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《重庆大学》 2011年
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真空硅热还原制备Mg-Li和Mg-Sr合金

苏中华  
【摘要】:本文在分析真空硅热还原MgO、Li2O和SrO的基础上,提出了一种制备镁锂和镁锶合金的新方法,根据新方法设计相应的实验设备进行实验验证,通过理论分析和实验验证形成了一套真空硅热还原直接制备镁锂和镁锶合金的新技术,并申请了《一种真空同步热还原制备Mg-Li合金的方法》、《真空热还原装置》、《吹气精炼装置》等专利。该方法还可用于其他合金直接制备技术中。 热力学分析硅热还原MgO、Li2O、SrO的可行性。其结果是:在标准大气压下硅不能将MgO、Li2O、SrO中的Mg、Li、Sr还原出来;在真空和CaO作造渣剂的条件下硅可将MgO、Li2O、SrO中的Mg、Li、Sr还原出来。根据吉布斯自由能变化与温度、蒸汽压之间的函数关系确定临界反应条件下其平衡蒸汽压对数与温度的关系分别是:(镁平衡蒸汽压对数)lgPMg=6.3-4513.1/T,(锂平衡蒸汽压对数)lgPLi=16.31-18646.9/T,(锶平衡蒸汽压对数)lgPSr=10.53-11786.4/T。 热力学分析得知真空硅热同步还原MgO、Li2O的条件是:当T1412K时,锂的平衡蒸汽压镁的平衡蒸汽压系统压强;当T1412K时,镁的平衡蒸汽压锂的平衡蒸汽压系统压强;当T=1412K时,镁的平衡蒸汽压=锂的平衡蒸汽压=1259Pa系统压强。热力学分析得知真空硅热同步还原MgO、SrO的条件是:当T1719K时,锶的平衡蒸汽压镁的平衡蒸汽压系统压强;当T1719K时,镁的平衡蒸汽压锶的平衡蒸汽压系统压强;当T=1719K时,镁的平衡蒸汽压=锶的平衡蒸汽压=4715Pa系统压强。 根据镁锂锶饱和蒸汽压对数与温度的关系式绘制镁锂锶的三相平衡图,其三相平衡点分别是(923K-358Pa)、(454K-1.8×10-8Pa)和(1042K-122Pa);根据平衡蒸汽压大于饱和蒸汽压条件确定真空同步液化冷凝温度,在还原温度为1500K的条件下,镁锂和镁锶真空同步液化冷凝温度都是T1023K,镁锂和镁锶真空同步固化冷凝温度分别是T453K和T924K。 真空硅热同步还原制备镁锂和镁锶合金过程中发生的反应都属于真固/固相反应,通过动力学分析得知还原速度控制环节是反应物料的扩散传质速度。 根据实验目的和实验要求创新设计出了一套可做真空熔炼实验、废镁回收实验和真空热还原实验的三用设备,该设备的加热温度可达1800℃、真空度可达10-2Pa、还原产物重量可达公斤级。设备中配有一套金属蒸汽的固化冷凝罩,其冷凝回收率可达96.9%。在固化冷凝罩的基础上提出了一种液化冷凝罩,通过液化冷凝罩导流槽将液化收集的金属产物导出进行吹气精炼。 实验研究真空硅热还原制备镁锂合金的可行性。将配好的原料搅拌混合后放入石墨坩埚中压实,在真空度为10pa,温度为1500K的条件下还原2小时,实验结果是:收得残渣重量为4474.2g,原子吸收测得其镁含量(wt%)为5.36%,锂含量(wt%)为0.27%,XRD测得其主要成分是硅酸钙(CaSiO4),此外还含有一定量的Ca4Si2O7F2;收得产物重量为721.7g,原子吸收测得其镁含量(wt%)为83.94%,锂含量(wt%)为4.49%,XRD测得其主要相是Li0.92Mg4.05和Li3Mg17;通过SEM和EDS研究镁锂产物的生长方式,分析发现镁锂产物以毛羽状生长,初始冷凝端毛羽小且氧化少,最后冷凝端毛羽较大且氧化较多;根据原料、产物和残渣中金属镁和金属锂的质量计算还原率和收集率,金属镁的还原率是75.99%,收集率是83.51%,金属锂的还原率是76.69%,收集率是84.16%。实验结果表明真空硅热还原制备镁锂合金是可行的。 实验研究真空硅热还原制备镁锶合金的可行性。将配好的原料搅拌混合后分别放入石墨坩埚中压实,在真空度为10pa,温度为1500K的条件下还原2小时,实验结果是:收得残渣重量为4012.0g,原子吸收测得其镁含量(wt%)为5.87%,锂含量(wt%)为0.32%,XRD测得其主要成分是Ca2SiO4,此外还含有少量的Ca14Mg2(SiO4)8和Ca13.5Ba0.3Mg1.8;收得产物重量为692.7g,原子吸收测得其镁含量(wt%)为84.87%,锂含量(wt%)为4.27%,XRD测得其主要相是Mg17Sr2和Mg5.2Sr;通过SEM和EDS研究镁锶产物的生长方式,分析发现镁锶产物以毛羽状生长,初始冷凝端毛羽小且氧化少,最后冷凝端毛羽较大且氧化较多;根据原料、产物和残渣中金属镁和金属锂的质量计算还原率和收集率,金属镁的还原率是75.03%,收集率是82.09%;金属锶的还原率是72.80%,收集率是81.32%。实验结果表明真空硅热还原制备镁锶合金是可行的。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TF822

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【参考文献】
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