真空热还原氧化镁的理论分析与实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)国家镁合金材料工程技术研究中心 作者:唐祁峰

  通过对C、Si和Al热还原MgO的热力学计算,分析了不同条件下热还原吉布斯自由能和反应初始温度的变化。计算结果表明:在常压下C、Si和Al还原MgO时,反应初始温度分别高达1900,2200和1600℃;通过添加CaO造渣和使用真空,不但能提高MgO的还原率,而且使标准自由能降低;在系统压力为10Pa时,碳热还原所需的初始温度为1100℃,加入CaO造渣的硅热还原、铝热还原所需的初始温度分别为800和690℃。在采用焦炭真空热还原MgO的验证试验中,发现在1500℃下还原120min,MgO的还原率高达84.59%。

  金属Mg由于其优良的性能因而被广泛应用于工业生产中的各个领域。同时,镁是地壳中分布广泛的碱金属元素,在结构金属中仅次于铝和铁。由于镁资源极为丰富,且镁在工业领域的应用不断扩大,炼镁产业也需要不断改善和提升。中国镁资源丰富,是最大的原镁产地和出口国。国内主要采用的皮江法炼镁工艺,是在高温真空下通过硅铁还原煅白中的MgO获取金属Mg的工艺。由于皮江法工艺经济指标落后,能耗高,污染严重等原因使之成为国家限制发展项目,从而迫切要求中国研究者寻找新的热法炼镁工艺。如北京科技大学的钙热还原法、东北大学的铝热还原法、昆明理工大学的碳热还原法、重庆大学的熔融还原法等等,均是种种新的尝试。然而,所有的热还原氧化镁工艺技术都是建立在热还原氧化镁热力学的基础上的,因此对热还原氧化镁的热力学及其影响因素进行最基本的分析计算和研究是十分必要的。

  本文通过对采用不同还原剂还原MgO的热力学进行了对比分析,研究了添加造渣剂CaO和真空条件对MgO热还原的影响,并在真空下采用焦炭进行了碳热还原MgO验证试验。

结论

  (1)对不同还原剂常压下热还原MgO进行了热力学计算,采用Si,Al,C常压下分别在2200,1600,1900℃时能与MgO发生还原反应。

  (2)在Si和Al热还原MgO时,会发生造渣反应,在降低还原初始温度的同时,也分别使50%和25%的MgO因参与造渣反应而不能被还原。通过加入CaO替代MgO进行造渣反应,不但能避免MgO的浪费,而且在常压下使硅热还原和铝热还原的初始温度分别下降到1550和1370℃。

  (3)真空的使用能够使热还原炼镁的工艺进一步下降,通过热力学计算,碳热还原和加入CaO造渣的硅热还原、铝热还原在系统压力为10Pa时,还原所需的初始温度分别为1100,800和690℃。

  (4)在真空下采用焦炭进行了碳热还原MgO验证试验,MgO的还原率随温度升高和时间延长而升高。在1500℃下还原120min,MgO的还原率高达84.59%。

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