冶金過(guò)程強(qiáng)化論文1

1、冶金過(guò)程強(qiáng)化論文論文題目：硅熱法煉鎂過(guò)程中的強(qiáng)化指導(dǎo)老師： XXXXXXXX班 級(jí)： XXXXXXXX姓 名： XXXXXXXX學(xué) 號(hào)：XXXXX XXXX硅熱法煉鎂過(guò)程中的強(qiáng)化摘要：硅熱法又稱(chēng)皮江法,是以白云石為原料、硅(鐵)為還原劑、螢石為礦化劑,將煅燒后的白云石粉碎至200目左右,制成球團(tuán),裝入還原罐,在1200左右的高溫和小于13.3Pa的真空下熱還原制得結(jié)晶鎂,經(jīng)精煉后再鑄成鎂錠。20世紀(jì)80年代末期,皮江法在中國(guó)大陸得到了蓬勃發(fā)展,以連續(xù)40%的年平均增長(zhǎng)速度,使中國(guó)成為世界生產(chǎn)金屬鎂的第一大國(guó)。2004年全球原鎂產(chǎn)量為64.4萬(wàn)噸,而中國(guó)原鎂產(chǎn)量為45.0萬(wàn)噸,占了全球產(chǎn)量的69

2、.88%,而中國(guó)鎂產(chǎn)量的98%是用皮江法所生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：白云石 強(qiáng)化 我國(guó)金屬鎂產(chǎn)量增大迅速。1990年只有0.59萬(wàn)噸；1999年鎂產(chǎn)量達(dá)到12萬(wàn)噸，超過(guò)美國(guó)躍居第一；2000年鎂產(chǎn)量約為20萬(wàn),幾乎占世界產(chǎn)量的40%；2006年鎂產(chǎn)量達(dá)到61.3萬(wàn)噸，比1990年增長(zhǎng)100倍。我國(guó)鎂工業(yè)發(fā)展之所以如此之快,一是改革開(kāi)放的政策,市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)動(dòng)了地方、集體、個(gè)體興辦煉鎂企業(yè)的積極性;二是由于熱法煉鎂工藝的改進(jìn),使其投資少、技術(shù)可行。目前我國(guó)煉鎂方法幾乎全部是熱法煉鎂。本文將從還原時(shí)間、溫度、配硅比及制球壓力等方面對(duì)鎂產(chǎn)出條件的選擇及優(yōu)化進(jìn)行研究。 1、硅熱法煉鎂的基本原理1. 1 MgO還原的熱

3、力學(xué)原理 為了將鎂從氧化鎂中還原出來(lái)，只有用對(duì)氧親和力大于鎂對(duì)氧親和力的物質(zhì)作為還原劑才行。通常，衡量氧化物親和力大小的是氧化物的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能。圖1-1中繪出了一系列氧化物標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能與溫度的關(guān)系曲線。從上面圖可知：各種氧化物的G值均隨溫度的變化而變化，但變化的方向與幅度各不相同，有些曲線的相互位置都發(fā)生了變化。從圖還可推知，只有在溫度超過(guò)2373以后，SiO2的穩(wěn)定性才會(huì)高于MgO的，才能發(fā)生如下反應(yīng)：2Mg + O2 = 2MgO (1)Si + O2 = SiO2 (2)2MgO + Si = SiO2 + 2Mg (3)計(jì)算表明：在溫度低于2000K時(shí)，用Si還原MgO根本就不

4、可能。1. 2 MgO·CaO還原的熱力學(xué)原理 從前面知道，用硅還原氧化鎂時(shí)，如果常壓則溫度必須超過(guò)2373，這在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)起來(lái)很難，并且在此高溫下，SiO2與MgO會(huì)反應(yīng)生成硅酸鎂。但是，根據(jù)熱力學(xué)，如果反應(yīng)過(guò)程中存在CaO，則還原溫度可降到1750，下頁(yè)的圖中列出了某些復(fù)雜氧化物的吉布斯自由能與溫度的關(guān)系。 從上圖可知，當(dāng)溫度超過(guò)2060后，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：4MgO + Si = 2Mg + 2MgO·SiO2此反應(yīng)是一個(gè)造渣反應(yīng)，可以降低反應(yīng)溫度，然而也降低了MgO的有效利用率。當(dāng)有CaO存在時(shí)，由于2CaO·SiO2比2MgO·SiO2更加穩(wěn)定，

5、所以可以發(fā)生：2(CaO·SiO2) + Si = 2Mg + 2CaO·SiO21. 3 MgO·CaO真空還原的熱力學(xué)原理 從前面知道，常壓下還原MgO的溫度超過(guò)2373，當(dāng)有CaO存在時(shí)，還原溫度可降至1750，這么高溫度在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)有相當(dāng)難度。 那么，如果將常壓改為真空狀態(tài)，會(huì)怎么樣？下圖是某些物質(zhì)在不同真空度下吉布斯自由能與溫度的變化關(guān)系。就反應(yīng)：2MgO + Si = 2Mg + SiO2而言，MgO、Si 、SiO2均為固態(tài)，其活度為1，此時(shí)，吉布斯自由能的表達(dá)式為G=G0+RTlnpMg當(dāng)反應(yīng)中 PMg 101.325pa時(shí)， RTlnpMg為

6、負(fù)值， G G0這有利于將反應(yīng)的溫度降低。所以，硅熱法煉鎂，一般是在真空條件下進(jìn)行。2、影響還原效率及硅利用率的因素2. 1 還原溫度右圖為p17162×105Pa，配硅比11時(shí)在不同的時(shí)間下，鎂的還原效率與硅利用率隨著溫度變化而變化，圖中虛線為鎂的還原效率，實(shí)線為硅的利用率。此外還標(biāo)注了時(shí)間為1-2h時(shí)鎂的還原效率與硅的利用率的數(shù)值。上圖表明：1）隨著溫度的升高，在同一還原時(shí)間內(nèi)，還原效率和硅的利用率都有不同程度的提高。在低溫區(qū)域內(nèi)，鎂的還原效率和硅的利用率與溫度的關(guān)系近似為直線，曲線的斜度較大，也就是說(shuō)，在低溫區(qū)域內(nèi)，同一時(shí)間內(nèi)鎂的還原效率與硅的利用率增加更為明顯。2）當(dāng)溫度超過(guò)

7、1150以后，還原效率與硅利用率增加較少，曲線趨于平緩。為了達(dá)到較高的鎂的還原效率與硅的利用率，溫度必須高于1150，但是，當(dāng)溫度超過(guò)1200以后，同一時(shí)間內(nèi)的還原效率與硅的利用率增加也不多，由于還原罐的材質(zhì)在高溫下抗氧化的性能較小，故溫度不能超過(guò)1200所以，硅熱法煉鎂過(guò)程，最合適的還原溫度范圍是1150-1180，在這一反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，鎂的還原效率實(shí)驗(yàn)值可達(dá)93-95(還原時(shí)間為2h)，工業(yè)生產(chǎn)中鎂的還原效率可達(dá)85以上(還原時(shí)間為8h)，硅的利用率可達(dá)87-88(實(shí)驗(yàn)值)，工業(yè)生產(chǎn)中硅的利用率可達(dá)7075。為了達(dá)到同樣的還原效率，如果還原時(shí)間較短，則需更高的還原溫度和進(jìn)一步降低還原體系中

8、的剩余壓力(13Pa)。2. 2 還原時(shí)間在一定的還原溫度與體系的剩余壓力下，增加還原時(shí)間，可以使熱傳遞的深度增大，還原反應(yīng)徹底，從而，鎂的產(chǎn)出率高，硅的利用率也高。下圖是配硅比11，P17162×105Pa，在1100 、1150、1200 三種溫度下，不同還原時(shí)間內(nèi)鎂的還原效率與硅的利用率變化。圖中的虛線為鎂的還原效率，實(shí)線為硅的利用率。上圖表明，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，鎂的還原效率和硅的利用率隨之增加。在反應(yīng)開(kāi)始階段，鎂的還原效率和硅的利用率增加較快，曲線的斜率也較大。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，開(kāi)始時(shí)反應(yīng)速度很快，后來(lái)反應(yīng)速度急劇減小，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行一定時(shí)間后，曲線的斜率幾乎為零，即反應(yīng)速度近于

9、零。由此表明，還原反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，反應(yīng)速度很慢，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)沒(méi)有意義了。對(duì)于不同的還原溫度，達(dá)到最大鎂的還原率的時(shí)間不同，1200時(shí)約為15h(實(shí)驗(yàn)值)，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)為76h，1150時(shí)約為175h(實(shí)驗(yàn)值)，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)為85h。從圖中還可以看出，提高還原溫度比延長(zhǎng)還原時(shí)間更能增加產(chǎn)量和提高硅的利用率。但是在生產(chǎn)上由于還原罐材質(zhì)受到影響，不能用提高還原溫度來(lái)縮短還原周期(即縮短還原時(shí)間)達(dá)到高產(chǎn)的目的。這樣做勢(shì)必縮短了還原罐的壽命。所以在低于1180溫度下還原可適當(dāng)延長(zhǎng)還原時(shí)間，但是絕對(duì)不能用提高溫度、縮短還原時(shí)間來(lái)提高鎂的還原效率和硅的利用率。2. 3 制球壓力 球團(tuán)的真空熱還原，在

10、溫度、還原時(shí)間、配料比一定的條件下，隨著制球壓力的增大，鎂的產(chǎn)出率和硅的利用率增大。但是，不同礦物結(jié)構(gòu)的煅白，它有一個(gè)最佳的壓力值，壓型壓力超過(guò)此值后，還原溫度、還原時(shí)間、配硅比增大都對(duì)鎂的產(chǎn)出率，硅的利用率影響不大，壓型壓力超過(guò)此值后，鎂的產(chǎn)出率和硅的利用率反而降低。上圖為在1100、l125、1200)下，還原效率和硅利用率與壓型壓力的關(guān)系曲線(M11，還原時(shí)間為15h)。圖中虛線為還原效率，實(shí)線為硅利用率。24 配硅比的影響還原過(guò)程中反應(yīng)式： 2(MgO·SiO2) + Si = 2Mg + 2CaO·SiO2其配硅比(M)為Si2MgO1 此時(shí)鎂的產(chǎn)出率一定，而硅的

11、利用率最大。如果增大配硅比，則鎂的產(chǎn)出率增大，硅的利用率降低，所以對(duì)硅熱法煉鎂而言，鎂的產(chǎn)出率隨配硅比的增加而增大，硅的利用率隨配硅的增大而降低。右圖是在1100 、1125、1150、1200，1716.2×105Pa，1.5h時(shí)，還原效率、硅利用率與配硅比之間的關(guān)系曲線。前圖表明：1）當(dāng)配硅比(M)增加時(shí)，鎂的還原效率隨著增加，而硅的利用率卻逐步減小2）當(dāng)M125以后，鎂的還原效率增加很少，而硅的利用率則降低很多。當(dāng)M1時(shí)，硅的利用率基本上保持一定，而鎂的還原效率卻很低，盡管硅的利用率較高，但由于鎂的還原效率太低，工業(yè)生產(chǎn)中是很不合算的。因此最佳的配硅比應(yīng)在M10-125之間。在工業(yè)生產(chǎn)中配硅比應(yīng)取多少為好，可以根據(jù)白云石結(jié)構(gòu)、還原溫度、還原時(shí)間、制球壓力的條件確定，但更需要從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)考慮，也就是說(shuō)，應(yīng)該考慮當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上硅鐵與鎂的比價(jià)，當(dāng)硅鐵價(jià)格較高時(shí)，選擇M1，當(dāng)鎂的價(jià)格上漲時(shí)，則取125。3. 結(jié)語(yǔ)硅熱法煉鎂技術(shù)雖是我國(guó)主流的煉鎂技術(shù)，但它依舊能耗高，資源消