現(xiàn)代冶金概論課程論文淺談鎂與鎂冶金

1、華東理工大學(xué)20102011學(xué)年第 2學(xué)期現(xiàn)代冶金概論課程論文 2011.3班級(jí) 化學(xué)092學(xué)號(hào)10092541 姓名開課學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院任課教師成績(jī)_論文題目：論文要求：結(jié)合現(xiàn)代冶金概論的課堂教學(xué)，按照選題范圍，自選題目，認(rèn)真查閱有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，寫一篇3000-5000字的課程論文，具體要求：（1）4篇以上與內(nèi)容相關(guān)的參考文獻(xiàn)（學(xué)術(shù)期刊），其中英文不少于2篇，參考文獻(xiàn)格式應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（參見華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)；（2）嚴(yán)禁抄襲（3）論文上交時(shí)間4月23日-5月1號(hào)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：選題15分（選題正確、簡(jiǎn)潔嚴(yán)謹(jǐn)），摘要20分（200-300字），正文40分（內(nèi)容完整、論述全面、分析正確、行文流

2、暢、格式規(guī)范），參考文獻(xiàn)25分（文獻(xiàn)數(shù)量、引用正確、標(biāo)注規(guī)范）。交卷方式：電子文檔，郵箱地址：電子文檔統(tǒng)一命名：學(xué)號(hào)-姓名，不得使用其他名字，否則無(wú)效。教師評(píng)語(yǔ)：淺談鎂與鎂冶金摘要 鎂是一種輕金屬，在人類生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。自然界中有多種礦石含有鎂，把鎂從相應(yīng)礦物中提取出來(lái)即為鎂的冶煉，目前世界上普遍采用電解法與熱還原法來(lái)冶煉鎂，這也是冶煉金屬的一般方法。本文將就金屬鎂及其化合物的介紹，相關(guān)鎂冶金工藝的說(shuō)明（不同冶煉工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，冶煉主反應(yīng)及作用），鎂冶金行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的國(guó)內(nèi)外比較等幾個(gè)方面來(lái)談?wù)勎覍?duì)鎂冶金工業(yè)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，作為現(xiàn)代冶金概論這門課的課程論文，該文章也是我對(duì)該課程學(xué)習(xí)的一個(gè)總

3、結(jié)。金屬鎂鎂（Magnesium）是一種化學(xué)元素，它的化學(xué)符號(hào)是Mg，原子序數(shù)是12，是一種具有銀白色光澤略具延展性的堿土金屬（IIA族）。鎂是在地球的地殼中第八豐富的元素，約占2的質(zhì)量，亦是宇宙中第九多元素。鎂的密度小，離子化傾向大?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)鎂的同位素共有13種，包括鎂20至鎂32，其中只有鎂24、鎂25、鎂26是穩(wěn)定的，其他鎂的同位素都帶有放射性。鎂是一種很活潑的金屬。在空氣中，鎂的表面會(huì)生成一層很薄的氧化膜，使空氣很難與它反應(yīng)。鎂和醇、水反應(yīng)都能夠生成氫氣。粉末或帶狀的鎂在空氣中燃燒時(shí)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的白光。在氮?dú)庵羞M(jìn)行高溫加熱，鎂會(huì)生成氮化鎂（Mg3N2）；鎂也可以和鹵素發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)；鎂也能

4、直接與硫化合。 金屬鎂有著廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)上鎂可用于熔融鹽金屬熱還原法以制取稀有金屬。而且鎂比鋁輕，含5%-30%鎂的鋁鎂合金質(zhì)輕，有良好的機(jī)械性能，廣泛在航空、航天上使用。另外，利用鎂易于氧化的性質(zhì)，可用于制造許多純金屬的還原劑。鎂也可用于閃光燈、吸氣器、煙花、照明彈等。體育競(jìng)賽前運(yùn)動(dòng)員擦在手上的白粉末也是鎂粉。自從1808年英國(guó)化學(xué)家戴維（H.Davy）用熔融電解法首先制得了金屬鎂，1828年法國(guó)科學(xué)家比西用金屬鉀還原熔融的無(wú)水氯化鎂得到純鎂以來(lái)，鎂的相關(guān)研究在世界范圍內(nèi)已取得長(zhǎng)足發(fā)展。鎂的主要礦物及化合物 作為一種活潑金屬，鎂主要以化合物的形式存在于自然界中。鎂的主要來(lái)源有：菱鎂礦、白

5、云巖、水鎂石、橄欖石和海水、天然鹽湖水等。 菱鎂礦，主要成分是碳酸鎂（MgCO3）。菱鎂礦從屬于三方晶系，但不易形成好的晶體，通常是以巖塊狀出現(xiàn)。這是一種白色有玻璃光澤的礦物，有時(shí)因含有雜質(zhì)而呈現(xiàn)出其他顏色，一般呈透明或半透明狀。作為一種碳酸鹽，菱鎂礦可溶于鹽酸。菱鎂礦的特性與方解石相似，它與方解石有著同樣的晶體結(jié)構(gòu)，因此人們通常將它歸類入方解石礦物組群。 菱鎂礦是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源之一，其儲(chǔ)量、產(chǎn)量、出口量均居世界首位。目前，我國(guó)菱鎂礦及其制品出口到亞洲、美洲及歐洲的45個(gè)國(guó)家和地區(qū)，我國(guó)菱鎂礦資源具有世界各國(guó)難以比擬的資源優(yōu)勢(shì)、質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)和可觀的規(guī)模經(jīng)營(yíng)優(yōu)勢(shì)。目前，全世界已探明的菱鎂礦儲(chǔ)量約

6、130億噸，除我國(guó)外主要產(chǎn)出國(guó)及其儲(chǔ)量（億噸）為：朝鮮30，前蘇聯(lián)22，新西蘭6，捷克5，印度1，奧地利0.8，美國(guó)0.7，加拿大0.6，巴西0.4，希臘0.3，前南斯拉夫0.14。我國(guó)菱鎂礦的總儲(chǔ)量約占世界的1/4，目前已累計(jì)探明儲(chǔ)量31億噸，保有儲(chǔ)量30億噸，均居世界第一位。我國(guó)的菱鎂礦資源主要集中分布于遼寧、山東兩省，其中遼寧省儲(chǔ)量尤為巨大。白云巖，主要成分是碳酸鎂鈣（ CaMg(CO3)2）。它是一種以白云石為主要組分的碳酸巖巖石，含有少量的方解石和黏土等礦物，以及少量的二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁等，外表類似石灰?guī)r，多為淺灰色、白色或灰黑色。白云巖也從屬于三方晶系，一般形成半透明到透明并

7、有著玻璃到珍珠光澤的菱面體。我國(guó)含鎂白云石礦豐富，白云石資源遍及我國(guó)各省區(qū)，特別是山西、寧夏、河南、吉林、青海、貴州等省區(qū)，現(xiàn)已探明儲(chǔ)量40億噸以上。水鎂石，主要成分是氫氧化鎂（Mg(OH)2）。它一般為厚板狀有珍珠光澤的晶體，也從屬于三方晶系。水鎂石多為白色，有時(shí)也因含有其他雜質(zhì)而呈現(xiàn)出其他顏色。作為一種氫氧化物，水鎂石易溶于酸而不易溶于堿。此外，水鎂石還具有耐高溫的性質(zhì)。水鎂石是比較稀有的礦產(chǎn), 以前沒有在中國(guó)被大規(guī)模發(fā)現(xiàn)過(guò)，從九十年代中期開始, 中國(guó)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些大的水鎂石礦產(chǎn)，其中有開采價(jià)值的礦山主要集中在鳳城市(原來(lái)為丹東的一個(gè)縣)?，F(xiàn)在在大丹東地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)四百萬(wàn)噸的水鎂石礦產(chǎn)

8、品資源。 橄欖石，它是一種鎂與鐵的硅酸鹽，其化學(xué)式為(Mg,Fe)2SiO4。其狀如橄欖，一般為黃到黃綠色有玻璃光澤的透明或半透明晶體，從屬于斜方晶系。與其說(shuō)橄欖石是一種礦物，不如說(shuō)它是一種寶石，因橄欖狀靚麗外表而得名的橄欖石被人們當(dāng)做裝飾物，甚至用作結(jié)婚16周年的紀(jì)念寶石。橄欖石是地球中最常見的礦物之一，分布廣，產(chǎn)地也多，但寶石級(jí)的橄欖石主要產(chǎn)地是在美國(guó)。此外，橄欖石也曾出現(xiàn)在部分隕石，月球，火星及一些彗星上（如維爾特二號(hào)彗星上慧發(fā)部分的塵埃，以及坦普爾一號(hào)彗星的彗核）。 近年來(lái)，海洋資源、河湖資源日益得到人們的重視，這也是蘊(yùn)含鎂資源的另一寶藏。據(jù)研究，我國(guó)4大鹽湖區(qū)鎂鹽礦產(chǎn)資源的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)

9、數(shù)十億噸，其中，柴達(dá)木盆地內(nèi)大小不等的33個(gè)鹵水湖、半干涸鹽湖和干涸鹽湖，蘊(yùn)藏著儲(chǔ)量占全國(guó)第一位的鎂鹽資源；我國(guó)海域水中的鎂合金達(dá)到0.13。如何開發(fā)這些資源已成為一個(gè)重要的研究方向。鎂冶金工藝 人類多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明：Magnesium metal can be manufactured by electrolytic and metallothermicreduction. 即作為一種活潑金屬，鎂可以用電解法或熱還原法冶煉。電解法煉鎂（Electrolytic Reduction）電解法是目前世界上應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)鎂的方法。電解法的原料一般是鎂的氯化物MgCl2。海水含有大量該類物質(zhì)，也常

10、作為反應(yīng)原料。其反應(yīng)基本方程如下：MgCl2 Mg + Cl2反應(yīng)原理很容易理解，氯離子在電解槽陽(yáng)極失去電子變?yōu)槁葰?，鎂離子在電解池陰極得到電子，最終析出鎂。相關(guān)反應(yīng)過(guò)程如下：MgCl2 * 2H2O = MgCl2 * H2O + H2OMgCl2 * 2H2O = MgOHCl + H2O + CHlMgCl2 * H2O = MgOHCl + HClMgCl2 * H2O =MgCl2 +H2OMgOHCl = MgO +HClMgO + C + Cl2 =MgCl2 +CO電解法的另一個(gè)關(guān)鍵是電解槽。如右圖所示即是美國(guó)陶氏電解槽。目前世界上鎂電解槽技術(shù)比較先進(jìn)的有挪威海德魯公司的DLE

11、電解槽、美國(guó)的MCell電解槽、加拿大鋁業(yè)公司的MK3和Ex2電解槽，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。 由表2可以看出目前世界上以MgCIz為原料的熔鹽電解制取金屬鎂的最好經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是Alcan的Ex2電解槽，電流效率87，直流電耗小于11 000kWht·Mg。 以海水為原料電解制鎂有下圖所示兩種著名的工藝： 左邊的是The Dow seawater process ，右邊的是The Norsk Hydro process 。用含鎂礦石煉鎂通常先在高溫下將其轉(zhuǎn)化為熔融狀態(tài)，脫水后再電解。比如以菱鎂礦石高溫氯化生產(chǎn)的無(wú)水氯化鎂為原料的熔鹽電解法，要將氯化鎂溶解在以NaClCaCl2或Na

12、ClCaCl2一KCI的電解質(zhì)熔體中進(jìn)行電解，該方法每電解生產(chǎn)1 t鎂需要消耗4245 t MgCl2 ；還有以水氯鎂石脫水后制成的氯化鎂為原料的熔鹽電解法，在水氯鎂石(MgCl2·6H2O)脫水過(guò)程中，可用多種脫水法，包括氨光鹵石法、鉀光鹵石法、熔融氯化脫水、流態(tài)化脫水法等。按脫水溫度的高低可分低溫脫水法和高溫脫水法。鉀光鹵石脫水法和熔融氯化脫水法為高溫脫水法。而低溫脫水法度一般不超過(guò)500，其優(yōu)點(diǎn)是能耗低，對(duì)設(shè)備的腐蝕性小。金屬熱還原法煉鎂（Thermal Reduction） 熱還原法是一種在高溫下從金屬化合物中還原出金屬單質(zhì)的方法，一種熱還原反應(yīng)爐如下頁(yè)圖所示。熱還原法煉鎂主

13、要有如下幾種方法。 1. 皮江法 經(jīng)典的熱還原冶煉鎂的方法。簡(jiǎn)言之，該法即是將反應(yīng)物與還原劑的配料置于金屬制的真空罐內(nèi)，靠外部熱源進(jìn)行加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)所需要的溫度，從而進(jìn)行還原反應(yīng)來(lái)制得金屬鎂的。 具體來(lái)說(shuō)，該方法生產(chǎn)金屬鎂是以煅燒白云石為原料、硅鐵為還原劑、螢石為催化劑，進(jìn)行計(jì)量配料。粉磨后壓制成球，稱為球團(tuán)。將球團(tuán)裝入還原罐中，加熱到1200，內(nèi)部抽真空至13.3Pa或更高，則產(chǎn)生鎂蒸氣。鎂蒸氣在還原罐前端的冷凝器中形成結(jié)晶鎂，亦稱粗鎂。再經(jīng)熔劑精煉，產(chǎn)出商品鎂錠，即精鎂。 冶煉過(guò)程相關(guān)反應(yīng)如下： 皮江法煉鎂需要外界提供高溫?zé)嵩矗覈?guó)目前用煤作燃料，這樣必然帶來(lái)下面這些缺點(diǎn)：（1）燃料消

14、耗較大，煤耗約為810 tt·Mg，而實(shí)際上熱效率只有20左右。（2）煤燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生的大量塵埃和廢氣，給環(huán)境造成了很大的影響。（3）還原反應(yīng)罐用鎳鉻合金鋼鑄造，其消耗在015 tt·Mg左右，所占成本2 400元t·Mg以上。2. 半連續(xù)法該方法19501963由Group Pechiney研發(fā)。其工藝流程可見下頁(yè)圖。該方法相對(duì)皮江法有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 該法熱源為原料和反應(yīng)產(chǎn)物在1 600左右所生成的熔體電阻的焦耳熱，熱效率提高，其交流電耗為8 850 kWht·Mg；（2）原料為煅燒的白云石、菱鎂礦和鋁土礦，還原劑為含有77Si，4 oA AI的硅

15、鐵合金，該法對(duì)原料的活性沒有特殊要求；（3）還原反應(yīng)為半連續(xù)的，爐底有出渣口，反應(yīng)器與Mg結(jié)晶器之間有閥門，可以在過(guò)程中更換結(jié)晶器，取出產(chǎn)品；（4）生產(chǎn)能力大，Mg產(chǎn)量可達(dá)到345 kgh；（5）還原劑的消耗比皮江法低102 tt·Mg。 該方法的缺點(diǎn)是：（1）沒有根本解決反應(yīng)爐炭素內(nèi)襯的壽命問(wèn)題，在1 600的反應(yīng)溫度下，炭素內(nèi)襯與爐渣很容易反應(yīng)生成硅鋁合金，因此會(huì)消耗炭素內(nèi)襯；（2）反應(yīng)溫度高，副反應(yīng)增加，產(chǎn)品的純度不如皮江法。3. 波爾加諾法該法與皮江法的不同點(diǎn)僅在于使用內(nèi)電阻加熱，加熱元件為高溫合金導(dǎo)電體，其優(yōu)點(diǎn)如下：（1） 熱效率高，電耗低，僅為8 000 kWht

16、3;Mg左右；（2） 由于采用了電加熱，該方法對(duì)環(huán)境污染程度較皮江法要??；（3）還原過(guò)程鎂回收率高，還原渣中未反應(yīng)的MgO殘留量少。鎂冶金業(yè)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)是鎂的資源大國(guó)，我國(guó)原鎂產(chǎn)量也居世界首位。早在2003年，我國(guó)鎂產(chǎn)量就達(dá)到354萬(wàn)噸左右，占世界鎂產(chǎn)量的68。我國(guó)的鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展既有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)。下面我們就電解法與熱還原法兩方面來(lái)看看國(guó)內(nèi)外目前鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況。目前全世界鎂的產(chǎn)量每年在50多萬(wàn)噸左右。其中40是用氯化鎂熔鹽電解法生產(chǎn)的。就我國(guó)來(lái)看，采用電解法煉鎂仍不普及。目前熱法煉鎂已經(jīng)占全國(guó)鎂產(chǎn)量的98以上?，F(xiàn)在我國(guó)采用電解法生產(chǎn)金屬鎂的只有青海民和鎂廠一家，產(chǎn)量在7000噸年左右，產(chǎn)品

17、質(zhì)量穩(wěn)定，一直保持著良好的企業(yè)信譽(yù)。 電解法氯化鎂的方法在我國(guó)不甚普及，相關(guān)工藝與技術(shù)落后是主要原因。在我國(guó)傳統(tǒng)熔鹽電解法煉鎂生產(chǎn)中，氯化鎂是以菱鎂礦、石油焦和氯氣為原料，用高溫氯化的方法生產(chǎn)的。它的生產(chǎn)成本幾乎占鎂電解生產(chǎn)成本的一半，且生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)條件差，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，經(jīng)常發(fā)生氯氣的跑、冒、漏，給環(huán)境造成污染，給工人的身體健康帶來(lái)影響。此外，電解槽的容量小、電耗高、電流效率低也是制約發(fā)展的瓶頸。雖然通過(guò)幾年的技術(shù)攻關(guān)，我國(guó)試驗(yàn)成功了無(wú)隔板電解槽電解煉鎂的技術(shù)，在工業(yè)上120kA試驗(yàn)電解槽上也取得的研究成果，但在國(guó)際上依然處于落后局面。目前，國(guó)際上比較好的電解槽，每噸金屬鎂的電能消耗約為

18、12000kWh噸鎂，電流效率90以上。最大的電解槽的電流強(qiáng)度為400kA(挪威)。根據(jù)國(guó)外資料報(bào)道，最近還出現(xiàn)了一種能量效率更高的鎂電解槽，其電解槽鎂電解的電能消耗為l 1500kWh噸鎂，這種電解槽是無(wú)隔板電解槽的一種改進(jìn)，代表著電解鎂技術(shù)的最新水平。 如前所述，我國(guó)原鎂產(chǎn)量已達(dá)世界第一，而這些原鎂大都都是采用熱還原法中的皮江法這種工藝生產(chǎn)出來(lái)的。皮江法爐體小，建造容易，投資少，可以不使用電能，技術(shù)難度小，國(guó)家對(duì)環(huán)境與資源的限制小，故而在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是改革開放后，我國(guó)皮江法熱法煉鎂技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，至今已變得比較成熟。但是，我國(guó)皮江法在很多方面仍存在著較多的問(wèn)題與技術(shù)落后，比如說(shuō)采用燃料而非電能來(lái)為反應(yīng)提供能量，高溫鋼合金爐消耗成本大，生產(chǎn)過(guò)程未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等等。我國(guó)目前的皮江法煉鎂技術(shù)是靠犧牲能源、犧牲環(huán)境為發(fā)展鎂冶金之路，并非是正確之路。我國(guó)熱法煉鎂技術(shù)能耗高，生產(chǎn)率低，又不符合能源資源與環(huán)境的產(chǎn)業(yè)政策，是一種落后的生產(chǎn)技術(shù)。 國(guó)際上比較先進(jìn)的硅熱法煉鎂技術(shù)為半連續(xù)法和波爾加諾法，其優(yōu)點(diǎn)有：能以較低能耗取得較高的熱效率；反應(yīng)溫度高對(duì)物料活性要求低，反應(yīng)快而穩(wěn)定；反應(yīng)爐容積大，產(chǎn)率高；反應(yīng)爐維護(hù)成本低。目前國(guó)際上在工業(yè)生產(chǎn)中采用的半連續(xù)法是法國(guó)的半連續(xù)內(nèi)部單相真空礦熱爐型熔融爐料電阻加熱半連續(xù)法，還原反