一种零碳排放一步法同时制取金属镁和钛的工艺

技术领域

本发明涉及金属钛冶炼领域，同时还涉及金属镁热法冶炼领域，具体指零碳排放一步法还原蛇纹石、二氧化钛同时制取金属镁和钛的工艺，属于热法冶金领域。

背景技术

钛及钛合金以其密度小、耐腐蚀性好、比强度高和无毒等独有的优点被广泛应用于航空航天、石油化工、医疗器械等领域，人类社会对钛的需求量逐年上升。镁热还原法利用金属镁与四氯化钛发生反应，是工业生产海绵钛的主要方法。然而该工艺流程复杂、能耗高、环境负荷重、使用过量镁导致成本非常高。镁热直接还原二氧化钛制备金属钛因流程简单、成本相对较低，成为一种极具前景的钛生产方法。但目前采用该方法均是使用过量镁蒸气与含二氧化钛的团块发生气固反应，造成反应速率很低且还原剂金属镁浪费量极大。

作为制备钛的还原剂，金属镁一般需过量50~80%，用量和浪费量都很大。目前全球95%以上的原镁都由热法炼镁工艺中皮江法生产，是使用最广泛的金属镁冶炼工艺。它是在高温高真空条件下用硅铁还原煅烧白云石制取金属镁蒸气。然而，现有皮江法炼镁企业存在高能耗、高污染、二氧化碳排放量大等问题。皮江法炼镁所用原料白云石在1200℃高温煅烧时产生接近自身重量一半的二氧化碳气体直接排入大气对局部生态环境产生破坏性影响；采用硅铁作还原剂使得还原过程必须一直维持在1200℃高温和10Pa以下的高真空条件，消耗大量化石能源；苛刻的反应条件要求所用还原罐为特殊合金材质，但依然存在易损耗、寿命短的缺陷，生产成本居高不下。目前，皮江法生产1吨原镁约消耗标煤8吨，排放高温二氧化碳26吨。高能耗高污染对我国的能源资源和生态环境造成了巨大压力，在刚刚闭幕的中央经济工作会议上，“做好碳达峰、碳中和工作”被列为2021年的重点任务之一。随着我国对能源消耗和环境保护层面要求的提高以及国际对各国二氧化碳排放量越来越严格的限制，研究开发低能耗、低碳排放的绿色镁冶炼工艺，提高能源和资源利用率，减少废气排放成为我国热法炼镁技术的出路，也是我国由原镁生产大国向生产强国迈进的唯一途径。

发明内容

针对现有金属钛冶炼和传统皮江法炼镁工艺技术存在的上述不足和问题，本发明整合两种工艺合二为一，目的在于提供一种实现零碳排放、降低原料成本、节约生产设备投资、减少单位产品能耗、加快化学反应速度的一步法还原蛇纹石、二氧化钛同时制取金属镁和钛的工艺。

本发明的技术方案是这样实现的：一种零碳排放一步法还原蛇纹石、二氧化钛同时制取金属镁和钛的工艺，本工艺以蛇纹石、二氧化钛为主原料，碳化钙为还原剂，萤石为催化剂；其制备步骤为：

（1）首先将除水蛇纹石和二氧化钛的原料、碳化钙还原剂、萤石催化剂混合配料，各成分的重量比为：除水蛇纹石粉料45份～50份、二氧化钛粉料15份～20份、碳化钙粉35份～40份、萤石粉3份～5份，总质量份数为100份。

（2）其次将配好的料置入带筛球磨机进行研磨并筛分，合格混合粉料用于下一阶段，部分不合格粉料重新放入球磨机继续研磨。

（3）然后将合格混合粉料送入高压对辊压球机，把混合粉料压制成球团。

（4）将压制成的球团置入反应器内，向反应器通入氩气保证氩气环境，然后对料球加热升温至950℃~1100℃，生产出过量液态金属镁后还原二氧化钛生成出固态钛。

（5）对反应器抽真空，过量的液态镁闪蒸为镁蒸气在冷凝器凝固，实现对金属镁的收集。

所述蛇纹石原料可以是蛇纹石矿石煅烧后的除水蛇纹石（3MgO.2SiO

将除水蛇纹石、二氧化钛、碳化钙、萤石催化剂研磨成粉状后粒度目数高于100目。

将合格混合粉料用压球机挤压成球团，是指折算当量直径不超过50mm的核桃形、枕形、椭球形、球形、圆柱形等形状的块状固体。

对料球进行加热升温的真空反应器，可以从容器外加热（外热式），也可以从容器内加热（内热式）；可以用燃料等热源加热，也可以用电热、电磁、电感、微波等电力加热。

在升温及生产液态镁、固态钛的过程中反应器中始终保持表压为0~1000Pa的氩气氛围。

反应器可以密封并设有镁冷凝器，对反应器抽真空使过量的液态镁闪蒸为镁蒸气并在冷凝器凝固时，反应器内绝对压力低于100Pa。

在上述零碳排放一步法还原蛇纹石、二氧化钛同时制取金属镁和钛的工艺中，处于反应器内的球团反应温度范围在950℃~1100℃。

本发明蛇纹石被还原成液态镁、二氧化钛被液态镁还原成固态钛均在同一反应器内进行。本工艺利用蛇纹石替代皮江法炼镁中白云石作原料，避免了白云石煅烧过程向大气排放大量二氧化碳，实现零碳排放；还因为蛇纹石中二氧化硅SiO

具体实施方式

实施例1

矿石原料为45份普通蛇纹石（3MgO.2SiO

首先将普通蛇纹石放入500℃的煅烧炉中进行结晶水的脱除，得到煅烧产物除水蛇纹石（3MgO.2SiO

然后将除水蛇纹石、二氧化钛原料、碳化钙还原剂、萤石催化剂破碎，目数为100目，按还原反应所需合理比例混合并研磨成粉状，然后将混合后的粉料用压力机挤压成团，并将压制成的球团料置入密闭的反应器内，最后通过热源对反应器外壁进行加热，利用反应器内壁与球团间的辐射传热和球团自身的导热使料球加热升温至1000℃、常压下持续通入氩气，生产出固态金属钛。待球团内还原反应彻底结束，对反应器抽真空，保持在100Pa以内，球团内过量的液态镁变为气态并在反应器的冷凝器凝结并收集得到金属镁。

反应器内的化学反应如下：

实施例2

矿石原料为23份二氧化硅（SiO

将二氧化硅、氧化镁、二氧化钛原料、碳化钙还原剂、萤石催化剂破碎，目数为150目，按还原反应所需合理比例混合并研磨成粉状，然后将混合后的粉料用压力机挤压成团，并将压制成的球团料置入密闭的反应器内，最后利用反应器内置电热丝对料球加热升温至1050℃、微正压下保持反应器内处于氩气气氛，生产出固态金属钛。待球团内还原反应彻底结束，对反应器抽真空，保持在100Pa以内，球团内过量的液态镁变为气态并在反应器的冷凝器凝结并收集得到金属镁。

反应器内的化学反应如下：

实施例3

矿石原料为22份普通蛇纹石（3MgO.2SiO

首先将普通蛇纹石放入550℃的煅烧炉中进行结晶水的脱除，得到煅烧产物除水蛇纹石（3MgO.2SiO

然后将除水蛇纹石、二氧化硅、氧化镁、二氧化钛原料、碳化钙还原剂、萤石催化剂破碎，目数为160目，按还原反应所需合理比例混合并研磨成粉状，然后将混合后的粉料用压力机挤压成团，并将压制成的球团料置入密闭的反应器内，最后利用反应器内置电热丝对料球加热升温至950℃、常压下持续通入氩气，生产出固态金属钛。待球团内还原反应彻底结束，对反应器抽真空，保持在100Pa以内，球团内过量的液态镁变为气态并在反应器的冷凝器凝结并收集得到金属镁。

反应器内的化学反应如下：

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