有色金属冶金学镁冶金6
镁冶炼(二)
添加少量萤石(CaF2)粉能加速反应过程。反应在 900~1100℃及100Pa下进行，镁的收率可达到 65%。 但由于CaC2的活性较低，又易吸湿，物料流量大等 原因，此法目前也已停用。
3
金属热还原法 用金属或合金作为还原剂的热还原过程。其反应通式
能用作还原剂的金属很多。但从经济方面考虑，工业 上主要用含Si75%的硅铁合金(Ferrosilicon)作还原 剂，此时硅铁中的硅起还原作用，铁不起作用。此 时又叫做硅热法(Silicothermic Processes)。在 某些场合也用铝硅合金作还原剂，此时硅和铝都起 作用。
有色金属冶金学
Non-ferrous Metallurgy
Magnesium Metallurgy 镁冶金（二）
朱 骏
zhujun@
有色金属冶金系 北京科技大学冶金学院
1
2.3 Thermal Reduction Methods
根据还原剂的不同，热还原法炼镁可分为三种： 碳热还原法 以木炭、煤、焦炭等碳质材料作为还原剂，反应式：
19
讨论：为什么使用75%的硅铁作还原剂？ 85%、75%、45%和25%四种硅铁， 其中，83% 的硅铁在合金组织中几乎全部 是以游离硅存在；75%硅的硅铁是由游离 硅和FeSi2存在；45%硅的硅铁是由FeSi2 和FeSi 组成；25%的硅铁完全是由 FeSi 和 Fe3Si2组成。 之所以采用75%硅铁合金作为还原剂，是综 合考虑了技术与经济两方面因素。
8
Si(s) + 2(CaO· MgO)(s) = 2Mg(g) + 2CaO· SiO2(s)
ΔG0 = 492.21-0.27T kJ/mol ΔG = ΔG0 + RT ln(pMg/p0)2 欲使反应在1200℃下顺利进行，pMg = ？
有色金属冶金分析手册
有色金属冶金分析手册1. 引言有色金属冶金是一门对有色金属材料进行分析、测试和评估的技术与方法。
有色金属包括铜、铝、镁、锌等，它们广泛应用于航空、航天、电子、汽车等各个领域。
为了确保有色金属材料的质量和性能，需要进行全面和准确的分析。
本手册将介绍有色金属冶金分析的基本原理、常用技术和方法。
2. 有色金属冶金分析的基本原理有色金属冶金分析基于化学反应原理，通过对金属材料的成分和性质进行定量和定性分析。
其基本原理包括：2.1 氧化还原反应在有色金属冶金分析中，常常使用氧化还原反应来进行样品的处理和分析。
氧化还原反应涉及物质的电子转移和氧化态的变化，通过反应后产生的物质的变化来定量或定性金属的成分。
2.2 酸碱中和反应酸碱中和反应是在有色金属冶金分析中广泛应用的一种反应。
通过将酸性或碱性溶液与待测样品反应，通过改变 pH 值或生成沉淀进行分析。
2.3 光谱分析光谱分析是一种基于光的相互作用原理的分析方法。
在有色金属冶金分析中，常常使用原子吸收光谱、原子荧光光谱和光电离质谱等光谱分析方法进行金属成分的定量和定性分析。
3. 常用的有色金属冶金分析技术3.1 原子吸收光谱法原子吸收光谱法是通过测量金属元素对特定波长的光的吸收来定量金属元素的含量。
该方法具有操作简单、成本低和准确度高的特点，在有色金属冶金领域得到广泛应用。
3.2 原子荧光光谱法原子荧光光谱法是利用金属元素在电磁辐射作用下发生的荧光来进行金属成分的定量和定性分析。
该方法具有高灵敏度和高分辨率等优点，在有色金属冶金研究中应用较广。
3.3 X射线衍射法X射线衍射法是一种分析金属材料晶体结构的方法。
利用 X 射线与物质相互作用产生的衍射现象，可以测定金属中晶体结构的参数和定性的成分。
3.4 扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜(SEM)是一种用于观察和分析样品表面形貌和成分的仪器。
该方法可以进行高分辨率的成分分析，对有色金属冶金的研究有重要意义。
4. 有色金属冶金分析实验操作流程为了确保有色金属冶金分析的准确性和可靠性，需要进行标准化和规范的实验操作流程。
有色冶金基础知识
有色冶金基础知识有色金属是指除银、金、铜、铁、锡、铅、锌外的其他常见金属，包括铝、镁、钼、钛、锆等。
有色冶金则是对这些金属的加工技术和生产工艺的总称。
本文将介绍有色冶金的基础知识。
常见有色冶金金属铝铝是一种轻质、耐腐蚀的金属，在汽车、飞机、建筑以及汽车轮毂等方面有广泛应用。
铝的生产主要采用电解法，其生产原料是氧化铝。
镁镁是一种轻质、强度高、耐腐蚀的金属，在航空、汽车、轻工业等方面有广泛应用。
镁的生产主要采用热法，其生产原料是氧化镁和电石。
钼钼是一种高熔点、高硬度的金属，在航空、航天、核能工业等方面有广泛应用。
钼的生产主要采用电炉法，其生产原料是精炼的硫酸铵和可焙烧的铁铜矿。
钛钛是一种低密度、高强度、耐腐蚀的金属，在航空、医疗、核工业等方面应用广泛。
钛的生产主要采用克鲁萨法或氯化法，其生产原料是高纯度的钛酸钠。
锆锆是一种耐腐蚀、高强度的金属，在航空、医疗、核工业等方面应用广泛。
锆的生产主要采用熔盐电解法，其生产原料是氯化锆。
有色冶金的加工技术挤压挤压是制造圆形、方形、六边形等各种材质的型材的一种常用生产工艺。
挤压设备主要由挤压机、模具和冷却装置组成。
拉伸拉伸是制造各种材质的线材、棒材、管材等的一种常用生产工艺。
拉伸设备主要由拉伸机、钢丝牵引机、锻造机等组成。
锻造锻造是制造金属件的一种常用生产工艺。
锻造分为自由锻造、模锻和预精锻等多种方式。
锻造设备主要由锻压机、模具等组成。
轧制轧制是制造板材、带材、管材等的一种常用生产工艺。
轧制设备主要由轧机、轧辊等组成。
有色冶金的生产工艺电解法电解法是将金属离子在特定条件下通过电解析出金属的一种生产工艺。
铝、镁等有色金属的生产主要采用电解法。
热法热法是通过高温还原或氧化等方式来生产金属的一种生产工艺。
镁、钼等有色金属的生产主要采用热法。
克鲁萨法克鲁萨法是将钛酸钠通过氯气氧化转变为氯化钛，并在高温条件下还原而制得的一种生产工艺。
钛的生产主要采用克鲁萨法。
氯化法氯化法是将金属氯反应生成金属的一种生产工艺。
镁及镁合金
11.5 20.0
2.5 9.0
45 45
8 11.5
9 12.5
30Байду номын сангаас36
物理性能 比重 传热系数
单位
AZ91
AM60
A380 DC
A356 T6
尼龙 ABS
钢
g/cm3 W/m· k
1.81 51
1.79 61
国2003年钢铁脱硫用镁8000吨，占总消费量的15.62%。使用镁粒脱硫效果比 碳化钙好，虽然镁价格比碳化钙高，但用量为碳化钙的1/6～1/7，镁脱硫比 碳化钙经济。吨钢消耗镁粒0.4～0.5公斤，脱硫后含硫量0.001～0.005%。
金属还原剂：如稀土合金、钛等到。 镁牺牲阳极保护阴极：防腐性能好、不需外加直流电源、安装后自动运
186
205 90
无缺口冲击强度
有缺口冲击强度 延伸率 弹性模量
J
J % GPa
6
1.5 3 45
22
3.2 8-15 45 60 0.35
3.5
4 72
11
5 73 8 8.9 17 2.1 30-50 207
剪切模量
布氏硬度 泊松比
GPa
14
65 0.35
27
80 0.33
28
80
83
140 0.30
50 40 30
80 70 60 50 40 30 20 10 0
万吨
98
00
02
04 20
年度
19
20
20
世界镁产量 中国镁产量
最新镁冶金热还原法的原理与过程
从上面图可知：各种氧化物的△G值均随温度的 变化而变化，但变化的方向与幅度各不相同，有些 曲线的相互位置都发生了变化。
从图还可推知，只有在温度超过2373℃以后， SiO2的稳定性才会高于MgO的，才能发生如下反应：
计算表明：在温度低于2000K时，用Si还原MgO 根本就不可能。
●MgO·CaO还原的热力学原理
所以，硅热法炼镁，一般是在真空条 件下进行。
§3影响还原效率及硅利用率的因素
●还原温度
右图为p＝ 1716．2×105Pa，配硅 比＝1．1时在不同的时 间下，镁的还原效率与 硅利用率随着温度变化 而变化，图中虚线为镁 的还原效率，实线为硅 的利用率。此外还标注 了时间为1-2h时镁的还 原效率与硅的利用率的 数值。
从图中还可以看出，提高还原温度比延长还
原时间更能增加产量和提高硅的利用率。但是 在生产上由于还原罐材质受到影响，不能用提 高还原温度来缩短还原周期(即缩短还原时间) 达到高产的目的。这样做势必缩短了还原罐的 寿命。所以在低于1180℃温度下还原可适当延 长还原时间，但是绝对不能用提高温度、缩短 还原时间来提高镁的还原效率和硅的利用率。
那么，如果将常压改为真空状态， 会怎么样？下图是某些物质在不同真空 度下吉布斯自由能与温度的变化关系。
就反应：2MgO+Si=2Mg+SiO2而言， MgO、Si 、SiO2均为固态，其活度为1，此 时，吉布斯自由能的表达式为——
△G=△G0+RTlnpMg 当反应中 pMg ＜101.325pa时， RTlnpMg为负值， △G ＜ △G0这有利于将 反应的温度降低。
上图表明：
○随着温度的升高，在同一还原时间内，还原效率和 硅的利用率都有不同程度的提高。在低温区域内，镁的还 原效率和硅的利用率与温度的关系近似为直线，曲线的斜 度较大，也就是说，在低温区域内，同一时间内镁的还原 效率与硅的利用率增加更为明显。
镁的化学性质活泼
镁的化学性质活泼，在冶金工业中多被利用，炼钢业及有色金属铸造中，用镁粉做脱硫剂、净化剂，在稀有金属生产中做还原剂。
在化学工业中，镁粉可做为有机化合物的脱水剂或直接用镁粉制取镁的有机化合物。
近年来，镁粉在喷、涂、防腐行业中用途越来越大，在单晶硅、多晶硅以及冶金粉末压铸方面用量也很大。
总之镁及镁合金在汽车、航空航天、电子电器、军工、化工等领域得到广泛应用。
将盐湖水氯镁石、钾光卤石、菱镁矿卤水等含镁元素的镁矿石用电解的方法提炼出来的较高纯度的镁锭就叫做电解镁。
但随着中国皮江法炼镁的发展，电解法炼镁受到环保、电价等的困扰，此外包括曾被誉为先进的半连续硅热法炼镁，也都因高成本的劣势也已相继退出原镁生产领域。
有色金属冶金学
有色金属冶金学前言轻金属：铝、镁、铍、钛、钾、钠、锂、钙、锶、钡等十余种金属重金属：铜、镍、钴、锌、锡、锑、汞等二十余种金属稀有金属：钨、钼、锆、铪、铌、钽、稀土金属等数十种金属贵金属：金、银、铂族金属等几种第一篇轻金属冶金学第一章氧化铝生产1.摩尔比（苛性比）：溶液中Na2O浓度为135g/l，Al2O3为130g/l，则该溶液的摩尔比为MR=(135/130)*(102/62)=1.708。
式中的102和62分别为Na2O和Al2O3的分子量2.拜耳法生产氧化铝的主要工序包括：铝土矿原料准备、熔出、赤泥分离洗涤、分解、氢氧化铝分离洗涤、煅烧、蒸发和苛化3.拜耳法：是直接利用含有大量游离苛性钠的循环母液处理铝土矿，溶出其中氧化铝得到铝酸钠溶液，并用加氢氧化铝种子（晶种）分解的方法，使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结晶。
种分母液经蒸发后返回用于溶出铝土矿。
4.铝土矿的溶出及影响因素：铝土矿的溶出通常是在高于溶液常压沸点的温度下用苛性碱溶液处理的化学反应过程，所以也叫“高压（高温）溶出”。
影响因素：铝土矿的矿物成分及其结构；溶出温度；循环母液碱浓度；配料摩尔比；搅拌强度5.单流法、双流法：在溶出流程上可分将循环母液和矿石一起磨制成原矿浆进行预热溶出的“单流法”及仅将一部分循环母液送去磨制矿浆，大部分母液单独预热到溶出温度，再于溶出器内和浓稠矿浆混合进行溶出的“双流法”6.赤泥分离洗涤过程步骤：赤泥料浆稀释；沉降分离；赤泥反向洗涤；溢流控制过滤7.铝酸钠溶液加种子分解：实际上应包括铝酸根离子的分解和氢氧化铝结晶8.含铝矿物的分子式（刚玉、三水铝石、一水铝石、明矾石、霞石）：高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O、刚玉Al2O3、三水铝石Al(OH)3、一水铝石AlOOH 、明矾石(K, Na)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3、霞石(K, Na)2O·Al2O3·2SiO2。
有色冶金原理镁(二)
4
2.3.1 硅热法炼镁的基本原理
5
B、艾汉林图上标准生成自由能是指在标准状态下，即参与反应 的气态物质分压为0.1MPa，而固态或液态物质的活度均为1 时的生成自由能。
17
硅铁中含硅量不同，其还 原能力不同。在其它条件 相同的情况下，随着硅铁 中含硅量增加，还原所得 镁的产出率提高
但当含硅量超过75%以后， 镁产出率以及镁的平衡蒸 气压增加的幅度很小
考虑到含硅量越高的硅铁 其价格越贵，因此选用 75%的硅铁作还原剂比较 合理
18
影响还原过程的因素：
煅烧白云石质量：活性、分解率、杂质含量 还原剂还原能力 炉料配比：Si量高，镁实收率提高，Si利用率降低 添加剂 炉料粒度及制团：粒度太小，降低活性，太大，降低接触面积；制
C、如果参与反应的物质不是处于标准状态，则反应的自由能变
化值G应为：G= G0 + RTlnp 式中，RTlnp — 反应自
由能变化值的修正值。
在aMe + O2 = bMeO(O2为0.1MPa)形式的反应中，自
由能变化值的修正值为RTlnpb(MeO)/pa(Me) ·p(O2), 其中 pO2=0.1MPa
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讨论：为什么使用75%的硅铁作还原剂？ 85%、75%、45%和25%四种硅铁， 其中，83% 的硅铁在合金组织中几乎全部
是以游离硅存在；75%硅的硅铁是由游离 硅和FeSi2存在；45%硅的硅铁是由FeSi2 和FeSi 组成；25%的硅铁完全是由 FeSi 和 Fe3Si2组成。 之所以采用75%硅铁合金作为还原剂，是综 合考虑了技术与经济两方面因素。
有色冶金原理
有色冶金原理
有色冶金是指除了铁、钢和黑色金属外的其他金属及其合金的冶金学科。
它涉及到的金属包括铜、铝、锌、镁、铅、镍、钴、锡、锑、铱、铑、钼、钯、铑、铅、钨、钴、镍、锡、银、金等。
有色冶金原理是指研究有色金属冶炼过程中的物理、化学及冶金学原理。
它主要涉及到有色金属的提取、炼制、精炼和加工等过程，以及金属的物理、化学性质变化以及其与其他元素的配合形成合金等方面。
在有色冶金原理中，一个重要的原理是金属的提取。
不同金属的提取方法各异，但都基于物理和化学原理。
例如，铜可以通过火法炼铜、湿法炼铜等方法进行提取。
火法炼铜是指将铜矿石加热到高温，使其融化，再通过各种化学反应将铜从矿石中分离出来。
湿法炼铜是通过浸出、萃取等方法将铜离子从矿石中溶解出来。
此外，有色冶金原理还包括金属合金的制备和加工技术。
金属合金是在金属中加入其他元素，以改善其性能和热处理特性。
不同金属合金的制备方法也有所不同，常见的方法包括熔炼、溶液热处理和机械合金化等。
在有色冶金原理中，了解金属的晶体结构和相变规律也非常重要。
金属的晶体结构决定了其物理和力学性能，而相变规律则反映了金属在不同温度和压力下的相变行为。
总之，有色冶金原理是研究有色金属冶炼过程中的物理、化学及冶金学原理的学科。
通过了解和应用这些原理，可以更好地进行有色金属的提取、炼制和加工，提高金属的品质和性能。
有色冶金基础知识
有色冶金基础知识有色冶金是指除了铁、钢以外的各种有色金属的冶金工艺和技术。
有色金属的种类众多，包括铜、铝、铅、锌、镁、钛、锡、镍、钴等。
这些金属在我们的生产和生活中扮演着重要的角色，从建筑、交通、能源到电子、通讯、航空航天等各个领域都有广泛应用。
本文将介绍有色冶金的基本知识，包括有色金属的特点、主要工艺、应用领域等方面。
有色金属的特点有色金属与黑色金属最大的不同在于它们的化学性质和物理性质。
有色金属通常具有以下特点：•密度较低：有色金属的密度一般较黑色金属低，例如铜的密度为8.96g/cm³，而钢的密度为7.86g/cm³。
•导电性好：有色金属是优良的导电材料，例如铜的电导率为58MS/m，铝的电导率为38MS/m，而钢的电导率只有6MS/m。
•导热性好：有色金属的导热性能也很好，例如铜的导热系数为386W/m.K，而钢的导热系数只有43W/m.K。
•耐腐蚀性好：有色金属具有优异的耐腐蚀性能，铜、铝、镍等金属不易被氧化，不容易生锈和腐蚀。
•柔软易变形：有色金属相对于黑色金属来说较为柔软，可以轻易地进行加工和变形，例如铜片可以轻易地弯曲和拉伸。
•具有银白色光泽：有色金属表面呈现出银白色光泽，具有良好的视觉效果。
有色冶金主要工艺有色冶金的主要工艺包括采矿、选矿、冶炼、精炼、制品加工等环节。
采矿有色金属的采矿主要包括露天采矿和地下采矿两种方式。
露天采矿是将有色金属矿床开采出来，然后经过破碎、磨矿等方式进行选矿。
地下采矿一般采用隧道或井筒进行，然后同样采用破碎、磨矿等方式进行选矿。
选矿选矿是将矿石中有用的矿物和非金属矿物分离的工艺，有色金属的选矿主要包括磁选、重选、浮选、电选等方式。
冶炼有色金属的冶炼工艺有很多种，例如火法冶炼、电解冶炼、湿法冶炼等。
其中，电解冶炼是最常见的有色金属冶炼工艺。
电解冶炼是通过电化学反应将金属离子还原为金属，然后在电极上沉积出来。
精炼精炼是指对金属进行纯化的工艺，有色金属的精炼工艺主要包括精炼炉、萃取法、化学法等方式。
有色金属材料
铝合金及应用领域
超硬铝：铝锂合金，极高强度和刚度，但价格昂贵。 铝合金的性能特点
质量轻、比强度高、易于加工和焊接。
铝合金及应用领域
硬铝
高强度和高刚度， 塑性较差。
软铝
良好的塑性和韧性 ，强度较低。
超硬铝
极高强度和刚度， 价格昂贵。
铝合金及应用领域
航空、航天
硬铝主要用于制造飞机和火箭等高速飞行器。
06
有色金属合金及应用
铜合金及应用领域
01
铜合金的分类
黄铜：以铜为主（60-90%），锌为 辅（1-3%），并含有少量的锡、铅 、铝等元素。青铜：铜与锡的合金， 锡的含量通常在3-14%之间。白铜： 铜与镍的合金，镍的含量通常在24%之间。
02
铜合金的性能特点
导热性和导电性优良。黄铜：高强度 、良好的塑性、易加工和焊接。青铜 ：良好的耐磨性和耐腐蚀性，但价格 较高。白铜：出色的耐腐蚀性和稳定 性，但价格较高。
发展趋势
全球有色金属市场呈现多元化和复 杂化的发展趋势，各种有色金属的 价格和供需关系不断发生变化。
02
重金属
铜
01
概述
铜是过渡性金属元素，以化合物形式存在，如氧化铜、硫酸铜、氯化铜
等。密度8.96 g/cm³，熔点1083℃。因良好导电导热性，广泛应用于
电气、电子、建筑和制造等领域。
02
开采和冶炼
银
01
银的储量与分布
全球已探明银储量约为57亿吨，常与 铜、铅、锌等金属共生，因此其开采 多伴随这些金属的开采。
02
银的开采与冶炼
过程包括从含银矿石或砂砾中采集、 破碎、磨浆、选矿，最终通过冶炼和 电解提取银，制成银锭或银条。
有色金属冶金技术
有色金属冶金技术的发展历程
古代冶金技术
古代人类通过简单的物理方法， 如采矿、破碎和熔炼等，提取有
色金属。
近代冶金技术
随着科技的发展，开始采用更先进 的物理和化学方法提取有色金属， 如电解法、萃取法等。
现代冶金技术
现代冶金技术结合了物理、化学和 材料科学等多学科知识，实现了有 色金属的高效、节能和环保生产。
钛冶金技术的案例分析
总结词
技术原理
工艺流程
应用领域
优缺点
介绍钛冶金技术的案例 分析，包括技术原理、 工艺流程、应用领域和 优缺点等方面的内容。
钛冶金技术主要采用氯 化法和镁热还原法，通 过化学反应将钛元素从 其化合物中提取出来。
氯化法主要包括氯化、 精制、还原等环节，镁 热还原法则主要包括熔 炼、真空电弧凝壳熔炼 等环节。
新材料
研发具有优异性能的有色金属新材料，满足高端制造业、新能源等领域的需求，是未来发展的重要方 向。
新技术
推动有色金属冶金技术的创新发展，开发高效、低成本、环保的冶金新技术，提高生产效率和产品质 量。
智能化与自动化技术的应用
智能化
通过智能化技术的应用，实现生产过程的自动化、智能化控制，提高生产效率和产品质 量。
有色金属冶金技术
目录
• 有色金属冶金技术概述 • 有色金属的提取冶金技术 • 有色金属的精炼与加工技术 • 有色金属冶金技术的挑战与未来发展 • 有色金属冶金技术的典型案例分析
01
有色金有色金属冶金技术是指通过物理或化 学方法从矿石中提取、纯化和制备有 色金属及其合金的工艺技术。
表面处理
采用化学、物理或机械方法对金属材料表面进行处理，以提高其耐腐蚀性、耐磨 性和装饰性。
镁冶金学
第二章
镁冶金
7.镁的溶解度
镁可溶于MgCl2熔液中，溶解度（摩尔分数）可达
0.55～1.28%，通过调整电解质成分可使金属镁的溶
解降至最低，如在MgCl2-NaCl-KCl-CaCl2熔液中，
镁的溶解度很小，一般为0.004～0.02%。
第二章 镁冶金 三、电解质中杂质对电解过程的影响 镁电解质中的杂质来自原料和电解槽的内衬(铝、硅) 和铁的部件。 杂质在电解时会引起一些不良反应造成镁的损失、 氧化物氯化造成氯的损失、杂质电化学分解造成电 能损失。
第二章
镁冶金
上图中，σ 界面张力，σ 下列关系:
E-M为电解质--镁的界面张力，σ E-S为电解质--钢阴极的 M-S为镁--钢阴极的界面张力。当三者达到平衡，则成立
E S M S E M cos M S cos E S E M
第二章
镁冶金
3.诺斯克法 所用原料或者是海水， 或者是MgCl2含量高的卤水。 跟道乌法不同的所得氢氧 化镁不是用盐酸去氯化， 而是加以缎烧，以得MgO。 MgO与焦炭混合制团后， 用电解槽产出的氯气去氯 化;其早先的生产流程见 图
第二章
镁冶金
后来，为减少能量消耗并减轻环境污染，建 立了新的生产流程见图2-2.
现在，有关界面张力的资料尚不充分。已 知，电解质诸组成份对钢表面的湿润性增 大的顺序是:MgCl2→CaCl2→NaCl→KCl。 6.分解电压 镁电解质诸组成份的分解电压详见表2-2。
第二章 镁冶金 由表可见，MgCl2的分解电压值在800℃时为2.51V， 在诸组成份中是最低的，所以它优先进行电解。
4. 电导率
在镁电解质诸组成份当中，LiCl的电导率为最好，
金属镁冶炼工艺研究进展
金属镁冶炼工艺研究进展摘要：分析了我国金属镁冶炼行业的现状及特点，对我国炼镁企业的环保技术现状进行了概括。
指出我国金属镁冶炼行业存在产能过剩严重、生产过程高污染高耗能、行业排放标准不尽合理、行业环境管理水平低等问题。
为推进我国金属镁冶炼行业绿色转型发展，建议出台行业环境管理指导意见、开展电解法炼镁关键环保技术研究、尽快启动行业污染排放标准修订、加强无组织排放管控和固体废物处置力度。
关键词：金属镁；冶炼；工艺引言镁是十分常见的有色金属之一,也是最轻的一种金属结构材料。
镁以其独特的性质,在社会经济发展中越来越受重视,得以不断发展,自20世纪90年代初开始,国际上主要金属材料的应用发展趋势发生了显著变化,钢铁、铜、铝、锌等传统材料的应用增长缓慢,而以镁合金为代表的轻金属材料异军突起,以每年20%的速度持续增长。
世界各国高度重视镁合金的研究与开发,将镁资源作为21世纪的重要战略物资,加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天等领域的应用开发与研究,镁合金已成为世界最令人瞩目的绿色环保工程材料,属21世纪的朝阳产业,因此镁合金得到了广泛的应用。
特别是近几年来国外采用镁压铸件取代汽车某些钢制和铝质零部件引起人们的极大关注。
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,我国已经是产镁大国,但还远远达不到产镁强国的地位。
1镁冶炼主要原料含镁矿物有1500多种，但适合炼镁的矿不多，矿物不同，选择的冶炼工艺就可能不同，因此首先对矿物类型、特点作简单的介绍。
镁在自然界中主要以液，固体矿主要成分为MgO、体矿和固体矿形式存在，液体矿主要成分为MgCl2等。
随着铁、铝、铜等金属矿产资源的日益枯竭，镁以其丰富的矿产资源受MgCO3到了广泛关注，目前镁合金材料的研究和应用已经成为世界的热点之一。
中国镁矿资源分布广、类型全，占世界总储量的23.1%，是世界上原料占有量最大的国家，我国是镁矿资源大国，为产业发展奠定了基础。
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讨论： 为什么使用75%的硅铁作还原剂？ 85%、75%、45%和25%四种硅铁， 其中，83% 的硅铁在合金组织中几乎全部是 以游离硅存在；75%硅的硅铁是由游离硅 和FeSi2存在；45%硅的硅铁是由FeSi2 和 FeSi 组成；25%的硅铁完全是由 FeSi 和 Fe3Si2组成。 （2）巴尔札诺法（意大利） 产量每天2吨
电解法生产厂家：
0.7万吨 8.5 4 3 1 3.6 1.7 1.7 0.8 0.3
中国民和镁厂 挪威/加拿大海德鲁镁厂 美国镁公司 以色列死海镁厂 乌克兰扎波罗什镁钛联合企业 乌克兰卡卢什化冶联合企业 俄罗斯索利卡姆斯克镁厂 俄罗斯阿威斯玛镁厂 加拿大太密克镁厂 哈萨克斯坦乌斯基镁钛联合企业
年份 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 产量/kt 7.8 10.5 11.8 25.3 95.3 73 92 123 157 195 216 268 354
中国镁Hale Waihona Puke 业的态势:2.1.2 镁矿
在地壳中质量分数平均2.5%, 是地壳中第六种蕴 藏量最丰富的金属。 镁盐资源主要以液体矿和固体矿两种形式存在。 液体矿以海水、地下卤水、盐湖卤水为主，固体 矿包括菱镁矿、白云石矿、蛇纹石矿、滑石、水 镁石及少量其他沉积矿等。 我国菱镁矿、白云石矿资源丰富，约占世界50%以 上。 在盐湖资源中，液体矿十分重要，世界上已大规 模开发的盐湖几乎全是利用其卤水。 死海是镁盐储量最大的盐湖，位于青海湖区的察 尔汗盐湖是我国最大的钾镁盐盐湖，其镁盐储量 占全国镁盐资源的74%。
2.1.3 镁的性质和用途 镁的物理性质 银白色 密度（99.9%): 20℃ 1.738g/cm3 ；680℃ 1.55g/cm3 熔点： 650℃ 沸点： 1107 ℃ 镁的化学性质 A、与氧的亲和力大，其表面易被空气氧化；镁在 其熔点以上易在空气中燃烧，发出眩目的白光。 B、与冷水发生缓慢反应，与热水和酸类发生强烈 反应生成氢气和相应镁化物。 C、镁与氢发生反应生成氢化镁。
几种重要的炼镁原料
A、碳酸盐 菱镁矿 MgCO3 84, 28% Mg 白云石 MgCO3· CaCO3, 184， 13% Mg B、氯化物 水氯镁石 MgCl· 6H2O 203, 12%Mg 光卤石 MgCl· 6H2O KCl· 278, 9%Mg C、氢氧化物 水镁石 Mg（OH）2 58， 42%Mg D、硅酸盐 蛇纹石 3MgO· 2SiO2· 2H2O 276， 26%Mg
100~150kA无隔板镁电解槽生产指标： 电流效率82~88%； 直流电耗12~13kWh/kg(Mg) 槽电压 4.5~4.8V
2.4 镁的精炼
用熔剂或SF6精炼 表面处理
重铬酸盐镀膜、浸油及油纸包装、阳 极氧化和酚醛树脂涂层。 镁提纯用真空蒸馏法
思考题 1 硅热还原法的应用有几种？ 2 根据CaO· MgO被Si还原的热化学原理， 还原过程为什么要在真空下进行？
2.2.2 硅热还原法的应用 按所用设备不同,分为: 皮江法 (Pidgeon Process), 巴尔札诺法 （Balzano Process), 玛格尼法 （Magnetherm Process) (1)皮江法（1940年） 生产流程
原料与工艺参数 白云石（Mg 不低于30%， 在回转 窑内煅烧， 1350 ℃ ）， 硅铁 （Si75%), CaF2 (质量分数2.5%) 设备 蒸馏罐用无缝钢管制成, 卧式.操作温 度1200 ℃, 外部加热. 罐长3米, 内径 28厘米,装料160kg。
Si + O2 = SiO2 2Mg + O2 = 2MgO 2MgO + Si = 2Mg + SiO2 2375℃, G0 = 0 这时候可能用Si还原 MgO。 A、常压下用硅还原温度需超过2373 ℃，当还原后的SiO2与MgO造渣生成 2 MgO·SiO2渣时，还原温度降至 2060 ℃，如果炉料中有CaO存在，能 造成2 CaO·SiO2渣，还原温度降至 1750 ℃。
2.3.3 镁电解的电流效率、电解槽槽型 及电能消耗 （1）电流效率 镁的电化学当量= [24.305/2]/[96487/3600] =0.45342g/(A· h) 氯的电化学当量= [35.453]/[96487/3600] =1.32278g/(A· h)
理论镁产量m = 0.4534It I—电流强度（A）； t—电解时间（h) (2) 电解槽槽型 有隔板槽和无隔板槽两种。 （3）镁电解中的电能消耗 W=U槽/0.4534· = 2.205×U槽/ (kWh/kg Mg) U槽—槽电压（V）
平的工艺方法)
1913年开始氧化镁真空热还原法炼镁。 1924年用硅作还原剂还原氧化镁 1932年用铝硅合金作还原剂还原氧化镁 1941年以硅铁还原煅烧白云石炼镁—皮江法
（工业炼镁的第二大方法）
1909年在德国法兰克福国际航空展览会上，出现 了用镁合金所铸的构件。 1916年美国DOW化学公司开始生产工业化电解镁。 1927年世界上出现了高强度镁合金。 20世纪60年代，法国发明半连续硅热还原法（熔渣
镁和镁合金成为现代汽车、电子、通信等行业 的首选材料，被誉为“21世纪的绿色工程材 料”。
2.2 热法炼镁
2.2.1 硅热还原法炼镁的原理 硅铁合金(含75%Si）在高温和减压下 还原白云石中的MgO，得到纯镁和二 钙硅酸盐渣的反应是： 2(CaO· MgO)(固） + Si(Si –Fe)(固） = 2Mg(气） + 2 CaO· 2(固） SiO 参照艾汉林图。
2.3 电解法炼镁
2.3.1 电解法炼镁原料准备（47） (1)道乌法(海水) (2)阿玛克斯法(美国大盐湖) (3)氧化镁氯化法(中国) (4)诺斯克法
2.3.2 镁电解质的组成与性质（62） (1) 组成: A、以光卤石为原料 ，电解质成分： MgCl25~15%, KCl70~80%, NaCl 5~15%, 电解温度680~720 ℃； B、氧化镁为原料，电解质成分： MgCl212~15%, KCl5~7%, CaCl2 38~42%, NaCl40~45%, 电解温度 690~720 ℃
3 皮江法的生产流程及主要工艺参数？ 4 为什么使用75%硅铁作热法炼镁的还 原剂？ 5 菱镁矿与白云石哪个做炼镁原料更好？ 为什么？ 6 比较镁电解与铝电解的异同点？ 7 炼镁原料有哪些？
（3）玛格尼法（法国）
特点：用铝土矿和白云石作原料，硅铁为还原剂， 在真空电炉进行还原反应，反应温度1600~1700 ℃， 真空度0.226~13.332kPa; 所有炉料呈液态， 产品为液态镁，炉渣也为液态。
炉料不需要进行粉磨和纸团处理，便可入炉还原，并能连续 加料。 还原炉为内热式，反应温度高，热效率高，液态炉渣可直接 抽出而不破坏设备内的真空。 产品质量较差，粗镁中含硅量较高，对白云石的理化性能要 求较高。 采用一个钢外壳内砌有保温材料及碳素内衬的密封还原炉， 用电阻材料内部加热。 生产设备产能大，成本高。具有生产半连续化、不产生污染 环境的气体。
因此，用硅（铁）还原白云石时，生 成了稳定的化合物二钙硅酸盐，此时 还原起始温度降低约600 ℃，所以用 白云石做原料是有利的； B、艾汉林图上的标准生成自由能是 指在标准状态下，即参与反应的气态 物质的分压为0.1MPa，而固态或液态 物质的活度均为1时的生成自由能。
C、如果参与反应的物质不是处于标 准状态，则反应的自由能变化值G应 为 G= G0 + RTlnp 式中，RTlnp — 反应自由能变化值的 修正值。 在aMe + O2 = bMeO(O2为0.1MPa)形 式的反应中，自由能变化值的修正值 为
导电半连续还原炉成为当今镁工业生产中具有先进水平的 工艺方法之一）。
我国从上世纪50年代开始镁工业生产。
镁生产方法：电解法、热法 世界镁工业 在世界范围内，电解法炼镁占主导地位，2000年 电解法产量占60%，而我国，热法占主导地位， 97%。 年份 2000 2001 2002 2003 全球原镁产量 /kt 488 450 478 510 中国原镁产量 /kt 195 216 268 354 中国占全球产量/% 39.9 48.0 57.0 69.4 我国镁的消耗量2000年为2.55万吨 2003年中国原镁产量35万吨，占全球产量的69.4% （全球51万吨），出口29.8万吨，占产量的84%。
镁的用途
A、铝合金中的合金元素42.9%;
B、镁合金的压铸件30.5%; C、冶金14%； D、生产难熔金属的还原剂 E、球铁的球化剂3.1%; F、电化学工业2.8%; J、其他2% 镁合金的应用 A、在运输系统的应用 B、在通讯电子业的应用
C、在国防工业中的应用
D、镁合金作牺牲阳极 E、其他方面
用硅还原氧化镁（白云石）的平均温度随 压力的减小而降低。 剩余压力/Pa 平衡温度/ ℃ 101308 2375 1333 1700 133.3 1430 13.3 1235 镁的热法实际上是真空还原法, 采取温度 1100 ~ 1250℃和真空度13.3~133.3Pa，可 顺利还原出镁。真空除了能够降低还原的 操作温度之外，还能防止还原剂硅和产品 镁被空气氧化。
RTlnpbMeO/paMe · O2, 其中pO2=0.1MPa p 当反应中MeO为固态，Me为气态 时，则 G= G0 - RTln paMe 由此可见，当金属Me的原始压力 小于0.1MPa时，RTln paMe为正值。 G0值为负值，结果使G值的负值减小 即自由能改变值曲线向上移动。对于反 应2Mg + O2 = 2MgO，当其原始Mg的 分压小于0.1MPa时，曲线位置向上移动 这就意味着硅还原氧化镁的可能性增 大。