真空碳熱還原白云石制鎂的基礎(chǔ)研究

1、 真空碳熱還原白云石制鎂的基礎(chǔ)研究 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 （學(xué)術(shù)學(xué)位） 學(xué)生姓名：汪 浩 指導(dǎo)教師：謝衛(wèi)東 教 授 專(zhuān) 業(yè)：材料加工工程 學(xué)科門(mén)類(lèi)：工 學(xué) 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 二 O 一三年五月 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 中文摘要 I 摘 要 鎂及鎂合金被譽(yù)為最具潛力的“綠色工程材料”。 隨著鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的快速

2、擴(kuò)展，對(duì)原鎂的需求迅速增加，極大的促進(jìn)了煉鎂技術(shù)的進(jìn)步。目前金屬鎂的制備方法主要有電解法和熱還原法，但兩者都存在能耗高、污染大、成本高等問(wèn)題。為提高熱還原制鎂還原率、降低成本、縮短工藝流程，探索經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的金屬鎂制備新途徑，本文重點(diǎn)研究了以廉價(jià)的碳作為還原劑的真空碳熱還原制鎂新方法；較為系統(tǒng)的研究了新方法的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)；通過(guò)碳熱還原實(shí)驗(yàn)制備出金屬鎂，并對(duì)產(chǎn)物形貌及冷凝方式進(jìn)行分析，主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下: (1) 進(jìn)行了白云石與

3、焦碳混合物料真空熱分解反應(yīng)熱力學(xué)、 動(dòng)力學(xué)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究， 結(jié)果表明： 在 10~100Pa 的系統(tǒng)壓強(qiáng)下， 白云石與碳混合物料分解時(shí)，碳酸鎂、碳酸鈣加碳分解時(shí)的分解溫度比常壓下單純碳酸鎂、碳酸鈣的分解溫度分別低 85、412K，白云石與碳混合物料真空分解與白云石傳統(tǒng)高溫煅燒工藝相比具有顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。 (2) 計(jì)算并分析了真空碳熱還原白云石分解產(chǎn)物的反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)。結(jié)果表明： 在壓強(qiáng)為 10Pa 時(shí)， MgO、 CaO 碳熱還

4、原反應(yīng)的臨界溫度分別為 1354K、 1532K，MgO 臨界溫度比 CaO 低 178K； 在壓強(qiáng)為 10Pa， 溫度為 1373K~1523K 時(shí)， 氧化鎂能被還原，而氧化鈣則不能被還原，碳熱還原白云石分解產(chǎn)物制鎂在熱力學(xué)上可行。 (3) 進(jìn)行了真空碳熱制鎂實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：提高反應(yīng)溫度、延長(zhǎng)時(shí)間、降低壓強(qiáng)，添加 CaF2 等均能提高還原反應(yīng)速度和還原率；溫度為 1423K-1473K 時(shí)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，還原率提高較小，溫度為 1

5、473K-1573K 時(shí)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間還原率提高較快，在 1573K 時(shí)反應(yīng) 60min，還原率可達(dá) 83.7%，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，鎂還原率的增加不明顯。當(dāng) CaF2 添加量低于 5%時(shí)，氧化鎂的還原速度隨著 CaF2 添加量的增加而增大，當(dāng) CaF2 添加量高于 5%時(shí)，繼續(xù)增加 CaF2 時(shí)還原速度提高不明顯。 (4) 觀測(cè)、分析了碳熱還原制備的金屬鎂的成分、形貌及其成因。發(fā)現(xiàn)，在壓強(qiáng) 10Pa、溫度 1523K 下得到的金屬鎂呈片狀、針

6、桿狀等形狀，其中，片狀鎂的Mg 含量約 95%，主要出現(xiàn)在凝壁上端，較為致密，其成因估計(jì)為較好冷凝條件下核生長(zhǎng)；而針桿狀產(chǎn)物鎂的鎂含量為 44.33%，表層被氧化，主要出現(xiàn)在冷凝壁下端，其微觀形貌呈羽毛狀，結(jié)構(gòu)疏松，估計(jì)是由于冷凝區(qū)間存在垂直于冷凝壁的溫度梯度，從而形成沿著壁向內(nèi)部生長(zhǎng)的羽毛狀鎂產(chǎn)。 (5) 采用等溫法， 研究了真空碳熱制鎂反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。 結(jié)果表明， 在 1423~1573K溫度下，反應(yīng)控速環(huán)節(jié)為碳?xì)饣?、界面反?yīng)、氣相擴(kuò)散