硅热法炼镁中还原剂FeSi75硅铁的氧化特性研究

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20.090 mg 试样进行热分析试验,试验中以 10 ℃/min 的升温速度,在 25~1200℃升温范围内和空气气氛 下,探究了硅铁的质量变化特性。 通过考察硅铁的 TG 曲线同时结合热力学分析来研究硅铁的氧化特性。
由于热分析实验所用试样较少, 不足以再进行 物相检测, 因此本文取适量硅铁粉末在电加热炉中进 行加热试验, 实验时选取与热分析试验相同的参数, 因此硅铁最终生成的产物与热分析实验的产物相 同。 用 D/max 1200 型 X 射线衍射仪分析了其物相 组成;用差热差重综合热分析仪(METTLER 1100LF 同步热分析仪)进行物相分析。
0 200 400 600 800 1000 1200 温度 /℃
图 2 FeSi75 硅铁的 TG 曲线 Fig.2 TG curve of FeSi75
由于硅铁中含有 Si、FeSi2, 在空气气氛加热过程 中可能发生的反应如下[14-15],相关数据可由文献[15]查出:
Si(s) + O2(g)=SiO2(g) (1)
ΔrGΘ=(-907446 + 174.01T) J·mol-1 2Si(s) + O2(g)=2SiO(g)
(2) ΔrGΘ=(-207614 - 165.84T) J·mol-1 3Si(s) + 2N2(g)=Si3N4(g)
(3) ΔrGΘ=(-745718 + 331.43T) J·mol-1 2Si(s) + N2(g) + 1/2O2(g)=Si2N2O(g)
1 实验材料与方法
1.1 试样准备 将 FeSi75 硅铁合金粉碎, 研磨至 220 目以下,
有关试样的制备可参阅文献[11-12]。 在进行实验以 前,用 X 射线荧光光谱仪(XRF-1800)分析了 FeSi75 硅铁的化学组成,见表 1。
表 1 FeSi75 硅铁化学组成(质量分数,% ) Tab.1 Chemical composition of FeSi75 (wt,% )
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2012 年 3 月
硅热法炼镁中还原剂 FeSi75 硅铁的氧化特性研究
郭云春 1, 游国强 1,2, 刘 勇 1
(1. 重庆大学 材料科学与工程学院, 重庆 400045; 2. 国家镁合金材料工程技术研究中心, 重庆 400044)
Key words:FeSi75; silicothermic process; oxidation; magnesium reduction process
1941 年 Pidgeon 发 明 硅 热 法 炼 镁 工 艺 [1],在 20 世纪 80 年末、90 年初,中国的硅热法炼镁企业有如 雨后春笋般建立起来, 如今已成为我国生产金属镁 的主要方法。 据镁业协会统计,2010 年我国共生产 原镁 65.38 万吨,占 世界 的 85%左 右[2],其 中 绝 大 部 分由硅热法生产。 采用硅热法制取金属镁工艺,将 煅烧的白云石、FeSi75 硅铁(还原剂)和萤石(添加剂) 磨成粉末,按一定比例(一般为 80 ∶ 17 ∶ 3)混合压制成 球团,装入耐热钢制成的还原罐在 1432~1473 K 温 度 和 1.33~13.33 Pa 真 空 度 的 条 件 下 得 镁 蒸 气 ,经 冷凝结晶成粗镁,再经过熔化精炼浇注成镁锭。 硅 热法炼镁的反应机理可用下式表示:2 (CaO·MgO)(s) + Si(s)=2Mg(g)+2CaO·SiO2(s),其中作为还原剂硅铁 的消耗量占总成本的 50%~60%[3]。
GUO Yunchun1, YOU Guoqiang1,2, LIU Yong1
(1. College of Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. National Engineering Research Center for Magnesium Alloy, Chongqing 400044, China)
硅热法炼镁采用 FeSi75 硅铁作为还原剂,其物 性将严重影响还原过程的进行。 根据硅热法的反应 机理 , 镁是由 FeSi75 硅铁 中的硅 还 原 氧 化 镁 制 得 的。 硅在空气中就会自然氧化,且空气的湿度、水蒸 汽中氧含量、 温度及硅的表面状态都会对氧化产生 影响[4-5]。 文献[6-10]研究了利用 FeSi75 硅铁合金作 为还原剂的炼镁工艺。 鉴于此,本文采用 X 荧光光 谱仪、X 射线衍射仪、金相显微观察及差热差重综合 热 分 析 仪(DSC-TG)等 方 法 并 结 合 热 力 学 计 算 分 析 了硅铁在不同温度下的氧化特性, 以期为改进硅热 法炼镁工艺提供指导。
Abstract:The oxidation characteristics of FeSi75 were researched by XRF, XRD , DSC-TG and thermo-dynamic analysis. The results indicate that: the main phases are Si, FeSi2, Fe0.42Si2.67 in ferrosilicon75. Si is oxidized to SiO2 when FeSi75 is heated under the temperature ranging from 298 K to 1473K in air, and the oxidation rate increases with the increase of temperature. There is no generation of nitride. The phase of FeSi2 remains constant.
质 量 分 数 (%)
CPS→
Si FeSi2 Fe0.42Si2.67 SiO2
FS1200
FS 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
2θ / (°) 图 1 FeSi75 硅铁的 XRD 图 Fig.1 XRD pattern of FeSi75
成,或其他生成物质的量太少,不能被检测出来。 3.2 分析与讨论
收 稿 日 期 :2011-08-26 基金项目:重庆 市 重 大 科 技 攻 关 项 目(CSTC009AA4002);重 庆 市 国 土
资源和房屋管理局科技计划项目“提高重庆市白云岩利用 率的炼镁关键技术研究”项目 作者简介:郭云春(1986- ),男,重庆人,硕士研究生,主要研究方向为轻 金属冶炼; E-mail:gyhuiboy@sina.com 通讯作者:游国强(1978- ),男,四川宜宾人,讲师,博士,主要研究方向为 新型镁冶炼技术、镁合金及其加工技术; E-mail:you_cqu@yahoo.com.cn
关键词:FeSi75 硅铁; 硅热法; 氧化; 炼镁
源自文库
中 图 分 类 号 :TF803.13+2
文 献 标 识 码 :A
文 章 编 号 :1001-3814(2012)06-0018-03
Research on Oxidation Characteristics of FeSi75 in Siliconthermic Process
图 2 为 FeSi75 硅铁的 TG 曲线。可看出,在低温 阶段(800 ℃以下),硅铁的氧化 增重率较为 缓慢,达 到 800 ℃时试样增重率为 1.00452%;随着温度的继 续升高,氧化增重率加快,达 到 1200 ℃时试样 增重 率为 4.71394%。
105 104 103 102 101 100
《热加工工艺》 2012 年第 41 卷第 06 期
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材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2012 年 3 月
!9/5FeSi2(s) + 2N2(g)=Si3N4(s)+3/5Fe3Si(g) (8)
ΔrGθ=(-693552 + 226.36T) J·mol-1 除反应(2)外 ,其 余 反 应 都 是 质 量 增 加 的 反 应 。 为了便于比较硅铁在空气中加热过程中化学反应发 生 的 先 后 顺 序 , 将 反 应 式 (1)~(8) 的 吉 布 斯 自 由 能 与 温度的关系绘于图 3。 从图中看出,除反应式(5)外, 其余反应在标准状态和 2000 K 以下都可进行。 反应 式(1)、(7)的自由能较低,但只有先发生反应式(4),反 应 式 (7) 才 有 可 能 发 生 , 因 此 硅 的 氧 化 反 应 反 应 式 (1) 将优先进行。 有 TG 曲线可以看出,在低温(800℃以 下)阶段,试样的增重较为缓慢,这可能是发生了反 应(1)。高温(800 ℃以上)阶段,试样增重率明显增大, 有硅铁原料和加热后硅铁的 XRD 图谱(图 1)可知, 加热后的硅铁形成的新相主要是 SiO2;同时没有检 测到其他新的物相, 即 Si3N4、Fe3Si、Si2N2O 等物相, 可能是由于没有发生相关的反应, 也可能是生成量 较少(可忽略不计),不能被检测出来,因此在高温阶 段试样的增重还是来自硅的氧化。根据前面的分析, 硅铁磨成粉末后 Si 相是单独存在的,在 800 ℃下二 氧 化 硅 的 热 氧 化 动 力 学 不 同 于 1200 ℃下 的 情 况 , 800 ℃下, 在界面处硅与氧反应生成 SiO2 和非化学 计 量 比 的 氧 化 硅(SiOx)[16],随 着 温 度 的 升 高 ,参 加 化 学反应物质的能量越高, 硅与氧的反应速率加快, (SiOx)再氧化使得 SiO2 薄膜的氧化生长速率不断增 加, 氧化增重速率也不断提高。 根据硅铁的 TG 曲 线 ,800℃ 为 特 征 点 , 与 上 述 相 符 合 , 可 推 测 出 FeSi75 硅铁中 Si 的氧化可能与纯 Si 在干氧化条件 下氧化的情况类似,关于 FeSi75 硅铁在空气中的氧 化可参考硅的氧化,对 FeSi2 相可忽略。
(4) ΔrGΘ=(-850571 + 230.57T) J·mol-1 3SiO(s) + 2N2(g)=Si3N4(g) + 3/2O2(g)
(5) ΔrGΘ=(-434297 + 580.185T) J·mol-1 SiO(s) + 1/2O2(g)=SiO2(g)
(6) ΔrGΘ=(-803639 + 256.93T) J·mol-1 Si2N2O(s) + 3/2O2(g)=2SiO2(s)+N2(g) (7) ΔrGΘ=(-903120 + 119.45T) J·mol-1
3 结果与讨论
3.1 试样分析 硅铁合金块经破碎、磨粉后主要有两部分组成:
一是灰色粉料,二是亮白色粉料,灰色粉料为纯金属 硅, 亮白色粉料为 FeSi2 相, 且经研磨后金属硅与 FeSi2 相是完全分离的[13]。
图 1 为 FeSi75 硅铁原 料(FS)和加热 后(加 热 温 度为 1200 ℃)FeSi75 硅铁粉末(FS1200)的 XRD 图。 可看出,FeSi75 硅铁原料中的物相主要为 Si、FeSi2、 Fe0.42Si2.67,与 Fe-Si 二元系平衡相图是一致的。 加热后 FeSi75 硅铁的 XRD 图(FS1200)出 现 了 SiO2 的 衍 射 峰(在 21.64°),说明形成新的物相主要是晶态 SiO2,没 有出现其他物相的衍射峰, 说明没有其他物质的生
2 FeSi75 硅铁氧化对还原过程的影响
硅在空气中自发形成薄氧化膜, 厚度一般不超 过 1、2 nm[5],氧化量较少,对炼镁的还原过程影响不 大。 若 FeSi75 硅铁发生氧化生成较大量的 SiO2 或 其他物质,一方面降低了还原剂硅的有效利用率;另 一方面 SiO2 薄膜会阻碍硅原子的扩散速度。 炉料中 SiO2、Fe2O3 在 还 原 过 程 中 会 与 MgO 和 CaO 造 渣 , 降低了 MgO 和 CaO 的有效利用率[1],所生成的炉渣 为 2MgO·SiO2、CaO·Fe2O3、2CaO·Fe2O3 等低熔点化 合物, 生成的这些低熔点化合物的炉渣会附在球团 的表面,妨碍硅和镁蒸气的扩散,减慢热量的传递, 造成未反应的残渣核,使镁的还原效率大大降低。因 此,FeSi75 硅铁若发 生氧化生成 SiO2 或 其 他 物 质 , 对还原过程及镁的产出率极为不利。
Si
Fe
Al
Mn
P
S
77.1523 17.0280 0.7605 0.1106 0.0644 0.0766
18
Hot Working Technology 2012, Vol.41 , No.06
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
1.2 实验方法 为了探明硅铁在不同温度下的氧化特性,取
摘 要:利 用 XRF、XRD 及 DSC-DT 等 实 验 手 段 并 结 合 热 力 学 分 析 ,针 对 硅 热 法 炼 镁 所 使 用 的 还 原 剂— ——FeSi75
硅铁合金的氧化特性进行了研究。 研究结果表明:FeSi75 硅铁的主要物相为 Si、FeSi2、Fe0.42Si2.67;在 298~1473K 温度内 和空气气氛中对 FeSi75 硅铁进行加热,主要是 Si 发生氧化生成 SiO2,且随温度升高氧化速率增大;FeSi75 硅铁不发生 氮化反应,没有氮化物的生成;硅铁中的 FeSi2 相不会发生变化。
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