从锰矿制取锰铝中间合金的工艺研究

论文摘要

锰资源是战略性稀缺资源，我国是亚洲最大的锰矿与锰产品生产基地。西部地区是世界著名的“锰都”。但是我国锰资源的开发和利用，特别是单位产品能耗和环境指标与国际先进水平有较大的差距，高附加值产品和新材料尚不能满足国民经济发展要求。为满足这些需求，开展高附加值锰系合金制备及节能新工艺，对我国锰资源产业发展具有重要意义。论文先用分析纯的三氧化二锰和四氧化三锰（由二氧化锰分别在600℃和900℃加热制取）为原料，金属铝粉为还原剂，氧化钙和氟化钙为添加剂，采用自蔓延高温合成法制取锰铝中间合金。通过正交试验，研究了铝粉加入量、铝粉粒度、添加剂加入量和氟化钙加入量对锰含量和收得率的影响，确定了最佳的制备工艺；然后采用焙烧浸取工艺对软锰矿进行除杂，通过单因素试验研究了酸浓度、浸取时间、浸取温度、矿浆比对锰浸取率的影响，得到了最佳的工艺条件；第三，对浸取液加入氨水，制取四氧化三锰，并通过自蔓延高温合成法制取锰铝中间合金；第四，对制取得到的锰铝中间合金进行了应用研究，熔炼制成AZ91合金，与国家相关标准进行综合比较，评价中间合金的应用性能。论文获得了以下主要结果：①通过对Mn2O3-Mn3O4-Al反应体系进行的热力学计算，包括反应体系绝热温度和吉布斯自由能的计算，该反应体系的绝热温度为3160K，确定了该反应体系进行自蔓延反应的可能性。②通过单因素试验确定了Mn2O3和Mn3O4的配比为3︰2，氟化钙加入量为添加剂的60%时，锰含量（82.75%）和收得率（76.04%）均为最好；通过正交试验得到的自蔓延合成法制取锰铝中间合金的最佳的工艺条件为：铝粉粒度109-150μm，铝粉过量30%，添加剂为铝粉加入量30%，氟化钙为添加剂加入量的60%。③通过对锰矿进行的化学浸取试验，得到最佳的浸取条件为：酸浓度0.8mol/L，矿浆比1︰25，浸取温度在6070℃时，浸取时间1.5h。④在浸取得到的硫酸锰溶液中加入氨水，生成沉淀，对得到的沉淀进行过滤、烘干，得到了纯净的四氧化三锰，并以此为原料制取得到了含锰量79.22%的锰铝中间合金。⑤利用自制锰铝中间合金的熔炼制取AZ91合金，其成分达到了国家的标准，显微组织没有明显的异常，力学性能略低于国家的标准，未能达到标准的要求。可能是熔炼没有气氛保护导致杂质过多，若采用气氛保护熔炼，拉伸试样平行部分直径较大时，效果可能会更好。本文采用自蔓延铝热还原法制备锰铝中间合金的技术工艺简单、成本低廉；设备投资小，工艺流程短；反应本身放出的热量能够维持反应的进行，不需要外加热源，具有良好的社会效益和经济价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锰资源概述
• 1.3 锰、铝和镁的性质
• 1.3.1 锰的基本知识
• 1.3.2 铝及铝合金
• 1.3.3 镁及镁合金
• 1.4 锰铝中间合金的制备方法
• 1.4.1 对掺法
• 1.4.2 热还原法
• 1.4.3 熔盐电解法
• 1.5 自蔓延高温合成的研究现状
• 1.5.1 自蔓延高温合成法发展概况
• 1.5.2 SHS 的应用
• 1.6 课题研究的意义、目的及内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究目的
• 1.6.3 研究内容
• 2 试验材料及方法
• 2.1 试验材料及试剂
• 2.2 试验设备及仪器
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 锰矿的还原焙烧-化学浸取
• 2.3.2 四氧化三锰的制取
• 2.3.3 以分析纯为原料制取锰铝中间合金
• 2.3.4 以锰矿为原料制取锰铝中间合金
• 2.3.5 锰铝中间合金的应用
• 2.3.6 锰含量以及铝含量的测定
• 2.3.7 物相分析
• 2.3.8 形貌及能谱分析
• 2.3.9 合金的化学成分分析
• 2.3.10 合金的显微组织观察
• 2.3.11 合金的力学性能测试
• 2.4 试验方案及技术路线
• 2.4.1 试验方案
• 2.4.2 技术路线
• 3 自蔓延高温合成锰铝中间合金的热力学分析
• 3.1 关于自蔓延高温合成的热力学计算
• 3.2 自蔓延反应绝热温度的计算
• 2Mn₃热力学数据的估算'>3.2.1 Al₂Mn₃热力学数据的估算
• 2O₃-Mn₃O₄-Al 反应体系绝热温度的计算'>3.2.2 Mn₂O₃-Mn₃O₄-Al 反应体系绝热温度的计算
• 3.3 反应体系的自由能的计算
• 3.3.1 自由能计算的理论基础
• 3.3.2 反应自由能的计算
• 3.4 本章小结
• 4 分析纯氧化锰制备锰铝中间合金的工艺研究
• 4.1 试验方案
• 4.2 试验内容及方法
• 4.3 锰铝中间合金的制备工艺
• 4.3.1 不同配比氧化锰制取锰铝中间合金的试验
• 4.3.2 试验结果分析及讨论
• 4.4 自蔓延反应制取锰铝中间合金的正交试验
• 4.4.1 试验内容及方法
• 4.4.2 中间合金的正交试验结果
• 4.4.3 工艺参数对锰含量以及锰收得率的影响
• 4.4.4 重复试验
• 4.4.5 中间合金的外观及显微组织观察
• 4.4.6 不同铝粉添加量对锰铝中间合金锰含量的影响
• 4.5 锰铝中间合金的应用
• 4.5.1 合金成分的设计以及熔炼
• 4.5.2 试验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 5 以软锰矿为原料制取锰铝中间合金的工艺研究
• 5.1 锰矿成分、结构以及形貌分析
• 5.1.1 取样和制样
• 5.1.2 锰矿物相结构以及锰含量
• 5.1.3 矿石的化学成分分析
• 5.1.4 锰矿的形貌特征
• 5.2 以软锰矿为原料制取中间合金
• 5.3 软锰矿的还原焙烧和化学浸取
• 5.3.1 软锰矿的还原焙烧浸取工艺概述
• 5.3.2 还原焙烧
• 5.3.3 化学浸取
• 5.3.4 浸取液的除杂
• 3O₄的制取'>5.5 Mn₃O₄的制取
• 5.6 以制取的四氧化三锰为原料制取锰铝中间合金
• 5.7 中间合金的应用
• 5.7.1 合金成分的设计以及熔炼
• 5.7.2 试验结果与分析
• 5.8 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• B 作者攻读硕士学位期间申请专利
• C 参研项目