《现代冶金概论》课程论文-浅谈镁与镁冶金.doc

华东理工大学20102011学年第 2学期 现代冶金概论 课程论文 2011.3班级 化学092 学号10092541 姓名 杨也 开课学院 资源与环境工程学院 任课教师 路贵民 成绩_论文题目： 论文要求：结合现代冶金概论的课堂教学，按照选题范围，自选题目，认真查阅有关资料的基础上，写一篇3000-5000字的课程论文，具体要求：（1）4篇以上与内容相关的参考文献（学术期刊），其中英文不少于2篇，参考文献格式应符合国家标准（参见华东理工大学学报； （2）严禁抄袭（3）论文上交时间4月23日-5月1号。评分标准：选题15分（选题正确、简洁严谨），摘要20分（200-300字），正文40分（内容完整、论述全面、分析正确、行文流畅、格式规范），参考文献25分（文献数量、引用正确、标注规范）。交卷方式：电子文档，邮箱地址： 电子文档统一命名：学号-姓名，不得使用其他名字，否则无效。教师评语：浅谈镁与镁冶金摘要 镁是一种轻金属，在人类生产生活中有着广泛的应用。自然界中有多种矿石含有镁，把镁从相应矿物中提取出来即为镁的冶炼，目前世界上普遍采用电解法与热还原法来冶炼镁，这也是冶炼金属的一般方法。本文将就金属镁及其化合物的介绍，相关镁冶金工艺的说明（不同冶炼工艺的优缺点，冶炼主反应及作用），镁冶金行业发展现状的国内外比较等几个方面来谈谈我对镁冶金工业的认识， 同时，作为现代冶金概论这门课的课程论文，该文章也是我对该课程学习的一个总结。金属镁镁（Magnesium）是一种化学元素，它的化学符号是Mg，原子序数是12，是一种具有银白色光泽略具延展性的碱土金属（IIA族）。镁是在地球的地壳中第八丰富的元素，约占2的质量，亦是宇宙中第九多元素。镁的密度小，离子化倾向大。现已发现镁的同位素共有13种，包括镁20至镁32，其中只有镁24、镁25、镁26是稳定的，其他镁的同位素都带有放射性。镁是一种很活泼的金属。在空气中，镁的表面会生成一层很薄的氧化膜，使空气很难与它反应。镁和醇、水反应都能够生成氢气。粉末或带状的镁在空气中燃烧时会发出强烈的白光。在氮气中进行高温加热，镁会生成氮化镁（Mg3N2）；镁也可以和卤素发生强烈反应；镁也能直接与硫化合。 金属镁有着广泛的应用。在工业上镁可用于熔融盐金属热还原法以制取稀有金属。而且镁比铝轻，含5%-30%镁的铝镁合金质轻，有良好的机械性能，广泛在航空、航天上使用。另外，利用镁易于氧化的性质，可用于制造许多纯金属的还原剂。镁也可用于闪光灯、吸气器、烟花、照明弹等。体育竞赛前运动员擦在手上的白粉末也是镁粉。自从1808年英国化学家戴维（H.Davy）用熔融电解法首先制得了金属镁，1828年法国科学家比西用金属钾还原熔融的无水氯化镁得到纯镁以来，镁的相关研究在世界范围内已取得长足发展。镁的主要矿物及化合物 作为一种活泼金属，镁主要以化合物的形式存在于自然界中。镁的主要来源有：菱镁矿、白云岩、水镁石、橄榄石和海水、天然盐湖水等。 菱镁矿，主要成分是碳酸镁（MgCO3）。菱镁矿从属于三方晶系，但不易形成好的晶体，通常是以岩块状出现。这是一种白色有玻璃光泽的矿物，有时因含有杂质而呈现出其他颜色，一般呈透明或半透明状。作为一种碳酸盐，菱镁矿可溶于盐酸。菱镁矿的特性与方解石相似，它与方解石有着同样的晶体结构，因此人们通常将它归类入方解石矿物组群。 菱镁矿是我国的优势矿产资源之一，其储量、产量、出口量均居世界首位。目前，我国菱镁矿及其制品出口到亚洲、美洲及欧洲的45个国家和地区，我国菱镁矿资源具有世界各国难以比拟的资源优势、质量优势和可观的规模经营优势。目前，全世界已探明的菱镁矿储量约130亿吨，除我国外主要产出国及其储量（亿吨）为：朝鲜30，前苏联22，新西兰6，捷克5，印度1，奥地利0.8，美国0.7，加拿大0.6，巴西0.4，希腊0.3，前南斯拉夫0.14。我国菱镁矿的总储量约占世界的1/4，目前已累计探明储量31亿吨，保有储量30亿吨，均居世界第一位。我国的菱镁矿资源主要集中分布于辽宁、山东两省，其中辽宁省储量尤为巨大。白云岩，主要成分是碳酸镁钙（ CaMg(CO3)2 ）。它是一种以白云石为主要组分的碳酸岩岩石，含有少量的方解石和黏土等矿物，以及少量的二氧化硅、氧化铁、氧化铝等，外表类似石灰岩，多为浅灰色、白色或灰黑色。白云岩也从属于三方晶系，一般形成半透明到透明并有着玻璃到珍珠光泽的菱面体。我国含镁白云石矿丰富，白云石资源遍及我国各省区，特别是山西、宁夏、河南、吉林、青海、贵州等省区，现已探明储量40亿吨以上。水镁石，主要成分是氢氧化镁（Mg(OH)2 ）。它一般为厚板状有珍珠光泽的晶体，也从属于三方晶系。水镁石多为白色，有时也因含有其他杂质而呈现出其他颜色。作为一种氢氧化物，水镁石易溶于酸而不易溶于碱。此外，水镁石还具有耐高温的性质。水镁石是比较稀有的矿产, 以前没有在中国被大规模发现过，从九十年代中期开始, 中国陆续发现了一些大的水镁石矿产，其中有开采价值的矿山主要集中在凤城市(原来为丹东的一个县)。现在在大丹东地区已经发现了超过四百万吨的水镁石矿产品资源。 橄榄石，它是一种镁与铁的硅酸盐，其化学式为(Mg,Fe)2SiO4。其状如橄榄，一般为黄到黄绿色有玻璃光泽的透明或半透明晶体，从属于斜方晶系。与其说橄榄石是一种矿物，不如说它是一种宝石，因橄榄状靓丽外表而得名的橄榄石被人们当做装饰物，甚至用作结婚16周年的纪念宝石。橄榄石是地球中最常见的矿物之一，分布广，产地也多，但宝石级的橄榄石主要产地是在美国。此外，橄榄石也曾出现在部分陨石，月球，火星及一些彗星上（如维尔特二号彗星上慧发部分的尘埃，以及坦普尔一号彗星的彗核）。 近年来，海洋资源、河湖资源日益得到人们的重视，这也是蕴含镁资源的另一宝藏。据研究，我国4大盐湖区镁盐矿产资源的远景储量达数十亿吨，其中，柴达木盆地内大小不等的33个卤水湖、半干涸盐湖和干涸盐湖，蕴藏着储量占全国第一位的镁盐资源；我国海域水中的镁合金达到0.13。如何开发这些资源已成为一个重要的研究方向。镁冶金工艺 人类多年的生产经验表明：Magnesium metal can be manufactured by electrolytic and metallothermic reduction. 即作为一种活泼金属，镁可以用电解法或热还原法冶炼。电解法炼镁（Electrolytic Reduction）电解法是目前世界上应用最广泛的生产镁的方法。电解法的原料一般是镁的氯化物MgCl2。海水含有大量该类物质，也常作为反应原料。其反应基本方程如下： MgCl2 Mg + Cl2 反应原理很容易理解，氯离子在电解槽阳极失去电子变为氯气，镁离子在电解池阴极得到电子，最终析出镁。相关反应过程如下： MgCl2 * 2H2O = MgCl2 * H2O + H2O MgCl2 * 2H2O = MgOHCl + H2O + CHl MgCl2 * H2O = MgOHCl + HCl MgCl2 * H2O = MgCl2 + H2O MgOHCl = MgO + HCl MgO + C + Cl2 = MgCl2 + CO电解法的另一个关键是电解槽。如右图所示即是美国陶氏电解槽。目前世界上镁电解槽技术比较先进的有挪威海德鲁公司的DLE电解槽、美国的MCell电解槽、加拿大铝业公司的MK3和Ex2电解槽，其主要技术经济指标如表2所示。 由表2可以看出目前世界上以MgCIz为原料的熔盐电解制取金属镁的最好经济指标是Alcan的Ex2电解槽，电流效率87，直流电耗小于11 000kWhtMg。 以海水为原料电解制镁有下图所示两种著名的工艺： 左边的是The Dow seawater process ，右边的是The Norsk Hydro process 。用含镁矿石炼镁通常先在高温下将其转化为熔融状态，脱水后再电解。比如以菱镁矿石高温氯化生产的无水氯化镁为原料的熔盐电解法，要将氯化镁溶解在以NaClCaCl2或NaClCaCl2一KCI的电解质熔体中进行电解，该方法每电解生产1 t镁需要消耗4245 t MgCl2 ；还有以水氯镁石脱水后制成的氯化镁为原料的熔盐电解法，在水氯镁石(MgCl26H2O)脱水过程中，可用多种脱水法，包括氨光卤石法、钾光卤石法、熔融氯化脱水、流态化脱水法等。按脱水温度的高低可分低温脱水法和高温脱水法。钾光卤石脱水法和熔融氯化脱水法为高温脱水法。而低温脱水法度一般不超过500，其优点是能耗低，对设备的腐蚀性小。金属热还原法炼镁（Thermal Reduction） 热还原法是一种在高温下从金属化合物中还原出金属单质的方法，一种热还原反应炉如下页图所示。热还原法炼镁主要有如下几种方法。 1. 皮江法 经典的热还原冶炼镁的方法。简言之，该法即是将反应物与还原剂的配料置于金属制的真空罐内，靠外部热源进行加热来实现还原反应所需要的温度，从而进行还原反应来制得金属镁的。 具体来说，该方法生产金属镁是以煅烧白云石为原料、硅铁为还原剂、萤石为催化剂，进行计量配料。粉磨后压制成球，称为球团。将球团装入还原罐中，加热到1200，内部抽真空至13.3Pa或更高，则产生镁蒸气。镁蒸气在还原罐前端的冷凝器中形成结晶镁，亦称粗镁。再经熔剂精炼，产出商品镁锭，即精镁。 冶炼过程相关反应如下： 皮江法炼镁需要外界提供高温热源，我国目前用煤作燃料，这样必然带来下面这些缺点：（1）燃料消耗较大，煤耗约为810 ttMg，而实际上热效率只有20左右。（2）煤燃烧过程中，产生的大量尘埃和废气，给环境造成了很大的影响。（3）还原反应罐用镍铬合金钢铸造，其消耗在015 ttMg左右，所占成本2 400元tMg以上。2. 半连续法该方法19501963由Group Pechiney研发。其工艺流程可见下页图。该方法相对皮江法有如下优点：（1） 该法热源为原料和反应产物在1 600左右所生成的熔体电阻的焦耳热，热效率提高，其交流电耗为8 850 kWhtMg；（2）原料为煅烧的白云石、菱镁矿和铝土矿，还原剂为含有77Si，4 oA AI的硅铁合金，该法对原料的活性没有特殊要求；（3）还原反应为半连续的，炉底有出渣口，反应器与Mg结晶器之间有阀门，可以在过程中更换结晶器，取出产品；（4）生产能力大，Mg产量可达到345 kgh；（5）还原剂的消耗比皮江法低102 ttMg。 该方法的缺点是：（1）没有根本解决反应炉炭素内衬的寿命问题，在1 600的反应温度下，炭素内衬与炉渣很容易反应生成硅铝合金，因此会消耗炭素内衬；（2）反应温度高，副反应增加，产品的纯度不如皮江法。3. 波尔加诺法该法与皮江法的不同点仅在于使用内电阻加热，加热元件为高温合金导电体，其优点如下：（1） 热效率高，电耗低，仅为8 000 kWhtMg左右；（2） 由于采用了电加热，该方法对环境污染程度较皮江法要小；（3）还原过程镁回收率高，还原渣中未反应的MgO残留量少。 镁冶金业国内外发展现状我国是镁的资源大国，我国原镁产量也居世界首位。早在2003年，我国镁产量就达到354万吨左右，占世界镁产量的68。我国的镁产业发展既有优势也有劣势。下面我们就电解法与热还原法两方面来看看国内外目前镁产业的发展情况。目前全世界镁的产量每年在50多万吨左右。其中40是用氯化镁熔盐电解法生产的。就我国来看，采用电解法炼镁仍不普及。目前热法炼镁已经占全国镁产量的98以上。现在我国采用电解法生产金属镁的只有青海民和镁厂一家，产量在7000吨年左右，产品质量稳定，一直保持著良好的企业信誉。 电解法氯化镁的方法在我国不甚普及，相关工艺与技术落后是主要原因。在我国传统熔盐电解法炼镁生产中，氯化镁是以菱镁矿、石油焦和氯气为原料，用高温氯化的方法生产的。它的生产成本几乎占镁电解生产成本的一半，且生产过程复杂，生产条件差，设备腐蚀严重，经常发生氯气的跑、冒、漏，给环境造成污染，给工人的身体健康带来影响。此外，电解槽的容量小、电耗高、电流效率低也是制约发展的瓶颈。虽然通过几年的技术攻关，我国试验成功了无隔板电解槽电解炼镁的技术，在工业上120kA试验电解槽上也取得的研究成果，但在国际上依然处于落后局面。目前，国际上比较好的电解槽，每吨金属镁的电能消耗约为12000kWh吨镁，电流效率90以上。最大的电解槽的电流强度为400kA(挪威)。根据国外资料报道，最近还出现了一种能量效率更高的镁电解槽，其电解槽镁电解的电能消耗为l 1500kWh吨镁，这种电解槽是无隔板电解槽的一种改进，代表着电解镁技术的最新水平。 如前所述，我国原镁产量已达世界第一，而这些原镁大都都是采用热还原法中的皮江法这种工艺生产出来的。皮江法炉体小，建造容易，投资少，可以不使用电能，技术难度小，国家对环境与资源的限制小，故而在国内得到广泛应用，特别是改革开放后，我国皮江法热法炼镁技术得到了蓬勃发展，至今已变得比较成熟。但是，我国皮江法在很多方面仍存在着较多的问题与技术落后，比如说采用燃料而非电能来为反应提供能量，高温钢合金炉消耗成本大，生产过程未能实现自动控制等等。我国目前的皮江法炼镁技术是靠牺牲能源、牺牲环境为发展镁冶金之路，并非是正确之路。我国热法炼镁技术能耗高，生产率低，又不符合能源资源与环境的产业政策，是一种落后的生产技术。 国际上比较先进的硅热法炼镁技术为半连续法和波尔加诺法，其优点有：能以较低能耗取得较高的热效率；反应温度高对物料活性要求低，反应快而稳定；反应炉容积大，产率高；反应炉维护成本低。目前国际上在工业生产中采用的半连续法是法国的半连续内部单相真空矿热炉型熔融炉料电阻加热半连续法，还原反应温度在15001600之间，单炉产量37吨天。另一种是意大利的内部盘式金属片电阻加热硅热还原法，该法称为波尔加诺法。该法已在意大利本国、加拿大、美国和以色列等国申请了专利。据业内人士说，该技术也被引进到了巴西。意大利的波尔加诺法，用该技术已经达到了8000吨年的生产规模。我国现在虽已成为世界第一产镁大国，但我国镁冶金的技术仍然是落后的，是以牺牲环境和燃料资源为代价的。目前我国镁的生产能耗高，要想使我国早日成为技术先进的产镁强国，必须加大我国镁