真空碳热还原炼镁工艺中镁蒸气冷凝收集实验研究

摘要

金属镁及其合金是目前最轻的金属结构材料，其具有良好的机械性能和物理性能，逐渐成为全球广泛应用的金属材料。目前，炼镁的生产工艺主要以电解法和硅热法为主。而碳热还原法炼镁工艺与现在广泛应用的工艺相比具有生产流程短、能耗小、成本低、生产效率高、污染小等特点。随着全球对资源高效利用和环境生态保护的重视和关注，碳热还原法炼镁具有非常重要的现实意义。
　　国内外研究人员对碳热还原法炼镁工艺技术进行了许多研究，但对碳热还原反应镁蒸气冷凝过程Mg—CO逆反应的抑制尚未得到有效解决。研究碳热还原镁蒸气冷凝收集条件和抑制镁蒸气与CO的逆反应具有重要的实际应用价值。
　　本文针对真空碳热还原炼镁工艺中镁蒸气的冷凝收集问题。在理论分析镁蒸气的冷凝机理的基础上，以氧化镁和石墨为原料、真空立式管式炉为主要设备，实验研究温度、压力和惰性气体氩气对镁蒸气冷凝收集的影响。应用 X射线衍射和扫描电镜等分析手段。探讨了真空碳热还原过程中镁蒸气冷凝收集条件和逆反应控制措施。在本实验条件下，得到以下结论：
　　①在体系压力为1 KPa的条件下，理论分析镁蒸气冷凝结晶适宜的温度范围为924 K—975 K，通过对真空反应炉冷凝区域温度分布测试和实验研究结果确定最佳冷凝温度区间为950(±20) K。通过热力学分析和实验研究结果表明当体系压力降低时，抑制了镁蒸气冷凝过程中Mg—CO反应生成Mg2C3，减少逆反应，提高产物纯度。
　　②实验结果表明通入氩气能有效减少Mg—CO逆反应，相同实验条件下冷凝产物金属镁的含量提高约31％。当氩气流量为3.5 L/min时，冷凝产物金属收得率达到最大为95.64%，金属镁的纯度为91.43%，其微观形貌呈枝状。
　　③通过实验研究当体系压力为1 KPa，反应温度为1723 K时，碳热还原反应的还原率为55.6%。当在碳热还原反应过程中通过氩气流量为3.5 L/min时，碳热还原反应的活化能从15.93 KJ/mol降到了7.86 KJ/mol，碳热还原反应的还原率提高了21.7%。

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目录

1 绪 论

1.1 金属镁的性质

1.2 金属镁及其合金的应用

1.3 热还原法炼镁工艺

1.4 金属镁蒸气的冷凝收集研究现状

1.5 课题研究意义、目的及内容

2 实验研究方法及设备

2.1 实验技术路线

2.2 实验设备

2.3 实验步骤与冷凝产物分析方法

3 真空碳热还原反应镁蒸气冷凝收集理论分析

3.1 真空碳热还原反应镁蒸气冷凝热力学分析

3.2 冷凝温度对镁蒸气冷凝收集影响分析

3.3 体系压力对镁蒸气冷凝收集影响分析

3.4 氩气流量对碳热还原反应影响分析

3.5 氩气流量对镁蒸气冷凝收集影响分析

3.6 本章小结

4 真空碳热还原反应镁蒸气冷凝收集实验研究

4.1 真空碳热还原反应还原率影响因素实验研究

4.2 冷凝温度对镁蒸气冷凝收集的影响

4.3 体系压力对镁蒸气冷凝收集的影响

4.4 氩气流量对镁蒸气冷凝收集的影响

4.5 本章小结

5 结 论

致谢

参考文献

附录 作者攻读硕士学位期间发表的论文目录