1、華東理工大學20102011學年第 2學期現代冶金概論課程論文 2011.3班級 化學092學號10092541 姓名開課學院資源與環境工程學院任課教師成績_論文題目：論文要求：結合現代冶金概論的課堂教學，按照選題范圍，自選題目，認真查閱有關資料的基礎上，寫一篇3000-5000字的課程論文，具體要求：（1）4篇以上與內容相關的參考文獻（學術期刊），其中英文不少于2篇，參考文獻格式應符合國家標準（參見華東理工大學學報；（2）嚴禁抄襲（3）論文上交時間4月23日-5月1號。評分標準：選題15分（選題正確、簡潔嚴謹），摘要20分（200-300字），正文40分（內容完整、論述全面、分析正確、行文流

2、暢、格式規范），參考文獻25分（文獻數量、引用正確、標注規范）。交卷方式：電子文檔，郵箱地址：電子文檔統一命名：學號-姓名，不得使用其他名字，否則無效。教師評語：淺談鎂與鎂冶金摘要 鎂是一種輕金屬，在人類生產生活中有著廣泛的應用。自然界中有多種礦石含有鎂，把鎂從相應礦物中提取出來即為鎂的冶煉，目前世界上普遍采用電解法與熱還原法來冶煉鎂，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，相關鎂冶金工藝的說明（不同冶煉工藝的優缺點，冶煉主反應及作用），鎂冶金行業發展現狀的國內外比較等幾個方面來談談我對鎂冶金工業的認識，同時，作為現代冶金概論這門課的課程論文，該文章也是我對該課程學習的一個總

3、結。金屬鎂鎂（Magnesium）是一種化學元素，它的化學符號是Mg，原子序數是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的質量，亦是宇宙中第九多元素。鎂的密度小，離子化傾向大。現已發現鎂的同位素共有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，鎂的表面會生成一層很薄的氧化膜，使空氣很難與它反應。鎂和醇、水反應都能夠生成氫氣。粉末或帶狀的鎂在空氣中燃燒時會發出強烈的白光。在氮氣中進行高溫加熱，鎂會生成氮化鎂（Mg3N2）；鎂也可以和鹵素發生強烈反應；鎂也能

4、直接與硫化合。 金屬鎂有著廣泛的應用。在工業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%鎂的鋁鎂合金質輕，有良好的機械性能，廣泛在航空、航天上使用。另外，利用鎂易于氧化的性質，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。體育競賽前運動員擦在手上的白粉末也是鎂粉。自從1808年英國化學家戴維（H.Davy）用熔融電解法首先制得了金屬鎂，1828年法國科學家比西用金屬鉀還原熔融的無水氯化鎂得到純鎂以來，鎂的相關研究在世界范圍內已取得長足發展。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。這是一種白色有玻璃光澤的礦物，有時因含有雜質而呈現出其他顏色，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構，因此人們通常將它歸類入方解石礦物組群。 菱鎂礦是我國的優勢礦產資源之一，其儲量、產量、出口量均居世界首位。目前，我國菱鎂礦及其制品出口到亞洲、美洲及歐洲的45個國家和地區，我國菱鎂礦資源具有世界各國難以比擬的資源優勢、質量優勢和可觀的規模經營優勢。目前，全世界已探明的菱鎂礦儲量約

6、130億噸，除我國外主要產出國及其儲量（億噸）為：朝鮮30，前蘇聯22，新西蘭6，捷克5，印度1，奧地利0.8，美國0.7，加拿大0.6，巴西0.4，希臘0.3，前南斯拉夫0.14。我國菱鎂礦的總儲量約占世界的1/4，目前已累計探明儲量31億噸，保有儲量30億噸，均居世界第一位。我國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，外表類似石灰巖，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。我國含鎂白云石礦豐富，白云石資源遍及我國各省區，特別是山西、寧夏、河南、吉林、青海、貴州等省區，現已探明儲量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，有時也因含有其他雜質而呈現出其他顏色。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。水鎂石是比較稀有的礦產, 以前沒有在中國被大規模發現過，從九十年代中期開始, 中國陸續發現了一些大的水鎂石礦產，其中有開采價值的礦山主要集中在鳳城市(原來為丹東的一個縣)。現在在大丹東地區已經發現了超過四百萬噸的水鎂石礦產

8、品資源。 橄欖石，它是一種鎂與鐵的硅酸鹽，其化學式為(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。與其說橄欖石是一種礦物，不如說它是一種寶石，因橄欖狀靚麗外表而得名的橄欖石被人們當做裝飾物，甚至用作結婚16周年的紀念寶石。橄欖石是地球中最常見的礦物之一，分布廣，產地也多，但寶石級的橄欖石主要產地是在美國。此外，橄欖石也曾出現在部分隕石，月球，火星及一些彗星上（如維爾特二號彗星上慧發部分的塵埃，以及坦普爾一號彗星的彗核）。 近年來，海洋資源、河湖資源日益得到人們的重視，這也是蘊含鎂資源的另一寶藏。據研究，我國4大鹽湖區鎂鹽礦產資源的遠景儲量達

9、數十億噸，其中，柴達木盆地內大小不等的33個鹵水湖、半干涸鹽湖和干涸鹽湖，蘊藏著儲量占全國第一位的鎂鹽資源；我國海域水中的鎂合金達到0.13。如何開發這些資源已成為一個重要的研究方向。鎂冶金工藝 人類多年的生產經驗表明：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用最廣泛的生產鎂的方法。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，也常

10、作為反應原料。其反應基本方程如下：MgCl2 Mg + Cl2反應原理很容易理解，氯離子在電解槽陽極失去電子變為氯氣，鎂離子在電解池陰極得到電子，最終析出鎂。相關反應過程如下：MgCl2 * 2H2O = MgCl2 * H2O + H2OMgCl2 * 2H2O = MgOHCl + H2O + CHlMgCl2 * H2O = MgOHCl + HClMgCl2 * H2O =MgCl2 +H2OMgOHCl = MgO +HClMgO + C + Cl2 =MgCl2 +CO電解法的另一個關鍵是電解槽。如右圖所示即是美國陶氏電解槽。目前世界上鎂電解槽技術比較先進的有挪威海德魯公司的DLE

11、電解槽、美國的MCell電解槽、加拿大鋁業公司的MK3和Ex2電解槽，其主要技術經濟指標如表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濟指標是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化為熔融狀態，脫水后再電解。比如以菱鎂礦石高溫氯化生產的無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的電解質熔體中進行電解，該方法每電解生產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500，其優點是能耗低，對設備的腐蝕性小。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的方法，一種熱還原反應爐如下頁圖所示。熱還原法煉鎂主

13、要有如下幾種方法。 1. 皮江法 經典的熱還原冶煉鎂的方法。簡言之，該法即是將反應物與還原劑的配料置于金屬制的真空罐內，靠外部熱源進行加熱來實現還原反應所需要的溫度，從而進行還原反應來制得金屬鎂的。 具體來說，該方法生產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，進行計量配料。粉磨后壓制成球，稱為球團。將球團裝入還原罐中，加熱到1200，內部抽真空至13.3Pa或更高，則產生鎂蒸氣。鎂蒸氣在還原罐前端的冷凝器中形成結晶鎂，亦稱粗鎂。再經熔劑精煉，產出商品鎂錠，即精鎂。 冶煉過程相關反應如下： 皮江法煉鎂需要外界提供高溫熱源，我國目前用煤作燃料，這樣必然帶來下面這些缺點：（1）燃料消

14、耗較大，煤耗約為810 tt·Mg，而實際上熱效率只有20左右。（2）煤燃燒過程中，產生的大量塵埃和廢氣，給環境造成了很大的影響。（3）還原反應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. 半連續法該方法19501963由Group Pechiney研發。其工藝流程可見下頁圖。該方法相對皮江法有如下優點：（1） 該法熱源為原料和反應產物在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，該法對原料的活性沒有特殊要求；（3）還原反應為半連續的，爐底有出渣口，反應器與Mg結晶器之間有閥門，可以在過程中更換結晶器，取出產品；（4）生產能力大，Mg產量可達到345 kgh；（5）還原劑的消耗比皮江法低102 tt·Mg。 該方法的缺點是：（1）沒有根本解決反應爐炭素內襯的壽命問題，在1 600的反應溫度下，炭素內襯與爐渣很容易反應生成硅鋁合金，因此會消耗炭素內襯；（2）反應溫度高，副反應增加，產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僅在于使用內電阻加熱，加熱元件為高溫合金導電體，其優點如下：（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，該方法對環境污染程度較皮江法要小；（3）還原過程鎂回收率高，還原渣中未反應的MgO殘留量少。鎂冶金業國內外發展現狀我國是鎂的資源大國，我國原鎂產量也居世界首位。早在2003年，我國鎂產量就達到354萬噸左右，占世界鎂產量的68。我國的鎂產業發展既有優勢也有劣勢。下面我們就電解法與熱還原法兩方面來看看國內外目前鎂產業的發展情況。目前全世界鎂的產量每年在50多萬噸左右。其中40是用氯化鎂熔鹽電解法生產的。就我國來看，采用電解法煉鎂仍不普及。目前熱法煉鎂已經占全國鎂產量的98以上。現在我國采用電解法生產金屬鎂的只有青海民和鎂廠一家，產量在7000噸年左右，產品

17、質量穩定，一直保持著良好的企業信譽。 電解法氯化鎂的方法在我國不甚普及，相關工藝與技術落后是主要原因。在我國傳統熔鹽電解法煉鎂生產中，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的。它的生產成本幾乎占鎂電解生產成本的一半，且生產過程復雜，生產條件差，設備腐蝕嚴重，經常發生氯氣的跑、冒、漏，給環境造成污染，給工人的身體健康帶來影響。此外，電解槽的容量小、電耗高、電流效率低也是制約發展的瓶頸。雖然通過幾年的技術攻關，我國試驗成功了無隔板電解槽電解煉鎂的技術，在工業上120kA試驗電解槽上也取得的研究成果，但在國際上依然處于落后局面。目前，國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度為400kA(挪威)。根據國外資料報道，最近還出現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，這種電解槽是無隔板電解槽的一種改進，代表著電解鎂技術的最新水平。 如前所述，我國原鎂產量已達世界第一，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出來的。皮江法爐體小，建造容易，投資少，可以不使用電能，技術難度小，國家對環境與資源的限制小，故而在國內得到廣泛應用，特別是改革開放后，我國皮江法熱法煉鎂技術得到了蓬勃發展，至今已變得比較成熟。但是，我國皮江法在很多方面仍存在著較多的問題與技術落后，比如說采用燃料而非電能來為反應提供能量，高溫鋼合金爐消耗成本大，生產過程未能實現自動控制等等。我國目前的皮江法煉鎂技術是靠犧牲能源、犧牲環境為發展鎂冶金之路，并非是正確之路。我國熱法煉鎂技術能耗高，生產率低，又不符合能源資源與環境的產業政策，是一種落后的生產技術。 國際上比較先進的硅熱法煉鎂技術為半連續法和波爾加諾法，其優點有：能以較低能耗取得較高的熱效率；反應溫度高對物料活性要求低，反應快而穩定；反應爐容積大，產率高；反應爐維護成本低。目前國際上在工業生產中采用的半連續法是法國的半連續內部單相真空礦熱爐型熔融爐料電阻加熱半連續法，還原反