真空热还原制备Mg和Sr的研究

论文摘要

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料,它具有比强度、比刚度高,阻尼性、切削加工性及导热性好,电磁屏蔽能力强及易回收等优点,被广泛应用于航空航天、军用品、交通工具、机械电子工业等领域,特别是在车辆产业和3C产品中发展尤为迅速。传统的制备Mg-Sr合金方法有对掺法和“熔-浸”还原法。对掺法工艺成熟,但金属极易燃烧,且Sr非常活泼,高温下的蒸气压大,在对掺过程中容易因大量氧化和蒸发而损失,因此技术经济性较差;“熔-浸”还原法工艺简单,成本低,但锶的提取率较低,锶合金中的锶含量很低,不适于制取高锶含量的合金。同时,电解法作为一种先进的工艺方法已受到越来越多的关注。本文在皮江法炼镁和真空铝热炼锶的基础上提出了一种全新的制备Mg-Sr合金的设想——真空热还原制备Mg-Sr合金。但后两种工艺尚不成熟,还有待进一步研究。通过热力学分析,得到了Si热还原MgO、SrO各反应方程式反应吉布斯自由能与温度、压强之间的关系,从而得到在特定条件下的临界反应温度。热力学研究结果表明,真空中还原金属,可以大大降低反应温度,提高反应效率,同时还原出来的金属也不易被氧化。研究了金属蒸气冷凝的一般规律,计算了Mg、Sr在不同温度下的饱和蒸气压,确定了Mg、Sr蒸气的冷凝条件:为了使金属冷凝下来,必须使结晶器内的金属蒸气分压P实际大于该金属在冷凝器温度下的饱和蒸气压P饱和,即P实际> P饱和。通过实验研究对理论分析加以验证。对不同原料配比的试样,在一定的温度和压强下,进行真空热还原实验。通过X射线衍射仪（XRD）、原子吸收光谱仪（AAS）等对实验结果进行了分析,并计算了Mg和Sr的还原率。研究主要结论如下:①在压强小于1000Pa,温度高于1077℃时,MgO能被Si和CaO还原;②在压强小于1000Pa,温度高于927℃时,SrO能被Si还原;③在压强小于1000Pa,温度高于1077℃时,MgO、SrO能被Si和CaO还原;④减小炉内压强、提高反应温度益于MgO、SrO的还原;⑤通过控制原料中MgO、SrO的含量可以控制产物中Mg、Sr的含量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁和锶的性质
• 1.3 镁合金的国内外研究现状
• 1.3.1 高强度镁合金
• 1.3.2 耐热镁合金
• 1.3.3 其他镁合金
• 1.4 镁合金的应用
• 1.4.1 应用于车辆
• 1.4.2 应用于3C 产品
• 1.5 锶系合金
• 1.5.1 Al-Sr 合金
• 1.5.2 Sr-Si 合金
• 1.5.3 其他锶系合金
• 1.6 镁锶合金的国内外研究现状
• 1.7 本论文的研究内容、目的及意义
• 1.8 本章小结
• 2 MG-SR 合金的制备方法
• 2.1 对掺法
• 2.2 “熔-浸”还原法
• 2.3 电解法
• 2.4 真空热还原法
• 2.5 本章小结
• 3 真空热还原制备MG 和SR 的热力学研究
• 3.1 MGO、SRO 还原的热效应
• 3.2 MGO、SRO 还原的条件
• 3.3 还原产物的形态特征
• 3.4 氧化物还原的热力学原理
• 3.5 MGO、SRO 同步还原的热力学分析
• 3.6 真空状态降低还原反应自由能和还原反应临界温度
• 3.6.1 金属氧化物在真空下还原的一般规律
• 3.6.2 MgO、SrO 在真空下还原
• 3.7 本章小结
• 4 MG 和SR 蒸气的冷凝与结晶
• 4.1 金属蒸气的冷凝
• 4.1.1 核生长型
• 4.1.2 层生长型
• 4.1.3 层核生长型
• 4.2 金属MG、SR 蒸气的冷凝
• 4.3 本章小结
• 5 还原反应的实验研究及结果分析
• 5.1 实验原料
• 5.2 实验配料
• 5.3 碾磨并混合
• 5.4 压团
• 5.5 真空热还原试验装置
• 5.6 实验研究及结果分析
• 5.6.1 实验一：硅热炼锶实验
• 5.6.2 实验二：Mg-Sr8 真空热还原
• 5.6.3 实验三：Mg-Sr30 真空热还原
• 5.6.4 实验四：Mg-Sr61 真空热还原
• 5.7 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录