鍛白中硅、鈣等組分對真空碳熱還原制取金屬鎂的影響研究

方榮縱 賀坤

摘 要：通過理論分析的方法，分析溫度、時間和真空度等因素對還原反應的影響規律，進而通過實驗分析鍛白中CaO和SiO2的賦存形態，研究真空碳熱還原條件下CaF2、CaO和SiO2的作用機理，得出其含量對鍛白中鎂還原率的影響規律。

關鍵詞：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，用另一種金屬來代替常用金屬是一項亟待解決的問題。鎂，有許多優良的性能，其應用范圍越來越廣泛，全球的消費量也逐年增加。白云石含有豐富的鎂資源，且在我國白云石儲量大、質量高、分布范圍廣，使得白云石成為煉鎂的主要原料。目前，生產鎂的工藝——皮江法和電解法存在諸多問題，國內外研究人員逐漸探索出了一條新的生產鎂的工藝——真空碳熱還原法。真空碳熱還原法，采用廉價的碳做還原劑直接還原含鎂礦物制備金屬鎂，不僅保護了環境，也降低了能耗。鑒于這種方法處于基礎研究階段，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，比如碳質還原劑的選擇、含鎂礦物應以何種方式進行預處理、還原反應前物料狀態等。因此，對真空碳熱還原法制鎂工藝的深入研究具有深遠意義。

1 鍛白中硅、鈣組分對金屬鎂還原率的影響

實驗前通過查閱相關文獻，得出溫度、時間和真空度等因素分別對氧化鎂還原率的影響，并結合本實驗室條件設計實驗方案。即：在一定條件、其他量不變的條件下，溫度越高、時間越長、壓強較小時鎂的還原率越大。

2 實驗原料

白云石、菱鎂礦作為鎂資源的重要來源，在我國儲量豐富，實驗中是以白云石和石墨為原料在一定條件下發生反應。經分析，鍛白中的原料成分如表1所示，其中的CaO、MgO占了大部分。

3 實驗研究

3.1 實驗原理

采用煅燒白云石和石墨作為實驗原料，在高溫真空的條件下進行鎂的還原實驗。該還原反應的主要反應式為：

查閱關于鍛白中硅、鈣等組分在高溫真空條件下的碳熱還原金屬鎂的資料，并計算得到了MgO和C在溫度為1450℃、壓力在30000Pa的實驗環境下可以發生反應。

熱力學分析時，同時對CaO和SiO2與碳在相同的條件下進行了熱力學計算：

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

通過計算得到反應、在壓強為1000Pa、1500Pa、2000Pa、3000Pa的條件下的反應吉布斯自由能得到圖1所示。

從圖1中數據可知，在溫度為1450℃和壓強為3000Pa的條件下，CaO和SiO2與碳反應的？駐rGm>0，即在此條件下兩種物質均不和碳發生反應，也就是說在碳還原金屬鎂的環境里，碳只是單方面與氧化鎂發生反應。

通過理論分析得出，在本實驗條件下CaO和不參與碳熱還原反應。結合實驗成本和人工成本決定在相同反應時間為2h的條件下SiO2來驗證CaO和SiO2對碳熱還原氧化鎂還原率的影響。

3.2 實驗方案

實驗配料階段，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，這個比例的混合依據是按照原料煅白中SiO2和CaO與MgO的質量分數比例。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塊。

3.3 實驗分析

3.3.1 SiO2、CaO含量與碳熱還原氧化鎂還原率的關系

將壓團后的配料裝入反應真空爐中，并對反應爐進行升溫控制使其溫度保持在1450攝氏度下保溫2小時，體系的壓強保持在3000Pa。在此環境下，得到上述實驗數據及其相應的還原率的關系，SiO2、CaO與氧化鎂的還原率關系如圖2、圖3所示。

附：氧化鎂的還原率計算公式如下：

？濁：煅白中氧化鎂的還原率，%；M0：真空碳熱還原反應前樣品的質量，g；M：真空碳熱還原反應后樣品的質量，g。

3.3.2 含量與碳熱還原氧化鎂還原率的關系

本實驗通過進一步研究了不同含量的CaF2對碳熱還原氧化鎂的影響。實驗中MgO和C的物質量比為1：2，并分別加入CaF2的質量分數為0%、1%、3%、5%、7%、10%對氧化鎂還原率的影響。即：當氟化鈣的加入量為0%時，氧化鎂的還原率只有25.6%；當氟化鈣的加入量為5%時，還原率達到了75.7%；當氟化鈣的量在增加時，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，還原率變化趨于平穩。在實驗過程中確定了CaF2的反應機理，得出實驗中加入的CaF2在實驗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 結論

（1）通過實驗發現，在MgO和石墨中加入CaO、SiO2對氧化鎂的還原率影響趨于平穩；向MgO中加入CaF2則會增加氧化鎂的還原率。

（2）通過實驗得到最佳加入量與還原率的關系： 當只有SiO2與MgO混合時，碳熱反應的最大還原率為21.32%，此時的SiO2含量為3.60%；只有CaO與MgO混合時，碳熱反應的最大還原率為28.85%，此時的CaO含量為52.89%。當SiO2的加入量為5%時，還原率達到了75.7%。

5 結束語

本項目自申請立項以來，小組成員查閱了相關國內外相關文獻，了解此項目已有的相關成果，并在此基礎上提出在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驗方案。這一年多的辛勤實踐，至此，已順利結題。雖然，在項目中取得了一些突破，但是對高溫碳熱還原鎂的研究未就此結束，望后繼者能夠以此為“梯”，在本項目中取得更大的突破。同時，也很感謝項目指導老師能夠在百忙之中給予我們辛勤指導，也感謝兩位師兄的無私幫助，謝謝！

參考文獻

[1]戴永年，楊斌.有色金屬材料的真空冶金[M].北京：冶金工業出版社，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，1999.

[3]徐日瑤.鎂冶金學[M].北京：冶金工業出版社，1993.

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

賀坤（1994-），男，漢族，重慶巫溪，重慶大學本科在讀，冶金工程。