鎂渣物理化學(xué)性質(zhì)的研究

徐祥斌， 曹慧君,2

(1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株洲 412000；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

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鎂渣物理化學(xué)性質(zhì)的研究

徐祥斌1， 曹慧君1,2

(1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株洲 412000；2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

硅熱法煉鎂是我國目前工業(yè)化生產(chǎn)鎂唯一的方法，近年來我國鎂生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生的鎂渣越來越多。本文對鎂渣的松裝密度、真密度、粒度分布及其化學(xué)組成進(jìn)行測試，得到鎂渣相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步研究提供參考。

硅熱法； 鎂渣； 松裝密度； 真密度； 粒度分布； 化學(xué)組成

1 試驗(yàn)的目的與意義

上世紀(jì)90年代中后期開始，我國鎂冶煉產(chǎn)業(yè)

迅速發(fā)展，連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一大鎂生產(chǎn)國和出口國[1]，表1列出了我國近年來原鎂的產(chǎn)量數(shù)據(jù)[2-4]。

表1我國近年來原鎂的產(chǎn)量

單位2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年原鎂產(chǎn)量萬t52.467.055.8050.1865.3866.0673.2776.9787.38同比增長%11.627.9-15.36-10.230.291.043.473.6512.71

目前我國原鎂生產(chǎn)全都采用硅熱法，這種方法每生產(chǎn)1 t原鎂，約產(chǎn)生5.5 t鎂冶煉渣[5](以下簡稱鎂渣)。鎂作為一種小金屬，加之其生產(chǎn)能耗高、污染大，且近幾十年來硅熱法煉鎂幾乎都是國內(nèi)的企業(yè)，所以對鎂冶煉及鎂渣的研究基本都集中在國內(nèi)。

雖然國內(nèi)對于鎂渣有較多的研究，但多集中在鎂渣的應(yīng)用方面[6]，如用鎂渣作為路用材料[7]等，目前還未見對鎂渣物理化學(xué)性質(zhì)系統(tǒng)研究的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，有關(guān)鎂渣物理化學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)也極少。由于缺乏這些數(shù)據(jù)，很多與鎂渣相關(guān)的工程設(shè)計(jì)或生產(chǎn)，都是估計(jì)數(shù)值，但估計(jì)數(shù)據(jù)常常不準(zhǔn)確。

另外，傳統(tǒng)的對鎂渣的應(yīng)用研究中，都是將鎂渣不加區(qū)分整體直接利用。然而不同粒度的鎂渣無論其物理性質(zhì)還是化學(xué)組成是有區(qū)別的。

筆者擬通過一系列的試驗(yàn)，獲得鎂渣相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，為更有效地綜合利用鎂渣提供參考。

2 試驗(yàn)

2.1 樣品來源

本試驗(yàn)所采用的鎂渣取自山西某大型鎂冶煉企業(yè)，其采用典型的硅熱法煉鎂生產(chǎn)工藝。鎂渣自還原罐出口被人工扒出后，自然冷卻至約200 ℃，稱取相應(yīng)部位的鎂渣裝入金屬容器中，隨即密封，然后將多個(gè)取樣罐整體再次密封。在取樣及樣品運(yùn)輸過程中，除樣品冷卻時(shí)與空氣接觸外，其余時(shí)間樣品均密封良好。

該鎂渣為一種灰色物質(zhì)，具有類似水泥的顏色，無氣味，粒度在0～10 mm之間，略粘手。

2.2 鎂渣松裝密度的測定

松裝密度是一個(gè)比較重要而又顯性的物理性質(zhì)，該參數(shù)非常重要，直接關(guān)系到鎂渣堆場及儲倉的設(shè)計(jì)，該數(shù)據(jù)在國內(nèi)外的文獻(xiàn)中未見報(bào)道過。

對于所采用的鎂渣取樣及密封方式，可以認(rèn)為在樣品運(yùn)輸、儲存中基本不存在吸濕的條件，故試驗(yàn)前未進(jìn)行干燥處理。

儀器設(shè)備：100 mL、200 mL、500 mL、1 000 mL玻璃燒杯各1個(gè)，電子天平(最大稱量2 kg，精度0.1 g)1個(gè)，取樣勺1個(gè)。

試驗(yàn)步驟：

(1)先用電子天平分別準(zhǔn)確稱出4個(gè)玻璃燒杯各自的重量；

(2)用取樣勺將鎂渣分別裝入4個(gè)燒杯，并將鎂渣抹平直至與各自燒杯的最大刻度線平齊，抹平過程中不壓實(shí)、不震蕩；

(3)稱取承裝鎂渣燒杯的重量，計(jì)算得到鎂渣的松裝密度。

鎂渣松裝密度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到鎂渣松裝密度平均值為1.15 g/cm3。對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用t分布函數(shù)，顯著性水平α=0.05，得到鎂渣的密度區(qū)間估計(jì)值為1.15±0.05 g/cm3。

表2鎂渣松裝密度試驗(yàn)結(jié)果

燒杯容量/mL燒杯凈重/g燒杯+鎂渣重量/g鎂渣松裝密度/g·cm-310032.3143.31.1120051.7277.71.1350087.5677.51.181000153.61323.61.17

2.3 鎂渣真密度的測定

在已知體積的容器內(nèi)加入試樣，密閉容器后通入一定量的氮?dú)猓脡毫鞲衅鳒y出容器內(nèi)壓力，然后將容器內(nèi)的氣體向另一已知壓力和體積的容器擴(kuò)散，用壓力傳感器測出兩個(gè)連接容器的平衡壓力，根據(jù)氣體定律得出試樣的真實(shí)體積，然后用試樣質(zhì)量除以體積計(jì)算出真密度[8]。

試劑：高純氮?dú)?，純?9.99%。

儀器設(shè)備：真密度儀，天平(精度0.1 mg)，制樣機(jī)，振篩機(jī)，230目篩(篩網(wǎng)孔徑63 μm)，干燥箱。真密度儀結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 真密度儀結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)步驟：

(1)用制樣機(jī)將鎂渣磨細(xì)至過230目篩；

(2)為避免制樣過程中鎂渣吸濕，將磨制完成的鎂渣放入干燥箱中，在110 ℃下干燥2 h；

(3)稱取約10 g的試樣，并記錄樣品重量；

(4)將樣品放入真密度測定儀，直接讀取數(shù)據(jù)；

(5)重復(fù)5次試驗(yàn)，取平均值。

鎂渣真密度測定結(jié)果如表3所示。

表3 鎂渣真密度測定結(jié)果 g/cm3

由試驗(yàn)得到，鎂渣密度的平均值為2.89 g/cm3，同樣使用t分布函數(shù)進(jìn)行分析，顯著性水平α=0.05，可得到鎂渣的密度區(qū)間估計(jì)值為2.89±0.03 g/cm3。

2.4 鎂渣粒度的分布

鎂冶煉生產(chǎn)過程中使用的是壓制成的球團(tuán)，反應(yīng)為固-固反應(yīng)，是一個(gè)縮核反應(yīng)[9]，還原反應(yīng)結(jié)束后，鎂渣中都存在一個(gè)未反應(yīng)完全的核，形態(tài)大小不一。理論上鎂渣的化學(xué)成分與其粒度有一定的關(guān)系，故對鎂渣的粒度組成進(jìn)行測定，并分析不同粒度下鎂渣的成分。

儀器設(shè)備：樣品鏟，篩網(wǎng)一套(6目、18目、60目、100目、200目、325目)，振篩機(jī)，天平(精度0.01 g，最大稱重200 g)。

試驗(yàn)步驟：

(1)將樣品混勻后，準(zhǔn)確稱取200 g鎂渣，加入振篩機(jī)中；

(2)打開振篩機(jī)，震動(dòng)15 min；

(3)測定各個(gè)篩網(wǎng)上的重量；

(4)重復(fù)試驗(yàn)取平均值，各個(gè)樣品留存放入干燥器中下一步試驗(yàn)使用。

鎂渣粒度分布試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出，鎂渣粒度主要分布在+100目的范圍內(nèi)，其粒度組成略小于硅熱法煉鎂所要求[8]的原料粒度組成。

表4鎂渣粒度分布情況

單位+6目-6～+18目-18～+60目-60～+100目-100～+200目-200～+325目-325目第1次試驗(yàn)g43.6627.9567.4251.464.130.482.01第2次試驗(yàn)g30.123.5557.3165.913.72.217.07平均值g36.8825.7562.3758.688.921.3454.54占百分比%18.446.4415.6014.674.460.672.27

2.5 鎂渣不同粒度下化學(xué)成分的測定

對不同粒度下鎂渣的化學(xué)組成進(jìn)行測定，可以得到采用篩分法初步分離鎂渣中各種不同成分的依據(jù)。本試驗(yàn)采用X熒光光譜分析法對鎂渣的化學(xué)成分進(jìn)行測定。

樣品和試劑：表4制備得到的樣品，四硼酸鈉。

儀器設(shè)備：X熒光光譜分析儀，熔樣爐，白金坩堝。

鎂渣各粒度下化學(xué)成分測定試驗(yàn)結(jié)果見表5。

對表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：

表5 鎂渣各粒度下的化學(xué)成分 %

(2)CaO、SiO2的含量隨著粒度變小而逐漸升高，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，鎂渣中的CaO、SiO2是以2CaO·SiO2的形式存在，并且反應(yīng)越徹底，生成的2CaO·SiO2量越多；

(3)含量隨粒度變化不明顯的是SO3、Fe2O3等，硅熱法煉鎂過程中，這些元素不參與反應(yīng)，所以其含量與粒度的關(guān)系不大。

3 結(jié)論

(1)鎂渣的松裝密度平均值為1.15 g/cm3，在顯著性水平α=0.05的情況下，鎂渣的密度估算區(qū)間值為1.15±0.05 g/cm3；

(2)鎂渣的真密度約為2.89 g/cm3，在顯著性水平α=0.05的情況下，鎂渣的密度估計(jì)區(qū)間值為2.89±0.03 g/cm3；

(3)鎂渣的粒度分布主要集中在+100目范圍內(nèi)，并且有一定的規(guī)律可循；

(4)鎂渣的化學(xué)成分隨其粒度不同而變化，有些元素的含量變化較為顯著。

本試驗(yàn)僅對鎂渣的部分物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測定，諸如導(dǎo)熱性、熱容、物相組成等有待于后續(xù)研究。對鎂渣基礎(chǔ)性研究有助于更好地利用鎂渣。

[1] 吳小娟,王志宏,杜文博等.鎂工業(yè)的環(huán)境協(xié)調(diào)性發(fā)展[J].中國建材科技,2007，(5)：46-48.

[2] 孟樹昆,吳秀銘,徐晉湘.《2007年鎂工業(yè)發(fā)展報(bào)告》[R].2008.

[3] 孟樹昆,吳秀銘,徐晉湘.《2011年鎂工業(yè)發(fā)展報(bào)告》[R].2012.

[4] 孟樹昆,吳秀銘,徐晉湘.《2014年鎂工業(yè)發(fā)展報(bào)告》[R].2015.

[5] 楊重愚.輕金屬冶金學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991.

[6] 徐祥斌,羅序燕,李長勇.硅熱法煉鎂生產(chǎn)過程中鎂渣的無公害化處理[J].中國鎂業(yè),2010，(3):21-26.

[7] 范立衛(wèi),王蕕琳.金屬鎂渣在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].四川水泥,2000，(3):8-10.

[8] 韓藏娟,程水明,伍書軍.真密度的檢測方法[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2013，(3):166-170.

[9] 徐日瑤.硅熱法煉鎂理論與實(shí)踐[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

[10] 曹慧君,張愛芬,馬慧霞等.X射線熒光光譜法測定銅礦中主次成分[J].2010,30(10):20-24.

Research of physicochemical property of magnesium slag

XU Xiang-bin, CAO Hui-jun

At present, silicothermic process is the only method to produce industrial magnesium in China. In recent years, the output of magnesium slag is increasing in accompany with the expansion of magnesium capacity. This paper provides some basic data of magnesium slag by testing the bulk density, real density, particle size distribution and their chemical compositions. These data provide reference for the engineering design and further research.

silicothermic process; magnesium slag; bulk density; real density; particle size distribution; chemical composition

徐祥斌(1980—)，男，江西宜春人，碩士，講師，主要從事有色金屬冶煉方面的教學(xué)和研究工作。

湖南省科技廳資助項(xiàng)目(2014SK3189)；湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級項(xiàng)目(HNHY2013003)

2015-12-15

2016-07-08

TF803.13+<2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]="" b="" class="emphasis_bold">2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] B [文章編號] 1672-6103(2016)05-0073-042 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]="" b=""

1672-6103(2016)05-0073-04

B [文章編號] 1672-6103(2016)05-0073-04