电场—温度场耦合还原金属镁研究

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镁作为现代工程应用中最轻质的金属材料,近年来它的应用范围及规模正逐年递增,这导致原镁的需求量也日益增长。中国作为产镁大国,制镁工艺以传统皮江法为主。该方法需要长时间维持极高的温度来保障其还原的效果,这会造成严重的能源浪费以及环境污染,同时高温条件也使得还原罐遭受严重损耗,提高了冶炼镁的成本。为了解决上述问题,亟待开发一种新型低温制备金属镁的方法。近年来,电流辅助技术在金属成型、陶瓷烧结等方面取得了长足的发展,该技术与传统的单一加热手段相比,其显著的优点在于能够大幅度地降低炉温。鉴于电流辅助技术的优势,本文拟将电流辅助技术应用到金属镁冶炼领域,采用电场-温度场耦合来冶炼金属镁,以帮助解决高能耗、高污染等问题。主要研究工作及结果如下:以硅铁为还原剂,在电场和温度场的耦合加热作用下,对煅烧后的白云石进行低温真空还原从而获得金属镁,并研究了反应时间、起始直流场强(对应设备温度)、电流密度这三个独立变量对氧化镁还原效果的影响。结果表明,随着反应时间的延长、起始直流场强的减小和电流密度的增大,氧化镁的还原率显著提高,同时,为了降低反应装置的温度,需要增大起始直流电场的强度。当施加950 V/cm的起始直流场强时,在炉温为700°C、电流密度为1.18 A/cm2的条件下,经过150 min的反应,氧化镁的还原率可达到88.35%。X射线衍射(XRD)和电子探针显微分析(EPMA)的结果表明该方法获得的金属镁的纯度为98.54 wt%。最后通过焦耳热效应解释了该电场-温度场耦合制备金属镁的还原机理。用廉价的兰炭代替硅铁还原剂,在电场和温度场的耦合加热作用下,对煅烧后的白云石进行低温真空还原从而获得金属镁。结果表明,随着反应时间的延长、起始直流场强的减小(对应设备温度的升高)和电流密度的增大,氧化镁的还原率显著提高,并在900°C的炉温、510 V/cm的外加起始直流电场、10.61 A/cm2的电流密度、80 min的反应时间下,氧化镁的还原率高达95.61%。同时据XRD和EPMA的结果可知,该方法可以获得纯度为89.37 wt%的粉末状金属镁。此外,利用焦耳加热效应解释了该方法的作用机理。以硅热法还原为代表,在电场和温度场耦合加热作用下,进一步研究了样品两端所用电极的种类对该方法还原金属镁的影响。结果表明,使用硅铁、石墨和碳化硅电极均可以在最佳工艺条件下还原出金属镁,且还原效果无较大差异。这三种电极均参与了反应,且反应前后存在不同程度的质量变化,但均表现出正极减重和负极增重的情况,这可能是存在微弱的化学反应所导致的。
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