白云石的热分解规律及其应用

白云石是冶炼金属镁的重要原料也是冶金行业中炼钢、烧结的重要辅料之一。长白山区拥有丰富的优质白云石矿，但缺乏相关的实验研究。为此，我们采用DTA-7差示热分析仪、X射线衍射仪等仪器及动力学分析对长白山区白云石的热分解过程及微观组织形貌进行了研究。长白山区白云石的平均含镁量为13.04%，白云石中的镁钙比基本上是1：1；块体中细小微晶颗粒较多，微晶集合体颗粒大小不等，微晶的颗粒大小在3～10μm之间，局部有重结晶现象，结构均一。从形态上看，长白山白云石属于晶质白云石类型，呈现典型的菱面体晶形，颗粒间结构致密，解理平行菱面体完全，大部分菱形晶面呈冰糖状构造，可以看到两组解理缝互相交错形成特殊的交织结构。一些样品中含有少量的杂质以SiO2、Al2O3为主。因此，长白山区白云石是冶炼金属镁的较为理想的原料。长白山区白云石的热分解分两步完成，在662～734℃为低温阶段，在734～962℃为高温阶段，第一步热分解的反应产物，人们一般认为是CaCO3和MgO，但在本实验中发现生成物MgO的量比理论值少，同时形成的方解石可能溶解MgO而形成一种固溶体。第一步反应开始时是界面收缩机理，CO32-向外扩散的过程是速度控制步骤。随着反应温度升高，颗粒内质点动能增加，反应由界面收缩机理变为扩散控速机理。第二步反应是由CO2扩散控速的，低温阶段分解反应产生的新相MgO包裹着尚未分解的各物相及CaCO3形成球形界面，所以这一阶段热分解过程是三维扩散，3D（球对称）的机理控制。长白山区白云石的最大失重率约为48.31%。在温度为662℃时恒温煅烧2h失重现象不明显，在714℃煅烧2h失重率达到11.11%，说明分解可以进行，但是反应较慢，而在734℃下分解2h后分解率达到23.2%与MgCO3在白云石中的理论失重率23.5%比较接近，同时失重曲线有一个明显的转折点，说明白云石恒温煅烧过程中MgCO3的分解温度在714℃～734℃之间。在774℃煅烧2h失重率为28.64%，说明CaCO3已经开始分解，而在796℃下分解2h后分解率达到45.17%与白云石的最大失重率48.31%比较接近，同时失重曲线有上升的趋势，表明长白山白云石煅烧发生CaCO3分解的起始温度在774℃～796℃之间。在相同恒温时间，不同温度下样品的分解率的高低表明在低温阶段白云石分解的速率受温度的影响明显，随温度升高明显加快，而高温阶段白云石的分解速率受温度的影响较小，同时说明白云石低温煅烧阶段温度区间较窄而高温阶段则较宽。无论是高温反应，还是低温反应，当恒温煅烧时间达到一小时，白云石的分解就已经进行得很充分。特别是高温阶段，之后的失重率变化很小，说明煅烧时间不宜过长，否则会浪费燃料。