[发明专利]一种用硅铁还原氧化钙制备金属钙的方法

说明书

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)