锰二次资源阳极泥高效提取工艺中碳热还原焙烧热力学分析

针对某企业产生的电解金属锰阳极泥,采用碳热还原焙烧—酸浸工艺回收其中的Mn和Pb。首先利用化学分析剖析该阳极泥的化学物相及元素组成,然后采用焙烧条件试验,并借助X射线衍射表征手段以及HSC chemistry热力学分析软件,揭示锰、铅元素在碳热还原焙烧过程中的相变规律,为电解锰阳极泥还原焙烧工艺优化提供理论指导。

碳热还原法制备磷酸铁锂正极材料的研究进展

磷酸铁锂(LiFePO_(4))作为一种锂离子电池正极材料,具备环保、价廉、安全、使用寿命长等优点,被广泛应用于诸多领域。主要介绍了LiFePO4的结构特点及碳热还原反应机理,重点归纳碳热还原法制备LiFePO4的主要工艺参数对LiFePO4电化学性能的影响,展望了碳热还原法制备LiFePO4材料的研究方向和前景。

碳热还原氮化法制备UN粉末机理研究

氮化铀(Uranium nitride)燃料具有金属铀密度高、热导率高、热膨胀系数低及与液态金属相容性好等优点,是未来先进反应堆设计选用燃料之一。高相纯度、高活性UN粉末是制备高密度UN芯块的前提。采用碳热还原氮化法制备UN粉末,研究了工艺参数对UN粉末反应动力学、相结构、晶格常数及氮铀比的作用机制和影响规律。结果表明:UN粉末相结构与原料C/UO_(2)物质的量比及合成温度有关,当原料C/UO_(2)物质的量比为2.7、合成气氛为N_(2)-5%H_(2)(0.1~0.15 MPa)、合成温度为1700℃时,可制备得到高相纯度UN粉末;中间反应产物U_(2)N_(3)在1200℃以下、真空环境、大于2 h可分解为UN粉末;UN晶格常数与粉末中相成分有关,当N/U比接近1时,其晶格常数为0.48882 nm;合成的UN粉末经转速600 r/min、球磨时间4 h、球料比5∶1的工艺参数球磨,可制备得到粒度为0.96μm的UN细粉末。

焚烧飞灰中六价铬化合物碳热还原脱毒

碳热还原是垃圾焚烧飞灰中六价铬化合物还原脱毒的有效手段,但碳热还原条件和飞灰的组分变化会影响铬的形态转化。使用竹炭(bamboo charcoal,BC)和粉末活性炭(powered active carbon,PAC)与Na_(2)CrO_(4)反应探索碳热还原中Cr(Ⅵ)形态转化的过程,并分析碳热反应中4种氧化物对Cr(Ⅵ)形态转化的影响。实验结果表明,1000℃以下Na_(2)CrO_(4)被还原为NaCrO_(2),高于1000℃则转化为Cr_(3)C_(2)。氧化物存在时,高于1000℃后Fe_(2)O_(3)与被BC还原的铬反应生成FeCr_(2)O_(4),在CaO含量高时转化为CaCr_(2)O_(4);若添加过量BC则仍以Cr_(3)C_(2)为主。在喷钙的飞灰中,CaO与被还原的Cr反应生成CaCr_(2)O_(4);若添加过量的BC,Cr(Ⅵ)则被还原为Cr_(3)C_(2)。

硼/碳热还原结合热压烧结原位制备ZrB_(2)陶瓷及其性能研究

为降低制备成本,提高ZrB_(2)陶瓷的性能,以ZrO_(2)、B_(4)C、炭黑为原料,按n(ZrO_(2))∶n(B_(4)C)∶n(C)分别为2∶1∶3、2∶1.1∶3、2∶1.2∶3、2∶1.3∶3配料,采用硼/碳热还原结合热压烧结法原位制备了ZrB_(2)陶瓷。利用反应热力学计算了不同CO分压(10^(5)、10^(2)、1和10^(-2)Pa)下ZrO_(2)-B_(4)C-C体系中各反应发生的概率和起始反应温度。研究了原料配比和热处理温度(1800、1850、1900和1950℃)对ZrB_(2)陶瓷试样性能、物相组成和显微结构的影响。结果表明:1)低CO分压显著降低该体系中各反应的起始温度;2)随B_(4)C加入量的增加,ZrB_(2)相含量增多,当n(ZrO_(2))∶n(B_(4)C)∶n(C)=2∶1.2∶3时,制备出氧含量仅为0.333%(w)的ZrB_(2)粉(以B_(2)O_(3)和ZrO_(2)的形式存在);3)随热处理温度的升高,试样的致密度和硬度逐渐增大,弯曲强度和断裂韧性呈先上升后下降的趋势。当热处理温度为1900℃时,试样的综合性能最佳,其相对密度、断裂韧性、弯曲强度和硬度分别为91.75%、4.87 MPa·m^(1/2)、525 MPa、18.6 GPa。

真空碳热还原温度对电炉钢渣自粉化的影响

为解决电炉钢渣易磨性差,文章采用理论计算结合真空碳热还原的方法对电炉钢渣进行还原研究。通过理论计算确定电炉钢渣中各组分随还原温度升高时的变化情况,从而设定真空碳热还原实验的还原温度区间。实验结果表明,随着还原温度的不断升高电炉钢渣自粉化效果呈现出一个先上升后下降的趋势,同时Fe不断被还原出来并表现出明显的聚集效果有利于后续的分离回收。最佳还原条件为:配碳量16%,碱度R=1,保温60 min,1450℃下电炉钢渣的自粉化率达到93.8%,试样中粒径小于89.2μm颗粒占比高达90%。相较于传统电炉钢渣自粉化研究,在常压空气气氛下,还原温度高达1600℃时,电炉钢渣自粉化率仅达到49.97%,真空碳热还原具有粉化率高还原温度低的明显优势。

高品级氮化铝粉体及其碳热还原氮化工艺研究进展

氮化铝(AlN)具有高导热、绝缘、低膨胀、无磁等优异性能,是半导体、电真空等领域高端装备的关键材料,特别是在航空航天、轨道交通、新能源装备、高功率LED、5G通讯、电力传输、工业控制等领域功率器件中具有不可取代的作用。高品级粉体是制备高性能陶瓷的基础,氮化铝粉体的性质直接影响了后续成形、烧结等工艺以及材料的组织和性能。碳热还原氮化法制备氮化铝粉体具有纯度高、粒度细和烧结性好等特点,本文综述了氮化铝粉末的评价指标以及碳热还原氮化法制备氮化铝粉末的研究进展,提出未来研究与产业化的方向与趋势。

含锌电炉粉尘钙化碳热还原焙烧实验

这是一篇冶金工程领域的论文。为强化含锌电炉粉尘中锌和铁资源的有效分离与回收,并降低碳还原剂消耗,提出以电炉粉尘制备高碱度炉料进行钙化碳热还原焙烧的思路和方法。采用热力学计算和实验研究相结合,分析电炉粉尘钙化碳热还原焙烧过程中主要物相转变规律,探究其钙化碳热还原反应行为和路径。结果表明,当碳氧摩尔比nc/no<0.6和温度低于1000℃时,ZnFe_(2)O_(4)还原生成Fe_(0.85-x)Zn_(x)O,抑制锌的还原和挥发。而添加CaO均能将ZnFe_(2)O_(4)和Fe_(0.85-x)Zn_(x)O钙化生成Ca_(2)Fe_(2)O_(5),Ca_(2)Fe_(2)O_(5)会被进一步还原。当温度低于1100℃及nc/no<1.0时,含锌电炉粉尘钙化碳热还原焙烧反应路径为:ZnFe_(2)O_(4)+CaO→Ca_(2)Fe_(2)O_(5)+ZnO→Ca_(2)Fe_(2)O_(5)+Zn(g)和Fe_(0.85-x)Zn_(x)O+CaO→Ca_(2)Fe_(2)O_(5)+ZnO+FeO→Ca_(2)Fe_(2)O_(5)+Fe+Zn(g)。这两种反应均能促进锌的释放。在nc/no为0.4~1.2,焙烧温度为1000~1100℃,CaO能促进锌的挥发,钙化碳热还原焙烧nc/no=1.0时的脱锌率与碳热还原焙烧nc/no=1.2时接近,均在90%左右。因此,钙化碳热还原焙烧可降低碳还原剂消耗,节约能耗。

铁酸锌钙化碳热还原的热力学行为

通过热力学计算和实验相结合,分析了含锌电炉粉尘中铁酸锌钙化碳热还原过程热力学行为,讨论还原温度和碳氧摩尔比对铁酸锌钙化碳热还原行为的影响。结果表明,与传统碳热还原相比,ZnFe_(2)O_(4)钙化碳热还原可在较低温度生成ZnO,并可在1100 K直接由ZnFe_(2)O_(4)得到部分单质Zn。当温度高于1221 K时,ZnFe_(2)O_(4)钙化还原出的单质Zn以及由ZnO还原的Zn均以锌蒸气形式挥发,并随着配碳量及温度的升高还原挥发增强。钙化碳热还原不仅降低ZnFe_(2)O_(4)消失的温度,而且降低其还原产出金属铁和锌的温度和碳耗。CaO可重构物相从而明显降低铁酸锌反应产出ZnO、Zn和Fe的温度点,使得ZnFe_(2)O_(4)提前反应完全。当温度为1270 K,碳氧摩尔比n(C)/n(O)=0.7时,ZnFe_(2)O_(4)中锌铁还原与分离效果较好,此时Zn以蒸气形式挥发,Fe以金属单质形式被还原出来。

Nb_(2)O_(5)含量对原位碳热还原法制备的Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响

以原位碳热还原法制备了Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了Nb_(2)O_(5)添加量对金属陶瓷显微组织和力学性能的影响规律。结果显示:当添加Nb_(2)O_(5)的质量分数由0增加至2.80%时,金属陶瓷硬质相晶粒明显细化,显微组织中“白芯-灰环”晶粒数量增多;室温抗弯强度、硬度、临界热震温差和高温抗弯强度有所增加,但断裂韧性略微降低。随着Nb_(2)O_(5)的添加量继续增加,金属陶瓷显微组织中出现孔洞,室温抗弯强度、硬度、临界热震温差、高温抗弯强度和断裂韧性均不断下降。当Nb_(2)O_(5)的添加量为2.80%时,金属陶瓷表现出最佳的综合力学性能,其室温抗弯强度、硬度、断裂韧性、临界热震温差和高温抗弯强度分别为:2439MPa、90.6HRA、12.8MPa•m^(1/2)、360℃、1519MPa。

预加热-碳热还原-磁选法提取煤矸石中的铁

中国是全球最大的煤炭生产与消费国之一,每年的煤炭生产及消费总量平均达到3×10^(8)t。目前,我国累计堆积煤矸石总量已达5×10^(9)t,其中规模较大的矸石山有1900座,占用土地15×10^(7)m^(2),并且每年以1.5×10^(8)—2.0×10^(8)t的速度递增。如果能找到科学的利用方法,将这些大量存在的煤矸石变废为宝,则会产生重大的经济效益。煤矸石资源综合利用在中国尚处于发展阶段,主要集中在建筑材料领域方面,如制砖、生产水泥和其他建筑材料。此外,煤矸石也被用于发电和化工领域,如提取氧化铝和白炭黑等,但提取技术和利用率有限。目前,亟需开发煤矸石高值化的应用技术,以进一步提高其利用价值。煤矸石中除了含有大量硅铝外,还含有一定量的硫铁矿。考虑到铁的市场价值,可以采用碳热还原的方法还原出铁单质。然而,煤矸石中的碳大多以有机物的形式存在,不仅还原无法起到作用,还会在加热过程中导致煤矸石粉末黏连,以至于影响到铁的回收率。因此,提出先在空气气氛中焙烧煤矸石,以去除其中的有机物并将硫铁矿氧化为氧化铁,然后在焙烧后的物料中加入适量的碳,在氮气气氛中高温焙烧还原出铁粉,最后采用磁选法提取磁性铁。最佳还原条件为空气氛围中1000℃下预焙烧1 h,再在氮气气氛中1100℃下碳热还原1.5 h,其中碳氧摩尔比为2.0,煤矸石粒度为48μm。经过碳热还原后,TFe的回收率达到71.3%。除铁后的煤矸石含铁量低,适合做分子筛,以及掺杂于水泥、砖瓦、路基填料等,增加这些材料的强度。

废锂离子电池碳热还原优先提锂工艺优化

对废旧三元锂离子电池正极材料采用碳热还原-通二氧化碳水浸的工艺进行优先提锂。本文采用单一变量法探究焙烧过程中焙烧温度、焙烧时长、有效加碳量及水浸过程中水浸时长、水浸固液比、二氧化碳流量、逆流水洗级数等参数改变带来的金属元素浸出率的影响。在焙烧温度700℃、焙烧时长120min、有效加碳量(75.56%含碳量的炭粉)为14%(质量分数)、液固比10mL/g、水浸时长180min、二氧化碳通入量100mL/min、三级逆流水洗的最佳条件下,可以达到锂的浸出率为96.31%,钴、镍、锰金属的浸出率均低于0.1%。同时考察了该工艺对于不同型号的废三元锂离子电池回收的适用性,发现提锂效果均在90%以上,具有良好的原料适应性。此外,通过X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜探究碳热还原前后的物相变化。

废旧锂离子电池真空碳热还原挥发提锂

从废旧锂离子电池中优先提锂可缩短锂的回收流程,是提高锂综合回收率的重要手段,真空还原法可为实现该目标提供新思路。以经拆解后的废旧锂离子电池正、负电极为原料,提出了真空碳热还原挥发提锂的方法,在高温高真空度条件下,利用废旧锂离子电池的石墨负极为还原剂,将三元锂离子电池中的Li_(2)O转化为Li蒸气,挥发并冷凝回收。结果显示:在真空度28 Pa、1200℃保温4 h的优化条件下,锂挥发回收率可达到99.76%。本研究对于废旧锂离子电池真空提锂新技术的开发具有指导作用。

二氧化锗碳热还原制备金属锗的热力学分析与实验研究

对二氧化锗直接碳热还原制备金属锗进行了热力学计算和模拟,并开展了验证实验,以探索金属锗短流程制备的可行性。首先,对GeO_(2)-C和GeO_(2)-C-O_(2)体系各反应的标准吉布斯自由能变进行计算;其次,对这两个体系的多相同时平衡进行模拟;最后,以纯二氧化锗和碳粉为原料在惰性气氛、900℃下进行还原实验。结果表明:在惰性气氛下,升高温度有利于GeO_(2)碳还原生成GeO和Ge;碳量越多,Ge生成量越大。在氧气气氛下,GeO_(2)的碳热还原产物有GeO和Ge,但氧气优先与碳反应生成CO_(2),不利于GeO_(2)还原过程的控制。还原实验产物为纯金属锗,直收率达到87.56%,证实了二氧化锗直接碳热还原制备金属锗的可行性。

三氧化二铋碳热还原反应的动力学

由于铋元素密度较大,在工业硅碳热还原冶炼过程中容易沉淀,导致冶炼所得工业硅中杂质分布不均,质量下降,因此研究铋在碳热还原反应中的动力学行为,为工业硅冶炼中铋含量的控制提供理论指导具有重要意义。通过热重分析方法研究了不同碳质还原剂对铋氧化物(三氧化二铋)碳热还原的影响。结果表明,石油焦相较于石墨活性更高,石油焦作还原剂具有更好的还原性能。对不同温度下三氧化二铋还原熔炼产物进行了物相分析,其还原反应产物物相转变顺序为:Bi_(2)O_(3)→Bi_(2)O_(2.5)→Bi。通过热重分析法研究了不同升温速率下三氧化二铋碳热还原反应动力学,应用等转化率法、Kissinger法和Satava-Sesták法进行动力学分析,得到三氧化二铋碳热还原反应平均表观活化能E_(0)=142.41 kJ/mol,指前因子A_(0)=2.96×10^(9) s^(-1);反应机理属于相边界反应,对应的动力学方程微分形式为3(1—α)^(2/3)。

冶金渣耦合改质及其金属资源碳热还原提取

为实现冶金渣中有价金属的高效回收,提出了一种转炉渣与铜渣耦合改质的新工艺.利用高温实验研究了转炉渣与铜渣的耦合改质及碳热还原过程中物相重构规律和元素分离特征,并考察了碱度[w(CaO)/w(SiO_(2) )]、还原温度及碳氧摩尔比[n(C)/n(O)]对金属回收率的影响.结果表明:转炉渣与铜渣的交互作用提高了改质渣中铁氧化物的活度;在碱度为1.25、还原温度为1550℃、碳氧摩尔比为1.2的最佳工艺条件下,可回收得到Fe,Cu,P,Mn质量分数分别为93.19%,3.81%,0.12%,0.10%的合金.

钕铁硼废料铁渣碳热还原法制备零价铁并用于降解偶氮染料废水

以钕铁硼废料铁渣为原料,通过碳热还原法制备零价铁(ZVI)材料,并用于降解偶氮染料废水。考察了制备条件对ZVI性能的影响及降解条件对ZVI去除偶氮染料分子的影响。结果表明,在焙烧温度为1000℃、焙烧时间为60 min、无烟煤用量为30%(质量分数)的条件下制备的ZVI材料对甲基橙(MO)的降解性能较好。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对ZVI材料进行表征分析。结果表明,钕铁硼废料铁渣中的铁矿物基本被还原为ZVI,负载于铝硅酸盐上,ZVI颗粒尺寸为5~15μm。制备的ZVI材料在pH=3~10范围内对酸性橙G(OG)均具有较高的降解效率,最大去除容量为54.23 mg/g,对MO、亚甲基蓝(MB)、酸性铬兰K(ACBK)的降解效率均达到78%以上。利用碳热还原法制备ZVI不仅为钕铁硼废料铁渣的回收再利用提供了新的途径,而且为环境修复领域提供了一种低成本的降解材料。

碳热还原氮化硅藻土制备Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体

氧氮化硅(Si_(2)N_(2)O)是性能优良的耐火材料和高温结构材料,具有优异的抗蠕变性、耐腐蚀性和抗氧化性等优点。本工作利用硅藻土作为硅源,乙炔炭黑作为还原剂,通过碳热还原氮化法在硅藻土表面原位合成Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体。采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)和N_(2)吸附/脱附等温线对样品进行表征。结果表明,在原料配比m(硅藻土)∶m(乙炔炭黑)=1∶1条件下,1 450℃煅烧4 h后,SiO_(2)完全转变成Si_(2)N_(2)O和β-SiC物相,样品整体呈球状形貌,大颗粒周围分布大量片层状小颗粒,并存在介孔结构。Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体作为性能优良的高温结构材料,有望在结构复合材料中得到广泛的应用。

硼酸碳热还原-渗硅反应烧结制备碳化硼陶瓷复合材料

碳化硼性能优良,应用广泛,但制备成本较高。为了从源头解决碳化硼陶瓷材料制备成本高的问题,本工作直接以碳热还原法合成的碳化硼-C复合粉体为原料,无需进行破碎提纯,通过渗硅反应烧结制备碳化硼复合材料,所得材料性能与以市售碳化硼粉体为原料制备的材料性能相当,有效降低了其制备成本。主要研究了原料碳硼摩尔比对合成粉体以及碳化硼复合材料物相、显微组织和性能的影响,并探讨了碳化硼陶瓷复合材料的强韧化机理。结果表明:随着碳硼摩尔比增加,合成粉体中碳化硼粉体的碳硼原子比增加,且合成粉体中游离C含量增加;当碳硼摩尔比为2.01时,游离C包覆在碳化硼粉体颗粒表面。复合材料相组成均为B_(12)(C,Si,B)_(3)、SiC和Si,随着碳硼摩尔比的增加,复合材料中碳化硼和游离Si含量降低,SiC含量、大尺寸SiC区域的尺寸、大尺寸SiC区域和纳米SiC颗粒的数量均增加。大尺寸SiC区域的产生会降低材料的强度和韧性,而SiC纳米颗粒的形成有利于提高材料的强度和韧性。当碳硼摩尔比为1.35时,复合材料的抗弯强度和断裂韧性最高,分别为338 MPa和4.06 MPa·m^(1/2)。

碳热还原作用下烧结机机头灰中钾、钠、锌脱除规律

烧结机机头灰中Fe和K具有较高的回收价值,两种金属的回收是机头灰资源化的主要目标。本文采用化学分析、X射线衍射和扫描电镜对机头灰的化学组成、物相组成及微观结构等理化性质进行研究,通过焙烧试验探究焙烧温度、焙烧时间和n(C)/n(O)(物质的量之比)三因素对机头灰金属化率和K、Na、Zn脱除率的影响规律。结果表明:机头灰中Fe、K和Cl主要组成元素总质量分数为55.72%,灰中K、Na、Zn分别以KCl、NaCl和ZnFe_(2)O_(4)形式存在;含碳团块的金属化率和K、Na、Zn脱除率随焙烧温度、焙烧时间和n(C)/n(O)的增加呈升高趋势;团块中Zn的脱除比较容易,K、Na的脱除相对困难;当焙烧温度为1150℃、焙烧时间为10 min、n(C)/n(O)为0.9时,团块的金属化率和Zn脱除率分别为93.97%和98.53%;当焙烧温度为1150℃、焙烧时间为60 min、n(C)/n(O)为1.2时,团块中K、Na的脱除率分别为90.14%和81.37%。