白云石中杂质对硅热法炼镁影响机理及调控方法的研究

摘要

我国是世界金属镁生产大国，产量占全球的80％以上，主要用硅热法生产。在目前技术条件下炼镁用白云石的杂质含量要求为：Fe2O3+Al2O3<0.5%，SiO2<0.5%，Na2O+K2O<0.01%，Mn<0.0005%，若杂质含量大于以上数值，将会影响出镁率，而我国南方的白云石中普遍存在Si、K、Na杂质含量偏高。
　　本文基于重庆万盛镁厂炼镁时，白云石矿中K、Na杂质对炼镁造成严重影响的现状，采用X射线荧光分析（XRF）、同步热分析（DSC-TG）、X射线衍射法（XRD）、矿物显微组织分析、扫描电镜（SEM）技术对白云石中K、Na杂质物相进行表征，接着对K、Na的硅热还原及燃烧热力学深入分析，最后提出调控方案并进行实验验证，从而获得以下重要结果：
　　①矿石分析表明：万盛白云石矿中95%以上为C、O、Ca、Mg，其它微量元素为Si、Al、K、Fe、Na等；确定存在的物相为白云石、石英、钾长石，可能存在的有方解石、镁黄长石、水碳钾钙石以及钙铝黄长石，应该还存在褐铁矿、泥质和其他微量伴生矿。其中，杂质元素K主要以钾长石（KAlSi3O8）形式存在，而Na应该以硅铝酸盐形式存在。
　　②根据吉布斯自由能原理，对含K、Na化合物在炼镁过程中被还原的可能性和还原出的气态K、Na的冷凝行为进行分析，并对K、Na燃烧的危害方式进行了探讨。结果表明：K、Na以硅酸盐或碳酸盐形式进入还原工序后被Si还原；由于K、Na冷凝温度比Mg低，冷凝区更靠近罐口，冷凝后形成液态；开罐时K、Na燃烧释放大量热量，引发结晶Mg的燃烧，导致金属镁损失并恶化车间劳动环境。
　　③热力学分析表明：相对惰性的金属氧化物或氯化物，硅热还原的K、Na蒸气在钾钠捕集器所处温度下可通过置换反应而被惰化，从而消除K、Na开罐燃烧的危害。具有技术上可用于惰化K、Na的氧化物有Cu2O、NiO、Fe3O4和Fe2O3等，氯化物有FeCl3、NiCl2、CrCl3、MnCl2、CaCl2等。
　　④K、Na反应惰化实验验证结果表明：氧化物法和氯化物法均可有效惰化K、Na，消除其开罐引发燃烧的问题。其中，在200℃以上K与Fe2O3和Fe3O4反应得到黑色固体，主要成分为KFeO2和Fe；在250℃以上Na与Fe2O3和Fe3O4反应也得到黑色固体，主要成分为NaFeO2和Fe，K的活性高于Na导致反应温度比Na低；含水氯化物受热释放出的H2O会与K、Na发生反应，但炼镁时不允许有H2O的存在；在250℃时采用无水MnCl2、CaCl2可与K、Na反应并将K、Na惰化成为KCl、NaCl，无其它可燃物生成。

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1 绪论

1.1 镁的发展史与镁工业现状

1.2 硅热法炼镁

1.3 课题来源、研究内容、意义及创新之处

2 高杂质白云石矿的物相分析

2.1 白云石矿的认识现状

2.2 高杂质白云石矿的物相分析

2.3 小结

3 K、Na对炼镁的影响机理探讨

3.1 硅热还原K、Na热力学研究

3.2 K、Na单质的冷凝状态分析

3.3 K、Na对炼镁的影响

3.4 小结

4 调控方案及验证

4.1 调控方案提出与确定

4.2 理论分析

4.3 实验方案与设备

4.4 氧化物法实验现象及结果分析

4.5 氯化物法实验现象及结果分析

4.6 小结

5 结论

致谢

参考文献

附 录