以硅钙合金为还原剂真空热还原炼镁的实验研究 毕业论文13130.doc
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1、 以硅钙合金为还原剂真空热还原炼镁的实验研究 学生: 指导老师: 东北大学 2013年6月 Study on magnesium production by vacuum aluminothemic reduction using dolomite and magnesite as materials by Supervisor:Northeastern UniversityJune 2013毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)题目:以硅钙合金为还原剂真空热还原炼镁的实验研究基本内容:1、对真空热还原过程进行热力学计算。2、研究还原反应条件对还原过程中还原率的影响。3、物相分析研究真空热还原
2、过程中硅钙还原氧化镁的反应过程。毕业设计(论文)专题部分:题目:基本内容:学生接受毕业设计(论文)题目日期第周指导教师签字:年月日 以硅钙合金为还原剂真空热还原炼镁的实验研究摘要我国具有白云石资源、菱镁矿资源优势和能源优势,同时皮江法具有设备简单、便于操作的优势,因此我国当前生产镁以皮江法为主。但是皮江法炼镁存在能耗高、渣量大、原料消耗多等问题。由于原料在白云石的基础上添加菱镁石,从而增加了还原物料中的MgO含量,增加了还原剂的利用率,降低了还原过程的料镁比,从而减少Mg还原过程的能源消耗及废渣排放量。本实验对以菱镁石和白云石的混合矿物为原料,以硅钙合金为还原剂真空热还原炼镁的工艺过程进行了研
3、究,探讨了还原温度、还原时间、硅钙合金粒度、还原剂过量和氟盐添加剂量等因素对镁还原率的影响,并对硅钙合金还原MgO的还原过程机理进行了分析,研究结果表明:(1)还原过程中镁还原率随着还原温度的升高、还原时间的延长、还原剂的过量系数的增加、粒度的变细而增加,较佳的还原条件为:还原温度1200、还原时间2h、硅钙合金过量5%、硅钙合金粒度小于80目,在此条件下进行还原,镁还原率在90%以上。在1200还原过程中添加氟化盐对镁还原率的影响较小。(2)通过热力学计算和对不同还原温度下还原渣的物相进行分析,改 关键词:金属镁;真空热还原;硅钙合金; 改Study on magnesium product
4、ion by vacuum aluminothemic reduction using dolomite and magnesite as materialsAbstractOur country has dolomite resources, magnesite resource and energy advantage, and Pidgeon method has simple equipment and easy operation advantage, so the current in the production of magnesium Pidgeon method is pr
5、edominante. But Pidgeon method has high energy consumption、creating much slag, large amount of raw material consumption, and more problems. This experiment use the aluminum powder as reducing agent making metal magnesium, is expected to get a high magnesium reduction rate at the same time reducing r
6、esource consumption, reduce process cost. The slag (CaOAl2O3) can be used for alumina production, reduce waste emissions during production.In this experiment dolomite and magnesite were mixed as raw materials, aluminum powder as reducing agent, study the influence of reduction temperature, reduction
7、 time, aluminum powder grain size, reducing excessive and fluorine salt added are studied dose in the production of magnesium. provide corresponding experience and theoretical basis for the deep research.(1) According to the experimental study, if the Aluminum excessive coefficient was increased, th
8、e reduction rate of magnesium was increased. When the aluminum excessive over 2.5%, we could achieve a higher reduction rate of magnesium. The higher the reduction temperature, the higher the reduction rate of magnesium .At the reduction temperature of 1200 C, the reduction rate of magnesium would b
9、e able to higher than 90 %. To increase the reduction time, the reduction rate of magnesium also increased. But since the reaction time longer than 2 hours, the increase in reaction time could no longer effective to increase the reduction rate of magnesium.The influence of fluoride salt on reduction
10、 rate depend on reductive condition. The reduction temperature is too high or too low, the influence is unconspicuous. The smaller the Aluminum powder particle size, the higher the reduction rate of magnesium. When the Aluminum powder particle size less than 47m, the reduction rate of magnesium woul
11、d be able to higher than 90 %. (2) Through the thermodynamic calculation and analyse the reduced slag under different reduction temperature, use aluminum powder as a reducing agent to restore magnesium that generate a calcium aluminates can take place in less than 950 temperatures . When the tempera
12、ture is lower, the main thing of the reduced slag after reductionis is CaOAl2O3 and 12CaO7Al2O3. Along with the increase of temperature , the CaOAl2O3 increase. When the temperature reaches 1100,there will be a little CaO2Al2O3Key words:Magnesium metal; Vacuum thermal reduction; Aluminum powder; CaO
13、Al2O3目录毕业设计(论文)任务书I摘要IIAbstractIII目录- 1 -第1章 绪论- 1 -1.1 概述- 1 -1.2 镁的生产及应用- 1 -1.2.1镁的发展史- 1 -1.2.2镁的应用- 2 -1.3 镁矿资源- 4 -1.4 镁的生产方法- 6 -1.5 新法铝热炼镁技术- 9 -1.6 课题的提出- 11 -1.6.1课题提出的背景- 11 -1.6.2论文的主要研究内容- 12 -第2章 铝粉作还原剂炼镁热力学分析- 14 -2.1铝粉作还原剂的可行性分析- 14 -2.2铝热法炼镁热力学计算- 15 -第3章 实验内容及结果分析- 19 -3.1实验方法- 19
14、-3.1.1 实验原料- 19 -3.1.2 实验设备- 20 -3.1.3 实验方法- 21 -3.2 原料煅烧获得高活性还原反应物料的实验研究- 24 -3.2.1 菱镁矿的煅烧- 24 -3.2.2白云石的煅烧- 26 -3.3 实验结果及分析- 28 -3.3.1 铝粉过量系数对还原率的影响- 28 -3.3.2 温度对还原率的影响- 29 -3.3.3 还原时间对还原率的影响- 30 -3.3.4 氟化钙的添加量对还原率的影响- 32 -3.3.5 铝粉粒度对还原率的影响- 33 -3.4镁的冷凝结晶- 34 -3.5 还原渣的物相分析及铝热还原炼镁的机理探讨- 34 -第4章 结论
15、38参考文献39致谢41附录42第1章 绪论1.1 概述金属镁及其合金因具有质轻、比强度高、切削性好、易于回收等优点,已广泛应用于航空航天、电子等专业和民用领域,市场需求量巨大。我国白云石、菱镁矿资源丰富,通过真空热还原法生产镁是当前的主要工艺。其中又以皮江法的应用最为广泛1-3。但皮江法炼镁能耗较高,同时热效率很低,最终污染物排放严重;皮江法由于为固固反应类型,加之还原剂活性不足,导致还原阶段周期较长,还原温度需高于1200;在真空、高温条件下,还原罐性能下降严重,损耗大,造成生产成本高昂4,5。因此从资源利用、环境保护、成本合理控制方面出发,该法已不符合当前绿色冶金的发展趋势。因此对炼镁方
16、法改良的研究具有十分重要的意义6,7。1.2 镁的生产及应用1.2.1镁的发展史 金属镁从发展到现在经历了200多年的历史(即18082011年),工业生产的年代已有125年(18862011年)的历史,在这125年中镁的发展可分为三个阶段8。1. 第一阶段 化学法19世纪初英国科学家H戴维从氯化镁中分离出了镁。1929年法国科学家A布西用钾或钠的蒸气还原熔融氯化镁得到了金属镁。到了19世纪60年代,英国和美国才开始化学法得到了多一点的镁。此阶段经历了78年,但没有形成工业生产的规模。2. 第二阶段 熔盐电解法1930年英国科学家M法拉第首先用电解熔融氯化镁的方法制得了纯镁。1852年P本生在
17、实验室范围内对此法进行了教详细的研究。直到1886年,在德国开始镁的工业生产。1886年以后,镁的需求量增加,1909年由于电子镁基合金的发明与使用,对镁生产的发展了产生了重大影响,才奠定了电解氯化镁作为工业生产镁的方法。20世纪70年代以来,含水氯化镁在HCl气体中脱水电解法为当今具有先进水平的工业生产方法。3. 第三阶段 热还原法由于镁的需求量越来越大,光靠电解法生产镁不能满足镁的需求,所以许多科学家在化学法的基础上,研究了热还原法炼镁。氧化镁真空热还原炼镁是1913年开始的。第一次用硅做还原剂还原氧化镁是1924年由安吉平和阿拉贝舍夫实现的。1932年安吉平和阿拉贝舍夫用铝硅合金作为还原
18、剂还原氧化镁。1941年加拿大Toronto大学教授L.M皮江在渥太华建立了一个以硅铁还原煅烧白云石炼镁的实验工厂,并获得了成功。1942年加拿大政府在哈雷白云石矿建立了一个生产5000t金属镁的硅热法炼镁厂。皮江法炼镁成为工业炼镁的第二大方法。第二次世界大战以后,1947年法国着手研究了半连续生产的硅热法炼镁工艺流程,1950年建立了扩大实验炉,1959年第一台日产镁2t的半连续硅热法炼镁厂建成。1971年扩建为年成产镁9000t。1.2.2镁的应用镁由于比重轻,化学性质活泼,能与铝、锌、锰等金属构成合金,并有机械强度大、化学稳定性高和抗腐蚀等优良性能,因此在现代工业的许多方面都得到了广泛应
19、用16。1. 作为难熔金属和稀有金属的还原剂。镁可作为生产金属钛、锆、铀、铍、铪等的还原剂。如在钛的镁热法生产中,用镁作钛的还原剂,从四氯化钛中还原钛。其次,在锆的镁热生产过程中,用液体镁与气态四氯化锆(ZrCl4)在氢气介质中作用,还原出金属锆。同理,以镁还原四氟化铀(UF4)和氟化铍(BeF2)制取金属铀和铍。2. 镁在铝合金中的应用。铝合金中增加镁的含量,使合金更轻,强度更大,抗腐蚀性能更好,因此它广泛应用于航空、船舶及汽车工业,结构材料工业、电化学工业(电子技术、光学器材)机密机械工业。由于镁合金在降低产品重量、节省能源及增强产品可靠性等反面所具有的优势,从而提高了这些领域燃料效率的优
20、点。3. 镁在球墨铸铁和钢中的应用。镁在球墨铸铁中起着球化作用,使铸件强度延展性提高,据现代铸造报道,20世纪90年代后,球墨铸铁在轻型卡车、客车中用量增加,每辆车均达80kg为此镁在球墨铸铁中应用将逐年增大。生铁中加镁,可使铁中鳞片状石墨体球化,生铁的机械强度增大1-3倍,它的液体流动性增加0.5-1.0倍。4. 镁在钢铁脱硫中的应用。镁正在成为整个钢铁生产中使钢脱硫的首要化学品。由于镁对硫的亲和力好(1吨低硫钢需镁脱硫剂用量为0.5kg),镁的这种独特性质,使钢铁市场在较低的成本下达到高产量高质量并能生产出HSLA级的低硫钢,这种优质钢用于汽车、设备和结构体中去,很有前途。用于脱硫不紧改善
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