真空碳熱還原熱力學(xué)分析

　　本文對(duì)煅白真空碳熱還原法制取鎂反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)分析，在系統(tǒng)壓力30～100Pa，還原溫度1573K條件下，C與MgO反應(yīng)生成鎂蒸氣;溫度達(dá)到1667K時(shí)，C與CaO反應(yīng)生成CaC2，在此溫度條件下，CaC2也可與MgO反應(yīng)生成鎂蒸氣。因此，煅白真空碳熱還原法制取鎂的過(guò)程，除了C直接還原MgO，還有C還原CaO生成CaC2參與還原反應(yīng)制取鎂。另外，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，真空條件下，碳熱還原過(guò)程中3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，SiC和CaS是可以產(chǎn)生的，而煤中的硫酸鈣和單質(zhì)硫主要參與了生成CaS的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明:3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，SiC和CaS產(chǎn)物的生成與剩余物的X射線衍射(XRD)分析相吻合，驗(yàn)證了熱力學(xué)計(jì)算的正確性。通過(guò)對(duì)冷凝物的XRD分析，冷凝物中大部分為Mg，有少部分的MgO是由于金屬M(fèi)g和CO蒸氣發(fā)生逆反應(yīng)所得。
　　
　　鎂及鎂合金材料是z*輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，在航空工業(yè)、汽車工業(yè)和電子通訊工業(yè)中正在得到日益廣泛的應(yīng)用。在中國(guó)，金屬M(fèi)g的生產(chǎn)方法主要是采用熱還原法技術(shù)。根據(jù)使用還原劑的差別，又分為硅熱法、碳熱法、鋁熱法等。硅熱法以硅(硅鐵)為還原劑，在真空條件下高溫提取金屬M(fèi)g，該方法能耗高，尤其在還原階段生產(chǎn)lkg鎂需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤5～6kg，占其整個(gè)鎂生產(chǎn)過(guò)程的60%～70%。而碳熱法以碳為還原劑，具有流程短、能耗小、成本低、生產(chǎn)效率高、污染小等特點(diǎn)，有很好的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 　　
　　對(duì)于真空碳熱還原法的研究，國(guó)外方面，z*具有代表性的是Winand及其同事在1972-1976年所做的小型及擴(kuò)大性試驗(yàn)，小型試驗(yàn)結(jié)果表明真空條件下碳熱還原氧化鎂提取鎂是可行的，還原溫度比常壓下大幅降低，而擴(kuò)大性試驗(yàn)成功和工業(yè)化生產(chǎn)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道;中國(guó)方面，昆明理工大學(xué)真空冶金國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室自上世紀(jì)90年代開(kāi)始研究真空碳熱還原法煉鎂的新技術(shù)，經(jīng)過(guò)20年的努力，研究取得了較大進(jìn)展，基本解決了真空碳熱還原氧化鎂的理論問(wèn)題，而對(duì)于真空碳熱還原煅白的研究，薛懷生作過(guò)此類實(shí)驗(yàn)，但是他對(duì)于反應(yīng)機(jī)理的分析還不夠透徹。因此，本文在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)的、深入的對(duì)真空條件下碳熱還原煅白可能發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，為真空碳熱還原煅白制取鎂提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。
　　
　　結(jié)論
　　
　　(1)熱力學(xué)分析表明:在系統(tǒng)壓力30～100Pa，還原溫度1573K條件下，C與MO反應(yīng)生成鎂蒸氣;溫度達(dá)到1667K時(shí)，C與CaO反應(yīng)生成CaC2，在此溫度條件下，CaC2也可與MO反應(yīng)生成鎂蒸氣。因此，煅白真空碳熱還原法制取鎂的過(guò)程，除了C直接還原MgO，還有C還原CaO生成CaC2參與還原反應(yīng)制取鎂。
　　
　　(2)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，真空條件下煤中的硫酸鈣和單質(zhì)硫主要參與了生成CaS的反應(yīng)。在p系=80Pa條件下，CaSO4與C的起始反應(yīng)溫度為538K;在pCO2/pCO=10、0.1、1/100和1/1000條件下，298～1200K溫度范圍內(nèi)，CaSO4與CO的反應(yīng)都可以發(fā)生。在pSO2/pS2=1/1000條件下，pS2=100，70和30Pa時(shí)，298～1800K的溫度范圍內(nèi)，煅白中的CaO與S2蒸氣的反應(yīng)都可以發(fā)生。
　　
　　(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、SiC和CaS產(chǎn)物的生成與剩余物的XRD分析相吻合，驗(yàn)證了熱力學(xué)計(jì)算的正確性。通過(guò)對(duì)冷凝物的XRD分析，冷凝物中大部分為Mg，有少部分的MgO是由于金屬M(fèi)g和CO蒸氣發(fā)生逆反應(yīng)所得。