以经济效益为目标皮江法炼镁还原时间参数优化

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1、http://www.paper.edu.cn以经济效益为目标的皮江法炼镁还原时间参数优化李昂，黄超雷，曹占义吉林大学材料科学与工程学院，长春（130022）E-mail:thorne22003@yahoo.com.cn摘要：现有的确定皮江法炼镁还原时间的方法仅仅是通过实验数据进行定性判断，在一定程度上具有随意性。本文将通过固固相反应动力学推导出镁回收率和还原时间之间的定量关系，并以此为理论基础推导出计算最大经济效益时的还原时间的方法，为企业生产的节能减耗和生产效益最大化提供定量的理论支持。关键词：皮江法炼镁；

2、镁回收率；还原时间；经济效益；节能减耗中图分类号：TF821.前言[1]我国的金属镁生产工艺大部分采用的是皮江法。它的主要优势在于投资及运营成本低,原料的价格便宜,建厂快,产品质量好。但传统的皮江法炼镁存在的主要问题是:能耗很高,会对[2]环境产生污染。因此,节能降耗,改进工艺,降低排放,提高我国皮江法炼镁水平,实现可持续发展的根本途径。还原步骤是镁生产的主要环节，也是能耗最大的环节，因而改进还原工艺是减少金属镁生产能耗，提高镁生产效益的重要途径。本文将从还原时间入手，讨论并证明出影响还原阶段能耗及收益的主要因

3、素，给出定量的计算方法，避免定性分析的不确定性和盲目性，为镁的还原生产工艺合理安排还原时间、节约能耗、缩短生产周期、增加经济效益提供有效的理论指导。2.镁的真空热还原概述镁的真空热还原为镁生产中的主要工艺环节，该环节可分为三个阶段，烘炉，还原球料和收集扒渣。烘炉，即将还原炉加热，使之温度升高至1173~1373K。还原球料，球料的真空加热还原阶段，该阶段亦可分为三个步骤——预热期，装料后，让炉料得到预热；低真空加热期，装上还原灌盖子，在低真空条件下加热还原罐；高真空加热期，此时炉内真空度达到10Pa左右，温度上

4、升至1423K到1473K之间，此阶段为镁还原的主要阶段。收集扒渣，收集粗[3]镁，扒除炉渣。由于在镁还原这一工艺环节中，球料还原中的高真空加热期占还原时间的绝大部分，而镁的还原也基本处在次一阶段，故本文研究对象为高真空加热期。3.高真空加热期的特点该阶段，在能量输入上，炉料主要保持在1423K到1473K之间，故可视之为近似恒温[4]阶段；燃料的消耗基本保持匀速；另外，真空泵、循环水泵等用电设备也基本保持功率不变。在物质输入上，炉料的加入在封罐后即为确定量，不会发生改变；循环水的加入随还原进程可稍有变动，但其

5、总量在全过程来讲也基本保持在同一水平。4.镁的回收率η与还原时间t的关系-1-http://www.paper.edu.cn前面提到过一个对经济效益至关重要的生产指标——镁的回收率η，它是指最后还原[5]所得的金属镁占入炉球料中所含镁元素的质量比。显然，他是还原时间t的函数。本节将根据反应动力学求得镁的回收率η关于还原时间t的函数关系式。4.1硅热法还原反应的动力学分析1、硅热法炼镁的反应方程式为2(CaO·MgO)+Si(Si-Fe)=2Mg↑+2CaO·SiO2该反应为等距固-固相反应，即硅原子在还原CaO

6、·MgO中MgO的同时，与CaO生成CaO·SiO2，反应速度取决于硅原子的自由行程。除了硅原子的扩散速度外，镁蒸气的向外扩散速度也是还原反应速度的控速步骤。2、反应速度与两相物质的接触面积和两相物质的扩散速度有关，即与物料的压型压力有关。[6]3、传热与传质直接影响反应速率，真空条件下无热对流。4.2反应的动力学模型[7]根据以上分析，该还原反应为硅原子扩散控速，其反应过程符合杨德模型，即1/32[1(1−−X)]=kt（a）其中k为反应速率常数，X为产物产率，t为反应时间。应用于本反应时，可得3η=−−1(

7、1k)t（b）η为镁回收率，t为还原反应时间，k为反应动力学常数。[8]但根据徐日瑶的实验结果，该动力学模型只与前一部分符合很好，在后面部分则出现较大偏差，具体情形如图。图11150℃反应条件下，（b）与实验数据的符合情况（圆点为实验数据点）-2-http://www.paper.edu.cn图21200℃反应条件下，（b）与实验数据的符合情况（圆点为实验数据点）我们认为，由于实际生产中，反应物被均匀混合后压成致密球状，因此为收缩未反应核模型，当反应界面向球料内部推进时，镁扩散阻力越来越大，受到化学平衡影响，镁

8、蒸气的扩散成为还原反应的主要控速因素。[9]由菲克第一扩散定律，可得镁蒸气扩散速率dcDcAJD==Adrr−r0D为扩散速率常数，c为未反应核内镁蒸气浓度，r为球料半径，r为反应界面半径。A0由此可得，扩散出的镁的物质的量与时间的关系224rπdn==4rπJDdtcdt（c）SAArr−0单位体积反应产出的金属镁为2dn=（-）ac4rdrπ（d）RA其中a为球料中镁元素的百分含量