说明书.docx
- 文档编号:8116687
- 上传时间:2023-01-28
- 格式:DOCX
- 页数:71
- 大小:3.35MB
说明书.docx
《说明书.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《说明书.docx(71页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
说明书
年产14000t金属镁硅热法工艺及还原炉的设计
摘要
本篇论文在介绍了国内外镁冶炼的发展概况的基础上阐述了硅热法炼镁的基本原理和生产工艺,对年产14000吨镁锭的硅热法炼镁厂以及还原炉进行了设计。
该设计从工艺流程、原料、回转窑、还原炉、还原罐的选择,真空管道配置,到物料平衡和热平衡计算等方面进行了详细的阐述。
在设计中,本着高效、节能、环保的原则,采用35罐燃煤气还原炉,提高了镁产量;提高生产过程的机械化和自动化水平,降低劳动强度,提高生产效率;使用新型还原罐,延长了其使用寿命;在工艺流程的选择和辅助设备的配置上,结合本地实际,既提高了生产效率,又降低了生产成本。
同时,论文还总结了硅热法炼镁的发展历史及我国硅热法炼镁的现状、缺陷及改进途径,并对镁的生产和发展前景进行分析和展望。
在目前能源问题日益突出的背景下,本设计尽量利用余热降低能耗,尤其是蓄热燃烧技术的应用,以达到降低生产成本,保护环境,增强企业竞争力的目的。
关键词:
镁;还原炉;工艺;硅热法
THEDESIGNABOUTAFACTORYANDREDUCTION
FURNACEPRODUCING14000TONSMAGNESIUM
BYSILICONEVERYYEAR
ABSTRACT
Introducingthedevelopmentofthemagnesiumproductionindomesticandforeign,thispaperexpoundsthebasicprinciplesandtheprocessintheproducingmagnesiumbysilicon,anddesignsafactorywhichproduces14000tonsmagnesiumingoteveryyear.Thedesignexplainsclearlyfromthechoiceoftheprocess,rawmaterials,thereductionequipment,andthearrangementofthevacuumtubestothebalancecalculation.Thedesign,accordingtotheprincipleofhighefficiency,energysavingandenvironmentalprotection,adoptsbiggerreductionfurnacesheatedbythecoalgastoenlargetheproductionandreducetheenergyconsumption,improvethelevelsofmechanizationandautomationinproductionprocess,toreducelaborintensityandimproveproductionefficiency,choosesadvancedreductiontankstoprolongtheservicelife,andconnectsthelocalfactinthechoiceoftheprocessandthearrangementofthesecondaryequipmentinordertoimproveproductivityandreducethecost.Atthesametime,thepaperconcludesthedevelopmenthistoryoftheproductionofmagnesiumbysilicon,itspresentcondition,imperfectionandimprovingmethodsinChina,andanalyzestheprospectofmagnesiumproductionandapplication.Underthebackgroundofincreasinglyprominentenergyproblem,thedesignutilizesleftheatandreducetheenergyconsumptionasfaraspossible,especiallytheapplicationofregenerationcombustiontechnology,inordertoprotectenvironment,lowerproductioncost,strengthencompetitionabilityoftheenterprise.
KEYWORDS:
manesium,reductionfurance,technology,siliconthermalmethod
目录
第一章文献综述1
1.1镁的性质及用途1
1.2生产镁的原料3
1.3镁的生产方法3
1.4我国镁工业发展现状5
1.5国外镁工业发展现状6
1.6论文选题目的及意义7
第二章工艺流程的选择9
2.1白云石硅热法炼镁生产工艺流程9
2.2原料的选择10
2.2.1白云石10
2.2.2硅铁11
2.2.3萤石11
2.2.4精炼剂11
2.3白云石的煅烧12
第三章回转窑的选择与计算16
3.1回转窑的选择16
3.2产能计算17
3.2.1回转窑斜度、规格和转数的确定17
3.2.2回转窑数量的确定17
3.3窑衬的选择18
3.4回转窑燃料的选用18
第四章炉料配比原则与计算19
4.1炉料配料原则19
4.2炉料配比的计算19
第五章还原炉与还原罐的选择与计算21
5.1还原炉的选择21
5.2还原炉的计算21
5.3还原罐的选择22
5.4精炼炉的选择22
第六章回转窑与还原炉的热平衡计算24
6.1回转窑的热平衡计算24
6.1.1热平衡计算依据24
6.1.2热收入部分24
6.1.3热支出部分25
6.2还原炉的热平衡计算27
6.2.1热平衡计算依据28
6.2.2热收入项28
6.2.3热支出项29
第七章物料平衡计算35
7.1物料平衡计算时的原始数据35
7.2白云石煅烧时的物料平衡36
7.3炉料配料、球磨和压球量的物料平衡37
7.4球团还原时的物料平衡39
7.5粗镁精炼过程的物料平衡40
第八章辅助工序设计41
8.1还原炉真空管路的配置41
8.1.1真空设备的选择与计算43
8.1.2真空管道设计47
8.2硅热法炼镁厂厂址的选择50
8.3镁厂的供电50
8.4辅助车间与辅助厂房50
第九章结论52
参考文献53
致谢55
附录一:
英文文献56
附录二:
译文65
第一章文献综述
1.1镁的性质及用途
镁是常用金属中最轻的一种,是地壳中最丰富的元素之一,约占地壳组成的2.5%。
镁在海水中的含量仅此于氯和钠,其总储量约为1.8×1015t,主要以氯化镁、硫酸镁的形式存在。
镁是一种重要的金属材料,密度较小。
镁能与铜、铝、锰、钛等形成许多镁合金,且硬度和强度都较大,因此被大量应用于火箭、导弹和飞机制造业及钢铁工业、镁本身熔点较小,而氯化镁的熔点高达2800℃,是优质的耐高温材料。
因此利用镁可作为新型无机阻燃剂,用于多种热塑性树脂和橡胶制品的提取加工。
镁是最轻的结构金属材料之一,具有重量轻、比强度高、减振性好、阻尼性和切削性好等优点,且易于回收,是替代钢铁、铝合金和工程塑料的新一代高性能材料。
目前,镁合金已经广泛应用于汽车行业,来达到减重、节能、降低污染,改善环境的目的。
由于镁重量轻,镁合金成为交通、电子信息、通讯、计算机、声像器材、手提工具、电机、林业、纺织、核动力装置等产品外壳的理想材料。
随着汽车工业、石油、天然气管线、海洋钻井平台,桥梁建筑等领域用高强度低硫钢的需求不断增加,近几年,我国鞍钢、宝钢、武钢、本钢、包钢、攀钢、首钢等钢厂已经用镁粉深脱硫,获得优质钢,取得良好效果。
镁粉用于钢铁脱硫具有潜在市场。
镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一,可广泛用在地下铁制管道、石油管道、储罐、海上设施、装备、民用等。
镁是可以在空气中燃烧的,燃烧时火花四射,十分美丽,因此烟花中通常都掺有一定量的镁粉,来达到美观的效果。
现代战争需要军队具有远程快速部署运动的能力,要求武器装备轻量化,在手持式武器、装甲战车、运输车、航空制导武器上将大量采用轻金属材料。
轻量化是提高武器装备作战性能的重要方向。
镁所具有的轻质特性决定了镁合金是生产航天器、军用飞机、导弹、高机动性能战车、船舶的必不可少的结构材料,因此,大力开发镁合金应用范围是国防现代化的需要。
镁具有更为广泛的应用前景,全世界的材料科学家正在积极探索镁及镁合金在日常生活领域的应用,以期镁能像铝一样给人类生活带来新的变革。
1.1.1镁的物理性能
镁是第二主族化学元素,纯镁为银白色,镁具有密排六方晶格结构。
镁原子电子层结构特点决定了镁通常情况下显+2价。
金属镁是一种很轻的金属,它的质量比铝轻1/3,它是电与热的良好导体,其蒸汽压高,是柔软可锻金属。
其物理化学性质数值如表1-1。
表1-1镁的物理化学性质
原子序数:
12
原子量:
24.305
原子体积:
13.99cm³/mol
原子半径:
0.15mm
离子半径:
0.074mm
沸点温度:
1107℃
熔融潜热:
8786.4±418.4J/mol
蒸发潜热:
(1107℃)127.6±6.3kj/mol
升华热:
(651℃)142.3±6.3kj/mol
导热率:
(20℃)22.9×0.0001Ω/cm³
密度20℃1.74g/cm³
熔点651℃1.57g/cm³
液体状态1.54g/cm³
熔点温度:
651℃
标准电压;-2.38V
电化当量:
0.453g/A.h
结晶收缩率:
3.97%-4.2%
收缩率:
(651-20℃)2%
1.1.2镁的化学性能
镁的化学性质很活泼,固体镁在常温、干燥空气中,一般是比较稳定,不易燃烧的。
但在熔融状态时易燃烧,并生成氧化镁﹙MgO﹚。
在300℃时,Mg与空气中的N2作用生成氮化镁﹙Mg3N2﹚,使镁表面成为棕黄色,并且温度达600℃时,反应迅速:
3Mg+2N2=Mg3N2
镁在沸水中可与H2O作用,使水分解放出氢气(H2)。
镁能溶解在无机酸(HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4)中,但能耐氢氟酸和铬酸的腐蚀。
盐卤硫化物、氮化物、碳酸氢物(NaHCO3)溶液对镁有侵蚀作用。
镁在NaOH和NaCO3溶液中是稳定的,但有机酸能破坏镁。
镁能将许多氧化物(TiO2、VO2、Li2O等)和氯化物(TiCl2、ZrCl4等)还原,镁与铁不形成合金,但铁在镁中的溶解度随温度升高而升高。
1.2生产镁的原料
目前具有工业应用价值的镁矿资源为菱镁矿、白云石、水氯镁石﹙很浓的海水、卤水或MgCl2·6H2O﹚、光卤石等四种。
(1)菱镁矿
菱镁矿﹙MgCO3﹚是碳酸盐矿物,理论上含MgO47.82%,CO252.17%。
其矿物有结晶形与无定形两种。
菱镁矿许多国家都有,如中国、印度、意大利等。
世界上贮量最大、品质最好的菱镁矿矿床是在我国的辽宁省大石桥,能作为炼镁原料的菱镁矿,其品位为MgO45%~46%,CaO0.8%~1.0%,SiO20.5%~1.0%。
菱镁矿可作为电解法炼镁的原料,也可作为硅热法炼镁的原料。
(2)白云石
白云石﹙MgCO3·CaCO3﹚是碳酸镁与碳酸钙的复盐,理论上含MgO21.8
%,CaO30.4%,CO247.68%,CaO与MgO的质量比为1.394,摩尔比为1.0,大多数天然白云石中CaO与MgO的质量比为1.4~1.7。
白云石是硅热法炼镁的主要原料,其品位为:
MgO19%~21%,CaO30%~33%,Fe2O3+Al2O3﹤1.0%,SiO2﹤0.5%,Na2O+K20﹤0.01%,Mn﹤0.0005%,烧损率为46.5%~47.5%。
(3)水氯镁石及光卤石
水氯镁石﹙MgCl2·6H20﹚与光卤石﹙KCl·MgCl2·6H2O﹚是两种含水的氯盐,这两种原料必须经过彻底脱水成为无水MgCl2或无水光卤石﹙KCl·MgCl2﹚后才能按电解法来生产金属镁。
MgCl2·6H20与KCl·MgCl2·6H2O在我国青海省盐湖中有丰富的资源,以组分为:
MgCl230.75%,KCl24.98%,NaCl0.77%,H2O34.55%。
1.3镁的生产方法
中国金属镁生产能力已超过80万吨/年,而全世界金属镁的使用量在60万吨/年以上,也就是说供大于求已是不争的事实,如何解决此矛盾,使企业走出困境,分析比较各种炼镁方法,使企业少走弯路,是十分重要的。
镁的冶炼方法总体上可分成三种:
一种是电解法;一种是硅热法(皮江法);另一种是碳热法,下面分别阐明。
1.3.1硅热法
皮江法炼镁是中国现行普遍应用的一种方法:
其优点是:
规模能大能小,原材料可就地取材;成本相对电解法较低;技术不难掌握;在九十年代经济效益可观;镁的等级质量略高于电解镁等。
皮江法炼镁的主要工艺流程是:
白云石在回转窑或立窑中煅烧成煅白,经破碎后与硅铁粉(含硅75%)和萤石粉(含CaF2>95%)混合均匀制团,装入耐热不锈钢还原罐内,置于还原炉中,在1200-1250℃及真空的1.33Pa真空度下还原制取粗镁,经过熔剂精制、铸锭、表面处理得到成品镁锭。
皮江法炼镁缺点:
生产1吨金属镁锭需要有消耗白云石12-14吨;无烟煤及烟煤8-10吨;副产还原渣5-6吨,这些还原渣目前还没有发现更好的用途,污染环境;劳动强度大,原料车间粉尘污染严重。
1.3.2电解法
电解法炼镁是上世纪二十至九十年代世界镁工业生产的主要方法,在当时产量约占全部镁产量二分之一以上。
电解法炼镁又分为:
①电解熔融氯化镁
电解熔融氯化镁存在缺点是:
设备一次性投资大,另一方面制取无水氯化镁工艺要求严,产品质量要高,导致制取无水氯化镁成本居高不下,也使电解熔融氯化镁炼镁成本高而缺乏竞争力;另一方面,电解时副产大量氯气,氯气回收和利用也不利于环境保护。
②电解熔盐中的氧化镁
由于存在的电解温度高,电解单位消耗大、工艺指标低等缺点,没有得到推广。
1.4我国镁工业发展现状
1938年日本在东北抚顺建立了一个镁车间,抗日战争后,这个镁车间未恢复生产。
1957年在前苏联专家的指导下,在原来的基础上,采用菱镁矿干团炉料氯化生产氯化镁熔体再电解生产金属镁的方法建成了年产3000t金属镁的车间,即抚顺铝厂镁分厂。
1963年后将菱镁矿干团炉料氯化改为菱镁矿颗粒氯化生产MgCl2,再电解MgClz生产金属镁。
1986年我国着手将青海民和镁厂的半连续硅热法炼镁工艺改造为年产4000t镁的电解法镁厂,生产工艺为菱镁矿颗粒氯化——电解法。
1992年后,利用青海盐湖资源,将天然光卤石脱水为无水光卤石,增加了电解无水光卤石制取金属镁的生产工艺,并解决了生产工艺中氯气的利用与平衡问题,使青海民和镁厂成为我国利用镁资源生产金属镁的重要基地。
1987年起,皮江法炼镁在经过多年的研究及引进消化吸收的基础上,开始工业化生产。
皮江法炼镁由于工艺流程和设备简单,建厂投资少,生产规模灵活,所用炉体小、建造容易、技术难度小,再加上我国以前对环境与资源的限制小,皮江法炼镁企业在我国得到迅速发展。
我国镁企业为扩大出口,提高产品附加值与市场占有率,积极按市场需求开发新产品,调整产品结构。
已有多家企业可以生产镁合金锭、镁粉、镁合金棒材、挤压材、板材及镁合金压铸件等。
镁的研发热潮正在兴起,经过市场的磨炼,镁企业普遍开始重视产品质量和企业信誉,已经逐步实施品牌战略。
目前,大部分镁企业通过IS0质量认证,镁锭、镁合金、镁粉产品质量与产品标准已与围际接轨我国国内镁消费逐年增加,镁产品主要依赖于出口,因此我国镁工业是出口主
导型的工业。
1992年以前,我国是镁的净进口国,1992年起,我国成为镁的净出口国。
我国已成为最大的镁产品出口国,西方世界供需缺口的85%以上需由我国供应。
欧盟、美国、日本是我国镁产品三大出口市场,近几年加拿大、韩国等国家也成为我国镁的新兴市场。
镁的出口企业主要集中在山西、陕西、宁夏等地,出口商也在竞争中走向集中,并形成经营规模。
经过几十年的发展,我国镁已经从资源优势转变为产业优势。
随着改革开放和市场经济的不断深入发展,我国镁工业有了突飞猛进的发展,2003年,我国原镁产量占到全球的2/3(全球:
515kt;我国:
354kt),此后逐年增加,2010年我国原镁产量近70万吨。
镁已成为我国继铝、铜、铅、锌之后的第五大有色金属,我国也成为世界镁的生产基地。
自“十五”国家科技攻关计划项目正式启动以来,一批与镁及镁合金开发应用及产业化相关的项目先后在国家“973”、“863”、“国际合作”等计划中获得立项支持。
“十一五”期间,镁冶炼企业开发的双蓄热式镁还原炉、镁渣制造水泥及大直径竖式还原罐炼镁等技术,为减少矿石和能源消耗、减轻生态环保破坏程度及环境污染程度作出了一定贡献。
我国镁业在政府的重视与支持下建立了山西、宁夏、重庆、青岛、南京等10个特色镁合金基地,为扩大镁合金的应用领域打下了良好基础。
“十二五”期间,我国镁及镁合金的开发和应用已经开始进入一个新的发展时期,正在朝着健康、强大、可持续发展的目标迈进。
1.5国外镁工业发展现状
20世纪50年代以前,镁的发展依附于军事工业,60年代以后,由于金属镁在民用市场和空间技术的应用得到发展,于是推动了镁的平稳增长。
近几年来随着镁合金在交通、电子及通信等领域应用的增长,世界镁的消费在逐年上升并增长迅速。
全世界(除中国外)有10个国家即美国、加拿大、挪威、俄罗斯、法国、意大利、前南斯拉夫、巴西、印度、朝鲜生产金属镁。
20世纪90年代初,西方国家的镁需求量约250kt,其中美国约占50%。
世界上大规模的镁供应商也在西方。
在随后的10年间,镁的需求达到了350kt以上,与此同时,世界的镁供应也发生了很大的变化。
美国、挪威、法国等国受到中国、俄罗斯镁锭的冲击,宣布关闭了多家镁冶炼厂。
在日本,日本重化公司和宇都兴业公司相继从镁冶炼行业退出。
世界最大的Freeport镁冶炼厂因在1998年两次遭受自然灾害,也从镁冶炼领域退出。
取而代之的是中国镁产业的兴起。
除了中国、俄罗斯之外。
世界原镁的上市量,南美和非洲勉强保持增长,欧洲、亚洲也呈下降趋势,而北美则显著下降。
NorskHydro公司在2002年4月关闭了波尔斯可兰工厂,并把生产移至中国的西安,从而加入了中国的镁生产行列。
随着中国流向世界市场的低价格纯镁锭的数量逐年递增,西方国家的大型纯镁生产厂家在竞争中相继关闭。
与此形成对照的是,中国出口的纯镁锭数量占西方国家用于镁市场总运货量的比例则越来越大,接近于钢铁脱硫剂市场的总运货量。
中国的纯镁生产厂家向这两个市场的渗透程度将进一步提高,而且在西方发达国家显现出越来越明朗的趋势。
在此形势下,西方的纯镁生产企业只能对附加值比纯镁更高的镁合金材料市场寄予希望,这也是他们唯一的生存之路。
因此.镁锭市场向纯镁和镁合金两个市场分化的导向性将更加清晰。
即使西方镁生产商锁定了向汽车产业提供镁合金压铸材料的目标,但为了满足未来此领域镁合金每年两位数的增长需求,镁锭的生产技术、装备水平以及生产成本仍然是未来竞争的焦点。
1.6论文选题目的及意义
从20世纪30年代开始,世界镁工业生产经历了一个大发展的时期,炭热还原法受到重视,特别是硅热法炼镁具有建厂快、投资省等优点,再加上镁的需求量大,光靠电解法生产镁不能满足镁的需求。
所以许多科学家在化学法的基础上,研究了热还原法炼镁。
氧化镁真空热还原镁是1913年开始的,到现在已有90年的历史。
第一次用硅作还原剂还原氧化镁是1924年由Л.Χ.安吉平和Α.Φ.阿拉贝舍夫实现的。
1941年加拿大Toronto大学教授L.M.皮江在渥太华建立了一个硅铁还原煅烧白云石炼镁的试验工厂,并或得成功。
1942年加拿大政府哈雷白云石矿建立了一个年产5000吨金属镁的硅热法炼镁厂,皮江法炼镁成为工业炼镁的第二个方法。
第二次世界大战以后,1947年法国着手研究了半连续生产的硅热法炼镁工艺流程。
1950年建立了扩大试验炉。
1959年第一台日产镁2吨的半连续硅热法镁厂﹙半连续还原炉日产镁3.5吨﹚。
1971年扩建为年产镁9000吨﹙半连续还原炉日产镁6.5吨﹚。
半连续法炼镁﹙即熔渣导电半连续还原炉﹚成为当今镁工业生产中具有先进水平的工艺方法之一。
以上综述正是我选择镁厂设计作为我毕业设计题目的主要原因。
山西省是我国镁产品的主要生产地区,拥有储量丰富的白云石资源,而且电力和煤炭资源丰富、价格低廉和拥有大量劳动力,可以和本地资源优势达到较完美的结合,使生产效益达到最大化,为企业带来较高利益。
因此,为了配合山西本地各项资源优势,使之充分发挥,我选择了以硅热法为主要生产技术,虽然和电解法相比会带来一定污染。
但结合我国国情和本省实际情况,硅热法体现了其充分优势,其投资少见效快是其他方法所不能比拟的。
第2章工艺流程的选择
2.1白云石硅热法炼镁生产工艺流程
硅热法生产的工艺流程的选择首先取决于工厂所用的原料和还原剂的种类。
所设计的工厂所在地有优质的白云石时,应该首先采用白云石作原料,如果没有白云石,在其他条件良好的情况下(硅铁、煤或煤气、天然气),可以用菱镁矿和白云石的混合物以及由低品位的碳酸镁矿和其他原料生产的MgO作为原料。
至于还原剂,可以用硅铁或硅铝或生产铝硅合金时的残渣或废铝。
在探讨生产镁的经济问题时,如在当地组织硅铁生产,对镁生产来说,是一个十分良好的条件。
如果在建镁厂的地区设有供熔炼硅铁所需的电能,为减少吨镁的费用,将硅铁运到镁厂是比较合适的。
电热法熔炼硅铝合金和硅热法生产镁的协作是可能的,这对硅热法生产镁的工艺流程的选择有很大的影响,此时可采用活性大、价廉的含硅过滤渣作还原剂。
硅热法炼镁厂如果在有条件的情况下,可毗邻于水泥厂,因为硅热法炼镁后的残渣可作为水泥的原料。
本设计采用白云石作为原料,含硅75%的硅铁作为还原剂。
生产流程图如图2-1。
图2-1白云石硅热法炼镁生产工艺流程
2.2原料的选择
2.2.1白云石
作为硅热法炼镁用的白云石,不仅在化学组分上应满足工艺的要求,更重要的是在矿物结构上应满足冶炼过程的要求,因为白云石的化学成分和矿物结构对该工艺的各个冶炼过程有较大的影响。
作为硅热法炼镁用的白云石在化学组分上应满足如下要求:
MgO19%~21%CaO30%~33%,SiO2<0.5%Fe2O3<0.5%Al2O3<0.5%Na2O<0.005%K2O<0.005%Mn<0.0005%,其中CaO/MgO=1.394(质量比)、CaO/MgO=1.0(摩尔比)。
选白云石MgO含量20.11,CaO含量30.4,CaO/MgO=1(摩尔比)。
白云石中杂质含量(指Fe2O3、Al2O3、SiO2)偏高,在白云石煅烧(1200?
)与球团真空还原时(1200?
,P剩余=1~13Pa),
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 说明书