方榮縱 賀坤

摘 要：通過理論分析的方法，分析溫度、時(shí)間和真空度等因素對(duì)還原反應(yīng)的影響規(guī)律，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)分析鍛白中CaO和SiO2的賦存形態(tài)，研究真空碳熱還原條件下CaF2、CaO和SiO2的作用機(jī)理，得出其含量對(duì)鍛白中鎂還原率的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鈣；真空；碳熱還原；鎂

前言

目前，常用金屬面臨著資源枯竭的危險(xiǎn)，用另一種金屬來代替常用金屬是一項(xiàng)亟待解決的問題。鎂，有許多優(yōu)良的性能，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，全球的消費(fèi)量也逐年增加。白云石含有豐富的鎂資源，且在我國(guó)白云石儲(chǔ)量大、質(zhì)量高、分布范圍廣，使得白云石成為煉鎂的主要原料。目前，生產(chǎn)鎂的工藝——皮江法和電解法存在諸多問題，國(guó)內(nèi)外研究人員逐漸探索出了一條新的生產(chǎn)鎂的工藝——真空碳熱還原法。真空碳熱還原法，采用廉價(jià)的碳做還原劑直接還原含鎂礦物制備金屬鎂，不僅保護(hù)了環(huán)境，也降低了能耗。鑒于這種方法處于基礎(chǔ)研究階段，完整的真空碳熱還原工藝還沒有完全建立起來，還存在諸多亟待解決的問題，比如碳質(zhì)還原劑的選擇、含鎂礦物應(yīng)以何種方式進(jìn)行預(yù)處理、還原反應(yīng)前物料狀態(tài)等。因此，對(duì)真空碳熱還原法制鎂工藝的深入研究具有深遠(yuǎn)意義。

1 鍛白中硅、鈣組分對(duì)金屬鎂還原率的影響

實(shí)驗(yàn)前通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得出溫度、時(shí)間和真空度等因素分別對(duì)氧化鎂還原率的影響，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室條件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。即：在一定條件、其他量不變的條件下，溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)、壓強(qiáng)較小時(shí)鎂的還原率越大。

2 實(shí)驗(yàn)原料

白云石、菱鎂礦作為鎂資源的重要來源，在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，實(shí)驗(yàn)中是以白云石和石墨為原料在一定條件下發(fā)生反應(yīng)。經(jīng)分析，鍛白中的原料成分如表1所示，其中的CaO、MgO占了大部分。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

采用煅燒白云石和石墨作為實(shí)驗(yàn)原料，在高溫真空的條件下進(jìn)行鎂的還原實(shí)驗(yàn)。該還原反應(yīng)的主要反應(yīng)式為：

查閱關(guān)于鍛白中硅、鈣等組分在高溫真空條件下的碳熱還原金屬鎂的資料，并計(jì)算得到了MgO和C在溫度為1450℃、壓力在30000Pa的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下可以發(fā)生反應(yīng)。

熱力學(xué)分析時(shí)，同時(shí)對(duì)CaO和SiO2與碳在相同的條件下進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算：

CaO（s）+C（s）=Ca（l）+CO（g）；？駐G？茲=525750-194.34T

SiO2（s）+2C（s）=Si（s）+2CO（g）；？駐G？茲=717550-369.18T

通過計(jì)算得到反應(yīng)、在壓強(qiáng)為1000Pa、1500Pa、2000Pa、3000Pa的條件下的反應(yīng)吉布斯自由能得到圖1所示。

從圖1中數(shù)據(jù)可知，在溫度為1450℃和壓強(qiáng)為3000Pa的條件下，CaO和SiO2與碳反應(yīng)的？駐rGm>0，即在此條件下兩種物質(zhì)均不和碳發(fā)生反應(yīng)，也就是說在碳還原金屬鎂的環(huán)境里，碳只是單方面與氧化鎂發(fā)生反應(yīng)。

通過理論分析得出，在本實(shí)驗(yàn)條件下CaO和不參與碳熱還原反應(yīng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)成本和人工成本決定在相同反應(yīng)時(shí)間為2h的條件下SiO2來驗(yàn)證CaO和SiO2對(duì)碳熱還原氧化鎂還原率的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)配料階段，MgO與C是按照摩爾比為1：2的比例混合，以保證石墨和MgO充分接觸，然后在配料時(shí)取MgO為20g，石墨12g，其中按不同比例的SiO2、CaO與MgO分開混勻后壓制成塊，它們的混合比例分別如表2、3所示，這個(gè)比例的混合依據(jù)是按照原料煅白中SiO2和CaO與MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例。在壓制成塊過程中，采用15MPa的壓力使混合均勻的配料制成團(tuán)塊。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

3.3.1 SiO2、CaO含量與碳熱還原氧化鎂還原率的關(guān)系

將壓團(tuán)后的配料裝入反應(yīng)真空爐中，并對(duì)反應(yīng)爐進(jìn)行升溫控制使其溫度保持在1450攝氏度下保溫2小時(shí)，體系的壓強(qiáng)保持在3000Pa。在此環(huán)境下，得到上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的還原率的關(guān)系，SiO2、CaO與氧化鎂的還原率關(guān)系如圖2、圖3所示。

附：氧化鎂的還原率計(jì)算公式如下：

？濁：煅白中氧化鎂的還原率，%；M0：真空碳熱還原反應(yīng)前樣品的質(zhì)量，g；M：真空碳熱還原反應(yīng)后樣品的質(zhì)量，g。

3.3.2 含量與碳熱還原氧化鎂還原率的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)通過進(jìn)一步研究了不同含量的CaF2對(duì)碳熱還原氧化鎂的影響。實(shí)驗(yàn)中MgO和C的物質(zhì)量比為1：2，并分別加入CaF2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、3%、5%、7%、10%對(duì)氧化鎂還原率的影響。即：當(dāng)氟化鈣的加入量為0%時(shí)，氧化鎂的還原率只有25.6%；當(dāng)氟化鈣的加入量為5%時(shí)，還原率達(dá)到了75.7%；當(dāng)氟化鈣的量在增加時(shí)，還原率仍保持在75.7%左右。

由此可知：隨著CaF2的加入量增加，氧化鎂的還原率也增加；在CaF2的加入量大于5%時(shí)，還原率變化趨于平穩(wěn)。在實(shí)驗(yàn)過程中確定了CaF2的反應(yīng)機(jī)理，得出實(shí)驗(yàn)中加入的CaF2在實(shí)驗(yàn)過程中起到了催化劑的作用，并顯著提高了碳熱還原氧化鎂的還原率。

4 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在MgO和石墨中加入CaO、SiO2對(duì)氧化鎂的還原率影響趨于平穩(wěn)；向MgO中加入CaF2則會(huì)增加氧化鎂的還原率。

（2）通過實(shí)驗(yàn)得到最佳加入量與還原率的關(guān)系： 當(dāng)只有SiO2與MgO混合時(shí)，碳熱反應(yīng)的最大還原率為21.32%，此時(shí)的SiO2含量為3.60%；只有CaO與MgO混合時(shí)，碳熱反應(yīng)的最大還原率為28.85%，此時(shí)的CaO含量為52.89%。當(dāng)SiO2的加入量為5%時(shí)，還原率達(dá)到了75.7%。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目自申請(qǐng)立項(xiàng)以來，小組成員查閱了相關(guān)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解此項(xiàng)目已有的相關(guān)成果，并在此基礎(chǔ)上提出在1450℃、3000Pa的高溫真空條件下的碳熱還原煅白中的氧化鎂制鎂的實(shí)驗(yàn)方案。這一年多的辛勤實(shí)踐，至此，已順利結(jié)題。雖然，在項(xiàng)目中取得了一些突破，但是對(duì)高溫碳熱還原鎂的研究未就此結(jié)束，望后繼者能夠以此為“梯”，在本項(xiàng)目中取得更大的突破。同時(shí)，也很感謝項(xiàng)目指導(dǎo)老師能夠在百忙之中給予我們辛勤指導(dǎo)，也感謝兩位師兄的無私幫助，謝謝！

參考文獻(xiàn)

[1]戴永年，楊斌.有色金屬材料的真空冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000：294-310.

[2]鐘勝.氧化鎂真空碳熱還原研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，1999.

[3]徐日瑤.鎂冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993.

作者簡(jiǎn)介：方榮縱（1992-），男，漢族，陜西安康，重慶大學(xué)本科在讀，冶金工程。

賀坤（1994-），男，漢族，重慶巫溪，重慶大學(xué)本科在讀，冶金工程。