以白云石和菱鎂石為原料真空金屬熱還原制取金屬鎂的研究.pdf

1、金屬鎂及其合金具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱和電導(dǎo)性能好、阻尼減震、電磁外屏蔽、易于機(jī)械加工和容易回收等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，已成為僅次于鋼鐵和鋁的第三大金屬工程材料。目前的生產(chǎn)方法主要分為熔鹽電解法和真空金屬熱還原法兩種。相比之下，我國(guó)白云石和菱鎂礦資源豐富、礦石品位高，真空金屬熱還原法（以皮江法為主）是我國(guó)金屬鎂的主要生產(chǎn)方法。皮江法制鎂目前仍是一個(gè)高能耗、高廢物排放的冶金工藝。以鋁或鋁合金為還原劑的真空熱還原制鎂技術(shù)可大大降低煉鎂能耗，減少?gòu)U渣

2、和二氧化碳?xì)怏w的排放，符合未來(lái)煉鎂行業(yè)的發(fā)展方向。本文主要對(duì)以白云石和菱鎂礦為原料，分別以硅鐵合金、Al-Si-Fe合金和鋁粉為還原劑進(jìn)行真空熱還原制取金屬鎂的還原工藝和還原機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;對(duì)以鋁粉為還原劑的真空熱還原制鎂所得還原渣為原料的氧化鋁溶出工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并同現(xiàn)行的皮江法制鎂技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。
　　論文對(duì)白云石、菱鎂石和鎂化白云石的物相、化學(xué)成分和差熱熱重進(jìn)行了測(cè)試分析，研究了粒徑為1 mm、4 mm、8 mm和12

3、mm的白云石、菱鎂石及鎂化白云石顆粒在煅燒溫度為600-1120℃、煅燒時(shí)間為30-110 min下的礦樣燒損率、對(duì)應(yīng)煅燒產(chǎn)物的水化活性度和灼減量等參數(shù)的變化規(guī)律;通過(guò)不同粒徑顆粒的煅燒實(shí)驗(yàn)，探討了影響煅燒產(chǎn)物活性的因素，確定以白云石、菱鎂石和鎂化白云石為原料，經(jīng)煅燒獲得最佳冶金活性的CaO·MgO和MgO的技術(shù)參數(shù)。利用Coats-Redfern和Doyle方程對(duì)白云石的非等溫分解過(guò)程進(jìn)行了分析，得到分解過(guò)程動(dòng)力學(xué)符合Avrami-E

4、rofeev的以成核與核生長(zhǎng)為控制步驟的A1模型及相關(guān)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)白云石的煅燒分解過(guò)程的進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。
　　結(jié)合熱力學(xué)原理對(duì)金屬熱還原法制鎂過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行分析，計(jì)算了采用不同還原劑時(shí)，還原反應(yīng)所需的臨界反應(yīng)溫度。通過(guò)對(duì)硅熱還原氧化鎂和硅熱還原煅燒白云石的反應(yīng)過(guò)程的理論分析可知:若硅熱法制鎂過(guò)程中出現(xiàn)氧化鈣的造渣反應(yīng)，可以使硅熱法還原的臨界溫度降低600 K以上，并可避免MgO出現(xiàn)損失。還原過(guò)程中真空條件的引入可以大幅降低臨界反

5、應(yīng)溫度。通過(guò)對(duì)鎂蒸氣壓及露點(diǎn)的計(jì)算，進(jìn)一步確定影響硅熱法還原過(guò)程中金屬鎂結(jié)晶形態(tài)的因素。利用熱力學(xué)計(jì)算還原反應(yīng)的臨界反應(yīng)溫度和反應(yīng)生成的金屬鎂的蒸氣壓，確定了以Al-Si-Fe合金和鋁粉為還原劑進(jìn)行真空熱還原法制鎂的可行性。
　　分別以煅燒白云石所制得的活性CaO·MgO為原料、硅鐵合會(huì)和Al-Si-Fe合金為還原劑以及以煅燒白云石和煅燒菱鎂石的混合物或煅燒鎂化白云石所制得活性氧化物為原料、鋁粉為還原劑進(jìn)行了真空熱還原制取金屬鎂的

6、實(shí)驗(yàn)研究?？疾炝诉€原溫度、還原時(shí)間、爐料制團(tuán)壓力、還原劑過(guò)量系數(shù)和氟鹽添加量對(duì)還原過(guò)程、鎂還原率及還原劑利用率的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和還原產(chǎn)物的物相分析、SEM分析和EDS分析，對(duì)還原反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理及過(guò)程的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。
　　利用煅燒白云石和煅燒菱鎂石的混合物或煅燒鎂化白云石在真空條件下進(jìn)行鋁熱還原制鎂所得還原渣為原料，進(jìn)行溶出氧化鋁的實(shí)驗(yàn)研究。并對(duì)還原渣中CaO·2Al2O3和CaO·Al2O3的氧化鋁溶出機(jī)理進(jìn)行了分析，同時(shí)

7、結(jié)合溶出渣的物相分析，探討了NaOH和Na2CO3在鋁酸鈣溶出過(guò)程中所起的作用，以及溶出溫度、溶出時(shí)間、液固比、NaOH和Na2CO3的過(guò)量系數(shù)對(duì)氧化鋁的溶出過(guò)程的影響，得到溶出過(guò)程的最佳工藝參數(shù)。在該工藝條件下的氧化鋁溶出率最高可以達(dá)到86％，全鋁溶出率達(dá)到88％。對(duì)溶出的鋁酸鈉溶液進(jìn)行碳酸化分解后所獲得的氫氧化鋁，其白度可以達(dá)到97％。利用不同還原溫度所得還原渣的氧化鋁溶出率數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)溶出后渣料的物相分析、SEM分析和EDS分析，

8、探討了還原溫度對(duì)還原渣的物相組成及利用上述還原渣組分對(duì)氧化鋁溶出過(guò)程的影響。
　　對(duì)新型真空鋁熱還原制鎂工藝和現(xiàn)行皮江法制鎂工藝進(jìn)行能耗分析和成本分析對(duì)比。新型制鎂工藝比較現(xiàn)行皮江法在生產(chǎn)過(guò)程中的廢氣廢渣的排放、能源消耗量、生產(chǎn)成本及后續(xù)還原殘?jiān)睦檬找嬗酗@著改進(jìn)，綜合能耗降低60％以上、生產(chǎn)成本降低4000元/噸。新型制鎂工藝具有低成本生產(chǎn)、低污染物排放、高生產(chǎn)效率、高能源利用率和工藝原料可循環(huán)利用的特點(diǎn)，屬于低碳、低污染和高