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真空碳热还原白云石制镁的基础研究

作　者: 汪浩
导　师: 谢卫东
学　校: 重庆大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 真空碳热还原白云石热力学动力学分解
分类号: TF822
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

镁及镁合金被誉为最具潜力的“绿色工程材料”。随着镁合金应用领域的快速扩展，对原镁的需求迅速增加，极大的促进了炼镁技术的进步。目前金属镁的制备方法主要有电解法和热还原法，但两者都存在能耗高、污染大、成本高等问题。为提高热还原制镁还原率、降低成本、缩短工艺流程，探索经济、高效、环保的金属镁制备新途径，本文重点研究了以廉价的碳作为还原剂的真空碳热还原制镁新方法；较为系统的研究了新方法的热力学、动力学；通过碳热还原实验制备出金属镁，并对产物形貌及冷凝方式进行分析，主要研究内容及结论如下:（1）进行了白云石与焦碳混合物料真空热分解反应热力学、动力学的理论分析和实验研究，结果表明：在10¹00Pa的系统压强下，白云石与碳混合物料分解时，碳酸镁、碳酸钙加碳分解时的分解温度比常压下单纯碳酸镁、碳酸钙的分解温度分别低85、412K，白云石与碳混合物料真空分解与白云石传统高温煅烧工艺相比具有显著技术经济优势。（2）计算并分析了真空碳热还原白云石分解产物的反应进行热力学。结果表明：在压强为10Pa时，MgO、CaO碳热还原反应的临界温度分别为1354K、1532K，MgO临界温度比CaO低178K；在压强为10Pa，温度为1373K¹523K时，氧化镁能被还原，而氧化钙则不能被还原，碳热还原白云石分解产物制镁在热力学上可行。（3）进行了真空碳热制镁实验研究。结果表明：提高反应温度、延长时间、降低压强，添加CaF₂等均能提高还原反应速度和还原率；温度为1423K-1473K时，延长反应时间，还原率提高较小，温度为1473K-1573K时延长反应时间还原率提高较快，在1573K时反应60min，还原率可达83.7%，继续延长时间，镁还原率的增加不明显。当CaF₂添加量低于5%时，氧化镁的还原速度随着CaF₂添加量的增加而增大，当CaF₂添加量高于5%时，继续增加CaF₂时还原速度提高不明显。（4）观测、分析了碳热还原制备的金属镁的成分、形貌及其成因。发现，在压强10Pa、温度1523K下得到的金属镁呈片状、针杆状等形状，其中，片状镁的Mg含量约95%，主要出现在凝壁上端，较为致密，其成因估计为较好冷凝条件下核生长；而针杆状产物镁的镁含量为44.33%，表层被氧化，主要出现在冷凝壁下端，其微观形貌呈羽毛状，结构疏松，估计是由于冷凝区间存在垂直于冷凝壁的温度梯度，从而形成沿着壁向内部生长的羽毛状镁产。（5）采用等温法，研究了真空碳热制镁反应动力学。结果表明，在1423¹573K温度下，反应控速环节为碳气化、界面反应、气相扩散时，还原反应的活化能分别为190.28、219.71kJ·mol^-1、451.12⁵28.54kJ·mol^-1，三者中，反应控速环节为气相扩散时，还原反应的活化能最大，是真空条件下氧化镁的碳热还原反应的主要控速环节。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-22
  1.1 镁及镁合金  10-11
    1.1.1 镁的理化性质  10
    1.1.2 镁及镁合金的应用  10-11
  1.2 镁资源概述  11-14
    1.2.1 菱镁矿  12-13
    1.2.2 白云石  13
    1.2.3 蛇纹石  13-14
    1.2.4 光卤石  14
    1.2.5 水氯镁石  14
  1.3 金属镁制备的主要方法  14-19
    1.3.1 电解法  14-15
    1.3.2 热还原法  15-19
  1.4 真空冶金及其特点  19-20
    1.4.1 真空冶金技术概况  19-20
    1.4.2 真空冶金的特点  20
  1.5 选题意义及研究内容  20-22
    1.5.1 本课题研究的目的及意义  20-21
    1.5.2 本课题研究的内容  21-22
2 白云石加碳热分解新方法研究  22-42
  2.1 白云石常规热分解存在的问题及新方法的提出  22-23
  2.2 白云石加碳分解热力学及动力学  23-31
    2.2.1 白云石加碳分解热力学分析  23-30
    2.2.2 白云石加碳分解动力学分析  30-31
  2.3 实验材料及设备  31-34
    2.3.1 实验材料  31-32
    2.3.2 实验设备  32-34
  2.4 实验方案  34-36
    2.4.1 实验过程  34-35
    2.4.2 分析方法  35-36
  2.5 热分解实验结果及分析  36-40
    2.5.1 白云石矿的热分析  36-37
    2.5.2 纯白云石分解结果分析  37-38
    2.5.3 白云石加碳分解反应结果分析  38-40
    2.5.4 残渣分析  40
  2.6 本章小结  40-42
3 白云石真空碳热还原的热力学分析  42-48
  3.1 碳与镁、钙氧化物的吉布斯自由能的比较  42-43
  3.2 真空碳热还原金属镁的基本反应式  43-44
    3.2.1 基本反应式的确定  43
    3.2.2 标准状态下反应吉布斯自由能与还原反应临界温度的计算  43-44
  3.3 真空对还原过程的影响  44-47
  3.4 本章小结  47-48
4 白云石真空碳热还原实验研究  48-64
  4.1 实验设备及原料  48-49
    4.1.1 实验设备  48
    4.1.2 实验原料  48-49
  4.2 实验方案  49
  4.3 实验结果与分析  49-58
    4.3.1 物料失重分析  50
    4.3.2 添加 CaF2对镁还原反应的影响  50-52
    4.3.3 反应时间对镁还原率的影响  52-53
    4.3.4 反应温度对镁还原率的影响  53
    4.3.5 系统压强对镁还原率的影响  53-54
    4.3.6 冷凝产物分析  54-58
  4.4 氧化镁真空碳热还原的动力学分析  58-62
    4.4.1 氧化镁真空碳热还原反应的动力学机理  59-60
    4.4.2 实验结果与分析  60-61
    4.4.3 活化能的计算  61-62
  4.5 本章小结  62-64
5 结论  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
附录  70
  A 作者在攻读学位期间发表的论文目录  70
  B 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果及获奖情况  70

真空碳热还原白云石制镁的基础研究

内容摘要

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