锻白中硅、钙等组分对真空碳热还原制取金属镁的影响研究

方荣纵 贺坤

摘 要：通过理论分析的方法，分析温度、时间和真空度等因素对还原反应的影响规律，进而通过实验分析锻白中CaO和SiO2的赋存形态，研究真空碳热还原条件下CaF2、CaO和SiO2的作用机理，得出其含量对锻白中镁还原率的影响规律。

关键词：钙；真空；碳热还原；镁

前言

目前，常用金属面临着资源枯竭的危险，用另一种金属来代替常用金属是一项亟待解决的问题。镁，有许多优良的性能，其应用范围越来越广泛，全球的消费量也逐年增加。白云石含有丰富的镁资源，且在我国白云石储量大、质量高、分布范围广，使得白云石成为炼镁的主要原料。目前，生产镁的工艺——皮江法和电解法存在诸多问题，国内外研究人员逐渐探索出了一条新的生产镁的工艺——真空碳热还原法。真空碳热还原法，采用廉价的碳做还原剂直接还原含镁矿物制备金属镁，不仅保护了环境，也降低了能耗。鉴于这种方法处于基础研究阶段，完整的真空碳热还原工艺还没有完全建立起来，还存在诸多亟待解决的问题，比如碳质还原剂的选择、含镁矿物应以何种方式进行预处理、还原反应前物料状态等。因此，对真空碳热还原法制镁工艺的深入研究具有深远意义。

1 锻白中硅、钙组分对金属镁还原率的影响

实验前通过查阅相关文献，得出温度、时间和真空度等因素分别对氧化镁还原率的影响，并结合本实验室条件设计实验方案。即：在一定条件、其他量不变的条件下，温度越高、时间越长、压强较小时镁的还原率越大。

2 实验原料

白云石、菱镁矿作为镁资源的重要来源，在我国储量丰富，实验中是以白云石和石墨为原料在一定条件下发生反应。经分析，锻白中的原料成分如表1所示，其中的CaO、MgO占了大部分。

3 实验研究

3.1 实验原理

采用煅烧白云石和石墨作为实验原料，在高温真空的条件下进行镁的还原实验。该还原反应的主要反应式为：

查阅关于锻白中硅、钙等组分在高温真空条件下的碳热还原金属镁的资料，并计算得到了MgO和C在温度为1450℃、压力在30000Pa的实验环境下可以发生反应。

热力学分析时，同时对CaO和SiO2与碳在相同的条件下进行了热力学计算：

CaO（s）+C（s）=Ca（l）+CO（g）；？驻G？兹=525750-194.34T

SiO2（s）+2C（s）=Si（s）+2CO（g）；？驻G？兹=717550-369.18T

通过计算得到反应、在压强为1000Pa、1500Pa、2000Pa、3000Pa的条件下的反应吉布斯自由能得到图1所示。

从图1中数据可知，在温度为1450℃和压强为3000Pa的条件下，CaO和SiO2与碳反应的？驻rGm>0，即在此条件下两种物质均不和碳发生反应，也就是说在碳还原金属镁的环境里，碳只是单方面与氧化镁发生反应。

通过理论分析得出，在本实验条件下CaO和不参与碳热还原反应。结合实验成本和人工成本决定在相同反应时间为2h的条件下SiO2来验证CaO和SiO2对碳热还原氧化镁还原率的影响。

3.2 实验方案

实验配料阶段，MgO与C是按照摩尔比为1：2的比例混合，以保证石墨和MgO充分接触，然后在配料时取MgO为20g，石墨12g，其中按不同比例的SiO2、CaO与MgO分开混匀后压制成块，它们的混合比例分别如表2、3所示，这个比例的混合依据是按照原料煅白中SiO2和CaO与MgO的质量分数比例。在压制成块过程中，采用15MPa的压力使混合均匀的配料制成团块。

3.3 实验分析

3.3.1 SiO2、CaO含量与碳热还原氧化镁还原率的关系

将压团后的配料装入反应真空炉中，并对反应炉进行升温控制使其温度保持在1450摄氏度下保温2小时，体系的压强保持在3000Pa。在此环境下，得到上述实验数据及其相应的还原率的关系，SiO2、CaO与氧化镁的还原率关系如图2、图3所示。

附：氧化镁的还原率计算公式如下：

？浊：煅白中氧化镁的还原率，%；M0：真空碳热还原反应前样品的质量，g；M：真空碳热还原反应后样品的质量，g。

3.3.2 含量与碳热还原氧化镁还原率的关系

本实验通过进一步研究了不同含量的CaF2对碳热还原氧化镁的影响。实验中MgO和C的物质量比为1：2，并分别加入CaF2的质量分数为0%、1%、3%、5%、7%、10%对氧化镁还原率的影响。即：当氟化钙的加入量为0%时，氧化镁的还原率只有25.6%；当氟化钙的加入量为5%时，还原率达到了75.7%；当氟化钙的量在增加时，还原率仍保持在75.7%左右。

由此可知：随着CaF2的加入量增加，氧化镁的还原率也增加；在CaF2的加入量大于5%时，还原率变化趋于平稳。在实验过程中确定了CaF2的反应机理，得出实验中加入的CaF2在实验过程中起到了催化剂的作用，并显著提高了碳热还原氧化镁的还原率。

4 结论

（1）通过实验发现，在MgO和石墨中加入CaO、SiO2对氧化镁的还原率影响趋于平稳；向MgO中加入CaF2则会增加氧化镁的还原率。

（2）通过实验得到最佳加入量与还原率的关系： 当只有SiO2与MgO混合时，碳热反应的最大还原率为21.32%，此时的SiO2含量为3.60%；只有CaO与MgO混合时，碳热反应的最大还原率为28.85%，此时的CaO含量为52.89%。当SiO2的加入量为5%时，还原率达到了75.7%。

5 结束语

本项目自申请立项以来，小组成员查阅了相关国内外相关文献，了解此项目已有的相关成果，并在此基础上提出在1450℃、3000Pa的高温真空条件下的碳热还原煅白中的氧化镁制镁的实验方案。这一年多的辛勤实践，至此，已顺利结题。虽然，在项目中取得了一些突破，但是对高温碳热还原镁的研究未就此结束，望后继者能够以此为“梯”，在本项目中取得更大的突破。同时，也很感谢项目指导老师能够在百忙之中给予我们辛勤指导，也感谢两位师兄的无私帮助，谢谢！

参考文献

[1]戴永年，杨斌.有色金属材料的真空冶金[M].北京：冶金工业出版社，2000：294-310.

[2]钟胜.氧化镁真空碳热还原研究[D].昆明：昆明理工大学，1999.

[3]徐日瑶.镁冶金学[M].北京：冶金工业出版社，1993.

作者简介：方荣纵（1992-），男，汉族，陕西安康，重庆大学本科在读，冶金工程。

贺坤（1994-），男，汉族，重庆巫溪，重庆大学本科在读，冶金工程。