【文章內容簡介】 M60A、 AM60B、 AM50HP等牌號，其用途極廣 。鎂鑄件應用于汽車工業(yè)，主要是用做汽車上的零部件，如離合器殼體、閥蓋、閥板、儀表板、轉向柱架、進氣歧管、照明夾持器，變速箱體、曲軸箱、馬達殼體、發(fā)動機前蓋、氣缸蓋和氣缸頭蓋等。用鎂合金制造殼體類零件，不僅可以減輕重量，具有更好的加速和減速性能，而且由于鎂合金的阻尼衰減能力強，降低了汽車運行時的噪音 [911]。 由于鎂及其合金的密度小，應用于航空、航天領域中減重效果非常好，應用意義重大，所以早在 20 世紀 20 年代鎂合金就被應用于航空領域。隨著鎂合金制備技術的發(fā)展，材料的性能如比強度、比剛度、耐熱強度和蠕變等性 能不斷提高，其應用范圍也不斷擴大。日前其應用領域包括各種民用、軍用飛機的發(fā)動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構以及火箭、導彈和衛(wèi)星的一些零部件 [12, 13]。鎂合金由于密度小，近年來在導彈、火箭等結構件中應用廣泛，主要用于戰(zhàn)術防空導彈的支座艙段與副冀蒙皮、壁板、加強框、舵面、隔框等零件 [14]。衛(wèi)星上采用了 ZM5 鎂合金制作井字梁與相機架，以及各種儀器支架和殼體等 [15]。 一種新型的高溫強度高，高溫耐腐蝕性好的 AE4 AE42 合金應用于航天工業(yè) [16]。 鎂合金在家用電器中的應用。現代電子技術的發(fā)展，對電 子器件用結構材料及部件的性能提出了越來越高的要求。鎂及其合金是制造電子器件殼體的理想材料，在電子及家用電器產品上具有廣闊的應用前景。近十年來，在世界上電子工業(yè)發(fā)達的國家，一大批重要電子產品使用了鎂及其合金，取得了理想的效果。采用鎂及其合金制備的電子器件殼體具有一系列優(yōu)點 [17]：結構質量輕、散熱性好、電磁屏蔽能力強。總的看來，金屬鎂的應用在 21 世紀其主要應用是在鎂合金方面。 鎂合金基復合材料是新開發(fā)的產品，以顆粒形碳化硅作加強相，主要效果是提高了東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1章 緒論 4 彈性模量，與沒有增強相的鎂合金比，彈性模量提高了 40%，而其密 度只有 179。，鎂合金基復合材料較普通鎂合金具有更好的耐磨性和較低的熱膨脹系數。 由于通過采用降低電位實現控制電化學腐蝕的技術，鎂犧牲陽極合金（帶狀或棒狀鎂犧牲陽極合金）已廣泛應用于油氣管道，城市供水、供氣管道，儲罐的陰極保護，以及碼頭鋼棒，混凝土基礎，水工閘門等接地材料的電化學保護和船舶的陰極保護。鎂犧牲陽極合金的應用在國內外市場的需求量極大。 6. 作為高儲能材料。 鎂在常壓下大約 250℃ 和 H 2作用生成 MgH2，但它在低壓或稍高溫度下又能釋放氫，故具有儲氫的作用。 MgH2較一般金屬氫化物儲能 高，所以鎂可以作為高儲能材料 鎂 礦資源 鎂在自然界中鎂是地殼中分布較廣的元素之一，占地殼質量的 %。鎂以化合物形態(tài)存在的鎂礦，在 1500 種礦物中占 了 多種，但能作為煉鎂原料的鎂礦僅以下幾種，如表 11 所示。目前煉鎂工業(yè)上使用的原料多為白云石、菱鎂礦、水氯鎂石（濃縮的海水、鹵水或 MgCl26H2O）、光鹵石等四種 [8]。 菱鎂礦 (MgCO3)是碳酸鹽礦物，理論上含 MgO %，其礦物有結晶形與無定形兩種。結晶形菱鎂礦的特點是具有玻璃光澤，而無定形菱鎂礦則沒有光澤 ，并有角質端口。 純菱鎂礦多為白色或淡黃色。但是，由于 常含有碳酸鈣、碳酸鐵、碳酸錳、二氧化硅等雜質 ，致使菱鎂礦的顏色也呈現各式各樣，橙黃、淺灰以及暗灰等。菱鎂礦許多國家都有，如中國、蘇聯、挪威、印度、意大利等。世界上最大的菱鎂礦礦床在中國的營口大石橋地區(qū)，其儲量與質量居世界第一。世界上開采的菱鎂礦石約 90%用于耐火材料工業(yè)，而煉鎂工業(yè)所用的菱鎂礦只是一小部分，有深厚的研究價值。 能作為煉鎂原料的菱鎂礦，其品位為： MgO 45%～ 46%， CaO %～ %， SiO2 %～ %。 菱鎂礦可作為電解法煉鎂的原料，也 可作為熱法煉鎂的原料。 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1章 緒論 5 表 煉鎂用的鎂礦及其特征 礦物名稱 化學式 含量 % 密度 g/cm179。 莫氏硬度 MgO Mg 菱鎂礦 MgCO3 ~ ~ 白云石 CaCO3MgCO3 ~ ~ 水氯鎂石 MgCl26H2O 1~2 光鹵石 KClMgCl26H2O 硫酸鎂石 MgSO4H 2O 鉀鎂礬石 KClMgSO43H2O ~ 無水鉀鎂礬 2MgSO4K 2SO4 ~ 蛇紋石 3MgO2SiO22H2O 3~ 鎂橄欖石 Mg2SiO4 ~ 水鎂石 Mg(OH)2 2. 白云石 白云石 (CaCO3MgCO3)是碳酸鎂與碳酸鈣的復鹽，理論含 CaO %， MgO %，白云 石中 CaO 與 MgO 的理論質量比等于 ，摩爾比為 。大多數天然白云石中 CaO與 MgO 的質量比是 ~。白云石礦床多賦存于前寒武系中，賦存在古生界中的礦床規(guī)模較小，中生界和第三系地層中有價值的白云巖礦床更少。我國白云巖產在前寒武紀中層中為多，其礦體厚度巨大，石炭系、二疊系中的白云巖礦床則分布于南方的鄂、湘、桂諸省。白云巖成因十分復雜。白云石不能在正常海水中沉淀出來，地殼原生沉積的白云巖是指碳酸鈣沉積物成巖過程中，發(fā)生了沉積層內物質的重新分配。在成巖過程中礦物轉化為釋解出的 Mg2+替代鈣離子而形 成。 白云石有結晶形和無定形兩種。白云石因含有不同雜質，而具有不同的顏色。白云石廣泛分布在地殼中，在碳酸鹽總量中白云石約占 4%，幾乎世界各國都有。白云石是硅熱法煉鎂的主要原料；也可以由它先制取 MgO，再成球氯化為 MgCl2，然后用電解法生產金屬鎂。 能作為硅熱法煉鎂的白云石，其品位為 MgO19%~21% ， CaO30%~33% ，CaO/MgO， R2O3+SiO2%，堿金屬氧化物 (Na2O+K2O)%、 Mn%，燒損率為 %~%。 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1章 緒論 6 3. 水氯鎂石及光鹵石 水氯鎂石 （ MgCl26H2O）與光鹵石（ KClMgCl26H2O） 是兩種含水的氯鹽。這兩種材料必須經過徹底脫水成為無水 MgCl2或無水光鹵石（ KClMgCl2）后才能按電解法來生產金屬鎂。 兩種礦石在我國青海省鹽湖中有極為豐富的資源，其組分為： MgCl2 %， KCl %， NaCl %， H2O % 。 表 為海水中鹽類的主要成分，海水中 鈉 含量 最高， 其次是鎂約 ％，所以海水是煉鎂的重要原料之一。我國海岸線很長，沿海各地提取食鹽后副產的大量鹵水是生產金屬鎂的重要原 料。 表 海水中鹽類成分 名稱 NaCl MgCl2 Na2SO4 CaCl2 KCl NaHCO3 KBr H3BO3 SrCl2 含量 /% 鎂的 生產方法 1. 電解法 電解法的原理是電解熔融的無水氯化鎂，使之分解成金屬鎂和氯氣。依據所用原理及處理原料的方法不同，可細分為以下具體的方法 ： 道烏法（ Dow Process）、氧化鎂氯化法（ IG Farbenindusrie Process）、諾斯克法（ Norsk Hydro Process）和光鹵石法（ Russian Process）等。 （ 1） 氧化鎂氯化法 。 利用天然菱鎂礦，在 700～ 800℃下煅燒得到活性較好的輕燒氧化鎂。 80%氧化鎂的粒度要小于 ，然后與碳素混合制團，團塊爐料在豎式電爐中氯化，制得無水氯化鎂，直接投入電解槽，最后電解得金屬鎂。制備 MgCl2的反應方程式為： 2MgO+2Cl2+C=2MgCl2+CO2。 （ 2）光鹵石法 。以光鹵石為原料，通過脫水制取無水 MgCl2KCl，電解生產金屬鎂的方法。俄羅斯采用鉀 光鹵石為原料煉鎂， 70年代使用沸騰床代替了回轉窯脫水，每臺沸騰床日產 200~ 205T，一次脫水料 (含 MgCl47%， MgO3%， H2O ~%)，提高了單位設備生產能力和脫水效率 (90%~95%)。為除去剩余水分再經 二次電爐熔融或氯化器徹底脫水制得無水鉀光鹵石含 MgC12 50%~51%， MgO%，在 10~12萬安的隔板電解槽中電解，電流效率為 77%~78%，直流電耗為 16300KWh/T鎂，每 T鎂總電耗在 2萬 KWh左右。該法脫水技術容易，但氯化濃度低，物料流量大， l T鎂耗用 ，東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1章 緒論 7 副產氯氣 ~ T/T鎂，產廢電解質 T (KCl78%， MgC125%)。 （ 3） 道烏法 （ DOW 法 ） 。 DOW工藝是美國道烏化學公司所發(fā)明的，以海水 和石灰乳 為原料，用電解鎂的副產品鹽酸，經處理制成氯溶液，再經干燥脫水制成MgCl2，在外加熱式 （ 以天然氣外加熱 ） 電解槽 （ 電流強度為 90KA） 中生產出金屬鎂。美國道烏化學公司自由港鎂廠就是采用此流程，它是世界上個以工業(yè)規(guī)模生產鎂的企業(yè)，從 1913 年就開始生產，這種含水料 （ 低水氯化鎂 ） 生產鎂是美國獨有的電解工藝 ，該法的缺點是電解中陽極消耗大，石墨陽極消耗高達 100kg/t 鎂，是無水氯化鎂電極消耗的 5 倍，電流效率低，電流效率僅達 75%~80%，電耗高，電耗 16500kWh/t鎂，對環(huán)境污染嚴重 [18]。 （ 4） 諾斯克法 挪威諾斯克水電公司利用德國制鉀工業(yè)的鹵水廢液 （ 其中含有氯化鎂 ） ，利用高壓干燥的 HCl 氣體帶走氯化鎂結晶水，制取固態(tài)顆粒狀無水氯化鎂，然后電解制備金屬鎂。諾斯克法是唯一不使用氯化鎂反應器制備無水氯化鎂的方法。 （ 5） 以鹵水或鹽湖水經脫水后制取無水氯化鎂的電解法 。 它是將含水原料經蒸拔、濃縮，除去其中 的鉀、鈉鹽、澳、硫酸等雜質后噴霧干燥脫水處理，得出含水較少的固體氯化鎂，熔融氯化徹底脫水，制取無水氯化鎂進行電解生產金屬鎂。該法備和材料要求嚴格，有許多是專用設備，對技術操作要求高，需水平的技術工人進行操作，控制生產。美國鉛公司工藝流程的特點是經過除 SO2 4 和 B 以后濃縮的鹵水 （ 即 MgCl2溶液 ） ，經一次噴霧脫水，二次熔融氯化脫水后獲得無化鎂熔體，然后在 110kA（ ） 槽和無隔板槽中電解，獲得商品鎂。目前該工藝的運營成本為噸鎂 2068 美元，該工藝環(huán)保不達標，急需治理。 1. 熱法 熱法按還原劑不同有碳熱法和 硅 熱還原法。 硅熱還原法，按照所用設備裝置不同，可分為：皮江法，巴爾扎諾法和馬格尼法 [19]。 (1)皮江法。皮江法是加拿大皮江博士 （ Pidgeon） 所發(fā)明，故稱皮江法。是硅鐵（ Si75%） 還原鍛燒的白云石，將料磨細，在一定壓強下壓制成形狀及大小的球團后加入由耐熱鋼制成的罐中，抽真空并加熱至一定溫度則會有鎂蒸氣析出，在罐的冷端設有一筒形冷凝器，析出的氣就會在其中冷凝成一個冠狀晶體，再經過精煉即可得到成品鎂。為了提高反應速率，一般在爐料中配入一定量的添加劑，如 CaF2 等。工業(yè)生產中由于受到還原罐材料的限制，反 應溫度一般控制在不超過 1200℃ 。 采用此法的有加拿大多米尼昂公司、意大利 SAIM 制鎂公司和日本的本古河鎂公司等，現都己停產。這種工藝東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1章 緒論 8 流程的特點是生產具有靈活性，可因地制宜地利用多種熱源，還原過程鎂的實收率高，約 85%87%缺點是間斷生產，生產能力和勞動生產率低，用昂貴的耐熱鋼 （ 鎳錫合金 ）做還原罐，每 噸 鎂凈耗 20 kg，還原罐容量小，使用壽命短，從而鎂的成本增加 [20]。 自 1995年以來，無論從我國的總生產能力，還是實際產量而言皮江法鎂占 90%，電解法鎂占 10%。在我國中西部地區(qū)經濟尚不發(fā)達有著豐富的礦 產資源和勞動力，白云石蘊藏量大，分布廣，煤炭質優(yōu)價廉，硅鐵還原劑貨源充足，有發(fā)展皮江法鎂廠的有利條件。而皮法煉鎂具有生產流程簡單，生產規(guī)模靈活，建設投資少，建設周期短等特點，相比之下，電解法煉鎂建設周期長，投資大。在目前國內資金、資源分散，技術管理落后的情況下，建設大型先進的電解法鎂困難甚多，致使皮江法鎂廠應運而生，而低水平的盲目發(fā)展，又造成了國家資金、資源的浪費 [21]。 2021年以來，鎂工業(yè)的新工藝、新技術己有不同層次的發(fā)展，大企業(yè)為改變 “中國鎂