(轻金属冶金学1-2)镁冶金学第二讲热还原法的原理与

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1、冶金科学与工程学院周向阳第二讲硅热法炼镁之硅热法炼镁的基本原理前言▲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ｔ,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。▲我国热法炼镁存在的问题：△能耗高，资源消耗大。△环境污染严重,“

2、废渣+废气”几乎没有处理以牺牲资源与环境作为代价！基于的反应：2(MgO．CaO)十Si2Mg十2CaO．SiO2该工艺主要包括：白云石煅烧成煅白；混料（煅白+硅铁）；压球；真空热还原等工序。热法炼镁的创始人：皮江博士▲热法炼镁的基本原理：§1硅热法炼镁的原料与燃料§1.1硅热法炼镁的原料●白云石白云石中杂质含量（指氧化镁、氧化铝、氧化硅）偏高时，在白云石煅烧及球团真空还原过程中容易生成低熔点化合物，阻挡碳酸盐的分解及镁蒸气的逸出。2.白云石的矿物结构要求是晶粒细小、聚晶、格子晶格、网状结构，色泽为浅灰色。3.白云石的耐磨指数●硅铁

3、硅铁是硅热法炼镁的还原剂，其质量的好坏直接影响到还原效率。是否用纯硅作还原剂更好？图2-1中示出了Fe-Si二元状态。从图可知，低品位硅铁中除了有FeSi2外，还有FeSi、Fe3Si2等存在，而反应活性的顺序为：85%Si>75%Si>45%Si>25%Si,因此Si含量低的活性差，但是生产上为什么不用纯硅作还原剂？？●萤石§1.2硅热法炼镁的燃料●重油●半水煤气或煤气●烟煤和无烟煤§2硅热法炼镁的基本原理§2.1硅热法炼镁的热力学●MgO还原的热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

4、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。Cu

5、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。成本问题，耐火材料问题，产物污染问题。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。从右图可知，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…..●MgO·CaO

6、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

7、。§3影响还原效率及硅利用率的因素●还原温度右图为p＝1716．2×105Pa，配硅比＝1．1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：○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。○当温度超过1150℃以后，还原效率与硅利用率

8、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