菱鎂石和白云石的煅燒條件對(duì)球團(tuán)密度及還原過(guò)程的影響

　　研究了白云石和菱鎂石的煅燒條件對(duì)獲得的熟料壓制成球團(tuán)的密度的影響，并以菱鎂石和白云石的混合物為原料，鋁粉為還原劑考察了煅燒條件對(duì)還原過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著菱鎂石和白云石煅燒溫度的提高，球團(tuán)的密度增加。在煅燒過(guò)程中，假晶的形成和破壞是導(dǎo)致球團(tuán)密度變化的主要原因。在750和1100℃煅燒的菱鎂石和白云石，單位質(zhì)量原料產(chǎn)鎂最多，為0.3143；在750和1200℃煅燒的菱鎂石和白云石，單位體積原料可以產(chǎn)出更多的鎂，達(dá)到0.6626g/cm³。綜合考慮成本因素，認(rèn)為菱鎂石和白云石的最佳煅燒溫度分別為750和1100℃。

　　金屬M(fèi)g是常用的最輕的結(jié)構(gòu)金屬，被廣泛的應(yīng)用在冶金、化工和機(jī)械等領(lǐng)域，世界需求量很大。金屬M(fèi)g的生產(chǎn)方法主要有兩種:電解法和熱還原法。根據(jù)還原劑的不同，可以將熱還原法分為硅熱、碳熱、鋁熱和碳化物熱還原法。皮江法是硅熱法的一種，工藝已經(jīng)非常成熟，是目前采用最多的煉鎂方法。除皮江法外，硅熱法還包括內(nèi)電阻加熱煉鎂工藝，此法主要應(yīng)用在巴西。另外，由于碳質(zhì)還原劑價(jià)格便宜，且來(lái)源廣泛，使得碳熱法煉鎂得到了各國(guó)冶金工作者的廣泛關(guān)注。然而，由于產(chǎn)生的鎂蒸氣和碳的氧化物發(fā)生二次反應(yīng)導(dǎo)致生產(chǎn)的金屬M(fèi)g純度較低，還原率較小，制約了碳熱法煉鎂的發(fā)展。以碳熱過(guò)程為基礎(chǔ)的CSIRO’sMag-SonicTM工藝，自2003年在澳大利亞提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，成功地抑制了這種二次反應(yīng)。它通過(guò)利用Laval噴嘴，使得產(chǎn)生的鎂蒸氣以106℃/s冷凝，達(dá)到與碳的氧化物迅速分離的目的，此法目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。在碳化物熱還原煉鎂方面，一些研究者建議了以碳化鈣為還原劑制取金屬M(fèi)g的工藝，但此法還原劑消耗量較大，成本較高。鋁熱還原煉鎂工藝與其它熱還原工藝相比可以在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行，但由于鋁價(jià)格昂貴而沒(méi)有得到發(fā)展。近年來(lái)，馮乃祥等建議一種鋁熱還原煉鎂工藝，該工藝以回收的廢鋁為還原劑，以煅燒菱鎂石和煅燒白云石的混合物為原料，真空熱還原制取金屬M(fèi)g，同時(shí)得到富含鋁酸鈣的還原渣，此還原渣經(jīng)過(guò)堿液溶出，可以制取高附加值的特種氫氧化鋁。此方法可以大幅度降低能耗、減少CO2及廢渣排放。

　　除電解法外，上述煉鎂工藝的主要原料皆為菱鎂石和白云石。礦石必須經(jīng)過(guò)煅燒和制團(tuán)后才能用于還原反應(yīng)。一些學(xué)者對(duì)煅燒菱鎂石和煅燒白云石的水化活性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在完全分解的條件下，菱鎂石和白云石的水化活性均隨煅燒溫度提高或煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，菱鎂石和白云石分別在750和1050℃煅燒1.5h可以獲得最高的水化活性。孫文華等認(rèn)為MgO的晶粒大小和晶格畸變是影響其水化活性的主要原因。一些文獻(xiàn)報(bào)道了菱鎂石分解過(guò)程中氧化鎂晶粒生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)和機(jī)理。另一些學(xué)者利用差熱-熱重分析法研究了菱鎂石和白云石的分解動(dòng)力學(xué)，得到了分解反應(yīng)的活化能，如高楓等得到菱鎂石分解反應(yīng)的活化能為172～199kJ/mol，高家誠(chéng)等得到白云石分解反應(yīng)的活化能為148.16kJ/mol�？梢�(jiàn)，已有的文獻(xiàn)主要針對(duì)礦石的煅燒過(guò)程進(jìn)行了研究，而對(duì)制團(tuán)過(guò)程的報(bào)道較少。

　　本文研究了白云石和菱鎂石的煅燒條件對(duì)其壓制成球團(tuán)的密度的影響。同時(shí)以鋁熱還原煅燒菱鎂石和煅燒白云石的混合物為例，討論了煅燒條件對(duì)還原過(guò)程的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、實(shí)驗(yàn)原料

　　本實(shí)驗(yàn)使用的原料主要是菱鎂石和白云石，取自遼寧省大石橋市，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量比)如表1所示。

表1 原料的化學(xué)成分

　　1.2、實(shí)驗(yàn)方法

　　菱鎂石分別在750，950，1050和1150℃煅燒90min，在850℃煅燒90，120和150min；白云石分別在1000，1200，1300和1400℃煅燒90min，在1100℃煅燒90，120和150min。煅燒時(shí)，首先將爐溫升至實(shí)驗(yàn)溫度，然后將粒度為10～12mm的菱鎂石和白云石顆粒放進(jìn)電阻爐中煅燒。煅燒后的試樣利用FW-100型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(北京市永光明醫(yī)療儀器廠)研磨1min，用于后續(xù)測(cè)量。

　　利用XQ-5型嵌樣機(jī)，將煅燒白云石和菱鎂石粉末分別在表盤讀數(shù)壓力為10，20，30和40MPa條件下壓制成直徑為20mm的圓柱形團(tuán)塊。由于壓力機(jī)直徑與模具直徑不同，因此樣品實(shí)際所受壓力分別為46.9，93.8，140.7和187.6MPa。通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量團(tuán)塊的高度，利用精確度為0.001的電子天平測(cè)量團(tuán)塊的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算團(tuán)塊的密度。

　　通過(guò)對(duì)煅燒菱鎂石和煅燒白云石的混合物進(jìn)行鋁熱還原實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究煅燒條件對(duì)還原過(guò)程的影響。將煅燒菱鎂石、煅燒白云石和鋁粉以分子比5∶1∶4混合，在117.25MPa下壓團(tuán)。首先測(cè)量團(tuán)塊的密度，然后將團(tuán)塊放入真空還原爐中，在1200℃，10Pa的壓力下還原120min。

　　利用BT-9300HT型粒度分析儀，采用無(wú)水乙醇作為分散劑測(cè)量粉末粒度。粉末的微觀形貌通過(guò)S-4800型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行研究。

3、結(jié)論

　　(1)在750～1050℃之間煅燒菱鎂石，得到的粉末壓成球團(tuán)的密度隨煅燒溫度的提高而提高；不同的煅燒時(shí)間對(duì)球團(tuán)的密度影響不大。在1000℃到1400℃煅燒白云石，得到了與菱鎂石相似的結(jié)果。

　　(2)煅燒溫度對(duì)球團(tuán)密度的影響主要是因?yàn)榘自剖�和菱鎂石在煅燒過(guò)程中形成假晶，隨著煅燒溫度提高，假晶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的破壞，顆粒體積也出現(xiàn)不同程度的收縮，導(dǎo)致每個(gè)顆粒的密度增加，進(jìn)而導(dǎo)致球團(tuán)的密度增加。

　　(3)分別在750℃和1100℃煅燒的菱鎂石和白云石，單位質(zhì)量原料產(chǎn)鎂最多，為0.3143，此時(shí)原料利用率最高；而在750℃和1200℃煅燒的菱鎂石和白云石，單位體積原料可以產(chǎn)出更多的鎂，達(dá)到0.6626g/cm3，此時(shí)可以獲得更高的生產(chǎn)效率。綜合考慮成本因素，認(rèn)為菱鎂石和白云石的最佳煅燒溫度分別為750℃和1100℃。