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1、冶金过程强化论文论文题目：硅热法炼镁过程中的强化指导老师： XXXXXXXX班 级： XXXXXXXX姓 名： XXXXXXXX学 号：XXXXX XXXX硅热法炼镁过程中的强化摘要：硅热法又称皮江法,是以白云石为原料、硅(铁)为还原剂、萤石为矿化剂,将煅烧后的白云石粉碎至200目左右,制成球团,装入还原罐,在1200左右的高温和小于13.3Pa的真空下热还原制得结晶镁,经精炼后再铸成镁锭。20世纪80年代末期,皮江法在中国大陆得到了蓬勃发展,以连续40%的年平均增长速度,使中国成为世界生产金属镁的第一大国。2004年全球原镁产量为64.4万吨,而中国原镁产量为45.0万吨,占了全球产量的69
2、.88%,而中国镁产量的98%是用皮江法所生产。关键词：白云石 强化 我国金属镁产量增大迅速。1990年只有0.59万吨；1999年镁产量达到12万吨，超过美国跃居第一；2000年镁产量约为20万,几乎占世界产量的40%；2006年镁产量达到61.3万吨，比1990年增长100倍。我国镁工业发展之所以如此之快,一是改革开放的政策,市场经济调动了地方、集体、个体兴办炼镁企业的积极性;二是由于热法炼镁工艺的改进,使其投资少、技术可行。目前我国炼镁方法几乎全部是热法炼镁。本文将从还原时间、温度、配硅比及制球压力等方面对镁产出条件的选择及优化进行研究。 1、硅热法炼镁的基本原理1. 1 MgO还原的热
3、力学原理 为了将镁从氧化镁中还原出来，只有用对氧亲和力大于镁对氧亲和力的物质作为还原剂才行。通常，衡量氧化物亲和力大小的是氧化物的标准吉布斯自由能。图1-1中绘出了一系列氧化物标准吉布斯自由能与温度的关系曲线。从上面图可知：各种氧化物的G值均随温度的变化而变化，但变化的方向与幅度各不相同，有些曲线的相互位置都发生了变化。从图还可推知，只有在温度超过2373以后，SiO2的稳定性才会高于MgO的，才能发生如下反应：2Mg + O2 = 2MgO (1)Si + O2 = SiO2 (2)2MgO + Si = SiO2 + 2Mg (3)计算表明：在温度低于2000K时，用Si还原MgO根本就不
4、可能。1. 2 MgO·CaO还原的热力学原理 从前面知道，用硅还原氧化镁时，如果常压则温度必须超过2373，这在实际中实现起来很难，并且在此高温下，SiO2与MgO会反应生成硅酸镁。但是，根据热力学，如果反应过程中存在CaO，则还原温度可降到1750，下页的图中列出了某些复杂氧化物的吉布斯自由能与温度的关系。 从上图可知，当温度超过2060后，会发生如下反应：4MgO + Si = 2Mg + 2MgO·SiO2此反应是一个造渣反应，可以降低反应温度，然而也降低了MgO的有效利用率。当有CaO存在时，由于2CaO·SiO2比2MgO·SiO2更加稳定，
5、所以可以发生：2(CaO·SiO2) + Si = 2Mg + 2CaO·SiO21. 3 MgO·CaO真空还原的热力学原理 从前面知道，常压下还原MgO的温度超过2373，当有CaO存在时，还原温度可降至1750，这么高温度在工业上实现起来有相当难度。 那么，如果将常压改为真空状态，会怎么样？下图是某些物质在不同真空度下吉布斯自由能与温度的变化关系。就反应：2MgO + Si = 2Mg + SiO2而言，MgO、Si 、SiO2均为固态，其活度为1，此时，吉布斯自由能的表达式为G=G0+RTlnpMg当反应中 PMg 101.325pa时， RTlnpMg为
6、负值， G G0这有利于将反应的温度降低。所以，硅热法炼镁，一般是在真空条件下进行。2、影响还原效率及硅利用率的因素2. 1 还原温度右图为p17162×105Pa，配硅比11时在不同的时间下，镁的还原效率与硅利用率随着温度变化而变化，图中虚线为镁的还原效率，实线为硅的利用率。此外还标注了时间为1-2h时镁的还原效率与硅的利用率的数值。上图表明：1）随着温度的升高，在同一还原时间内，还原效率和硅的利用率都有不同程度的提高。在低温区域内，镁的还原效率和硅的利用率与温度的关系近似为直线，曲线的斜度较大，也就是说，在低温区域内，同一时间内镁的还原效率与硅的利用率增加更为明显。2）当温度超过
7、1150以后，还原效率与硅利用率增加较少，曲线趋于平缓。为了达到较高的镁的还原效率与硅的利用率，温度必须高于1150，但是，当温度超过1200以后，同一时间内的还原效率与硅的利用率增加也不多，由于还原罐的材质在高温下抗氧化的性能较小，故温度不能超过1200所以，硅热法炼镁过程，最合适的还原温度范围是1150-1180，在这一反应温度范围内，镁的还原效率实验值可达93-95(还原时间为2h)，工业生产中镁的还原效率可达85以上(还原时间为8h)，硅的利用率可达87-88(实验值)，工业生产中硅的利用率可达7075。为了达到同样的还原效率，如果还原时间较短，则需更高的还原温度和进一步降低还原体系中
8、的剩余压力(13Pa)。2. 2 还原时间在一定的还原温度与体系的剩余压力下，增加还原时间，可以使热传递的深度增大，还原反应彻底，从而，镁的产出率高，硅的利用率也高。下图是配硅比11，P17162×105Pa，在1100 、1150、1200 三种温度下，不同还原时间内镁的还原效率与硅的利用率变化。图中的虚线为镁的还原效率，实线为硅的利用率。上图表明，随着反应时间的延长，镁的还原效率和硅的利用率随之增加。在反应开始阶段，镁的还原效率和硅的利用率增加较快，曲线的斜率也较大。随着反应的进行，开始时反应速度很快，后来反应速度急剧减小，当反应进行一定时间后，曲线的斜率几乎为零，即反应速度近于
9、零。由此表明，还原反应进行一段时间后，反应速度很慢，再延长反应时间已经没有意义了。对于不同的还原温度，达到最大镁的还原率的时间不同，1200时约为15h(实验值)，工业生产时为76h，1150时约为175h(实验值)，工业生产时为85h。从图中还可以看出，提高还原温度比延长还原时间更能增加产量和提高硅的利用率。但是在生产上由于还原罐材质受到影响，不能用提高还原温度来缩短还原周期(即缩短还原时间)达到高产的目的。这样做势必缩短了还原罐的寿命。所以在低于1180温度下还原可适当延长还原时间，但是绝对不能用提高温度、缩短还原时间来提高镁的还原效率和硅的利用率。2. 3 制球压力 球团的真空热还原，在
10、温度、还原时间、配料比一定的条件下，随着制球压力的增大，镁的产出率和硅的利用率增大。但是，不同矿物结构的煅白，它有一个最佳的压力值，压型压力超过此值后，还原温度、还原时间、配硅比增大都对镁的产出率，硅的利用率影响不大，压型压力超过此值后，镁的产出率和硅的利用率反而降低。上图为在1100、l125、1200)下，还原效率和硅利用率与压型压力的关系曲线(M11，还原时间为15h)。图中虚线为还原效率，实线为硅利用率。24 配硅比的影响还原过程中反应式： 2(MgO·SiO2) + Si = 2Mg + 2CaO·SiO2其配硅比(M)为Si2MgO1 此时镁的产出率一定，而硅的
11、利用率最大。如果增大配硅比，则镁的产出率增大，硅的利用率降低，所以对硅热法炼镁而言，镁的产出率随配硅比的增加而增大，硅的利用率随配硅的增大而降低。右图是在1100 、1125、1150、1200，1716.2×105Pa，1.5h时，还原效率、硅利用率与配硅比之间的关系曲线。前图表明：1）当配硅比(M)增加时，镁的还原效率随着增加，而硅的利用率却逐步减小2）当M125以后，镁的还原效率增加很少，而硅的利用率则降低很多。当M1时，硅的利用率基本上保持一定，而镁的还原效率却很低，尽管硅的利用率较高，但由于镁的还原效率太低，工业生产中是很不合算的。因此最佳的配硅比应在M10-125之间。在
12、工业生产中配硅比应取多少为好，可以根据白云石结构、还原温度、还原时间、制球压力的条件确定，但更需要从经济角度来考虑，也就是说，应该考虑当时市场上硅铁与镁的比价，当硅铁价格较高时，选择M1，当镁的价格上涨时，则取125。3. 结语硅热法炼镁技术虽是我国主流的炼镁技术，但它依旧能耗高，资源消耗大，环境污染严重,“废渣+废气”几乎没有处理，以牺牲资源与环境作为代价！只有通过不断的实践，考虑各方面的技术要点，才能更好的在白云石中提取镁金属。而除了以上提到的控制因素外，还有杂质、冶炼设备对整个流程的影响，需要我们更多的研究。参考文献：1硅热法炼镁生产工艺学（中南大学出版社，2003，徐日瑶主编）2金属镁生产工艺学（中南大学出版社，2003，徐日瑶主编）10施工建设