白云石中杂质对硅热法炼镁影响机理及调控方法的研究

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我国是世界金属镁生产大国,产量占全球的80%以上,主要用硅热法生产。在目前技术条件下炼镁用白云石的杂质含量要求为:Fe2O3+Al2O3<0.5%,SiO2<0.5%,Na2O+K2O<0.01%,Mn<0.0005%,若杂质含量大于以上数值,将会影响出镁率,而我国南方的白云石中普遍存在Si、K、Na杂质含量偏高。  本文基于重庆万盛镁厂炼镁时,白云石矿中K、Na杂质对炼镁造成严重影响的现状,采用X射线荧光分析(XRF)、同步热分析(DSC-TG)、X射线衍射法(XRD)、矿物显微组织分析、扫描电镜(SEM)技术对白云石中K、Na杂质物相进行表征,接着对K、Na的硅热还原及燃烧热力学深入分析,最后提出调控方案并进行实验验证,从而获得以下重要结果:  ①矿石分析表明:万盛白云石矿中95%以上为C、O、Ca、Mg,其它微量元素为Si、Al、K、Fe、Na等;确定存在的物相为白云石、石英、钾长石,可能存在的有方解石、镁黄长石、水碳钾钙石以及钙铝黄长石,应该还存在褐铁矿、泥质和其他微量伴生矿。其中,杂质元素K主要以钾长石(KAlSi3O8)形式存在,而Na应该以硅铝酸盐形式存在。  ②根据吉布斯自由能原理,对含K、Na化合物在炼镁过程中被还原的可能性和还原出的气态K、Na的冷凝行为进行分析,并对K、Na燃烧的危害方式进行了探讨。结果表明:K、Na以硅酸盐或碳酸盐形式进入还原工序后被Si还原;由于K、Na冷凝温度比Mg低,冷凝区更靠近罐口,冷凝后形成液态;开罐时K、Na燃烧释放大量热量,引发结晶Mg的燃烧,导致金属镁损失并恶化车间劳动环境。  ③热力学分析表明:相对惰性的金属氧化物或氯化物,硅热还原的K、Na蒸气在钾钠捕集器所处温度下可通过置换反应而被惰化,从而消除K、Na开罐燃烧的危害。具有技术上可用于惰化K、Na的氧化物有Cu2O、NiO、Fe3O4和Fe2O3等,氯化物有FeCl3、NiCl2、CrCl3、MnCl2、CaCl2等。  ④K、Na反应惰化实验验证结果表明:氧化物法和氯化物法均可有效惰化K、Na,消除其开罐引发燃烧的问题。其中,在200℃以上K与Fe2O3和Fe3O4反应得到黑色固体,主要成分为KFeO2和Fe;在250℃以上Na与Fe2O3和Fe3O4反应也得到黑色固体,主要成分为NaFeO2和Fe,K的活性高于Na导致反应温度比Na低;含水氯化物受热释放出的H2O会与K、Na发生反应,但炼镁时不允许有H2O的存在;在250℃时采用无水MnCl2、CaCl2可与K、Na反应并将K、Na惰化成为KCl、NaCl,无其它可燃物生成。
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