【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 合器殼體、閥蓋、閥板、儀表板、轉(zhuǎn)向柱架、進(jìn)氣歧管、照明夾持器，變速箱體、曲軸箱、馬達(dá)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋、氣缸蓋和氣缸頭蓋等。用鎂合金制造殼體類(lèi)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(qiáng)，降低了汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的噪音 [911]。 由于鎂及其合金的密度小，應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域中減重效果非常好，應(yīng)用意義重大，所以早在 20 世紀(jì) 20 年代鎂合金就被應(yīng)用于航空領(lǐng)域。隨著鎂合金制備技術(shù)的發(fā)展，材料的性能如比強(qiáng)度、比剛度、耐熱強(qiáng)度和蠕變等性 能不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。日前其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種民用、軍用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結(jié)構(gòu)以及火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的一些零部件 [12, 13]。鎂合金由于密度小，近年來(lái)在導(dǎo)彈、火箭等結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用廣泛，主要用于戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈的支座艙段與副冀蒙皮、壁板、加強(qiáng)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(jī)架，以及各種儀器支架和殼體等 [15]。 一種新型的高溫強(qiáng)度高，高溫耐腐蝕性好的 AE4 AE42 合金應(yīng)用于航天工業(yè) [16]。 鎂合金在家用電器中的應(yīng)用?，F(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電 子器件用結(jié)構(gòu)材料及部件的性能提出了越來(lái)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(chǎn)品上具有廣闊的應(yīng)用前景。近十年來(lái)，在世界上電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，一大批重要電子產(chǎn)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(diǎn) [17]：結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、散熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)?？偟目磥?lái)，金屬鎂的應(yīng)用在 21 世紀(jì)其主要應(yīng)用是在鎂合金方面。 鎂合金基復(fù)合材料是新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，以顆粒形碳化硅作加強(qiáng)相，主要效果是提高了東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 緒論 4 彈性模量，與沒(méi)有增強(qiáng)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(fù)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(shù)。 由于通過(guò)采用降低電位實(shí)現(xiàn)控制電化學(xué)腐蝕的技術(shù)，鎂犧牲陽(yáng)極合金（帶狀或棒狀鎂犧牲陽(yáng)極合金）已廣泛應(yīng)用于油氣管道，城市供水、供氣管道，儲(chǔ)罐的陰極保護(hù)，以及碼頭鋼棒，混凝土基礎(chǔ)，水工閘門(mén)等接地材料的電化學(xué)保護(hù)和船舶的陰極保護(hù)。鎂犧牲陽(yáng)極合金的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求量極大。 6. 作為高儲(chǔ)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(chǔ)氫的作用。 MgH2較一般金屬氫化物儲(chǔ)能 高，所以鎂可以作為高儲(chǔ)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(zhì)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(jié)晶形與無(wú)定形兩種。結(jié)晶形菱鎂礦的特點(diǎn)是具有玻璃光澤，而無(wú)定形菱鎂礦則沒(méi)有光澤 ，并有角質(zhì)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(zhì) ，致使菱鎂礦的顏色也呈現(xiàn)各式各樣，橙黃、淺灰以及暗灰等。菱鎂礦許多國(guó)家都有，如中國(guó)、蘇聯(lián)、挪威、印度、意大利等。世界上最大的菱鎂礦礦床在中國(guó)的營(yíng)口大石橋地區(qū)，其儲(chǔ)量與質(zhì)量居世界第一。世界上開(kāi)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?jī)r(jià)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 緒論 5 表 煉鎂用的鎂礦及其特征 礦物名稱(chēng) 化學(xué)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(wú)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(fù)鹽，理論含 CaO %， MgO %，白云 石中 CaO 與 MgO 的理論質(zhì)量比等于 ，摩爾比為 。大多數(shù)天然白云石中 CaO與 MgO 的質(zhì)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(jià)值的白云巖礦床更少。我國(guó)白云巖產(chǎn)在前寒武紀(jì)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(fù)雜。白云石不能在正常海水中沉淀出來(lái)，地殼原生沉積的白云巖是指碳酸鈣沉積物成巖過(guò)程中，發(fā)生了沉積層內(nèi)物質(zhì)的重新分配。在成巖過(guò)程中礦物轉(zhuǎn)化為釋解出的 Mg2+替代鈣離子而形 成。 白云石有結(jié)晶形和無(wú)定形兩種。白云石因含有不同雜質(zhì)，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(guó)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(chǎn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jīng)過(guò)徹底脫水成為無(wú)水 MgCl2或無(wú)水光鹵石（ KClMgCl2）后才能按電解法來(lái)生產(chǎn)金屬鎂。 兩種礦石在我國(guó)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(lèi)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(guó)海岸線(xiàn)很長(zhǎng)，沿海各地提取食鹽后副產(chǎn)的大量鹵水是生產(chǎn)金屬鎂的重要原 料。 表 海水中鹽類(lèi)成分 名稱(chēng) NaCl MgCl2 Na2SO4 CaCl2 KCl NaHCO3 KBr H3BO3 SrCl2 含量 /% 鎂的 生產(chǎn)方法 1. 電解法 電解法的原理是電解熔融的無(wú)水氯化鎂，使之分解成金屬鎂和氯氣。依據(jù)所用原理及處理原料的方法不同，可細(xì)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(tuán)，團(tuán)塊爐料在豎式電爐中氯化，制得無(wú)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(yīng)方程式為： 2MgO+2Cl2+C=2MgCl2+CO2。 （ 2）光鹵石法 。以光鹵石為原料，通過(guò)脫水制取無(wú)水 MgCl2KCl，電解生產(chǎn)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(zhuǎn)窯脫水，每臺(tái)沸騰床日產(chǎn) 200~ 205T，一次脫水料 (含 MgCl47%， MgO3%， H2O ~%)，提高了單位設(shè)備生產(chǎn)能力和脫水效率 (90%~95%)。為除去剩余水分再經(jīng) 二次電爐熔融或氯化器徹底脫水制得無(wú)水鉀光鹵石含 MgC12 50%~51%， MgO%，在 10~12萬(wàn)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(wàn) KWh左右。該法脫水技術(shù)容易，但氯化濃度低，物料流量大， l T鎂耗用 ，東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 緒論 7 副產(chǎn)氯氣 ~ T/T鎂，產(chǎn)廢電解質(zhì) T (KCl78%， MgC125%)。 （ 3） 道烏法 （ DOW 法 ） 。 DOW工藝是美國(guó)道烏化學(xué)公司所發(fā)明的，以海水 和石灰乳 為原料，用電解鎂的副產(chǎn)品鹽酸，經(jīng)處理制成氯溶液，再經(jīng)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(qiáng)度為 90KA） 中生產(chǎn)出金屬鎂。美國(guó)道烏化學(xué)公司自由港鎂廠(chǎng)就是采用此流程，它是世界上個(gè)以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)鎂的企業(yè)，從 1913 年就開(kāi)始生產(chǎn)，這種含水料 （ 低水氯化鎂 ） 生產(chǎn)鎂是美國(guó)獨(dú)有的電解工藝 ，該法的缺點(diǎn)是電解中陽(yáng)極消耗大，石墨陽(yáng)極消耗高達(dá) 100kg/t 鎂，是無(wú)水氯化鎂電極消耗的 5 倍，電流效率低，電流效率僅達(dá) 75%~80%，電耗高，電耗 16500kWh/t鎂，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重 [18]。 （ 4） 諾斯克法 挪威諾斯克水電公司利用德國(guó)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(jié)晶水，制取固態(tài)顆粒狀無(wú)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(yīng)器制備無(wú)水氯化鎂的方法。 （ 5） 以鹵水或鹽湖水經(jīng)脫水后制取無(wú)水氯化鎂的電解法 。 它是將含水原料經(jīng)蒸拔、濃縮，除去其中 的鉀、鈉鹽、澳、硫酸等雜質(zhì)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(wú)水氯化鎂進(jìn)行電解生產(chǎn)金屬鎂。該法備和材料要求嚴(yán)格，有許多是專(zhuān)用設(shè)備，對(duì)技術(shù)操作要求高，需水平的技術(shù)工人進(jìn)行操作，控制生產(chǎn)。美國(guó)鉛公司工藝流程的特點(diǎn)是經(jīng)過(guò)除 SO2 4 和 B 以后濃縮的鹵水 （ 即 MgCl2溶液 ） ，經(jīng)一次噴霧脫水，二次熔融氯化脫水后獲得無(wú)化鎂熔體，然后在 110kA（ ） 槽和無(wú)隔板槽中電解，獲得商品鎂。目前該工藝的運(yùn)營(yíng)成本為噸鎂 2068 美元，該工藝環(huán)保不達(dá)標(biāo)，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(shè)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(chēng)皮江法。是硅鐵（ Si75%） 還原鍛燒的白云石，將料磨細(xì)，在一定壓強(qiáng)下壓制成形狀及大小的球團(tuán)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(huì)有鎂蒸氣析出，在罐的冷端設(shè)有一筒形冷凝器，析出的氣就會(huì)在其中冷凝成一個(gè)冠狀晶體，再經(jīng)過(guò)精煉即可得到成品鎂。為了提高反應(yīng)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(chǎn)中由于受到還原罐材料的限制，反 應(yīng)溫度一般控制在不超過(guò) 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(xiàn)都己停產(chǎn)。這種工藝東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 緒論 8 流程的特點(diǎn)是生產(chǎn)具有靈活性，可因地制宜地利用多種熱源，還原過(guò)程鎂的實(shí)收率高，約 85%87%缺點(diǎn)是間斷生產(chǎn)，生產(chǎn)能力和勞動(dòng)生產(chǎn)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(lái)，無(wú)論從我國(guó)的總生產(chǎn)能力，還是實(shí)際產(chǎn)量而言皮江法鎂占 90%，電解法鎂占 10%。在我國(guó)中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)尚不發(fā)達(dá)有著豐富的礦 產(chǎn)資源和勞動(dòng)力，白云石蘊(yùn)藏量大，分布廣，煤炭質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，硅鐵還原劑貨源充足，有發(fā)展皮江法鎂廠(chǎng)的有利條件。而皮法煉鎂具有生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)規(guī)模靈活，建設(shè)投資少，建設(shè)周期短等特點(diǎn)，相比之下，電解法煉鎂建設(shè)周期長(zhǎng)，投資大。在目前國(guó)內(nèi)資金、資源分散，技術(shù)管理落后的情況下，建設(shè)大型先進(jìn)的電解法鎂困難甚多，致使皮江法鎂廠(chǎng)應(yīng)運(yùn)而生，而低水平的盲目發(fā)展，又造成了國(guó)家資金、資源的浪費(fèi) [21]。 2021年以來(lái)，鎂工業(yè)的新工藝、新技術(shù)己有不同層次的發(fā)展，大企業(yè)為改變 “中國(guó)鎂 ”的整體形象，開(kāi)始重視對(duì)環(huán)境及勞動(dòng)強(qiáng)度的保護(hù)和改善，運(yùn)用 新的工藝改善整體技術(shù)指標(biāo)，尤其是我國(guó)的皮江法煉鎂、白云石鍛燒、還原等工藝技術(shù)有了新的