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以菱镁石为原料真空铝热还原制取金属镁及高密度镁铝尖晶石的研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 镁的物理化学性质

1.1.1 镁的物理性质

1.1.2 镁的化学性质

1.2 镁矿资源

1.3 镁的应用

1.3.1 镁在轻质合金制造业中的应用

1.3.2 镁在冶金工业中的应用

1.3.3 镁在其他领域中的应用

1.4 镁的生产方法

1.4.1 电解法

1.4.2 热还原法

1.5 镁铝尖晶石概况

1.5.1 镁铝尖晶石的结构和性质

1.5.2 镁铝尖晶石的合成方法

1.5.3 镁铝尖晶石的应用

1.6 本课题的目的、意义与主要内容

1.6.1 目的和意义

1.6.2 本论文的主要内容

第2章 真空热还原制取金属镁的原理

2.1 金属热还原基本原理

2.2 铝热还原制取金属镁的基本原理

2.3 金属镁蒸汽的冷凝与结晶

第3章 菱镁石真空铝热还原制取金属镁的实验研究

3.1 真空铝热还原制取金属镁的实验方法

3.1.1 实验原料

3.1.2 实验设备

3.1.3 实验方法和工艺流程

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 还原温度对还原过程的影响

3.2.2 还原时间对还原过程的影响

3.2.3 炉料制团压力对还原过程的影响

3.2.4 铝粉过量系数对还原过程的影响

3.3 氟盐添加量对还原过程的影响及其影响机理研究

3.3.1 氟化镁对还原过程的影响

3.3.2 氟盐对新型真空铝热还原过程的影响机理初探

3.4 本章小结

第4章 利用铝热法炼镁还原渣制取镁铝尖晶石的实验研究

4.1 炼镁还原渣制取镁铝尖晶石的实验研究方法

4.1.1 实验原料

4.1.2 实验设备

4.1.3 性能检测与分析

4.1.4 实验方法和工艺流程

4.1.5 合成镁铝尖晶石的反应模型

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 反应温度对合成镁铝尖晶石的影响

4.2.2 保温时间对合成镁铝尖晶石的影响

4.2.3 制团压力对合成镁铝尖晶石的影响

4.3 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

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摘要

金属镁及其合金具有比强度高、导热和导电性能好、阻尼减震、电磁外屏蔽、易于机械加工和容易回收等优点,应用十分广泛,已成为仅次于钢铁和铝的第三大金属工程材料。金属镁的生产方法有熔盐电解法和金属热还原法两种。皮江法是我国生产金属镁的主要方法,但是皮江法能耗高,CO2排放量大,还原炉渣不能有效利用。以菱镁石为原料以铝粉为还原剂,真空热还原炼镁同时利用还原渣生产镁铝尖晶石耐火材料,不仅可以大大降低炼镁原料消耗和能源消耗,同时可使还原渣得到全部利用,是一种节能环保的绿色冶金技术。
  本文主要对以菱镁石为原料,以铝粉为还原剂真空热还原制取金属镁的还原工艺和对以炼镁还原渣为原料制取镁铝尖晶石的工艺进行了实验研究,其结果表明:
  (1)以煅后菱镁石为原料、铝粉为还原剂,按反应方程式4MgO+2Al=MgO·Al2O3+3Mg在真空条件下进行反应制取金属镁,较佳工艺条件为还原温度为1200℃、还原时间为2h、真空度为1-7Pa、制团压力为120MPa、铝粉添加量为5%,在该条件下还原过程的镁还原率可达95%(此处计算还原率时MgO·Al2O3中的MgO未计入未反应MgO量中,若计入未反应MgO中,则其镁还原率为72%),还原炉渣的主要物相为MgAl2O4、Al2O3和MgO。
  (2)在还原过程中加入氟化镁,可使还原过程的镁还原率提高3.17%,铝粉利用率提高3.18%,有利于氧化镁的还原和镁铝尖晶石的生成。
  (3)以煅后菱镁石为原料以铝粉为还原剂按反应方程式3 MgO+2Al=Al2O3+3 Mg进行配料还原,其还原物料中的镁的还原率可达84.70%,有利于降低还原过程的料镁比,但铝粉利用率下降。
  (4)以铝热还原炼镁所得还原渣为原料制取镁铝尖晶石时,考察了烧结温度、烧结时间、制团压力对煅烧后镁铝尖晶石体积密度和显气孔率的影响。在较佳工艺条件烧结温度1700℃、烧结时间3h和制团压力120MPa下获得的镁铝尖晶石氧化铝含量在72%左右,其体积密度在3.204g/cm3、显气孔率为1.22%。
  本论文的研究结果初步表明,以菱镁石为原料以铝粉为还原剂真空热还原炼镁过程镁还原率高,还原料镁比在3.15∶1左右,还原渣的主要物相为镁铝尖晶石相,该还原渣经高温焙烧后可获得氧化铝含量在72%的高密度镁铝尖晶石。该技术同现行的皮江法相比,不仅可使炼镁过程能耗大幅度降低,而且可实现炼镁还原渣的全部利用,没有固体废弃物产生,具有很好的应用前景。

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