一种高效制备氮化镁的方法

技术领域

本发明涉及化工材料制备技术领域，具体涉及一种高效制备氮化镁的方法。

背景技术

Mg

目前氮化镁的规模化生产主要是通过镁粉与氮气直接氮化合成，该方法低成本工业化的关键在于镁粉的连续高效制备。我国金属镁的主要生产方法是皮江法，需要在高温、高真空下进行，只能间歇操作，存在着生产周期长、金属镁产率低、能耗高等缺点。针对上述问题，中国专利申请CN102965524A公开了一种预制球团真空热还原炼镁的方法，通过添加一定量的粘结剂将一定比例的白云石、还原剂和萤石制成5-20mm的球团，并将其在高温惰性气氛下煅烧使球团中的白云石分解为高活性煅白，最后将煅烧后的球团置于1150℃、10Pa下热还原0.5-2h得到金属镁，该方法虽然可以在一定程度上提高镁生产速率、降低能耗，但是仍然需要间歇操作。中国专利申请CN104120282A公开了一种快速连续炼镁的方法，将白云石或菱镁矿、还原剂和萤石按照一定比例造成生球，生球在高温氮气或氩气下煅烧成熟球，熟球在高温流动氩气下进行还原反应，得到高温镁蒸气，然后通过冷凝携带镁蒸气的氩气可以得到金属镁。该方法利用高温流动氩气在生成镁蒸气的还原反应界面上形成“相对真空”或“相对负压”，为还原反应的发生提供了充分的热力学条件，从而使还原反应可以连续进行。该方法虽然可以在一定程度上实现金属镁的连续生产，但是由于高温还原中采用5-20mm的球团在氩气流动下反应，存在着球团受热不均匀、生成镁蒸气扩散逸出阻力大等问题，生产效率较低。现有技术尚未实现金属镁的快速连续制备，导致氮化镁难以低成本大规模高效生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种高效制备氮化镁的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高效制备氮化镁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、高能球磨：向煅烧后的白云石中加入还原剂、萤石和吸波材料，通过高能球磨机混合均匀，得到冷混合料；

S2、预热：利用热氩气将步骤S1所得的冷混合料进行预热，得到热混合料和冷氩气；

S3、微波还原：将步骤S2所得的热混合料在低温氩气中进行微波加热还原，得到Mg蒸汽和高温氩气的混合气体以及热渣；

S4、直接换热：利用热氮气与步骤S3所得的热渣进行直接换热，得到尾渣和高温氮气；

S5、间接换热：利用步骤S2所得的冷氩气与步骤S3所得的Mg蒸汽和高温氩气的混合气体进行间接换热，Mg蒸汽和高温氩气的混合气体冷却后得到Mg单质固体和低温氩气，冷氩气换热后变为热氩气；热氩气用于步骤S2的预热工序中；

S6、气固分离：对步骤S5所得的Mg单质固体和低温氩气进行气固分离，气固分离所得的低温氩气送入步骤S3的微波还原工序中；

S7、氮化：将步骤S6气固分离所得的Mg单质固体在来自步骤S4的高温氮气下进行氮化反应，得到热Mg

S8、冷却：利用冷氮气将步骤S7所得的热Mg

进一步地，步骤S1中，所述还原剂为75Si-Fe,所述吸波材料为耐高温碳材料。

更进一步地，所述耐高温碳材料为石墨、炭黑、碳纤维、石墨烯中的一种或几种组合。

更进一步地，按质量比计，煅烧后的白云石：还原剂：萤石＝50：(10-15)：(2-5)；吸波材料占煅烧后的白云石、还原剂、萤石和吸波材料的总质量的5-10％。

进一步地，步骤S1中，所述冷混合料的粒径<1μm。

进一步地，步骤S3中，微波加热还原温度为1200-1550℃，微波加热还原时间为5-60min，微波加热还原在流化床反应器内进行，所述流化床反应器设有辅助流化装置。

作为一种优选方案，辅助流化装置为内构件，所述内构件呈多孔板式结构、桨叶式结构或孔桨式结构。作为另一种优选方案，辅助流化装置为声波发生装置和振动装置中的一种或组合。

进一步地，步骤S7中，所述氮化反应温度为700-1000℃，所述氮化反应时间为1-10min。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用高能球磨将煅烧后的白云石、还原剂、萤石和吸波材料按照一定比例充分磨细混合均匀，原料与还原剂间接触紧密充分，有利于还原反应的发生，吸波材料与物料间混合均匀，有利于微波均匀加热。

2.本发明采用微波加热为高能球磨后含吸波材料的混合料提供还原反应所需热量，加热速率快，混合料受热均匀，可以有效避免传统由外向内传热而造成加热不均匀的缺点，有利于还原反应的高效均匀发生。

3.本发明省去了球团制备环节，直接将高能球磨后得到的<1μm的混合料加入气固流化床中，内构件、声波发生装置、振动装置等辅助流化装置可以破碎气泡，抑制细颗粒团聚，强化传质，反应生成的镁蒸气扩散逸出阻力小，在氩气的携带下可以快速离开还原反应界面，产生“相对真空”或“相对负压”，为还原反应提供充分的热力学条件和动力学条件，便于连续化操作和大规模处理。

4.本发明采用高温氮气直接氮化结晶镁制备氮化镁，反应速率快、效率高，环境友好，可以实现氮化镁的低成本大规模高效制备，具有良好的经济效益和社会效益。

5.本发明余热回收利用率高，有效提高了整体工艺的热效率。

附图说明

图1为本发明各实施例的方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

实施例1

本实施例提供一种高效制备氮化镁的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、高能球磨：将煅烧后的白云石、还原剂、萤石和吸波材料利用高能球磨机混合均匀，得到冷混合料。按质量比计，煅烧后的白云石：还原剂：萤石＝50：10：2，吸波材料占冷混合料总质量的10％；

S2、预热：利用热Ar将步骤S1所得的冷混合料进行预热，得到热混合料和冷Ar；

S3、微波还原：将步骤S2所得的热混合料在低温Ar的气氛下，在流化床反应器中微波加热至1550℃还原5min，得到金属镁蒸汽(下称Mg(g))、高温Ar和热渣；

S4、直接换热：利用热N

S5、间接换热工序：利用步骤S2所得的冷Ar对步骤S3所得的Mg(g)和高温Ar进行间接换热，得到热Ar、金属镁单质固体(下称Mg(s))和低温Ar，热Ar送入步骤S2的预热工序中；

S6、气固分离：对步骤S5所得的Mg(s)和低温Ar进行气固分离，分离所得的低温Ar送入步骤S3的微波还原工序中；

S7、氮化：将步骤S6分离所得的Mg(s)在来自步骤S4的高温N

S8、冷却：利用冷N

上述方法中，流化床反应器设有内构件、声波发生装置、振动装置中的一种或几种组合的辅助流化装置，用于破碎气泡、抑制细颗粒团聚，强化传质。

实施例2

本实施例的方法流程与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤S1中，按质量比计，煅烧后的白云石：还原剂：萤石＝50：15：5，吸波材料占冷混合料总质量的5％；步骤S3中，还原温度为1200℃，还原时间为60min；步骤S7中，氮化反应温度为700℃，还原时间为10min。

实施例3

本实施例的方法流程与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤S1中，按质量比计，煅烧后的白云石：还原剂：萤石＝50：12：3，吸波材料占冷混合料总质量的8％；步骤S3中，还原温度为1400℃，还原时间为35min；步骤S7中，氮化反应温度为850℃，还原时间为5min。

实施例4

本实施例的方法流程与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤S1中，按质量比计，煅烧后的白云石：还原剂：萤石＝50：13：4，吸波材料占冷混合料总质量的7％；步骤S3中，还原温度为1350℃，还原时间为45min；步骤S7中，氮化反应温度为800℃，还原时间为7min。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。