CN101285130A - 一种用硅铁还原氧化钙制备金属钙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用硅铁还原氧化钙制备金属钙的方法，特别是提供了一种在真空中，用硅铁还原氧化钙制备金属钙的方法，属于真空热还原法生产技术领域。以氧化钙为提取金属钙的原料，硅铁为还原剂，在压力10^－2～50Pa、1300℃～1600℃条件下，通过真空热还原过程使氧化钙中的元素钙被还原成蒸气，冷凝后制得结晶良好的固体金属钙。

Description

一种用硅铁还原氧化钙制备金属钙的方法

一、技术领域

本发明涉及一种用硅铁粉还原氧化钙制备金属钙的方法，特别是提供了一种在真空中，用硅铁还原氧化钙制备金属钙的方法，属于真空热还原法生产技术领域。

二、背景技术

在大自然中，钙是存在最普遍的元素之一，占地壳原子总数的1.5％。在所有的化学元素中，钙在地壳中的含量仅次于氧、铝、硅、铁，居第五位。钙是一种银白色稍软，有光泽，非常活泼的金属。主要用于与铝、铜、铅制合金，也用作制铍、稀土等金属元素的还原剂、合金的脱氧剂、电管的吸气剂和有机体的脱水剂、油脂脱氢等。

随着钙应用领域的不断扩大，对金属钙的需求也在不断增加。目前，金属钙的生产方法主要有熔盐电解法和金属铝热还原法。熔融盐电解是以氯化钙为原料，金属合金为阴、阳极，在氯化钙熔融状态下通入直流电进行电解，阴极得到金属钙沉积，阳极放出氯气。电解所用装备与镁电解相似，其工艺的缺点在于要求钙的氯化物不含水，阴极放出的是氯气，而且，设备投资大，能耗也高。金属铝热还原法主要是以金属铝粉为强还原剂，在一定真空度和温度下，将经过煅烧后的石灰石还原，钙被还原成蒸气后再经过凝华得到金属钙。所用设备与硅热法炼镁的相同，但缺点是还原剂铝粉的成本较高。张中豪等(文献：张中豪，毕吉文.铝热冶炼金属钙的热力学及其工艺研究.《新技术新工艺》，2000年，第10期)通过理论计算，导出铝热还原氧化钙生产金属钙不同钙蒸气压力下的反应温度，给出铝热还原的冶炼流程：先将石灰石煅烧，然后将煅烧后的矿石、铝粉和添加剂磨至150目后一起混合制团(球团极限抗压强度5～6MPa)，制得球团在1200℃、0.1Pa的真空条件下，还原、冷凝可以得到结晶良好的金属钙；梁磊(文献：梁磊.硅热法镁厂炼钙技改关键部位——真空系统的研究.《石油化工应用》，2006年，第5期)也计算了铝热还原的理论温度，结果与张中豪等的相近，并论述了在硅热法炼镁设备上完成铝热还原炼钙，关键是要求设备真空度满足＜0.133Pa的要求；曹大义也有类似的结论(文献：曹大义.在硅铁制镁装置上生产钙和铝酸钙.《应用技术》，2001年，第6期)。另外，张中豪，刘力超(文献：张中豪，刘力超.电石冶炼金属钙的热力学及工艺.《化学世界》，2002年，第12期)从理论上提出了以电石为原料，在一定真空和温度条件下分解生产金属钙的可能，给出了工艺过程及技术指标，但未有实质性的试验和生产数据。

张中豪，刘力超(文献：张中豪，刘力超.硅热法冶炼金属钙的热力学及工艺.《矿冶工程》，2002年，第4期)通过理论计算，导出了硅热法冶炼金属钙时还原反应的热力学参数，给出了理想的冶炼流程、工艺条件和主要设备，并估列出技术经济指标。张中豪等认为，使氧化钙在工业生产中易于达到的0.0133kPa真空度下进行还原，反应温度需达到1700℃左右。并且在其工艺过程中需要消耗煤和添加剂，而且其并未提到钙蒸气的冷凝条件，而是还原后直接接入熔化炉，并未说明操作制度，这在实际的操作中会造成钙蒸气的冷凝效率降低。本发明与张中豪等研究相同的是都采用硅铁作为还原剂，但存在的许多关键不同点，其一，本发明采用硅铁还原时，并不需要任何添加剂或是消耗煤等燃料，这样就大大降低了原料和能源消耗；其二，操作条件也有差别，本发明利用了相对高真空低的反应温度，进一步降低了电耗；其三，本发明中明确了冷凝时的操作条件，保持反应温度，在反应过程中停止了真空系统，保证一定的冷凝温度，最终得到结晶良好的块状金属钙。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种用硅铁粉还原氧化钙制备金属钙的方法，以氧化钙为提取金属钙的原料，硅铁为还原剂，在压力10^-2Pa～30Pa、1300℃～1600℃条件下，通过真空热还原过程使氧化钙中的元素钙被还原成蒸气，冷凝后制得结晶良好的固体金属钙，工艺流程见附图1。

本发明按以下步骤完成：

(1)以含氧化钙＞98％的氧化钙粉为金属钙的提取原料，采用粒度小于0.5mm的75硅铁粉为还原剂，以反应(a)中氧化钙粉摩尔化学当量的0.5～2倍配入还原剂硅铁粉，研磨混合均匀，得到氧化钙和硅铁的混合原料；

2CaO+Si＝SiO₂+2Ca(g)    (a)

(2)将上述混合原料，以10MPa～50MPa压力压制成Φ10×5～30×30mm的块状混合原料，将块状原料装入真空炉中，炉内压力10^-2～50Pa、以5～10℃/min的速度升温至80～120℃保温20分钟，脱出水分等挥发物，以10～15℃/min升温速度升温至1300～1600℃，炉内压力10^-2～50Pa还原熔炼1.5-2小时，得到钙蒸气；

(3)保持炉内温度1300～1600℃，停止真空系统，使钙蒸气在700～900℃的冷凝器上冷凝，此过程中炉内压力为5～80Pa；

(4)当真空炉内压力达到＜5Pa后，重新开启真空系统，停止加热，冷却至室温下，

打开真空炉，在冷凝器上收集得到金属钙产品。

与公知技术相比具有优点及积极效果

得到的产品为块状金属钙，通过XRD物相分析显示(XRD图谱见附图2)，只有金属钙的特征峰，表明产品为金属钙，且纯度高，含钙＞95％；同时，衍射峰强度大表明金属钙结晶良好。本发明的优点是流程简单，便于操作，原料价格低廉、易得，过程中无需加入任何其他添加剂以及煤燃料等，整个反应过程在真空中进行，对环境几乎无污染。

四、附图说明：

图1为本发明工艺流程图，图2为产品金属钙XRD物相图谱。

五、具体实施方式

实施例1：将1摩尔的CaO(56g)与0.7摩尔的75硅铁(25g)混合均匀，30MPa压力下压制成块，装入真空炉，开启真空系统，当压力＜0.1Pa后开始升温，以10℃/min速度升温至100℃，保温15分钟；然后继续以15℃/min的速度升温至1600℃时控制压力10^-2～20Pa，还原熔炼1.5小时，关闭真空系统，使钙蒸气在约800～900℃的冷凝器上充分冷凝，此期间炉内压力最高达到80Pa，当炉内压力＜5Pa后，打开真空系统，并停止加热，待炉体冷却至常温，打开真空炉，从冷凝器上取下冷凝的金属钙。通过X射线衍射分析，其纯度＞95％。

实施例2：将1摩尔的CaO(56g)与0.5摩尔的75硅铁(18g)混合均匀，15MPa压力下压制成块，装入真空炉，开启真空系统，当压力＜0.1Pa后开始升温，以5℃/min速度升温至80℃，保温20分钟；然后继续以i0℃/min的速度升温至1300℃时，控制压力10^-2～40Pa，还原熔炼2小时关闭真空系统，使钙蒸气在约700℃的冷凝器上充分冷凝，此期间炉内压力最高达到35Pa，当炉内压力＜5Pa后，打开真空系统，并停止加热，待炉体冷却至常温，打开真空炉，从冷凝器上取下冷凝的金属钙，其纯度＞96％。

实施例3：将1摩尔的CaO(56g)与1.5摩尔的75硅铁(35g)混合均匀，45MPa压力下压制成块，装入真空炉，开启真空系统，当压力＜0.1Pa后开始升温，以8℃/min速度升温至100℃，保温15分钟；然后继续以12℃/min的速度升温至1500℃时，制压力10^-1～50Pa，还原熔炼1.5小时关闭真空系统，使钙蒸气在约800℃的冷凝器上充分冷凝，此期间炉内压力最高达到64Pa，当炉内压力＜5Pa后，打开真空系统，并停止加热，待炉体冷却至常温，打开真空炉，从冷凝器上取下冷凝的金属钙。

Claims (1)

1、一种用硅铁还原氧化钙制备金属钙的方法，其特征在于：其按以下步骤完成：

1)、以含氧化钙＞98％的氧化钙粉为金属钙的提取原料，采用粒度小于0.5mm的75硅铁粉为还原剂，按反应中氧化钙粉摩尔化学当量的0.5～2倍配入还原剂硅铁粉，研磨混合均匀，得到氧化钙和硅铁的混合原料；

2)、将上述混合原料，以10MPa～50MPa压力压制成Φ10×5～30×30mm的块状混合原料，将块状原料装入真空炉中，炉内压力10^-2～50Pa、以5～10℃/min的速度升温至80～120℃保温20分钟，再以10～15℃/min升温速度升温至1300～1600℃，炉内压力10^-2～50Pa还原熔炼1.5-2小时，得到钙蒸气；

3)、停止真空系统，使钙蒸气在700～900℃的冷凝器上冷凝；

4)、当真空炉内压力达到＜5Pa后，重新开启真空系统，停止加热，冷却至室温下，打开真空炉，在冷凝器上收集得到金属钙产品。

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