【正文】 ○ 2 3) 222 ( ) ( ) 2 ( )CaO s S iO s CaO S iO s? ? ? 3 118800 /G T K?? ? ? ? ○ 3 故 ○ 1 +○ 3 2○ 2 43 95 00 24 7. 55 /G T K?? ? ? 標準狀態(tài)下反應溫度 T= 2. ( ) ( ) ( ) ( )C a l M gO s M g g C aO s? ? ? 1) 21( ) ( ) ( )2C a l O g C a O s?? 1 6 4 0 1 5 0 1 0 8 .5 7 /G T K?? ? ? ? ○ 1 2) 21( ) ( ) ( )2M g g O g M g O s?? 2 7 3 2 7 0 0 2 0 5 .9 9 /G T K?? ? ? ? ○ 2 故 ○ 1 ○ 2 92550 /G T K?? ? ? 標準狀態(tài)下 反應溫度 T=950K 3. 2( ) 3 ( ) ( ) 2 ( ) 3 ( )CaS i s M g O s CaO s CaO S iO s M g g? ? ? ? ? 1) 22( ) ( ) ( )S i s O g S iO s?? 1 9 0 7 1 0 0 1 7 5 .7 3 /G T K?? ? ? ? ○ 1 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 2章 鋁粉作還原劑煉鎂熱力學分析 15 2) 222 ( ) ( ) 2 ( )CaO s S iO s CaO S iO s? ? ? 2 118800 /G T K?? ? ? ? ○ 2 3) 21( ) ( ) ( )2M g g O g M g O s?? 3 7 3 2 7 0 0 2 0 5 .9 9 /G T K?? ? ? ? ○ 3 4) ( ) ( ) ( )C a s Si s C aS i s?? 4 150600 /G T K?? ? ? ? ○ 4 5) 21( ) ( ) ( )2C a l O g C a O s?? 5 6 4 0 1 5 0 1 0 8 .5 7 /G T K?? ? ? ? ○ 5 故 ○ 2 +○ 1 3○ 3 ○ 4 68 26 50 36 0. 47 /G T K?? ? ? 標準狀態(tài)下反應溫度 T=1894K 4. 22( ) 4 ( ) 2 ( ) 4 ( )Ca Si s M gO s CaO SiO s M g g? ? ? ? 1) 22( ) ( ) ( )S i s O g S iO s?? 1 9 0 7 1 0 0 1 7 5 .7 3 /G T K?? ? ? ? ○ 1 2) 222 ( ) ( ) 2 ( )CaO s S iO s CaO S iO s? ? ? 2 118800 /G T K?? ? ? ? ○ 2 3) 21( ) ( ) ( )2M g g O g M g O s?? 3 7 3 2 7 0 0 2 0 5 .9 9 /G T K?? ? ? ? ○ 3 4) 22 ( ) ( ) ( )Ca s Si s Ca Si s?? 4 2 0 9 2 0 0 2 2 .1 8 /G T K?? ? ? ? ○ 4 5) 21( ) ( ) ( )2C a l O g C a O s?? 5 6 4 0 1 5 0 1 0 8 .5 7 /G T K?? ? ? ? ○ 5 故 5. ? ?22( ) 5 ( ) 3 ( ) 2 2 ( ) 5 ( )Ca Si s M gO s Ca O s Ca O SiO s M g g? ? ? ? ? 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 3章 實驗內(nèi)容及結果分析 17 第 3 章 實驗內(nèi)容及結果分析 實驗 方法 實驗原料 1. 實驗原料 在鋁粉真空熱法煉鎂的試驗中，物料主要有白云石、 菱鎂石、 鋁粉和氟化鹽。 本實驗用的菱鎂礦和白云石的化學成分入下表所示： 表 實驗用菱鎂礦成分 成分 MgO CaO SiO2 Al2O3 含量 (ω%) 表 實驗用白云石成分 成分 MgO CaO SiO2 Al2O3 含量 (ω%) 2. 原料配比 鋁熱法還原煅后菱鎂礦和白云石煅白的主反應為： CaOMgO + 2MgO + 2Al = 3Mg + CaOAl2O3 （ 31） 按上式配比： CaO ： MgO=56:120； CaCO3： MgCO3=100:252 設取 菱鎂石 1 克，白云石 x 克 ?? = 56120 x= 所取的白云石菱鎂礦中所含 CaO 為 1 %+ %= ()()mCaOmAl = 56( ) 27m Al ? ?? m(Al)= M（菱鎂石）： M（白云石）： M（鋁粉） =1:: 實驗設備 本實驗的實驗設備主要包括真空泵機組、真空熱還原爐、 電阻爐 （如圖 ） 、干燥東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 3章 實驗內(nèi)容及結果分析 18 箱。 其中 電阻爐 用于煅燒白云石和菱鎂礦，干燥箱用于測量煅白的水化活性度。 真空系統(tǒng) （如圖 ） 主要由真空臂路、真空閥、 ZJP70 羅茨真空泵和 ZX15 型旋片式真空泵組成，用于制造還原所需的真空條件。真空熱還原爐（如圖 ）用硅碳棒加熱 ，極限溫度為 1200℃。 圖 真空泵機組 圖 真空還原爐 圖 電阻爐 在本試驗中，真空度對還原過程有重要的影響。提高真空 可以降低還原反應的溫度，加快還原反應速度，提高還原劑的利用率。因此 試驗前， 應對 對真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)進行調(diào)試。系統(tǒng)的極限真空度的高低不僅取決于真空泵機組的極限真空度和抽氣速率，還與系統(tǒng)漏氣率的 大小有關。 經(jīng)檢測，系統(tǒng)的極限真空度可達 ，所以認為真空系統(tǒng)的漏氣率較小，可以滿足實驗條件。 實驗方法 鋁粉作還原劑真空熱還原 煉鎂包括以下幾個步驟：原料的煅燒，配料，制團，真空東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 3章 實驗內(nèi)容及結果分析 19 熱還原。實驗流程圖如圖 所示。 鋁 粉菱 鎂 石 + 白 云 石煅 燒配 料制 團真 空 熱 還 原金 屬 鎂混 合氟 化 鈣 圖 實驗流程圖 1. 煅燒 將白云石和菱鎂礦按配比稱取，然后分別放入 2 個 電阻爐 中在不同溫度下煅燒一定時間，以獲得高活性還原反應物料。 2. 原料的配料與制團 (1). 煅白的配料細磨 鋁粉真空熱還原煉鎂的過程屬于固 液 相反應過程。對固 液 相反應來說，要求爐料有較細的粒度，并具有較大的比表面，也就是說爐料越細越好。但是，爐料太細，壓形時壓縮比下，又難于成形，故爐料的細度又必須在一定的范圍內(nèi)。 爐料的細度對鎂的還原效率、鋁粉的利用率有較大的影響。爐料的粒度比不適當，不僅影響還原效率，還影響團塊的抗壓強度。所以爐料中的粒度及粒度比時極為重要的。 鋁熱法煉鎂用的爐料時由煅白、鋁粉、氟鹽三種原料組成的，這三種原料由于他們的剛性不一樣，其粒度比也是不一樣的。 煅白的強度不大，一般比較容易磨。由于還原反應 存在固相 ， 所以物料的比表面積越大 越好 ，所以爐料越細、接觸越緊密就越好。氟化鈣通常選用浮選產(chǎn)品，其粒度為 200目。 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 3章 實驗內(nèi)容及結果分析 20 爐料的細磨工藝為：先將煅白放入磨機中磨細，然后按配比加入鋁粉和氟化鈣再研磨合適時間。本實驗配比前面已計算， M（菱鎂石）： M（白云石）： M（鋁粉）=1::。 (2). 爐料的制團 對于固相反應，爐料除應有一定的細度、配料比外，爐料還必須壓形，來增加物料之間的相互接觸，以縮短鋁原子還原 MgO 時的自由行程。所以爐料越細，壓形壓力越大，物料互相接觸越緊密，越有利于還原過程。 爐料制團后，還可以提高還原罐中的裝料量， 提高單罐產(chǎn)量。在爐料制團時，可使 MgO CaO 晶型發(fā)生形變，增大球團的 閉 孔率，有利于鎂蒸氣的脫出，使還原反應速度增大。因此，磨好的爐料要壓制具有一定密度的球團，才能送去還原。 爐料制球后的團塊應具有一定的形狀，合理外形的球團能提高還原罐的裝料量。更重要的是球團應有較大的強度，沒有棱角 (即邊角 )，不易碰碎。球團在成型后，其表面不應出現(xiàn)裂紋，否則這種球團在受熱時易崩裂。合理的外形，壓型時壓力適當，球團的成型 率 高，有利于脫模；合理的外形，球團裝在還原罐內(nèi)有一定的空隙度，有利于鎂蒸氣從球團內(nèi)部和表面向外擴散，對 還原反應有利。 爐料粒度越細以及團塊密度越高，則物料表面接觸越好，越有利于還原過程，還原反應的速度隨著團塊密度的增大而提高，越有利于還原反應的進行。但制團壓力也不宜過大，壓力太大，透氣性差，增加鎂蒸氣逸出阻力，因而降低還原反應的速度。所以，合適的制團壓力要通過試驗來確定。 壓制好的團塊，放置在空氣中，也和煅燒后的礦粉一樣，易吸收空氣中的水分和CO2，使團塊中的 CaO 和 MgO 變成 Ca(OH)2 和 Mg(OH)2，隨即復原為 CaCO3 和 MgCO3，同時，團塊體積和質(zhì)量增大，發(fā)生膨脹、碎成小塊或粉 末。所以球團應現(xiàn)壓現(xiàn)用，不宜久存。在本試驗中，壓制好的團塊采用密封袋包裝后，放入干燥箱中。 3. 物料的真空熱還原 團塊真空熱還原的 特點 是： ⑴ 還原劑、煅白和氟化鈣經(jīng)細磨混合、壓形后的球團在高溫下進行反應，反應在固相與固相之間進行。兩相之間的接觸面積，兩相中物質(zhì)擴散速度會直接影響反應的速度。 ⑵ 從熱力學分析表明，反應為吸熱反應，而且在真空條件無對流給熱，球團導熱東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 3章 實驗內(nèi)容及結果分析 21 系數(shù)很小，因而外部環(huán)境對球團的傳染以及產(chǎn)物層的傳熱過程對反應的進行起著和重要的作用 ，即傳熱速率對總反應速率的影響不可忽視。 ⑶ 還原過程中，無還原氣體從球團外面向里面擴散，只有還原析出的鎂 蒸氣 向外擴散并在鎂結晶器中冷凝結晶。 ⑷ 還原反應是從團塊的外表逐漸向里推進，反應發(fā)生在一定的區(qū)域內(nèi)，在這一區(qū)域的反應稱為前沿反應，其反應的深度與傳熱速度有關，也與鎂 蒸氣 從團塊里面向外擴散的速度有關。前沿反應后即為尾隨反應，這一反應速度較前沿反應小得多，這是因為鎂 蒸氣 從球團里向外擴散的速度與熱量從外向內(nèi)部傳熱的速度受到了限制，所以在還原過程中團 塊出現(xiàn)未反應的反應物層。 還原過程出現(xiàn)完全反應的產(chǎn)物和未反應的反應物層的狀態(tài)，可以用能量平衡與物質(zhì)平衡的原理來解釋。還原反應是吸熱反應，為了使反應進行，必須供給足夠的熱量，但傳熱速度受到外部給熱和團塊導熱速度的制約。當傳熱速度加快時，需要吸收的熱量更多，又降低了反應層溫度，反應過程在這一反應區(qū)內(nèi)達到能量的動態(tài)平衡，同時在整個反應過程中，反應速度還受到鎂 蒸氣 通過產(chǎn)物層的擴散控制，反應產(chǎn)生的鎂 蒸氣 速度，必須與擴散速度相等，即達到質(zhì)量的動態(tài)平衡。 從還原過程的特點表明，用鋁粉還原煅燒白云石的還原過程是極為復雜的， 為了在還原過程中獲得較高的鎂的產(chǎn)出率和鋁的利用率，必須根據(jù)這些特點，較好的去選擇工藝參數(shù)，即還原溫度、還原時間、氟鹽添加量、鋁粉粒度和過量系數(shù)等因素對還原過程的影響。 還原過程： 將壓制好的團塊放在合金料筒中然后放入還原反應罐中準備還原反應，連接好各系統(tǒng)，打開冷卻水開關，開真空泵抽真空，當還原罐內(nèi)壓強降至 100 Pa 左右時通電升溫，升溫至 800 186。C 再開羅茨真空泵。升溫至 試驗所設定的溫度后開始計時保溫，在恒溫條件下進行真空熱還原反應，控制保溫爐的溫度及冷凝水的水流速度使還原出來的鎂 蒸氣 在冷凝器的底部冷凝結晶 。待試驗設定恒溫時間結束后立即停電進行降溫。等爐溫降至室溫時關閉冷卻水，開啟還原罐，取出冷凝物和余料，稱重后取樣分析。 原料 煅燒 獲得高活性還原反應物料的實驗研究 菱鎂礦的煅燒 菱鎂礦的主要成分是 MgCO3，分解產(chǎn)物為 MgO 和 CO2： MgCO3 → MgO ＋ CO2 （ 32） 東北大學畢業(yè)設計（