CaO固氟焙烧——盐酸浸出回收稀土钙热还原渣中稀土试验研究

采用氧化钙固氟焙烧—盐酸浸出法回收稀土钙热还原渣(还原渣)中的稀土和氟化钙,研究了氧化钙焙烧过程还原渣的转型机理、浸出过程的热力学和不同条件下稀土的浸出规律。热力学分析表明:升高温度能够促进氧化钙和氟化稀土反应生成氧化稀土和氟化钙;CaF_(2)的存在会抑制稀土元素的浸出,而高浓度的Ca^(2+)减少了F-溶出、促进稀土浸出。浸出试验结果表明:在一定范围内提高浸出温度、浸出时间、盐酸浓度、液固比均能促进稀土的溶出。适宜条件为:焙烧温度800℃、焙烧时间1.5 h、氧化钙与还原渣质量比为1∶1、球团直径10 mm、焙烧渣磨矿时间3min、浸出温度40℃、浸出时间1.5 h、盐酸浓度4 mol/L、液固比10∶1 m L/g。在上述适宜条件下,稀土浸出率达到95.44%;浸出渣CaF_(2)品位为97.02%,回收率为97.88%,实现了还原渣的高效综合利用。

氧化物乏燃料锂热还原技术研究进展

以电解精炼为主流的干法后处理技术虽处于实验室研究阶段,但具有可处理最广泛的燃料种类以及反应体系稳定性更高等独特优势。在电解精炼步骤前需通过电还原或热还原将氧化物乏燃料还原为金属。热还原需要使用钙、锂和镁等作为还原剂。相比其他碱金属还原,锂热还原具有回收方法简单、所需温度适中以及设备要求较低等优点,在国内外已相继进行了各方面工艺条件以及理论的研究。调研了氧化物乏燃料锂热还原研究相关进展,对比了各国锂热还原工艺的特点,结合热力学数据分析了高温锂还原的相关机理,从动力学角度对反应的影响因素进行了讨论。总结了现有研究的不足,并对未来锂热还原的趋势进行了展望,为我国干法后处理中工艺流程的研究提供参考。

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。

氧化石墨烯/热还原氧化石墨烯改性砂浆的力学/电学性能研究

研究了热还原氧化石墨烯(TRGO)和氧化石墨烯(GO)在水泥砂浆环境下的分散机理,探索了这两种导电相的单掺和复掺对砂浆力学/电学性能的影响。研究表明GO对TRGO在富钙高碱环境下的分散有促进作用,且分散最佳质量比(%)为3∶10;与TRGO单掺相比,复掺GO能促进砂浆水化产物形成片状结构并互相交织,使得力学性能显著提升,当w(GO)∶w(TRGO)=0.3∶1.0时,28 d抗折强度和抗压强度与单掺TRGO相比提升了21.34%和34.52%,随着掺量增加力学性能反而下降;水泥砂浆的电导率随着GO与TRGO导电相的增加而增大,当w(GO)∶w(TRGO)=0.12∶0.4时,28 d龄期试件的电阻率呈现突变现象,表明该体系出现渗滤阈值;保持分散最佳比例下当TRGO大于0.7%(质量分数)之后,增加掺量对电阻率的影响趋于平缓且走低的趋势,表明TRGO掺量0.7%(质量分数)为试件电阻率的添加阈值。

磷矿热还原制取黄磷技术现状及研究进展

黄磷生产属于“高能耗”和“高污染”行业,电炉法是目前唯一的工业化生产黄磷的方法,但存在电耗高、黄磷尾气难以资源化利用等问题。在“碳达峰、碳中和”背景下,深入打好污染防治攻坚战,实现减污降碳协同增效是必然选择,因此,黄磷生产技术亟待创新。本文总结了磷矿热还原制取黄磷的机制,归纳了SiO_(2)、Al_(2)O_(3)和MgO助熔剂以及炭质还原剂活性对磷矿还原的影响,阐述了高炉法、电炉法、流态化法、熔融电解法、低温碳热还原磷酸法、硅热法和磷煤耦合联产黄磷和一氧化碳法制取黄磷的技术原理、特点以及存在的问题。指出未来黄磷生产技术的总体要求是节能降耗和碳资源高效利用,低品位磷矿利用技术和低磷废弃物中回收磷技术的开发对实现磷资源的可持续开发利用具有重要意义。

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。

液相还原法和热还原法制备石墨烯的电容性能

用改进的Hummers法制备前驱体,通过液相还原和热还原两种不同的方法制备石墨烯电极材料。对两种工艺制备的石墨烯材料进行物理性能测试。选择热还原法制备的形貌与分散结果较好的石墨烯作为超级电容器电极材料,组装扣式超级电容器。通过恒流充放电测试、循环伏安测试和交流阻抗测试等电化学分析手段,考察石墨烯电极材料的电容特性、容量特性和循环特性。石墨烯电极材料具有理想的双电层电容特性和循环稳定性,以200 mA/g在-0.2~0.8 V循环500次,容量保持率为95.9%。为了充分发挥石墨烯的高容量优势,后续将通过改性或复合处理继续进行研究。

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。

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。

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.

镁热还原Ta_(2)O_(5)制备电容器用钽粉工艺研究

通过镁热还原Ta_(2)O_(5)制备电容器用钽粉,研究了镁加入量、保温温度及时间对钽粉成分及其电性能的影响。结果表明:镁加入量过少、保温温度过低以及保温时间过短均会造成Ta_(2)O_(5)还原不彻底;但镁加入量过多会造成钽粉漏电流增大以及镁屑和酸的浪费,保温温度过高、保温时间过长则会造成钽粉电容损失及能耗增大,成本增加。为了达到降本增效的目的,镁加入量宜为理论量的2倍,保温温度宜控制在960℃左右,保温时间以6 h为宜。此工艺条件下制备的钽粉氧含量为0.362 0%,镁含量为0.001 1%,漏电流系数K值为4.4×10^(-4)μA/(μF·V),重量比容为15 630μF·V/g。

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)。

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。

铜纤维毡的模板-热还原法制备及二氧化碳电还原性能

为了研究人工碳纳米材料模板对铜纤维毡制备及结构的影响,应用模板-热还原法,以3种碳材料为模板,通过优化前驱体中CuCl_(2)·2H_(2)O与模板的质量比尝试制备铜纤维毡。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能量色散谱仪分析了试样的结构和化学组成。结果表明,石墨烯可发挥模板作用,得到橙红色厘米级铜纤维毡,铜纤维毡中铜纤维的直径约5μm,且铜纤维表面分布亚微米级台阶。将铜纤维毡制成自支撑电极,应用在线气相色谱仪和核磁共振波谱仪评价了铜纤维毡的CO_(2)电化学还原性能。相对于泡沫铜,铜纤维毡作为CO_(2)电还原反应的催化剂,展现了对甲酸生成较高的选择性。