金属镁的冶炼工艺简介.docx

金属镁的冶炼工艺简介镁是一种轻金属，是十分常见的有色金属之一，也是一种轻质的 金属结构材料近些年来，随着科学的技术进步，对新型材料的需求 越来越高精尖，促进了镁的各种应用，用途和应用领域在不断扩大 镁的冶炼方法是镁工业发展的前提和基础，现有金属镁的冶炼方法普 遍存在能耗大、污染严重、流程长、成本高等问题开发金属镁冶炼 新技术研究具有十分重要的意义一、金属镁简介1.1、镁的性质镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁的比重是1.74g/cm3，只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4;镁是地球上储量最丰 富的轻金属元素之一，镁蕴藏量丰富，在宇宙中含量第八，在地壳中 含量丰度2%,海水中含量第三1.2、镁的储量分布镁在自然界分布广泛，主要以固体矿和液体矿的形式存在固体 矿主要有菱镁矿、白云石等;液体矿主要来自海水、天然盐湖水、地 下卤水等根据美国地质调查局（USGS） 2015年公布的数据显示，全球已 探明的菱镁矿资源量达120 亿吨，储量 24 亿吨蕴藏丰富的国家包 括：俄罗斯（6.5 亿吨，占总量 27%）;中国（5 亿吨，占总量 21%）; 韩国（4.5 亿吨），具体数据见表一表一 全球菱镁矿储量（千吨）国家储量美国1澳大利亚9.5奥地利1.5巴西8.6中国50希腊8印度2韩国45俄罗斯65斯洛伐克3.5西班牙1土耳其4.9其他国家39全球总量240来源：美国地址调查局（USGS）1.3、我国镁资源储量分布情况中国是世界上镁资源最为丰富的国家之一，镁资源矿石类型全， 分布广。

中国是世界上菱镁矿资源是继俄罗斯之后最为丰富的国家， 特点是地区分布不广、储量相对集中，大型矿床多世界菱镁矿储量 的 21% 集中在中国，产量的 67%由中国提供（具体分布见表二）表二 中国镁资源储量分布情况矿种分布菱镁矿辽宁菱镁矿储量最为丰富，占全国的85.6%，此外，山东、西藏、新 疆、甘肃等地区菱镁矿也较丰富白云石热液矿主要在辽东、胶东地区广泛发育广西、贵州、宁夏、吉林、青海、云南、四川等省区盐湖资主要分布于西藏自治区的北部和青海省柴达木盆地，其中柴达木盆地内的镁盐储量占全国总量的99%，氯化镁累计查明资源储量42.81亿吨，硫酸镁累计查明资源储量17.22亿吨二、镁的应用2.1、 镁的应用 镁的应用主要集中在镁合金生产，炼钢脱硫，还用在稀土合金、金属还原、腐蚀保护及其他领域1） 金属脱硫，使用镁粉的脱硫效果比碳化钙好；（2） 腐蚀保护，使用镁牺牲阳极进行阴极保护，是一种有效的 防止金属腐蚀的方法，广泛用于石油管道、天然气、煤气管道和储罐、 冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设 备2.2、 镁合金的应用镁合金具有良好的轻量性，切削性，耐蚀性，减震性，尺寸稳定 和耐冲击性，远远优质于其他材料。

这些特性使得镁合金在广泛领域 都有应用，比如交通运输领域，电子工业，医疗领域，军事工业等， 这种趋势只增不减尤其在 3C 产品（计算机类、消费类电子产品、 通讯类）、高铁、汽车、自行车、航空航天、建筑装饰、手持工具、 医疗康复器械等领域应用前景好、潜力大，已经成为未来新型材料的 发展方向之一1）航空航天从 20 世纪开始，镁合金就在航空航天领域得到应用一般航空 用镁合金主要是板材和挤压型材，少部分是铸件目前镁合金在航空 的应用领域包括各种民用、军用飞机的民动机零部件、螺旋桨、齿轮 箱、支架结构及火箭、导弹和卫星的一些零部件等2）汽车工业 镁合金广泛用于汽车仪表板、座椅支架、变速箱壳体、方向操纵 系统部件、发动机罩盖、车门、发动机缸体、框架等零部件上用镁 合金制造汽车零部件，可以显著减轻车重，降低油耗，减少尾气排放 量，提高零部件的集成度，提高汽车设计的灵活性等3）电子通信行业 电子信息行业由于数字化技术的发展，市场对电子及通讯产品的 高度集成化、轻薄化、微型化和符合环保要求越来越高镁合金具有 优异的薄壁铸造性能，其压铸件的壁厚可达0.6〜1.0 mm,并保持一定 的强度、刚度和抗撞能力，这非常有利于产品超薄、超轻和微型化的 要求,这是工程颜料无法比拟的。

目前用镁合金制作零部件的电器产 品有照相机、摄影机、数码相机、笔记本电脑、移动、电视机、 等离子显示器、硬盘驱动器等4）医疗体系 与人体骨骼密度最为接近的镁合金有着独特的优势（镁合金密度 约为1.7g/cm3、人体骨骼密度约为1.75 g/cm3）镁合金容易加工成形， 并且具有优良的综合力学性能以及独特的生物降解功能,而镁又是人 体所必需的宏量金属元素之一，释放出的镁离子还可促进骨细胞的增 殖及分化，促进骨骼的生长和愈合，同时，镁合金的加工性能远优于 聚乳酸、磷酸钙等其他类型可降解植入材料，因此其在心血管支架方 面也具有临床应用价值，镁合金是医用金属材料的不二选择5）军工装备军事装备中使用镁合金可以提高结构件强度，减轻装备重量，提 高武器命中率同时，镁合金能够满足航空航天等高科技领域对材料 吸噪、减震、防辐射的要求，明显改善飞行器的气体动力学性能和减 轻结构重量也被用于制造一些军事装备，例如掩体支架、迫击炮底 座和导弹等6）其他应用镁合金在我们生活中其他的小领域也应用广泛，比如摩托车和自 行车应用，医疗机械如轮椅等，造船工业和海洋工程中主要用于航海 仪器、水中兵器、海水电池、潜水服、牺牲阳极、定时装置等。

三、现有炼镁方法世界各国金属镁冶炼工业中比较成熟的炼镁方法大致可分为两大类: 1、从尖晶石、卤水或海水中将含有氯化镁的溶液经脱水或焙融氯化镁熔体,之后进行电解，此法称为电解法；2、用硅铁对从碳酸盐 矿石中经煅烧产生的氧化镁进行热还原，此法称为热还原法（皮江法）表三 镁的冶炼技术概况镁冶炼技术镁矿原料电解法道乌法海水卤水氧化镁氯化法菱镁矿光卤石法光卤石AMC法盐湖卤水诺斯克法海水或MgCl2含量较高卤水硅热法皮江法白云石波尔扎诺法半连续法国外大部分使用电解法，以液体矿地下卤水、海水卤水（苦卤）、 盐湖卤水为原料我国的镁资源主要以固体矿藏白云石矿（主要成份 CaMg（CO3）2）为主，并且储量大、分布广、品质优，几乎各省都有, 因此绝大部分用硅热法自 2005 年至今，我国镁产量持续增长，多 年居世界第一3.1、电解法电解法炼镁的原理是在高温下电解熔融的无水氯化镁 ,使之分解 成金属镁和氯气高温情况下水对熔盐性质的影响是致命的，因此， 高纯度的无水氯化镁是电解法制镁关键所在依据所用原料及处理原 料的方法不同,电解法炼镁又可细分为几种具体的方法：道乌法、光 卤石法、氧化镁氯化法、 AMC 法、诺斯克法。

电解法生产金属镁存在的主要问题有：◊生产过程复杂，电耗高，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；◊废气、废水、废渣处理的任务重、费用高；◊ 设备和厂房由于腐蚀严重，维修费用高，投资较大◊ 因为皮江法炼镁工艺流程短、投资少、建厂快、成本较低 但是熔炼技术比较落后、生产过程中资源能源消耗比较大 污染比较严重3.2、皮江法皮江法炼镁的实质是在高温和真空条件下,有氧化钙存在时,通过 硅 (或铝 )还原氧化镁生成镁蒸气 ,与反应生成的 固体硅酸二钙(2CaO・SiO2)相互分离,并经冷凝得到结晶镁该工艺过程可分为白云 石煅烧、原料制备、还原和精炼四个阶段镁锭渣—真空陸原—团块——压团白云石f 回转窑煨烧f 焜白 f 球磨一►煽白粉f混料穡炼结晶镂硅热法生产金属镁存在的主要问题有：◊ 还原剂(硅铁)的价格比较贵；◊ 还原罐由特殊的合金钢(3Cr24Ni7N)制成，价格昂贵，使用寿命不长；还原罐的尺寸较小，单罐装料量低，热效率不高，机械化程 度低，生产效率低表四 两种工艺对比如下：冶炼技术优势缺点电解法节能；产品均匀性好；易于大规模工业化生产；生产过程连续；生产成本比皮江法低等。

无水氯化镁制备的生产工艺 较难控制；水氯镁石脱水需要较高温度 和酸性气氛，使得能耗大， 设备腐蚀严重；电解法生产过程排放的废 水、废气和废渣，对环境造 成污染，处理费用大皮江法工艺流程和设备较简单，建厂投资少， 生产规模灵活；成品镁的纯度高；炉体小，建造容易，技术难度小； 利用资源丰富的白云石作为原料热利用率低；还原罐寿命短，还原炉所占 的成本较大；属于劳动密集型，生产过程 不连续四、其他新型炼镁方法4.1、真空碳热还原法真空碳热还原法炼镁，是以电作热源将镁物料（如白云石矿、菱镁矿等）转换为氧化镁（MgO）,然后C与MgO反应生成镁蒸汽，控制合适的冷凝条件可以得到冷凝的金属镁相关资料表明氟化钙（CaF2）对碳热还原氧化镁可以起到催化剂的作用，可以显著提高碳热还原氧化镁的还原率，当不加入氟化钙时，氧化镁的还原率只有25.6%；当氟化钙的加入量为 5%时，还原率达到75.7%；当氟化钙的 量在增加时，还原率仍保持在 75.7%左右4.1.1、国内研究情况 国内昆明理工大学真空冶金及材料研究所目前仍在进行这方面 的研究，主要研究的内容有：研制高效还原反应器，研制新型冷凝器， 进行扩大试验，进一步对反应机理进行研究等。

通过20 年对真空条 件下碳热还原法的持续研究，实验室开展了对包括菱镁矿、白云石、 磷矿选矿尾矿、碱式碳酸镁、蛇纹石、高镁硅红土镍矿等含氧化镁矿 物的提镁工艺实验研究，获得了可收集的结晶金属镁在实验料量百克级，还原温度在1300-1500°C之间，还原时间2-5h, 真空炉内保持合适的系统压力，配碳量充足的条件下，氧化镁还原率 超过 99%为保证还原反应的顺利进行，根据热力学计算及实验研究， 还原温度不应低于1250C为控制一氧化碳可逆反应的影响，避免金属镁冷凝成粉状，引发 安全隐患，对金属镁冷凝条件进行了大量研究结果表明: 控制冷凝 区温度梯度以及镁蒸气气体分压，是影响镁蒸气冷凝效果的主要因素 通过对镁蒸气与CO相互作用机理的研究，理清了可逆反应作用机制 在此基础上对冷凝器进行改造，得到了结晶良好安全性高的块状镁， 金属镁直收率可达90%以上将还原得到的冷凝金属粗镁进行真空蒸 馏处理，得到了纯度较高的金属镁，镁元素含量超过98 %同时蒸 馏产物中氧元素含量由冷凝物中的 8%左右降到 1 %通过计算表征 了镁蒸气冷凝过程中与CO气体发生重氧化反应的可逆率，可逆率不 超过 9 %4.1.2、能耗对比新工艺与电解法和硅热法能耗对比如表所示。

表五 炼镁方法能耗比较(kW・ h/t)项目皮江法电解法碳热法原料处理170025001700还原反应120001350011760*硅铁6750——CO热量回收——-2000熔炼520520520合计209701652011980从表中可以看出，使用碳热法工艺炼镁，总体上能耗仅为硅热法的 57% ，电解法的 72.5% 此外，真空碳热还原法使用廉价的煤炭 (600-1000元/吨)作为还原剂，比皮江法使用昂贵的硅铁(>6000 元/吨)作为还原剂能极大的节约成本，按研究结果如进行镁的工业 生产，从综合成本上与目前皮江法相比，可降低 30%以上，因此有必 要开展。