金属镁及其合金具有比强度高、导热和电导性能好、阻尼减震、电磁外屏蔽、易于机械加工和容易回收等优点，应用十分广泛，已成为仅次于钢铁和铝的第三大金属工程材料。目前的生产方法主要分为熔盐电解法和真空金属热还原法两种。相比之下，我国白云石和菱镁矿资源丰富、矿石品位高，真空金属热还原法（以皮江法为主）是我国金属镁的主要生产方法。皮江法制镁目前仍是一个高能耗、高废物排放的冶金工艺。以铝或铝合金为还原剂的真空热还原制镁技术可大大降低炼镁能耗，减少废渣和二氧化碳气体的排放，符合未来炼镁行业的发展方向。本文主要对以白云石和菱镁矿为原料，分别以硅铁合金、Al-Si-Fe合金和铝粉为还原剂进行真空热还原制取金属镁的还原工艺和还原机理进行实验研究;对以铝粉为还原剂的真空热还原制镁所得还原渣为原料的氧化铝溶出工艺进行实验研究，并同现行的皮江法制镁技术进行了对比。
论文对白云石、菱镁石和镁化白云石的物相、化学成分和差热热重进行了测试分析，研究了粒径为1 mm、4 mm、8 mm和12 mm的白云石、菱镁石及镁化白云石颗粒在煅烧温度为600-1120℃、煅烧时间为30-110 min下的矿样烧损率、对应煅烧产物的水化活性度和灼减量等参数的变化规律;通过不同粒径颗粒的煅烧实验，探讨了影响煅烧产物活性的因素，确定以白云石、菱镁石和镁化白云石为原料，经煅烧获得最佳冶金活性的CaO·MgO和MgO的技术参数。利用Coats-Redfern和Doyle方程对白云石的非等温分解过程进行了分析，得到分解过程动力学符合Avrami-Erofeev的以成核与核生长为控制步骤的A1模型及相关动力学方程，对白云石的煅烧分解过程的进行了预测分析。
结合热力学原理对金属热还原法制镁过程的机理进行分析，计算了采用不同还原剂时，还原反应所需的临界反应温度。通过对硅热还原氧化镁和硅热还原煅烧白云石的反应过程的理论分析可知:若硅热法制镁过程中出现氧化钙的造渣反应，可以使硅热法还原的临界温度降低600 K以上，并可避免MgO出现损失。还原过程中真空条件的引入可以大幅降低临界反应温度。通过对镁蒸气压及露点的计算，进一步确定影响硅热法还原过程中金属镁结晶形态的因素。利用热力学计算还原反应的临界反应温度和反应生成的金属镁的蒸气压，确定了以Al-Si-Fe合金和铝粉为还原剂进行真空热还原法制镁的可行性。
分别以煅烧白云石所制得的活性CaO·MgO为原料、硅铁合会和Al-Si-Fe合金为还原剂以及以煅烧白云石和煅烧菱镁石的混合物或煅烧镁化白云石所制得活性氧化物为原料、铝粉为还原剂进行了真空热还原制取金属镁的实验研究。考察了还原温度、还原时间、炉料制团压力、还原剂过量系数和氟盐添加量对还原过程、镁还原率及还原剂利用率的影响。根据实验结果和还原产物的物相分析、SEM分析和EDS分析，对还原反应过程的机理及过程的动力学进行了研究。
利用煅烧白云石和煅烧菱镁石的混合物或煅烧镁化白云石在真空条件下进行铝热还原制镁所得还原渣为原料，进行溶出氧化铝的实验研究。并对还原渣中CaO·2Al2O3和CaO·Al2O3的氧化铝溶出机理进行了分析，同时结合溶出渣的物相分析，探讨了NaOH和Na2CO3在铝酸钙溶出过程中所起的作用，以及溶出温度、溶出时间、液固比、NaOH和Na2CO3的过量系数对氧化铝的溶出过程的影响，得到溶出过程的最佳工艺参数。在该工艺条件下的氧化铝溶出率最高可以达到86％，全铝溶出率达到88％。对溶出的铝酸钠溶液进行碳酸化分解后所获得的氢氧化铝，其白度可以达到97％。利用不同还原温度所得还原渣的氧化铝溶出率数据，结合对溶出后渣料的物相分析、SEM分析和EDS分析，探讨了还原温度对还原渣的物相组成及利用上述还原渣组分对氧化铝溶出过程的影响。
对新型真空铝热还原制镁工艺和现行皮江法制镁工艺进行能耗分析和成本分析对比。新型制镁工艺比较现行皮江法在生产过程中的废气废渣的排放、能源消耗量、生产成本及后续还原残渣的利用收益有显著改进，综合能耗降低60％以上、生产成本降低4000元/吨。新型制镁工艺具有低成本生产、低污染物排放、高生产效率、高能源利用率和工艺原料可循环利用的特点，属于低碳、低污染和高效能的绿色冶金工艺。
- 作 者：
- 胡文鑫
- 学科专业：
- 有色金属冶金
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 东北大学
- 导师姓名：
- 冯乃祥
- 学位年度：
- 2011
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
