了一种真空碳热还原炼镁的设备，包括真空还原炉1、压强控制系统2和温控系统3，所述真空还原炉1的炉腔分为上方的冷凝区11和下方的加热区12；所述加热区12内设置有坩埚121；设置于所述坩埚121外侧壁的石墨电阻加热器122；设置于所述石墨电阻加热器122外侧壁的保温层123以及设置于所述保温层123外侧壁的保温罩124；所述冷凝区11内设置有冷凝器111；所述冷凝器111通过导管和坩埚121连通；所述真空还原炉1的加热区炉壳和冷凝区炉壳均为中空结构，所述加热区炉壳和冷凝区炉壳均用于填充冷却液体；所述加热区侧壁设置有位于加热区12底部的加热区进液口125和位于加热区12顶部的加热区出液口126；所述真空还原炉1的冷凝区侧壁设置有位于冷凝区11底部的冷凝区进液口112和位于冷凝区顶部的冷凝区出液口113，所述真空还原炉1与所述压强控制系统2连接。
6.优选地，所述加热区12和冷凝区11均还设置有测温元件；所述测温元件与温控系统3连接。
7.优选地，所述保温层123的材料为硬质石墨碳毡。
8.优选地，所述保温层123的厚度为20～40mm。
9.优选地，所述保温罩124的材料为耐热钢；所述保温罩124的厚度为7mm。
10.优选地，所述压强控制系统2为真空泵。
11.优选地，所述石墨电阻加热器122包括石墨电阻和加热电极。
12.本发明提供了利用所述的炼镁设备真空碳热还原炼镁的方法，包括以下步骤：
13.将氧化镁、焦煤和氟化镁混合后，压块，得到混料块；
14.将混料块于保护气氛下置于坩埚121，利用石墨电阻加热器122加热，进行碳热还原反应，得到镁蒸气；所述碳热还原反应的压强为80～120pa，所述碳热还原反应的温度为1500～1800k；所述碳热还原反应的压强由压强控制系统2控制；所述碳热还原反应的温度由冷却液体和温控系统3控制；镁蒸气通过导管进入冷凝器111，进行冷凝结晶，得到固相
镁；冷凝结晶的温度由冷凝区炉壳中冷却液体控制；
15.以焦煤中碳元素计，所述氧化镁和焦煤的摩尔比为1:1～1:5；所述氟化镁的质量为氧化镁和焦煤总质量的1～13％。
16.优选地，所述升温至碳热还原反应的温度的升温速率为10～15k/min。
17.优选地，所述碳热还原反应的温度的保温时间为1～2h。
18.本发明提供了一种真空碳热还原炼镁的设备，包括真空还原炉1、压强控制系统2和温控系统3，所述真空还原炉1的炉腔分为上方的冷凝区11和下方的加热区12；所述加热区12内设置有坩埚121；设置于所述坩埚121外侧壁的石墨电阻加热器122；设置于所述石墨电阻加热器122外侧壁的保温层123以及设置于所述保温层123外侧壁的保温罩124；所述冷凝区11内设置有冷凝器111；所述冷凝器111通过导管和坩埚121连通；所述真空还原炉1的加热区炉壳和冷凝区炉壳均为中空结构，所述加热区炉壳和冷凝区炉壳均用于填充冷却液体；所述加热区侧壁设置有位于加热区12底部的加热区进液口125和位于加热区12顶部的加热区出液口126；所述真空还原炉1的冷凝区侧壁设置有位于冷凝区11底部的冷凝区进液口112和位于冷凝区顶部的冷凝区出液口113，所述真空还原炉1与所述压强控制系统2连接。本发明反应均在真空炉内进行，无任何废水废气废物排放，环境友好。
19.本发明还提供了利用上述所述的炼镁设备真空碳热还原炼镁的方法，包括以下步骤：将氧化镁、焦煤和氟化镁混合后，压块，得到混料块；将混料块于保护气氛下置于坩埚121，利用石墨电阻加热器122加热，进行碳热还原反应，得到镁蒸气；所述碳热还原反应的压强为80～120pa，所述碳热还原反应的温度为1500～1800k；所述碳热还原反应的压强由压强控制系统2控制；所述碳热还原反应的温度由冷却液体和温控系统3控制；镁蒸气通过导管进入冷凝器111，进行冷凝结晶，得到固相镁；冷凝结晶的温度由冷凝区炉壳中冷却液体控制。本发明使用焦煤作为还原剂，经济优势明显，使用氟化镁作为炼镁过程中的催化剂，改善了还原体系，提高了反应还原程度
，
进而提高了反应物纯度和还原效率。
20.实施例的数据表明：冷凝物中结晶镁的纯度达到93.48％，还原率达89％。
附图说明
21.图1是本发明提供的炼镁设备的真空还原炉的结构示意图；
22.图2是对比例3中冷凝器内冷凝物的sem与eds检测图；
23.图3是实施例1中冷凝器内冷凝物的sem与eds检测图；
24.图4是对比例2和3中冷凝产物的xrd检测图。
具体实施方式
25.本发明提供了一种真空碳热还原炼镁的设备，包括真空还原炉1、压强控制系统2和温控系统3，所述真空还原炉1的炉腔分为上方的冷凝区11和下方的加热区12；
26.所述加热区12内设置有坩埚121；设置于所述坩埚121外侧壁的石墨电阻加热器122；设置于所述石墨电阻加热器122外侧壁的保温层123以及设置于所述保温层123外侧壁的保温罩124；
27.所述冷凝区11内设置有冷凝器111；所述冷凝器111通过导管和坩埚121连通；
28.所述真空还原炉1的加热区炉壳和冷凝区炉壳均为中空结构，所述加热区炉壳和
冷凝区炉壳均用于填充冷却液体；所述加热区侧壁设置有位于加热区12底部的加热区进液口125和位于加热区12顶部的加热区出液口126；所述真空还原炉1的冷凝区侧壁设置有位于冷凝区11底部的冷凝区进液口112和位于冷凝区顶部的冷凝区出液口113；
29.所述真空还原炉1与所述压强控制系统2连接。
30.如图1所示，在本发明中，所述真空还原炉1包括位于真空还原炉1炉腔下方的加热区12。
31.在本发明中，所述加热区12内设置有坩埚121；所述坩埚121优选为石墨坩埚121。
32.在本发明中，所述加热区12包括设置于所述坩埚121外侧壁的石墨电阻加热器122；所述石墨电阻加热器122包括石墨电阻和加热电极。
33.在本发明中，所述加热区12包括设置于所述石墨电阻加热器122外侧壁的保温层123，所述保温层123的材质优选为硬质石墨碳毡。在本发明中，所述热隔层的厚度优选为20～40mm，更优选为30mm。
34.在本发明中，所述加热区12包括设置于所述保温层123外侧壁的保温罩124；所述保温罩124的材质优选为耐热钢。在本发明中，所述保温罩124的的厚度优选为7mm。
35.在本发明中，所述真空还原炉1的加热区炉壳和冷凝区炉壳均为中空结构，所述加热区炉壳和冷凝区炉壳均用于填充冷却液体。
36.在本发明中，所述加热区侧壁设置有位于加热区12底部的加热区进液口125和位于加热区12顶部的加热区出液口126。在本发明中，所述炉壳的材质优选为不锈钢。
37.在本发明中，所述加热区12优选还设置有测温元件，所述测温元件与温控系统3连接。在本发明中，所述测温元件优选为热电偶。
38.在本发明中，所述冷凝区11内设置有冷凝器111，所述冷凝器111通过导管和坩埚121连通，在本发明中，所述导管的材质优选为石墨导管。
39.在本发明中，所述冷凝区侧壁设置有位于冷凝区11底部的冷凝区进液口112和位于冷凝区顶部的冷凝区出液口113。
40.在本发明中，所述冷凝区11优选还设置有测温元件，所述测温元件与温控系统3连接。在本发明中，所述测温元件优选为热电偶。
41.本发明还提供了利用所述的炼镁设备真空碳热还原炼镁的方法，包括以下步骤：
42.将氧化镁、焦煤和氟化镁混合后，压块，得到混料块；
43.将混料块于保护气氛下置于坩埚121，利用石墨电阻加热器122加热，进行碳热还原反应，得到镁蒸气；所述碳热还原反应的压强为80～120pa，所述碳热还原反应的温度为1500～1800k；所述碳热还原反应的压强由压强控制系统2控制；所述碳热还原反应的温度由冷却液体和温控系统3控制；
44.镁蒸气通过导管进入冷凝器111，进行冷凝结晶，得到固相镁；冷凝结晶的温度由冷凝区炉壳中冷却液体控制。
45.本发明将氧化镁、焦煤和氟化镁混合后，压块，得到混料块。
46.在本发明中，所述氧化镁和焦煤的粒径独立地优选为200～300目。在本发明中，所述氧化镁的纯度≥95％，在本发明中，所述氧化镁具体优选为河北邢台凯镁新材料科技有限公司提供的轻质氧化镁。
47.在本发明中，所述焦煤的固定碳含量优选≥63.58wt.％，在本发明中，所述焦煤具
体优选为云南师宗大舍振兴生产的含复杂组分的冶炼焦煤。在本发明中，所述氟化镁的纯度优选≥99.5％。
48.在本发明中，以焦煤中碳元素计，所述氧化镁和焦煤的摩尔比优选为1:1～1:5，更优选为1:3～1:4。在本发明中，所述氟化镁的质量优选为氧化镁和焦煤总质量的1～13％，更优选为2～10％。
49.在本发明中，所述压块的压力优选为8～15mpa，更优选为10～12mpa。在本发明中，所述混料块的直径优选为20mm。
50.在本发明中，使物料成块状，紧密接触，增强固-固相反应，还原反应更充分。
51.得到混料块后，本发明将混料块于保护气氛下置于坩埚121，利用石墨电阻加热器122加热，进行碳热还原反应，得到镁蒸气；所述碳热还原反应的压强为80～120pa，所述碳热还原反应的温度为1500～1800k；所述碳热还原反应的压强由压强控制系统2控制；所述碳热还原反应的温度由冷却液体和温控系统3控制。
52.在本发明中，升温至所述碳热还原反应的温度优选为10～15k/min，所述碳热还原反应的保温时间优选为1～2h，更优选为1.5h。
53.得到镁蒸气后，镁蒸气通过导管进入冷凝器111，进行冷凝结晶，得到固相镁；冷凝结晶的温度由冷却液体控制。
54.在本发明中，冷凝结晶后，优选还包括将炉腔进行冷却至室温，得到金属镁。
55.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明的方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
56.实施例1
57.称取粒径为200～300目的焦煤18.75g、粒径为200～300目的氧化镁31.25g和氟化镁6.5g混合均匀，在8mpa压力下用片压机制成直径20mm的料块；
58.石墨坩埚121和冷凝器111用酒精清洗，将制备的物料准确称重并放入石墨坩埚121，将坩埚121放入真空真空还原炉1的加热器，安装石墨导管连通冷凝器111并覆盖保温材料，冷凝器111覆盖冷凝盖；在真空真空还原炉1密封后，打开真空泵和循环水冷却系统；设置控制系统的加热程序，将加热速率控制到10k/min，目标保温温度设置为1763k，保温时间设置为1h。当炉内真空度降至120pa以下时启动加热程序，真空真空还原炉1开始运行；保温结束后停电降温，待炉内温度降至室温时开启真空炉，在坩埚121中得到反应残留物在冷凝器中得到金属镁。
59.对比例1
60.如图1所示，利用图1所述设备进行真空碳热还原炼镁，包括以下步骤：称取粒径为200～300目的焦煤18.75g和粒径为200～300目的31.25g氧化镁混合均匀，在8mpa压力下用片压机制成直径20mm的料块。
61.将石墨坩埚121和冷凝器111用酒精清洗后，将制备的料块称重后放入石墨坩埚121，将坩埚121放入真空还原炉1的加热区12，安装石墨导管连通冷凝器111并覆盖保温材料，冷凝器111覆盖冷凝盖；在真空还原炉1密封后，打开真空泵和冷却水，设置温控系统3，将加热速率设置到10k/min，目标保温温度设置为1763k，保温时间设置为1h。然后，当炉内真空度降至110pa时，利用石墨电阻加热器122加热，进行碳热还原反应，碳热还原反应保温结束后，停电降温，待炉内温度降至室温时开启真空炉，在坩埚121中得到反应残留物在冷
凝器中得到金属镁。
62.对比例2
63.称取粒径为200～300目的焦煤18.75g、粒径为200～300目的氧化镁31.25g和氟化镁2.5g混合均匀，在8mpa压力下用片压机制成直径20mm的料块；
64.将石墨坩埚121和冷凝器111用酒精清洗后，将制备的料块称重后放入石墨坩埚121，将坩埚121放入真空还原炉1的加热区12，安装石墨导管连通冷凝器111并覆盖保温材料，冷凝器111覆盖冷凝盖；在真空还原炉1密封后，打开真空泵和冷却水，设置温控系统3，将加热速率设置到10k/min，目标保温温度设置为1763k，保温时间设置为1h。然后，当炉内真空度降至110pa时，利用石墨电阻加热器122加热，进行碳热还原反应，碳热还原反应保温结束后，停电降温，待炉内温度降至室温时开启真空炉，在坩埚121中得到反应残留物在冷凝器中得到金属镁。
65.对比例3
66.称取粒径为200～300目的焦煤18.75g、粒径为200～300目的氧化镁31.25g和氟化镁2.5g混合均匀，在8mpa压力下用片压机制成直径20mm的料块；
67.将石墨坩埚121和冷凝器111用酒精清洗后，将制备的料块称重后放入石墨坩埚121，将坩埚121放入真空还原炉1的加热区12，安装石墨导管连通冷凝器111并覆盖保温材料，冷凝器111覆盖冷凝盖；在真空还原炉1密封后，打开真空泵和冷却水，设置温控系统3，将加热速率设置到10k/min，目标保温温度设置为1763k，保温时间设置为2h。然后，当炉内真空度降至110pa以下时，利用石墨电阻加热器122加热，进行碳热还原反应，碳热还原反应保温结束后，停电降温，待炉内温度降至室温时开启真空炉，在坩埚121中得到反应残留物在冷凝器中得到金属镁。
68.图2为对比例3所得冷凝产物(金属的镁)的sem检测与eds检测图，从图2可知：结晶镁的纯度为69.2％，还原率为85％。
69.图3为实施例1所得冷凝产物(金属的镁)的sem检测与eds检测图，从图3可知：在增加催化剂氟化镁的添加量后，冷凝物中结晶镁的纯度达到93.48％，还原率达89％。
70.本发明还对对比例1和2的冷凝产物(金属的镁)进行了sem检测与eds检测，其中对比例1的结晶镁的纯度为42.5％，还原率为38％。对比例2结晶镁的纯度为58.2％，还原率为65％。
71.图4为对比例2和3中冷凝产物的xrd检测图，从图4可知：表明产物结晶良好，冷凝产物为镁，氟化镁只起到催化作用，没有氟化镁进入产物，并且随着保温时间由1h增加到2h，峰值升高，还原程度增加。
72.尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

技术特征：
1.一种真空碳热还原炼镁的设备，包括真空还原炉(1)、压强控制系统(2)和温控系统(3)，其特征在于，所述真空还原炉(1)的炉腔分为上方的冷凝区(11)和下方的加热区(12)；所述加热区(12)内设置有坩埚(121)；设置于所述坩埚(121)外侧壁的石墨电阻加热器(122)；设置于所述石墨电阻加热器(122)外侧壁的保温层(123)以及设置于所述保温层(123)外侧壁的保温罩(124)；所述冷凝区(11)内设置有冷凝器(111)；所述冷凝器(111)通过导管和坩埚(121)连通；所述真空还原炉(1)的加热区炉壳和冷凝区炉壳均为中空结构，所述加热区炉壳和冷凝区炉壳用于填充冷却液体；所述加热区侧壁设置有位于加热区(12)底部的加热区进液口(125)和位于加热区顶部的加热区出液口(126)；所述冷凝区侧壁设置有位于冷凝区(11)底部的冷凝区进液口(112)和位于冷凝区顶部的冷凝区出液口(113)；所述真空还原炉(1)与所述压强控制系统(2)连接。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加热区(12)和冷凝区(11)均还设置有测温元件；所述测温元件与温控系统(3)连接。3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述保温层(123)的材料为硬质石墨碳毡。4.根据权利要求1或3所述的设备，其特征在于，所述保温层(123)的厚度为20～40mm。5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述保温罩(124)的材料为耐热钢；所述保温罩(124)的厚度为7mm。6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压强控制系统(2)为真空泵。7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述石墨电阻加热器(122)包括石墨电阻和加热电极。8.利用权利要求1～7任一项所述的设备真空碳热还原炼镁的方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化镁、焦煤和氟化镁混合后，压块，得到混料块；将所述混料块于保护气氛下置于坩埚(121)，利用石墨电阻加热器(122)加热进行碳热还原反应，得到镁蒸气；所述碳热还原反应的压强为80～120pa，所述碳热还原反应的温度为1500～1800k；所述碳热还原反应的压强由压强控制系统(2)控制；所述碳热还原反应的温度由冷却液体和温控系统(3)控制；所述镁蒸气通过导管进入冷凝器(111)，进行冷凝结晶，得到固相镁；冷凝结晶的温度由冷凝区(11)炉壳中冷却液体控制；以焦煤中碳元素计，所述氧化镁和焦煤的摩尔比为1:1～1:5；所述氟化镁的质量为氧化镁和焦煤总质量的1～13％。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述升温至碳热还原反应的温度的升温速率为10～15k/min。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳热还原反应的温度的保温时间为1～2h。

技术总结
本发明属于镁冶金技术领域，具体涉及一种真空碳热还原炼镁的设备和方法。本发明所有反应在真空炉内进行，无任何废水废气废物排放，环境友好。本发明使用焦煤作为还原剂，经济优势明显，使用氟化镁作为炼镁过程中的催化剂，改善了还原体系，提高了反应还原程度。实施例的数据表明：冷凝物中结晶镁的纯度达到93.48％，还原率达89％。还原率达89％。还原率达89％。


技术研发人员：田阳 吴数吉 杨斌 徐宝强 蒋文龙 李一夫 王飞 邓勇 孔令鑫 马廷壮 余镕
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/16