東北輕合金加工廠
[拼音]:mei
[英文]:magnesium
元素鎂主要包括資源、性質和用途、產量和價格、生產方法、熔鹽電解法煉鎂、矽鎂還原法煉鎂、煉鎂能耗、粗鎂精煉、廢鎂再生共八個方面的內容。
元素符號Mg，銀白色金屬，在元素週期表中屬ⅡA族，原子序數12，原子量24.305，化合價為+2，密集六方晶體，比重約為鋁的2/3。
1808年英國化學家戴維(H.Davy)電解汞和氧化鎂的混合物製得鎂汞齊，第一次獲得金屬鎂，並按當時取得氧化鎂的地方──希臘的Magnesia城而命名。後來，1828年法國科學家比西(A.A.B.Bussy) 用鉀還原熔融氯化鎂得金屬鎂。到1833年，英國科學家法拉第(M Faraday)又用電解熔融氯化鎂的方法制得金屬鎂，但在當時鎂仍然是實驗室的珍品。直到1886年才在德國開始用後一種方法進行鎂的工業生產。中國於20世紀50年代用熔鹽電解法開始以工業規模生產鎂。
資源
鎂是地殼中含量高、分佈廣的元素之一。已知的含鎂礦物有 60多種，具有工業價值的有：菱鎂礦(MgCO3)，含鎂28.8％；白雲石(MgCO3·CaCO3)，含鎂13.2％；光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)，含鎂8.8％。世界各地還有很多含鎂的鹽湖、地下滷水和鹽礦床。海水是取之不盡的鎂資源，據估算1立方公里海水中含有130多萬噸的鎂。中國遼寧、山東產菱鎂礦，各省都有白雲石礦，青海有鹽湖滷水和光鹵石，沿海鹽場的副產品滷水，均可作煉鎂的原料。
性質和用途
鎂的化學性質很活潑，固態鎂在潮溼空氣中很容易被氧化， 熔融鎂會在空氣中強烈地燃燒。300℃時，鎂開始與氮反應，生成氮化鎂(Mg3N2)。鎂不溶於鹼性溶液，但能溶解在各種有機酸和無機酸（氟氫酸和鉻酸除外）中。
鎂主要用於製造鋁合金，鎂作為合金元素可以提高鋁的機械強度，改善機械加工效能以及耐鹼腐蝕效能。由於鎂基合金（含鋁、錳、鋅、鋰等）的結構件或壓鑄件的比強度（單位重量的強度）大，在汽車、航空、航天等工業中，用鎂代替部分的鋁，可減輕結構的重量。鎂和鹵素的親合力強，是用金屬熱還原法生產鈦、鋯、鉿、鈾、鈹等的重要還原劑。鎂可用作生產球墨鑄鐵的球化劑。在鋼鐵冶煉中用鎂代替碳化鈣脫硫，可以使鋼中硫的含量下降得更低，鎂在這方面的用量增長較快。在有機合成中，應用鎂的格里納德(Grignard)反應，可以合成多種複雜的有機化合物。鎂還用作化工槽罐、地下管道及船體等陰極保護的陽極材料;用來製造乾電池、鎂-海水儲備電池。鎂由於燃燒熱高，燃燒時發出耀眼火焰，還用來製作照明彈、燃燒彈和焰火等。此外，鎂還可以作為一種新的儲能材料，每立方米MgH2蓄能19×109焦耳。
1979年西方國家原鎂消費分配比例為：鋁合金新增劑47％，壓鑄件15％，化工和冶金還原劑14％，球墨鑄鐵10％，結構件7％，鋼鐵脫硫3％，其他4％。
產量和價格
在50年代以前鎂的生產總是隨著戰爭的起伏而大幅度地波動。例如：第二次世界大戰期間，鎂的年產量突然增加了十倍，即由1938年的2.3萬噸增加到 1943年的23.7萬噸。戰後1946年跌至1.1萬噸。60年代以來，隨著民用市場和新型材料應用的發展，鎂工業開始進入穩步發展的新階段。1980年世界總產量已達到32.2萬噸：其中美國15.4萬噸，蘇聯7.5萬噸，挪威5萬噸，日本1.2萬噸，加拿大8900噸，法國9000噸，義大利7000噸，南斯拉夫5000噸。
1915年美國原鎂的價格為11000美元/噸，1943年下降到450美元/噸，1950～1973年間回升到830美元/噸。以後，由於能源價格上漲，又由1974年的1320美元/噸上漲到1980年的2400～2755美元／噸。
生產方法
金屬鎂的現行生產方法可分為兩大類，熔鹽電解法和熱還原法。目前世界上用這兩種方法生產的鎂，分別佔80％和20％左右。
熔鹽電解法煉鎂
熔鹽電解法包括氯化鎂的生產及電解制鎂兩大步驟。
氯化鎂的生產
按使用原料的不同可分為三種方法（圖1）：
（1）以菱鎂礦或氧化鎂 (輕燒的菱鎂礦或氫氧化鎂)為原料，配以碳還原劑，經過混合、制團、乾燥或焦化後，加入豎式電爐，通氯氣，於900～1100℃氯化，主要反應為：MgCO3─→MgO＋CO2
3MgO＋2C＋3Cl2─→3MgCl2＋CO＋CO2
由於氧化鎂的氯化是放熱反應，氯化爐只需要補充一定數量的電能，就可維持反應繼續進行。氯化產物為無水氯化鎂熔體。
（2）以海水或鹽湖的滷水為原料，經淨化、濃縮、制粒(或直接利用滷水噴霧)進行脫水製得無水氯化鎂。用滷水制鎂的最大困難是六水氯化鎂在脫除最後兩個結晶水的同時由於發生水解而生成Mg(OH)Cl和MgO，兩者都是電解過程的有害雜質。為了消除這種產物，工業上採用兩步脫水：第一步是用200℃左右的熱氣流把MgCl2·6H2O脫至MgCl2·1～2H2O；第二步是把經過脫水的低水氯化鎂再在 HCl氣氛下徹底脫水，得到粒狀的無水氯化鎂。或是將低水氯化鎂進行熔融氯化脫水，使水解產生的MgO轉化成MgCl2而得到無水氯化鎂熔體。也有用海水和煅燒白雲石(或貝殼)反應，生成氫氧化鎂沉澱，然後與鹽酸反應生成氯化鎂溶液，最後經熱氣流脫水製得含有1.25～1.5分子水的氯化鎂，如美國道屋(Dow)法。
（3）以光鹵石為原料，先在沸騰爐或迴轉窯中於400～550℃下脫水，獲得含水5～8％的光鹵石。然後再在電爐中熔融或在氯化器中熔融氯化，製得無水光鹵石熔體。
電解制鎂
1886年工業上開始以熔鹽電解法生產鎂後，電解制鎂的技術不斷髮展。70年代以來，無水氯化鎂的生產工藝有所突破，電解槽日趨於大型化，結構不斷完善，有的已實現了密閉和自動化控制。鎂電解槽的電流強度已由最初的300安培，發展到9～25萬安培，每噸鎂的直流電耗也由最初的35000～40000千瓦小時下降到12800～17000千瓦小時。(見彩圖)
鎂電解採用多組分氯鹽作電解質。向氯化鎂電解質中加入其他組分的目的是要降低熔點和粘度，提高熔體的電導率以及降低MgCl2的揮發度和水解作用等。電解過程的兩極反應為：陰極 Mg2+＋2e─→Mg
陽極 2Cl-─→Cl2＋2e
陰極產生的液態鎂因比電解質的密度小而上浮於表面；陽極產生的氯氣則通過氯氣罩排出。
鎂電解槽按槽型分埃奇(I.G.)型、道屋型和無隔板型電解槽三種。其中，無隔板槽包括阿爾肯 (Alcan)式、蘇聯式和挪威式等多種型別。
（1）埃奇型電解槽 1925 年首先在德國使用，是一種有內襯的鋼板槽，裝有石墨陽極和鑄鋼陰極，兩極之間有隔板，起分隔析出的鎂和氯氣的作用。它以無水氯化鎂或無水光鹵石為原料。前者電解質的典型組成為：CaCl235～40％，KCl4～7％，NaCl40～48％，MgCl28～15％，於680～720℃電解；後者電解質的典型組成為：MgCl29～14％，KCl66～72％，NaCl18～20％，於690～720℃電解。
（2）道屋型電解槽 美國首先使用，是當今世界上產鎂量最多的一種槽型。槽體為鑄鋼，沒有內襯，鋼製陰極與石墨陽極間沒有隔板，外部用天然氣加熱。以含水氯化鎂（MgCl2·1.25H2O）為原料，典型電解質組成為NaCl60％，CaCl220％，MgCl220％。在700～720℃電解。
（3）無隔板型電解槽 60年代以來，無隔板電解槽發展很快。這種槽子的陰陽極之間沒有隔板，但設有隔牆把槽膛分成電解室和集鎂室兩部分，陰極析出的鎂彙集到集鎂室。無隔板電解槽具有單位槽底產能高、電耗低、密閉性好、氯氣濃度高和便於實現大型化、自動化等優點，從而得到了越來越廣泛的應用。
阿爾肯型電解槽於1940年首先在加拿大阿爾肯公司研製，目前在日本使用。以無水氯化鎂為原料，典型的電解質組成為MgCl218～23％，CaCl220～25％，NaCl55～58%，MgF22%。於670～685℃電解。這種電解槽多在鈦廠使用，用來電解以鎂還原四氯化鈦所副產的氯化鎂。蘇聯無隔板電解槽，按陰陽極插入方式及集鎂室配置的不同，而具有多種形式。電解使用兩種原料，熔融的氯化鎂和光鹵石。挪威新式無隔板槽，電流強度為25萬安培，是當代容量最大的鎂電解槽。以粒狀無水氯化鎂為原料，實現了全流程密閉自動控制。
各種電解槽的主要技術指標見表1。
矽熱還原法煉鎂
有皮江法，又稱皮吉昂法(PidgeonProcess)和馬格尼特法(Magnetherm Process)兩種。
皮江法
該法是40年代初由加拿大發展起來的，以煅燒白雲石為原料，以矽鐵粉（含Si＞75％）為還原劑，混合制團，置於耐熱鋼還原罐中還原，還原溫度1150～1200℃，抽真空使保持10-2 ～10-1 託的殘壓。還原反應為2(CaO·MgO)
＋Si(Fe)
─→
2Mg
＋2CaO·SiO2
＋Fe(Si)
反應產生的鎂蒸氣在還原罐的延伸端(500℃)冷凝，得到冠狀結晶鎂。這種方法流程短，建廠快，但間歇操作和生產能力低，限制了它的發展。現在加拿大、義大利和日本仍然保留這種方法的生產。
馬格尼特法
該法是法國於60年代研究成功的一種新工藝，流程見圖2。爐料中除有煅燒白雲石和矽鐵外，還加入煅燒過的鋁土礦，加Al2O3的主要目的是降低渣的熔點，便於液態排渣。矽在矽鐵中的活度隨矽濃度的下降而下降，當矽濃度降到18～20%時，還原反應便會停止，因此裝料中需配入過量的矽鐵。此外，在配製爐料時應使渣的分子比為：CaO/SiO2≤1.8，Al2O3/SiO2≥0.26。
爐料連續地加入還原爐內，利用熔渣電阻加熱，在1600℃及35託的殘壓下進行還原：2(CaO·MgO)
＋Si(Fe)
＋0.3Al2O3
─→
2Mg
＋2CaO·SiO2·0.3Al2O3
＋Fe(Si)
還原產生的鎂蒸氣在冷凝器(675℃)凝結成液態鎂，流入收集罐中，經過精煉，然後鑄錠。爐渣積聚到一定程度後，通入氬氣破壞真空，拆卸收氣罐排出爐渣。從爐渣分離出低品位矽鐵（含Si20％可用作鍊鋼的脫氧劑）後，以水急冷，直接製成水泥。
儘管馬格尼特法的產品純度略低於皮江法，但該法具有生產半連續化、單體裝置產能大（一臺4500千瓦的爐子，可日產7～9噸鎂）、不產生汙染環境的氣體等優點。因此，除法國之外，70年代以來，美國、南斯拉夫和巴西等國，也先後採用了這一技術。
煉鎂能耗
從原料的製取到鎂錠的鑄造，用電解法和熱還原法生產，每噸鎂的能量消耗及分配見表2。
可見，兩種方法都要消耗大量的能量，因此，降低能耗是發展煉鎂技術的主要努力方向。
粗鎂精煉
用電解法和熱還原法生產的粗鎂，均含有少量的金屬和非金屬雜質，一般用熔劑或六氟化硫(SF6)精煉，鎂的純度達到99.85％以上，可滿足使用者的一般要求。更高純度的鎂可通過真空蒸餾、用活性金屬（如鈦、鋯等）或其氯化物精煉提純，得到99.99～99.999％的高純鎂。
化學成分合格的鎂錠，需進行表面處理，以防止氧化腐蝕。表面處理的方法有重鉻酸鹽鍍膜、陽極氧化、酚醛樹脂塗層和油紙包裝等。
廢鎂再生
廢鎂的再生對提高鎂的產量和使用價值具有重要意義。美國1980年產再生鎂14000噸，約佔總消費量的13％。鎂及鎂基合金的加工碎屑，熔鍊過程的殘渣，汽車、飛機等的廢棄含鎂部件，是再生鎂的主要原料。一般採用磁選等物理方法去除雜質，然後熔鍊鑄造。回收再生鎂所需的能量約相當於由鎂礦煉成粗鎂所需能量的2.5%。再生鎂產品主要用於製造壓鑄和鑄造件、陰極保護用陽極以及配製鋁基和鋅基合金。