菱镁石和白云石的煅烧条件对球团密度及还原过程的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学材料与冶金学院 作者:傅大学

  研究了白云石和菱镁石的煅烧条件对获得的熟料压制成球团的密度的影响,并以菱镁石和白云石的混合物为原料,铝粉为还原剂考察了煅烧条件对还原过程的影响。实验结果表明:随着菱镁石和白云石煅烧温度的提高,球团的密度增加。在煅烧过程中,假晶的形成和破坏是导致球团密度变化的主要原因。在750和1100℃煅烧的菱镁石和白云石,单位质量原料产镁最多,为0.3143;在750和1200℃煅烧的菱镁石和白云石,单位体积原料可以产出更多的镁,达到0.6626g/cm3。综合考虑成本因素,认为菱镁石和白云石的最佳煅烧温度分别为750和1100℃。

  金属Mg是常用的最轻的结构金属,被广泛的应用在冶金、化工和机械等领域,世界需求量很大。金属Mg的生产方法主要有两种:电解法和热还原法。根据还原剂的不同,可以将热还原法分为硅热、碳热、铝热和碳化物热还原法。皮江法是硅热法的一种,工艺已经非常成熟,是目前采用最多的炼镁方法。除皮江法外,硅热法还包括内电阻加热炼镁工艺,此法主要应用在巴西。另外,由于碳质还原剂价格便宜,且来源广泛,使得碳热法炼镁得到了各国冶金工作者的广泛关注。然而,由于产生的镁蒸气和碳的氧化物发生二次反应导致生产的金属Mg纯度较低,还原率较小,制约了碳热法炼镁的发展。以碳热过程为基础的CSIRO’sMag-SonicTM工艺,自2003年在澳大利亚提出以来,经过不断的改进,成功地抑制了这种二次反应。它通过利用Laval喷嘴,使得产生的镁蒸气以106℃/s冷凝,达到与碳的氧化物迅速分离的目的,此法目前仍处于实验室研究阶段。在碳化物热还原炼镁方面,一些研究者建议了以碳化钙为还原剂制取金属Mg的工艺,但此法还原剂消耗量较大,成本较高。铝热还原炼镁工艺与其它热还原工艺相比可以在相对较低的温度下进行,但由于铝价格昂贵而没有得到发展。近年来,冯乃祥等建议一种铝热还原炼镁工艺,该工艺以回收的废铝为还原剂,以煅烧菱镁石和煅烧白云石的混合物为原料,真空热还原制取金属Mg,同时得到富含铝酸钙的还原渣,此还原渣经过碱液溶出,可以制取高附加值的特种氢氧化铝。此方法可以大幅度降低能耗、减少CO2及废渣排放。

  除电解法外,上述炼镁工艺的主要原料皆为菱镁石和白云石。矿石必须经过煅烧和制团后才能用于还原反应。一些学者对煅烧菱镁石和煅烧白云石的水化活性进行了研究。研究结果表明,在完全分解的条件下,菱镁石和白云石的水化活性均随煅烧温度提高或煅烧时间的延长而降低,菱镁石和白云石分别在750和1050℃煅烧1.5h可以获得最高的水化活性。孙文华等认为MgO的晶粒大小和晶格畸变是影响其水化活性的主要原因。一些文献报道了菱镁石分解过程中氧化镁晶粒生长的动力学和机理。另一些学者利用差热-热重分析法研究了菱镁石和白云石的分解动力学,得到了分解反应的活化能,如高枫等得到菱镁石分解反应的活化能为172~199kJ/mol,高家诚等得到白云石分解反应的活化能为148.16kJ/mol。可见,已有的文献主要针对矿石的煅烧过程进行了研究,而对制团过程的报道较少。

  本文研究了白云石和菱镁石的煅烧条件对其压制成球团的密度的影响。同时以铝热还原煅烧菱镁石和煅烧白云石的混合物为例,讨论了煅烧条件对还原过程的影响。

1、实验

  1.1、实验原料

  本实验使用的原料主要是菱镁石和白云石,取自辽宁省大石桥市,其主要化学成分(质量比)如表1所示。

表1 原料的化学成分

原料的化学成分

  1.2、实验方法

  菱镁石分别在750,950,1050和1150℃煅烧90min,在850℃煅烧90,120和150min;白云石分别在1000,1200,1300和1400℃煅烧90min,在1100℃煅烧90,120和150min。煅烧时,首先将炉温升至实验温度,然后将粒度为10~12mm的菱镁石和白云石颗粒放进电阻炉中煅烧。煅烧后的试样利用FW-100型高速万能粉碎机(北京市永光明医疗仪器厂)研磨1min,用于后续测量。

  利用XQ-5型嵌样机,将煅烧白云石和菱镁石粉末分别在表盘读数压力为10,20,30和40MPa条件下压制成直径为20mm的圆柱形团块。由于压力机直径与模具直径不同,因此样品实际所受压力分别为46.9,93.8,140.7和187.6MPa。通过游标卡尺测量团块的高度,利用精确度为0.001的电子天平测量团块的质量,进而计算团块的密度。

  通过对煅烧菱镁石和煅烧白云石的混合物进行铝热还原实验,进一步研究煅烧条件对还原过程的影响。将煅烧菱镁石、煅烧白云石和铝粉以分子比5∶1∶4混合,在117.25MPa下压团。首先测量团块的密度,然后将团块放入真空还原炉中,在1200℃,10Pa的压力下还原120min。

  利用BT-9300HT型粒度分析仪,采用无水乙醇作为分散剂测量粉末粒度。粉末的微观形貌通过S-4800型扫描电镜(SEM)进行研究。

3、结论

  (1)在750~1050℃之间煅烧菱镁石,得到的粉末压成球团的密度随煅烧温度的提高而提高;不同的煅烧时间对球团的密度影响不大。在1000℃到1400℃煅烧白云石,得到了与菱镁石相似的结果。

  (2)煅烧温度对球团密度的影响主要是因为白云石和菱镁石在煅烧过程中形成假晶,随着煅烧温度提高,假晶结构出现不同程度的破坏,颗粒体积也出现不同程度的收缩,导致每个颗粒的密度增加,进而导致球团的密度增加。

  (3)分别在750℃和1100℃煅烧的菱镁石和白云石,单位质量原料产镁最多,为0.3143,此时原料利用率最高;而在750℃和1200℃煅烧的菱镁石和白云石,单位体积原料可以产出更多的镁,达到0.6626g/cm3,此时可以获得更高的生产效率。综合考虑成本因素,认为菱镁石和白云石的最佳煅烧温度分别为750℃和1100℃。

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