紅土鎳礦真空碳熱還原中硅的揮發(fā)行為

　　為了解紅土鎳礦在真空碳熱還原過程中SiO2的還原特性和還原過程的主要影響因素,在真空系統(tǒng)壓力2～200 Pa下,以分析純的SiO2、Fe2O3以及煤炭為原料,在熱力學分析的基礎上,采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡-能量散射譜和化學成分分析等手段,研究了Fe/Si摩爾比、配碳量對SiO2還原過程、硅的揮發(fā)率和還原反應速率的影響。通過熱力學計算,得出Fe,Si氧化物被碳還原的化學反應自由能和還原反應臨界溫度,表明在100 Pa條件下SiO2的臨界反應溫度降低了477～584 K。實驗結(jié)果表明:Fe/Si摩爾比的增大和配碳量的增加,均降低了Si的揮發(fā)率,提高了SiO2還原反應速率;SiO2發(fā)生了氣化反應生成了SiO氣體并在石墨冷凝系統(tǒng)歧化生成Si和SiO2,且有部分SiO氣體與石墨或者CO反應生成SiC;反應殘渣中的石英顆粒被Fe-Si合金和SiC包圍,結(jié)合緊密。
　　
　　國內(nèi)外對紅土Ni 礦的處理工藝有火法、濕法以及火法濕法結(jié)合三種[1-5] , 但這些處理方法都僅著眼于回收礦物含量較低的Ni 和Co, 而含量極高的Si,Mg 都成為廢渣, 若將其填埋棄置會污染環(huán)境[6-7] ,而進行固化處理又導致金屬資源流失[8] 。云南元江Ni 礦Ni 儲量43 萬噸, 平均含Ni 0.83% ( 質(zhì)量比) ,Fe 11% ,MgO 28% , SiO2 37%[9] , 極具綜合利用價值。昆明理工大學真空冶金國家工程實驗室利用真空碳熱還原原理[10-17] , 提出真空碳熱還原法處理元江紅土Ni 礦, 在冷凝系統(tǒng)回收金屬Mg, Ni, Fe 在渣中通過磁選得到富集。根據(jù)前期研究結(jié)果,Mg 被還原揮發(fā)的同時Si 也發(fā)生類似反應, 即在高溫下SiO2 氣化生成低價SiO, 繼而SiO 在低溫下凝聚( 歧化分解為SiO2 和Si) , 污染爐體和冷凝系統(tǒng), 影響金屬Mg的純度, 不利于Si 的回收。M. A. 雷斯[18]加西克[19] 和劉衛(wèi)等[20] 在Fe 合金的冶煉過程中對Fe-S-i C 系作了研究。何允平等[21-22] 對工業(yè)Si 生產(chǎn)的原理和工藝流程了進行了闡述。但是在真空條件下, SiO2 的碳熱還原揮發(fā)行為, 未見報道。
　　
　　前期的實驗研究表明, 紅土Ni 礦在真空碳熱還原過程中MgO發(fā)生了還原反應, 其揮發(fā)率可以達到98% 以上, 但是Mg 的存在對Si 的揮發(fā)并沒有影響。因此, 有必要研究真空條件下SiO2 和Fe2O3 共熱時Si 的揮發(fā)行為以及Fe2O3 對Si 揮發(fā)的影響?；诖? 本文以分析純的SiO2, Fe2O3 和煤炭為原料, 在熱力學分析基礎上, 對反應后渣相和冷凝物進行了X 射線衍射(XRD) 相組成分析, 并對渣相進行了掃描電鏡- 能量散射譜( SEM- EDS) 和化學成分分析, 探討SiO2 真空碳熱還原過程中Si 的揮發(fā)行為, 以便為真空碳熱還原紅土Ni 礦綜合回收有價金屬新工藝, 工業(yè)化應用中對Si 的回收提供理論和技術依據(jù)。
　　
　　(1) 熱力學分析表明, 在100 Pa 條件下: SiO2 與C在1323 K 時開始反應生成SiC, 在1460 K 時開始有SiO 氣體和Si 生成, 比標準狀態(tài)下降低了477~584 K; SiO 氣體極易與C 反應生成SiC 或者Si, 并且SiO 在溫度低于1538 K 時極不穩(wěn)定, 容易歧化分解為Si 和SiO2。
　　
　　(2) Fe/Si 摩爾比對SiO2 還原過程有顯著的影響, Fe-S-iC 體系隨著Fe 的增加, SiC 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镕e-Si2, FeSi 和Fe2Si, 當Fe/Si 摩爾比從1/4167 升高到115/1時, Si 的揮發(fā)率從21113% 下降到0199%, 并且加快了SiO2 的還原反應速率。配碳量的增加也降低了Si 的揮發(fā)率。
　　
　　(3) SiO2 發(fā)生了氣化反應生成了SiO 氣體, 并在石墨冷凝系統(tǒng)歧化生成Si 和SiO2, 且有部分SiO 氣體與石墨或者CO 反應生成SiC。
　　
　　(4) 對反應后渣的SEM- EDS 分析可知, 渣中的石英顆粒被Fe- Si 合金和SiC 包圍, 結(jié)合緊密。
　　
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