金屬鎂的發(fā)展到現(xiàn)在經(jīng)歷了200年的歷史，如今鎂及其合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通、電子等行業(yè)。我國(guó)鎂資源豐富，鎂工業(yè)發(fā)展也非常迅速，2007年產(chǎn)量超過(guò)60 萬(wàn)噸，連續(xù)十年位居世界第一。我國(guó)絕大部分的金屬鎂由皮江法生產(chǎn)，該法將煅燒白云石與硅鐵還原劑混合制團(tuán)，在小于13Pa的真空條件下1200℃左右熱還原提取金屬鎂。由于皮江法技術(shù)簡(jiǎn)單，投資小，而且我國(guó)白云石和煤資源豐富，所以在我國(guó)得到飛速發(fā)展。然而皮江法煉鎂暴露出諸多問(wèn)題，如熱效率低，能耗高，還原罐壽命短等。這主要是由于以硅鐵為還原劑煉鎂的皮江法對(duì)真空條件和還原溫度要求苛刻所致。

　　針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)專家進(jìn)行了大量的研究。其中從改變還原劑角度入手的研究引起關(guān)注：昆明理工大學(xué)研究了以碳（煙煤）為還原劑在小型還原爐中提取金屬鎂；郭清富教授從原料、工藝和效益等方面對(duì)比分析了硅鋁與硅鐵還原鎂，認(rèn)為前者更有發(fā)展優(yōu)勢(shì)；夏德宏教授研究了以鈣為還原劑，并設(shè)計(jì)一種新型鎂還原裝置，該反應(yīng)溫度低，可以連續(xù)生產(chǎn)。

　　本文提出碳化鈣（CaC2）還原MgO 制取金屬鎂，下面從熱力學(xué)角度分析常壓和真空條件下的吉布斯自由能與反應(yīng)溫度關(guān)系。

1、反應(yīng)機(jī)理的熱力學(xué)分析

1.1、常壓下碳化鈣還原金屬鎂的熱力學(xué)分析

　　用碳化鈣還原氧化鎂制取金屬鎂的基本還原反應(yīng)如下：

CaC2(s）+MgO(s)=CaO(s)+Mg(g)+2C(s) (1)

　　式(1)可拆分如表1 所示的多個(gè)反應(yīng)式：

表1 反應(yīng)方程及其標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)自由能

　　對(duì)于反應(yīng)式(1)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)自由能和溫度的關(guān)系可表示為：

　　當(dāng)T=2148K時(shí)，ΔGθ1≈0，故反應(yīng)式(1)在常壓下的臨界反應(yīng)溫度為2148K（1875℃）。

1.2、真空條件下碳化鈣還原鎂的熱力學(xué)分析

　　由于反應(yīng)式（1）所得金屬鎂為氣態(tài)，若還原反應(yīng)在真空條件下進(jìn)行：在相同溫度時(shí)式(1)的反應(yīng)吉布斯自由能降低；或者使式(1)的臨界反應(yīng)溫度降低。對(duì)于本文所研究的真空系統(tǒng)中，可近似取P 系=PMg，故吉布斯反應(yīng)自由能與反應(yīng)溫度和鎂蒸汽壓的關(guān)系如式(2)：

　　根據(jù)理論計(jì)算的自由能與溫度和鎂蒸汽壓的關(guān)系式(2)，作部分鎂蒸汽壓下還原反應(yīng)自由能與溫度曲線如圖1 所示。

圖1 不同Mg蒸汽壓下碳化鈣還原氧化鎂反應(yīng)ΔG-T曲線

　　由圖1可以看出，理論上隨著系統(tǒng)壓力降低，還原反應(yīng)的臨界溫度也下降。當(dāng)壓力從常壓101kPa降低至10kPa時(shí)臨界反應(yīng)溫度為1690K，降低450K左右；當(dāng)壓力降低至1kPa時(shí)，臨界反應(yīng)溫度為1395K，降低750K左右。另一方面當(dāng)提高還原溫度，可降低反應(yīng)自由能，有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。

2、試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1、試驗(yàn)設(shè)備

　　真空還原提取金屬鎂試驗(yàn)所用爐的示意圖如圖2所示。還原煉鎂爐主要由加熱爐、還原罐與冷凝器組成。圖2中熱電偶A 測(cè)量反應(yīng)罐內(nèi)溫度，熱電偶B測(cè)量反應(yīng)罐外溫度，在升溫過(guò)程二者溫差不能超過(guò)150，以保護(hù)反應(yīng)罐。采用2X-15型旋片式真空泵和ZJP-70羅茨真空泵所組成的真空機(jī)組對(duì)整個(gè)還原罐內(nèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真空狀態(tài)。真空計(jì)（量程：0.1～106Pa）可讀取還原設(shè)備內(nèi)的壓強(qiáng)，本試驗(yàn)真空條件為1～2Pa。

圖2 真空還原煉鎂試驗(yàn)爐示意圖