摘要：本论文在浅析真空硅热还原MgO、Li2O和SrO的基础上，提出了一种制备镁锂和镁锶合金的新策略，根据新策略设计相应的实验设备进行实验验证，通过论述浅析和实验验证形成了一套真空硅热还原直接制备镁锂和镁锶合金的新技术，并申请了《一种真空同步热还原制备Mg-Li合金的策略》、《真空热还原装置》、《吹气精炼装置》等专利。该策略还可用于其他合金直接制备技术中。热力学浅析硅热还原MgO、Li2O、SrO的可行性。其结果是：在标准大气压下硅不能将MgO、Li2O、SrO中的Mg、Li、Sr还原出来；在真空和CaO作造渣剂的条件下硅可将MgO、Li2O、SrO中的Mg、Li、Sr还原出来。根据吉布斯自由能变化与温度、蒸汽压之间的函数联系确定临界反应条件下其平衡蒸汽压对数与温度的联系分别是：（镁平衡蒸汽压对数）lgPMg=6.3-4513.1/T，（锂平衡蒸汽压对数）lgPLi=16.31-18646.9/T，（锶平衡蒸汽压对数）lgPSr=10.53-11786.4/T。热力学浅析得知真空硅热同步还原MgO、Li2O的条件是：当T1412K时，锂的平衡蒸汽压镁的平衡蒸汽压系统压强；当T1412K时，镁的平衡蒸汽压锂的平衡蒸汽压系统压强；当T=1412K时,镁的平衡蒸汽压=锂的平衡蒸汽压=1259Pa系统压强。热力学浅析得知真空硅热同步还原MgO、SrO的条件是：当T1719K时，锶的平衡蒸汽压镁的平衡蒸汽压系统压强；当T1719K时，镁的平衡蒸汽压锶的平衡蒸汽压系统压强；当T=1719K时，镁的平衡蒸汽压=锶的平衡蒸汽压=4715Pa系统压强。根据镁锂锶饱和蒸汽压对数与温度的联系式绘制镁锂锶的三相平衡图，其三相平衡点分别是（923K-358Pa）、（454K-1.8×10-8Pa）和(1042K-122Pa)；根据平衡蒸汽压大于饱和蒸汽压条件确定真空同步液化冷凝温度，在还原温度为1500K的条件下，镁锂和镁锶真空同步液化冷凝温度都是T1023K，镁锂和镁锶真空同步固化冷凝温度分别是T453K和T924K。真空硅热同步还原制备镁锂和镁锶合金历程中发生的反应都属于真固/固相反应，通过动力学浅析得知还原速度制约环节是反应物料的扩散传质速度。根据实验目的和实验要求革新设计出了一套可做真空熔炼实验、废镁回收实验和真空热还原实验的三用设备，该设备的加热温度可达1800℃、真空度可达10-2Pa、还原产物重量可达公斤级。设备中配有一套金属蒸汽的固化冷凝罩，其冷凝回收率可达96.9%。在固化冷凝罩的基础上提出了一种液化冷凝罩，通过液化冷凝罩导流槽将液化收集的金属产物导出进行吹气精炼。实验探讨真空硅热还原制备镁锂合金的可行性。将配好的原料搅拌混合后放入石墨坩埚中压实，在真空度为10pa，温度为1500K的条件下还原2小时，实验结果是：收得残渣重量为4474.2g，原子吸收测得其镁含量（wt%）为5.36%，锂含量（wt%）为0.27%，XRD测得其主要成分是硅酸钙（CaSiO4），此外还含有一定量的Ca4Si2O7F2；收得产物重量为721.7g，原子吸收测得其镁含量（wt%）为83.94%，锂含量（wt%）为4.49%，XRD测得其主要相是Li0.92Mg4.05和Li3Mg17；通过SEM和EDS探讨镁锂产物的生长方式，浅析发现镁锂产物以毛羽状生长，初始冷凝端毛羽小且氧化少，最后冷凝端毛羽较大且氧化较多；根据原料、产物和残渣中金属镁和金属锂的质量计算还原率和收集率，金属镁的还原率是75.99%，收集率是83.51%，金属锂的还原率是76.69%，收集率是84.16%。实验结果表明真空硅热还原制备镁锂合金是可行的。实验探讨真空硅热还原制备镁锶合金的可行性。将配好的原料搅拌混合后分别放入石墨坩埚中压实，在真空度为10pa，温度为1500K的条件下还原2小时，实验结果是：收得残渣重量为4012.0g，原子吸收测得其镁含量（wt%）为5.87%，锂含量（wt%）为0.32%，XRD测得其主要成分是Ca2SiO4，此外还含有少量的Ca14Mg2(SiO4)8和Ca13.5Ba0.3Mg1.8；收得产物重量为692.7g，原子吸收测得其镁含量（wt%）为84.87%，锂含量（wt%）为4.27%，XRD测得其主要相是Mg17Sr2和Mg5.2Sr；通过SEM和EDS探讨镁锶产物的生长方式，浅析发现镁锶产物以毛羽状生长，初始冷凝端毛羽小且氧化少，最后冷凝端毛羽较大且氧化较多；根据原料、产物和残渣中金属镁和金属锂的质量计算还原率和收集率，金属镁的还原率是75.03%，收集率是82.09%；金属锶的还原率是72.80%，收集率是81.32%。实验结果表明真空硅热还原制备镁锶合金是可行的。关键词：硅热还原论文真空度论文蒸汽压论文镁锂论文镁锶论文
摘要3-5
ABSTRACT5-11
1 绪论11-35
1.1 Mg、Li、Sr 及其合金11-27
1.1.1 镁的性质特点、运用、分布及制备策略11-19
1.1.2 锂的性质特点、运用、分布及制备策略19-23
1.1.3 锶的性质特点、运用、分布及制备策略23-26
1.1.4 常见镁合金分类26-27
1.2 Mg-Li 合金的性质特点、运用、制备策略、探讨历史及近况27-30
1.2.1 Mg-Li 合金的性质特点27-28
1.2.2 Mg-Li 合金的运用28
1.2.3 Mg-Li 合金的制备策略28-29
1.2.4 Mg-Li 合金的探讨历史及近况29-30
1.3 Mg-Sr 合金的性质特点、运用、制备策略、探讨历史及近况30-33
1.3.1 Mg-Sr 合金的性质特点30
1.3.2 Mg-Sr 合金的运用30-31
1.3.3 Mg-Sr 合金的制备策略31-32
1.3.4 Mg-Sr 合金的探讨历史及近况32-33
1.4 论文探讨目的、作用和主要内容33-35
2 真空硅热还原热力学及动力学35-57
2.1 真空硅热还原制备 Mg-Li 合金热力学35-40
2.1.1 Si、Li、Mg 的氧化还原能力35-36
2.1.2 真空硅热还原制镁热力学36-37
2.1.3 真空硅热还原制锂热力学37-38
2.1.4 真空硅热还原制备镁锂条件浅析38-40
2.2 真空硅热还原制备 Mg-Sr 合金热力学40-42
2.2.1 Si 和 Sr 的氧化还原能力40
2.2.2 真空硅热还原制锶热力学40-41
2.2.3 真空硅热还原制备镁锶条件浅析41-42
2.3 还原反应动力学42-49
2.3.1 化学反应动力学探讨近况43
2.3.2 反应动力学模型分类43-44
2.3.3 反应动力学模型建立策略44
2.3.4 模型建立注意不足44-45
2.3.5 固/固相反应45-47
2.3.6 反应动力学浅析47-49
2.3.7 反应动力学影响因素49
2.4 产物的汽化/升华49-53
2.4.1 镁、锂、锶的三相图49-52
2.4.2 物质的汽化/升华类型52-53
2.4.3 物质的汽化/升华影响因素53
2.5 产物的冷凝53-56
2.5.1 真空同步冷凝镁锂53-55
2.5.2 真空同步冷凝镁锶55-56
2.6 本章小结56-57
3 实验设备、材料及工艺57-83
3.1 实验设备57-77
3.1.1 真空感应炉常识57-60
3.1.2 真空感应炉设计60-72
3.1.3 真空感应炉产品72-77
3.1.4 相关实验设备77
3.2 实验材料77-80
3.2.1 煅烧白云石77-78
3.2.2 硅铁78
3.2.3 萤石78
3.2.4 碳酸锂78-79
3.2.5 氧化锶79-80
3.3 实验工艺步骤80
3.4 本章小结80-83
4 真空硅热还原制备 Mg-Li 合金探讨83-99
4.1 材料配比计算83-84
4.2 实验84-87
4.2.1 实验策略84-85
4.2.2 实验现象85-87
4.3 残渣浅析87-88
4.3.1 AAS 浅析87-88
4.3.2 XRD 浅析88
4.4 产物浅析88-97
4.4.1 产物情况88-90
4.4.2 AAS 浅析90
4.4.3 XRD 浅析90-91
4.4.4 镁锂产物的冷凝生长机理探讨91-97
4.5 还原率收集率计算97-98
4.5.1 还原率计算97
4.5.2 收集率计算97-98
4.6 本章小结98-99
5 真空硅热还原制备 Mg-Sr 合金探讨99-117
5.1 材料配比计算99-100
5.2 实验100
5.3 残渣浅析100-105
5.3.1 AAS 浅析102
5.3.2 XRD 浅析102-103
5.3.3 SEM 和 EDS 浅析103-105
5.4 产物浅析105-115
5.4.1 产物情况105-107
5.4.2 AAS 浅析107
5.4.3 XRD 浅析107-108
5.4.4 冷凝盖上产物 SEM 和 EDS 浅析108-110
5.4.5 冷凝罩上产物 SEM 和 EDS 浅析110-115
5.5 还原率和收集率计算115-116
5.5.1 还原率计算115
5.5.2 收集率计算115-116
5.6 本章小结116-117
6 结论117-119
致谢119-121
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