由加拿大多伦多大学的L.M.皮江[注]于1941年发明,并在加拿大哈雷镁厂首次成功应用。加拿大多米尼昂公司、日本古河镁厂等多家镁厂曾先后采用皮江法生产原镁。由于皮江法工艺流程简单、建设投资小、成本相对较低,2000年前后在中国得到发展,特别是将高温烟气蓄热燃烧技术引入皮江法还原炉后,皮江法的能耗及污染大幅降低,成本进一步下降。
皮江法通常用煅烧后的白云石作原料,75号硅铁作还原剂,氟化钙含量不低于95%的萤石作矿化剂。将它们按适当的配比混合,磨粉后制成球团,再将球团装入还原罐内,罐内压力通常维持在10帕左右,罐外壁温度维持在约1200℃,用气体燃料加热还原罐。75号硅铁的主要成分为71.2%的单质硅(Si)和28.8%的硅铁(FeSi2),两者分别与煅白(CaMgO2)发生如下还原反应:
还原罐是皮江法的核心装备(见图)。常见有φ339毫米×2700毫米和φ370毫米×3100毫米两种规格,完成75%转化率的还原时间为10~12小时,还原操作周期通常为12小时,单罐单次产镁22~30千克,单罐日产镁44~60千克。
炉料从罐口装填到还原罐内反应区,用真空泵将罐内的压力从标准大气压降至约10帕,反应区还原罐外壁被加热,炉料在反应区受热达到一定温度时还原出镁蒸气。镁蒸气在结晶区被冷凝成结晶镁,结晶区通过循环水套进行冷却以保证镁蒸气的冷凝温度。反应结束后,将结晶镁从还原罐内取出,进行精炼除杂,最后浇铸成商品镁锭。
关于还原罐主体(反应区)的材质,多数镁厂使用的是中国研制的ZG35Cr26Ni8NRE合金耐热钢,还原罐寿命约3个月,这使得还原罐的成本成为皮江法炼镁成本的主要构成要素。
皮江法工艺的缺点是人工加料和出渣,难以实现机械化,体力劳动繁重,车间内粉尘污染大,原料中被还原出的钾和钠较少,在潮湿空气中极易着火并引燃结晶镁,易在车间内形成烟尘,工作环境恶劣。受还原罐内高温和还原渣熔融黏结两个因素的影响,皮江法实现机械化加料、出渣较为困难。