摘要：中国是全球第一大产镁国，采取的是皮江法热还原炼镁技术。随着科技的不断进步和人类环境的日益恶化，技术落后的皮江法成为了国家限制进展项目。本论文结合重庆万盛地区拥有丰富的高硅白云石资源，提出了高生产率、低能耗、低污染的硅浴熔融还原炼镁新技术。对熔融还原炼镁工艺的一些基本现象和规律进行了探讨，以期为重庆高硅白云石资源的有效利用提供参考。本论文通过试验获得了以下结论：①该白云石中Ca和Mg元素分别占矿物总质量的21.06%和12.66%，且n(CaO):n(MgO)为1.00。杂质Si含量偏高，含SiO_2为1.6%，且分布不均匀。成分浅析表明万盛白云石是典型的高硅白云石。该白云石的主要物相是CaMg(CO_3)_2复盐，并含有少量的SiO_2相。白云石在受热分解历程中，杂质相SiO_2会与分解产生的CaO结合形成Ca_2SiO_4相。万盛白云石受热分解大约以740℃开始，到880℃结束，失重率为46.4%。②为了获得高质量煅白（煅烧白云石），根据万盛白云石矿的热浅析结果进行了白云石煅烧实验，考察了煅烧温度、煅烧时间和白云石粒度三个因素对煅白质量的影响。通过正交实验得出各因素对煅白质量的影响顺序为：煅烧温度、白云石粒度、煅烧时间。经优化的最佳工艺为：煅烧温度为1050℃，白云石粒度范围为6~13mm，煅烧时间为60min。该工艺下白云石的分解率为98.41%，煅白的水化活性为32.07%。是满足炼镁工业生产用的高质量煅白。③煅白中CaO和MgO均为碱性氧化物，熔点很高。通过往煅白中加入Al_2O_3和SiO_2造渣，能够获得完全熔融的液态。利用热力学软件Factsage模拟了在1600℃下往理想煅白中加入不同量Al_2O_3和SiO_2时炉渣的熔融性，结果表明随着炉渣中Al_2O_3和SiO_2加入量增加，未熔化的固体逐渐减少，直至消失，且CaO较MgO先溶入炉渣中。结合CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2四元相图，通过炉渣熔融性模拟和验证实验得出：加入Al_2O_3和SiO_2造渣时，含有大约55%煅白和45%的造渣剂的炉渣能在1600℃下获得完全熔融的液态。④对硅浴熔融还原MgO的热力学进行了浅析。在不考虑反应物和生成物在液态中活度的理想状态下，反应在常压下所需要的初始温度高达1925℃，当系统压强降低为1×10~4Pa时，反应能够在1550℃进行；而在实际熔融还原历程中，物质的活度对熔融还原影响较大，而且在还原历程中物质的活度也会随着反应的进行而不断变化。为了使后期的熔融还原反应顺利进行，可以采取更低的系统压力。⑤在真空下进行了硅浴熔融还原MgO实验，考察了渣系成分、CaF_2添加量、反应温度、反应时间和75%硅铁合金添加量对渣中MgO还原率的影响。渣系成分对MgO的还原影响很大，渣中SiO_2量较多的情况下，会增大渣中SiO_2的活性，抑制反应的进行。增大造渣剂中Al_2O_3/SiO_2比值，渣中MgO的还原率提升显著，实验获得的较为理想的炉渣成分为：55%CaO·MgO-35%Al_2O_3-10%SiO_2。对该成分炉渣进行了正交实验，结果表明其他四个因素对MgO还原率的影响顺序为：反应温度、还原剂添加量、反应时间、CaF_2添加量。该成分炉渣在反应温度为1600℃，还原剂添加量n(Si)/n(2MgO)为1.2，反应时间为120min，CaF_2添加量为3%的工艺条件下，渣中MgO的还原率高达97.3%。⑥结合实验数据，对硅浴熔融还原MgO进行了动力学浅析。结果表明硅浴熔融还原反应是二级化学反应。提升Al_2O_3/SiO_2比值、反应温度和CaF_2加入量等都能不同程度的提升还原反应速率。在反应温度1550~1600℃间表观反应活化能为586kJ/mol。熔融还原反应由于在高温下进行，界面化学反应迅速，氧化物在炉渣中的传质成为了整个熔融还原历程的限制环节。⑦通过分别对镁的饱和蒸气压和高温熔融还原形成的蒸气压进行热力学计算发现，在进行MgO熔融还原时，反应的温度越高，所对应的露点温度就越高。反应温度为1600℃时，对应的露点为870℃，高出纯镁的熔点(651℃)将近200℃。该反应温度下形成的镁蒸气在冷凝时绝大部分会先形成液态金属镁。如果冷凝温度制约在651℃时，会有96%的镁蒸气形成液态，剩余的部分则需要继续降温直接冷凝成固态。⑧自行设计了一台实验室用500g级小型硅钼棒真空炉，加热功率为4kW，在全功率下可以在1h之内使炉膛温度升高到1600℃。与万盛博奥镁业金属有效公司共同研制了一台10kg级可连续加料的试验真空熔融还原炉，加热元件采取高温石墨，加热功率为30kW，最高利用温度为1800℃。关键词：白云石论文炉渣论文熔融还原论文氧化镁论文热力学论文
摘要3-5
Abstract5-11
1 绪论11-35
1.1 镁的概述11-17
1.1.1 镁的性质11-14
1.1.2 镁的资源14-16
1.1.3 镁的用途16-17
1.1.4 镁的需求17
1.2 镁的热法生产工艺17-29
1.2.1 镁冶金的进展17-18
1.2.2 硅热还原工艺18-27
1.2.3 非硅热还原工艺27-29
1.3 熔融还原技术29-31
1.3.1 熔融还原技术的特点29-30
1.3.2 熔融还原技术的探讨近况30-31
1.4 课题的探讨目的和内容31-35
1.4.1 探讨目的31-32
1.4.2 探讨内容32-35
2 活性煅白制备试验探讨35-69
2.1 万盛白云石基本性能测试35-44
2.1.1 试验材料及策略35
2.1.2 形貌特点35-37
2.1.3 化学组成37-39
2.1.4 物相组成39-40
2.1.5 热分解特性40-44
2.2 白云石煅烧试验结果及浅析44-67
2.2.1 实验策略44-45
2.2.2 白云石分解率结果及浅析45-55
2.2.3 煅白水化活性结果及浅析55-64
2.2.4 煅烧工艺正交实验64-67
2.3 本章小结67-69
3 熔融还原热力学浅析69-95
3.1 热还原氧化镁热力学浅析69-71
3.2 白云石炼镁的热力学浅析71-77
3.2.1 CaO 对硅热还原的影响71-73
3.2.2 CaO 对铝热还原的影响73-74
3.2.3 真空对 MgO 热还原的影响74-77
3.3 熔融还原炼镁历程热力学浅析77-93
3.3.1 造渣制度探讨77-83
3.3.2 还原热力学浅析83-87
3.3.3 冷凝热力学浅析87-93
3.4 本章小结93-95
4 熔融还原试验探讨95-115
4.1 模拟结果及浅析95-96
4.2 实验设备及策略96-99
4.2.1 实验设备96-98
4.2.2 实验策略98-99
4.3 实验结果及浅析99-111
4.3.1 预实验99-100
4.3.2 炉渣成分的影响100-102
4.3.3 催化剂的影响102-105
4.3.4 反应温度的影响105-107
4.3.5 还原剂量的影响107-109
4.3.6 反应时间的影响109-111
4.4 正交实验111-113
4.5 本章小结113-115
5 熔融还原动力学浅析115-125
5.1 反应动力学115-121
5.2 反应机理121-124
5.3 本章小结124-125
6 试验性熔融还原炼镁装置的设计125-135
6.1 500g 级小型真空试验炉设计125-129
6.2 10kg 级小型真空试验炉设计129-134
6.3 本章小结134-135
7 结论135-139
7.1 主要结论135-137
7.2 后续工作倡议137
7.3 论新点137-139
致谢139-141
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