（材料加工工程专业论文）真空硅热还原制备mgsr合金热力学及试验研究.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 真空热还原技术具有生产工艺较简单、环境状况好、产品纯度高等优点，在 有色金属冶炼领域占据非常重要的地位。真空条件能够有效地保护活泼金属，防 止其被氧化，同时能大幅度降低还原反应温度。该技术是冶炼和提纯镁、钙、锶、 等金属的最佳工艺。 本论文创新性地将真空热还原技术应用于m 乎s r 合金的制备，针对真空硅热 还原法制备m g - s r 合金进行了热力学分析及试验研究。计算了真空硅热法制备金 属s r 及m g s r 合金反应的吉布斯自由能和临界反应温度，推导出了还原反应方程 式，获得了还原反应进行的热力学条件，分析了反应温度、真空度对反应过程的 影响规律。进行了t g d s c 热分析试验和真空硅热法制备金属s r 及m g - s r 合金 的试验，获得了m 分s r 合金试样并分析了试样的成分、组织及渣样的成分。并针 对金属m g 、s r 蒸气产物的冷凝特性，设计出m g 、s r 蒸气同步冷凝的技术方案。 热力学分析及试验研究结果表明： 1 在标准大气压下，硅热法还原m g o 与s 内的临界反应温度分别为2 4 2 9 k 、 2 8 7 6 k ，该临界反应温度高，难于工业实施； 2 硅热法制备m g s r 合金还原反应的主反应式为： ( 1 一x ) m g o ( s ) + x s 幻( s ) + s i ( s ) + ( 1 一x ) c a o ( s ) = ( 1 一x ) m g ( g ) + x s r ( g ) + ( 1 工) ( 2 c a o s i 0 2 ) ( s ) + x ( 2 s 1 1 0 s i 0 2 ) ( s ) ，s r 为x m 0 1 。 3 真空硅热法制各m g s r 合金的反应吉布斯自由能随着温度的升高而降低， 压强的减小而减小； 4 在真空度为1 5 p a ，加热速率2 0 枷n ，升温至1 1 0 0 ，保温8 0 i i l i n ，反应 时间长为1 3 5 i n i n 的条件下，硅还原m g o 和s 内的混合物可顺利制备出m g s r 合 金且还原反应的速率在3 0 9 0 m i l l 段内较快； 5 m g s r 合金冷凝物的主要相组成为伍一m g 和m g l 7 s r 2 ，渣样主要相组成为 c a 2 s i 0 4 和s r 2 s i 0 4 。m g s r 合金结晶区域可分为三部分，先期凝结的部分晶粒比较 粗大和疏松，后期凝结的部分晶粒细致均匀，中间层组织介于两者之间。 6 。m 昏s r 蒸气冷凝过程中，当冷凝温度t v 6 5 0 ，真空度p v 2 6 7 p a 时，可 凝结为固体。 关键词：m g s r 合金，真空硅热还原，热力学分析，冷凝 重庆人学硕士学位论文英文摘要 a bs t r a c t r 酣u c t i o nt e c h n o l o 百e sv 舢p r o d u c t i o np r o c e s si s r e l a t i v e l ys i m p l e ，g o o d e 1 1 、，i r o n m e l l t a l c o n d i t i o n s ，h i g l lp 嘶吼i to c c u p i e dav e 叮i m p o r t 锄tp o s i t i o n i i l n o n f e r r o u sm e t a ls m e l t i n gt 1 1 ea r e a v | a c u u mc o n d i t i o n sc a nb ea ne 仃i e c t i v ew a yt 0 p r o t e c t r c a c t i v em e t a lb e c o m eo x i d a t i o ni nt l l e籼s p h e r e ，r e d u c t i o nr e a c t i o n t e i l l p e r a t l l r ec a nb er e d u c o d r e d u c t i o nt e d u l o l o 舀e sv a c u u mi st l l eb e s tw a yt os m e l t a n dp u r i fm a g n e s i u m ，c a l c i u m ，s 缸- o n t i u m ，e t c v a c u 啪s i l i c o m e m l i cr e d u c t i o nt e c l u l o l o g yh a v eb eu s e dt op r 印a r em g - s ra l l o y c r e a t i v e l yi nt h i sp a p i ti sat l l e s i so ft i l e n i l o d y n 撇i ca n a l y s i s 锄de x p 甜m e n t a l r e s e a r c ho np r o d u c t i o no fm g - s ra l l o yu s i n gv a c u 姗s i l i c o 廿l e n n i cr e d u c t i o n t h e g i b b s骶ee i l e 哟，a n dt l l e 嘶t i c a lr e d u 以o nt 唧咖o fv a c u l 珊s i l i c o t h e 册i c r e d u c t i o np r o d u c i i l gm e t a l l i cs 仃o n t i u mw e r ec a l c u l a t e d 锄d 肌a l y z e d c h 锄i c a l r e a c t i o 璐w e r ed e d u c e df o r p r e p 撕n gm e t a l s ra n dm 哥s r a l l o y r e a c t i o 璐 m e n i l o d y i l a m i cc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n o d r e a c t i o nt e m p e r a m r ca l l dv a c 啪d e 伊e e i l a v e 锄e 行e c to nt l l er e a c t i o np r o c e s s t g d s ct l l e n n a l 锄a l y s i se x p 嘶m e n t 锄dt l l 印= i l a lv a c l n 珊p r e p a r a t i o no fm e t a l s r 锄dm g - s ra 1 1 0 ye x p 嘶m e n tw e r ec a m c do u t m e t a ls ra i l dm 哥s ra l l o yw 盯e p r o d u c e db ym e t a lv a c 删ms i l i c o m 锄i cr e d u c t i o nt e c h n o l o 黟s s a m p l e so fm g s r a l l o yw 嬲o b t a i n e d t h ep h a s ec o m p o s i t i o no fm er e a c t i o np r o d u c ta i l ds l a gw a s 锄a l y z e ds 印删e l y m i c r o s 咖c t u 】r eo fs a m p l ew a so b s e e d a c c o r d i n gt o t l l e c o n d e i l s a t i o nf e a t l 鹏so fm g ，s rv a p o r ，d e s i 盟e ds y i l c h r o n o u sc o n d e n s a t i o nt ec ：h n 0 1 0 9 y t oa c h i e v e l em e t a l so f m g 觚ds r t l l 锄o d ) ，n 锄i ca i l a l y s i sa l l de x p 甜m e n tr e s u l t ss h o w 廿l a t ： 1 ) u n d e rs t a i l d 和a 恤o s p h 甜cp r e s s u r e ，t l l e 丽t i c a lr e a c t i o nt 锄p 咖ef o r s i l i c o nr e d u c t i o no fm g oa i l ds r oi s2 4 2 9 k2 8 7 6 k r e s p e c t i v e l y t l l e 嘶t i c a lr e a c t i o n t 锄p e r 舭i sl l i g ha n dd i 伍c u l tt oi i i l p l e m e i l ti n d u s 姆 2 ) 1 1 1 em 血r e a c t i o nf o rs i l i c o t l l e n l l i cr e d u “o nf o rm ep r 印删i o nm e t a ls r 锄d m g - s ra l l o yi s ( 1 - 石) m g o ( s ) + z s r o ( s ) + s i ( s ) + ( 1 一戈) c a o ( s ) m 0 1 = ( 1 一x ) m g ( g ) + x s r ( g ) + ( 1 一x ) ( 2 c a o s i 0 2 ) ( s ) + z ( 2 s r l d s i 0 2 ) ( s ) ，s f 工 i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 3 ) t l l eg i b b s 仔c ee i l e 嚼，o fm a i nr e a “o na tt h es i l i c 0 廿1 e 肌i cr e d u c t i o nf o rm e p r 印a r a t i o nm g s ra l l o yd e c r e a s e sw i mt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sa i l dp r e s s u r er e d u c e s 4 ) v a c u u mt o1 5 p 巩h e a t i n gr a t e2 0 m i n ，h e a t i n gu pt 01 1 0 0 ，i n s u l a t i o n 8 0 m i n ，l et i m ew 嬲13 5 m i n ，m g s ra 1 1 0 ym e 咖a ls i l i c o nc a i lp r o c e e ds m o o m l y r e d u c t i o nr e a c t i o nr a t ei s 缸t e ri i l3 0 9 0 i i l i i l ，l2 0 m i nt oc o m p l e t et h er e a c t i o n 5 ) w h e i lm et 锄p e r 狐鹏o fn l ec o n d e i l s e rt v 6 5 0 ，p r e s s u r ep v 1 ) ，炉料中应补充 m g o 。当白云石中m g o 含量高( c a 0 m g o 和。在真空条件下，此条件在试 验工艺条件较满足。 根据单元系相平衡图可知，金属元素m g 与s r 的固、液、气三相平衡点的温 度和压强值如表4 3 。 表4 3 金属元素m g 与s r 三相点的温度和压强值1 1 1 a b l e 4 3t h et 钮l p 眈i t l 】r e 锄dp r s u r ev a l u eo f m ga n ds ra t l i i e e p h a s ep o i l l t 重庆人学硕七学位论文 4 真空硅热还原制备m g s r 合金试验结果与讨论 可以控制冷凝器的温度为p v 和t v 来控制凝结状态，当t v m i n ( 6 5 0 ， 7 7 0 ) ，p v m i n ( 3 3 3 p a ，2 6 7 p a ) ，即t v 6 5 0 ，p v 2 6 7 p a 时，p v 在小范围变动， 金属金属元素m g 与s r 从高温区( 高于m g 与s r 的熔点) 移至低温区( 低于m g 与 s r 的熔点) ，均凝聚为固体，同时释放大量的结晶潜热。 真空热还原制备m g - s r 合金时，冷凝器的温度t v 控制在5 5 0 ，压强p v 小 于l o o p a 。金属m g 与s r 的蒸气凝聚为固体状态理想。 4 4 本章小结 本章的主要内容为本论文的试验研究部分。试验内容主要包括三个试验过程： 1 ) t g d s c 综合热分析试验，2 ) 真空硅热还原法制各金属s r 的试验，3 ) 真空 硅热还原法制备m g s r 合金的试验研究。 1 1t g d s c 综合热分析试验研究 t g d s c 综合热分析试验研究是在气压为1 0 x 1 0 5 p a 。以1 0 m i n 的速率进 行加热至1 2 0 0 ，而后保温1 2 0 1 3 0 m i n 。在加热保温过程中，实时记录样品在坩 埚中的热物理性能变化，并绘制t g d s c 同步热分析曲线。 2 ) 真空硅热还原法制备金属s r 的试验研究 真空硅热还原法制各金属s r 的试验研究是在真空度为1 5 p a 。以2 0 m i n 的 速率进行加热至1 1 0 0 ，而后保温8 0 m i n 。在加热保温过程中，实时记录炉内压 强和温度的试验数据，并绘制成压强、温度一时间的变化图。而后对反应产物、 反应渣进行了x 射线衍射分析。从试验角度验证真空硅热还原法制备金属s r 的 热力学理论，试验证实了还原反应的主要反应式。 3 ) 真空硅热还原法制备m 哥s r 合金的试验研究 t g d s c 综合热分析试验和真空硅热还原法制各金属s r 的试验是真空硅热还 原法制备m g - s r 合金的试验研究的两项基础试验。 真空硅热还原法制备金属s r 的试验研究是在真空度为1 5 p a 。以2 0 m i n 的 速率进行加热至1 1 0 0 ，而后保温8 0 m i n 。在加热保温过程中，实时记录炉内压 强和温度的试验数据，并绘制成压强、温度一时间的变化图。对反应产物、反应 渣进行了x 射线衍射分析。从试验角度验证真空硅热还原法制备金属s r 的热力 学理论，试验证实了还原反应的主要反应式。 根据以上三项试验研究总结，可得到下述主要试验结论： 1 ) 在t g d s c 热分析曲线表明还原反应的吸热峰未出现，表明真空条件是还 原反应在1 1 0 0 左右发生的必要条件。 2 ) 真空度为1 5 p a ，加热速率2 0 而n ，升温至1 1 0 0 ，保温8 0 m i n ，反应时 间为1 3 5 m i l l 的条件下，金属s r 用硅热还原反应能够顺利进行。还原反应速率在 4 9 重庆人学硕七学位论文 4 真空硅热还原制备m g s r 合金试验结果与讨论 3 0 8 0 m i n 较快，反应在前1 2 0 m i n 内完成。 3 ) 试验证实真空硅热法制备金属s r 的还原反应方程式为： 3 s 巾( s ) + s i ( s )