1、有色冶金概论目 录1绪绪 论论2氧化铝生产氧化铝生产3铝电解铝电解4铜冶金铜冶金5镁冶金镁冶金6安全生产知识安全生产知识 5.5.1 1 概述概述5.1.1 镁的性质物理性质物理性质化学性质化学性质镁是银白色、柔软有光泽、延展性好的轻金属，具有比强度、比刚度高，导热导电性能好，并具有很好的电磁屏蔽性、阻尼性、减振性、切削加工性等。（1）镁与单质元素的反应镁能直接或间接与电负性较高的非金属元素，如卤素、氧、硫、氮、磷、氢等形成相应的化合物。（2）镁与水的反应镁无论是固态还是液态均能与水发生反应，其反应方程式为：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2Mg+H2O=MgO+H2（高温）力学性能力学性能
2、金属镁无磁性，抗冲击而不产生火花，具有良好的导热性能，不易破碎，可以用于阳极氧化、电镀和染色，有较好的疲劳强度和减振能力。5.5.1 1 概述概述5.1.2 镁的用途用途（1）合金元素（2）脱硫剂（3）球化剂（4）还原剂（5）储氢材料（6）牺牲阳极 5.5.1 1 概述概述5.1.3 影响镁应用的原因原因(1)镁是易燃金属。(2)镁是易蚀金属。(3)镁是稀缺金属。(4)镁是难成形金属。(5)镁是昂贵金属。（1）菱镁矿（2）白云石（3）光卤石（4）海水和盐湖水菱镁矿是碳酸盐矿物，其主要成分是MgCO3。理论上MgO含量为47.82%，CO2为52.18%，菱镁矿属于六方晶系，矿物有结晶形和无定形
3、两种，晶型菱镁矿的特点是具有玻璃光泽，有时带有珍珠色泽，菱镁矿外观色泽为白色或淡黄色，但由于杂质数量和性质的不同，可能有各种各样的色泽，比如常含有CaCO3、FeCO3、MnCO3、SiO2等杂质，使得其颜色各种各样。作为炼镁原料的菱镁矿，其品位应为MgO 45%46%，CaO 0.8%1.0%，SiO2 0.5%1.0%。5.5.1 1 概述概述5.1.4 镁冶炼矿产资源 5.5.1 1 概述概述1.电解法炼镁2.热还原法炼镁l 从尖晶石、卤水或海水中将含有氯化镁的溶液经脱水或焙融氯化镁熔体,之后进行电解,此法称为电解法。l 电解法炼镁的原理是在高温下电解熔融的无水氯化镁,使之分解成金属镁和
4、氯气。高温情况下水对熔盐性质的影响是致命的,因此,高纯度的无水氯化镁是电解法制镁的关键所在。l 依据所用原料及处理原料的方法不同,电解法炼镁又可细分为道乌法、氧化镁氯化法、光卤石法、AMC法、诺斯克法。5.1.5 镁冶炼方法金属镁冶炼的方法主要有两种：皮江法的缺点是热利用率低、还原罐寿命短、还原炉所占的成本较高。1.煤2.煤气3.天然气（1）高炉煤气 高炉煤气是高炉炼铁的副产物。高炉每消耗1吨焦炭可以得到38004000 m3的高炉煤气。高炉煤气含有大量的N2和CO2,所以发热量比较低，通常只有33504200 kJ/m3。（2）焦炉煤气焦炉煤气是指用几种烟煤配成炼焦用煤，在炼焦炉中经高温干馏
5、后，在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体，是炼焦产品的副产品。每炼制一吨焦炭可得400450 m3焦炉煤气。焦炉煤气的主要可燃成分是H2、CH4、CO、C2H4等，此外还有H2S、焦油、氨和苯等，还有不可燃的CO2、N2和水分。（3）发生炉煤气发生炉煤气是用空气和少量的蒸汽将固体燃料（如煤或焦炭）在煤气发生炉中进行气化所产生的煤气。主要成分是氮（占50%以上）和一氧化碳，也含有氢和二氧化碳等。5 5.2 2 硅热还原炼镁生产技术硅热还原炼镁生产技术5.2.1 硅热还原炼镁的燃料1.硅铁2.萤石3.白云石l 萤石主要作为硅热还原过程中的矿化剂，结晶形的天然萤石属于菱形结构，呈浅绿色，或浅蓝
6、色。这种天然萤石其CaF2含量为87%90%，最好的含CaF2可达95%以上，天然萤石可作为硅热还原炼镁的添加剂。l 如果萤石含CaF294%，一般不能作为硅热还原炼镁的添加剂，合格的萤石使用时细磨至0.074 mm，萤石中应少含SiO2、Fe2O3和Al2O3等杂质。l 与铅锌矿共生的脉石通常是萤石，在采用浮选法选取铅锌矿时，常副产萤石粉，这种萤石粉不仅纯度高（CaF295%），而且其细度可达200目，因此硅热还原炼镁时常采用这种萤石粉作为添加剂。5 5.2 2 硅热还原炼镁生产技术硅热还原炼镁生产技术5.2.2 硅热还原炼镁的原料1.煅白的制备2.炉料的配制3.炉料的细磨4.炉料的压形(1
7、)制备原理 工业上主要通过高温煅烧白云石生产煅白，白云石的煅烧实际上就是白云石的加热分解过程。白云石是CaCO3与MgCO3的复合物，主要化学成分为MgCO3CaCO3，煅烧过程实际上就是碳酸盐的分解过程。当加热到一定温度时，白云石中的MgCO3CaCO3就分解生成MgOCaO，该产品在生产过程中习惯上称为煅白。白云石的分解反应如下。MgCO3CaCO3（MgOCaCO3）CO2吸附（MgOCaCO3）CO2吸附MgOCaO+2CO2 硅热还原炼镁的炉料是由煅白、硅铁与萤石三种原料组成的，配料时应按反应式进行配料。因此对于硅热还原炼镁就必须按下述反应来配料：2(MgOCaO)+Si=2Mg+2
8、CaOSiO2即Si/2MgO=1；MgO/CaO=1；CaO/SiO2=2.0。(1)炉料细磨的作用 硅热还原炼镁的反应是属于固相反应。这种反应是在还原剂与煅白粒之间表面进行的，其物料之间接触的好坏，决定着氧化镁的还原反应速度。炉料的粒度越细，则相互之间接触越好，也越有利于还原反应过程的进行。因此，煅白、还原剂硅铁和矿化剂萤石都必须进行细磨。(1)炉料压形的作用 通过炉料压形来增加炉料之间的相互接触，以缩短硅原子还原MgO时的自由行程，有利于还原过程的进行。炉料压形后，还可以提高还原罐中的装料量，提高单罐产能。对于网状结构的煅烧白云石，在炉料压形时，可使MgOCaO晶体发生变形，增大球团的闭
9、孔率，有利于镁蒸气的脱出，使还原反应速度增大。5 5.2 2 硅热还原炼镁生产技术硅热还原炼镁生产技术5.2.3 硅热还原炼镁炉料制备(2)制备设备 目前硅热还原炼镁中许多企业选用回转窑来实现白云石的煅烧。用回转窑煅烧白云石，生产能力大，机械化程度高，维护操作简单，劳动生产率高，煅白合格率可达100%，煅白活性度可达30%以上，灼减在0.5%以下，质量稳定，并且无论白云石是何种结构，只要控制好工艺条件，其煅烧效果均很好。回转窑的最大缺点是基建投资较大，维护技术要求较高。回转窑常用的窑型有如下几种。直筒型。窑头扩大型。窑尾扩大型。两端扩大型。(2)炉料细磨设备球磨机是目前应用最广泛的磨粉设备，投
10、资不大，构造简单，经久耐用，粉料细度也能达到硅热还原炼镁的要求。球磨机主要用于细磨硅铁或细磨炉料。硅热还原炼镁一般选用12 m4.5 m或1.5 m3.6 m的球磨机。目前，硅热还原炼镁企业最常用的混合料粉磨设备是干式双室球磨机，球磨机分前室与后室，球磨机中有衬板与隔筛，磨机中装有钢球，如果球磨机的两室相等，两室中的钢球量是相等的。前室中装有大、中、小三种钢球，其规格为大球直径为80100 mm，中球直径为6070 mm，小球直径为4050 mm，后室中装有中球、小球与钢棒（10 mm25 mm）。球磨机中的大球起锤击作用，中球起研磨作用，小球与钢棒起着将物料推向前的作用。(2)炉料压形设备我
11、国目前采用的压球机为高压对辊压球机，该机具有成球率高、消耗功率小、结构紧凑、便于检修调试等优点，对于硅热还原炼镁是一种比较理想的设备。为满足硅热还原炼镁物料成形的要求，压球杌预压螺旋和主机均采用了电磁调速电动机，调速方式为手控式。在生产过程中可根据成球情况适当改变主机或预压机的转速，使之达到最高的成球率和最大的产能。5 5.2 2 硅热还原炼镁生产技术硅热还原炼镁生产技术（一）硅热真空热还原基本原理（二）球团料硅热还原炼镁设备 硅热还原炼镁是采用热还原的方法，将镁从还原炉料中的氧化镁中置换出来。这种还原的难易程度取决于氧化镁的稳定性。氧化镁用还原剂还原时，一般反应式为：MgO+Me MeO+M
12、g 式中，Me是还原剂。这一反应为可逆反应，反应进行的方向决定于镁和还原剂对氧的化学亲和力的大小。这种对氧亲和力大小的量度，是以氧化物标准生成自由能的变化G来度量的。5.2.4 球团料硅热真空还原（一）镁锭质量标准（二）结晶镁中的杂质（三）结晶镁精炼方法（四）镁锭表面处理根据用户要求不同，对镁的纯度要求也不同。在用镁制取Ti、Zr、U和一些其他金属的还原剂时，对镁中的杂质如Fe、O、C、Al、Mn等含量提出了比标准规定更高的要求。对于制取铝镁合金、铸铁、钢和有色金属脱氧、生铁除硫所用的镁，纯度可以低些。杂质Na和K的含量不包括在规定的杂质总和内，但生产单位必须保证所有牌号的镁Na0.01%，K
13、0.005%。5 5.2 2 硅热还原炼镁生产技术硅热还原炼镁生产技术5.2.5 结晶镁精炼5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.1 熔盐电解炼镁方法 电解法制镁，具有工艺简单、成本低等优势，是一种发展前景比较好的制镁方法，现在，绝大部分国家的先进制镁方法都是电解法。电解法制镁，是利用高温环境下电解，分解氯化镁的原理制造金属镁。MgCl26H2O晶体的脱水方法如下（T为反应所需温度）。（1）MgCl26H2O=MgCl24H2O+2H2O（g）T=117（2）MgCl24H2O=MgCl22H2O+2H2O（g）T=185（3）MgCl22H2O=MgCl2H2O+H2O T=242（4
14、）MgCl2H2O=MgCl2+H2O T=304（5）MgCl22H2O=MgOHCl+HCl（g）+H2O（此阶段完成部分脱水工作）T=182（6）MgCl22H2O=MgOHCl+HCl（g）+H2O（此阶段完成全部水解）T=350 （7）MgOHCl=MgO+HCl（g）T=554 根据原料不同以及原理处理方式的不同，具体的电解法还有以下四种主要的方法：道乌法、氧化镁氯化法、光卤石法以及AMC法。下面将对这四种方法简单介绍。1.道乌法2.氧化镁氯化法3.光卤石法4.AMC法道乌公司开发出了一种独特的电解镁生产工艺，用海水以及石灰乳做原料。提取出Mg(OH)2，然后利用Mg(OH)2和盐
15、酸反应，进一步制成氯化镁溶液，之后进一步提纯和浓缩氯化镁溶液，制成MgCl2（1-2）H2O，并以其为电解的原料，电解制成金属镁，其电解反应温度需要750 左右。相比上文所述的电解法，道乌法通过省去MgCl26H2O的脱水过程，降低了工艺的难度，提高了金属镁加工的效率，有效降低了成本，促进了金属镁的大规模生产。该方法使用天然菱镁矿做原材料，在高温下，一般要求在700 800 之间的高温环境下煅烧，提制活性好的轻烧氯化镁，这样的制作方法，要求80%的氯化镁粒子规格小于0.144 mm，在此基础上，和碳素混合，制成团状，团状氯化镁在竖式电炉中进一步氯化，得到无水氯化镁，然后将无水氯化镁放入电解槽，
16、电解制成金属镁。其制作反应方程为：2MgO+2Cl2+C=2MgCl2+CO2其制作工艺流程如下图5-4所示。该方法通过将光卤石（MgCl2KCL6H2O）脱水，然后电解制造金属镁，光卤石法的原料脱水反应比较缓和，但是也需要必要的氯化过程，在电解过程中，由于KCl的参与，要经常性地整理电解槽，保持电解槽的纯净度，其生产工艺如下图5-5所示。AMC法是由AMC公司发明的电解氯化镁方法，有效地解决了氯化镁脱水过程中必要的水解反应，这种办法通过在氯化镁的脱水过程中加入气态氨，完成在乙二胺-乙烯溶液中的脱水反应，其反应方程如下：MgCl2(aq)+6NH3(g)=MgCl26NH3（s）接下来只要通过
17、在干燥炉内加热MgCl26NH3，就可以制备比较纯净的氯化镁和NH3了，其加热温度要求在550 左右。其反应方程式如下：MgCl26NH3=MgCl2+6NH3AMC法制镁不像水氯镁石脱水制镁，AMC制镁过程减少了水解反应，而且NH3可以在冷却之后再一次利用，在降低成本，提高效率方面效果十分显著。其生产工艺流程图如图5-6所示。5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.1 熔盐电解炼镁方法5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁1.菱镁矿煅烧2.氯化镁制备设备1.菱镁矿煅烧用于制取无水氯化镁的氧化镁属于轻烧氧化镁（也称苛性氧化镁），是由碳酸镁、氢氧化镁或菱镁矿在800950 的温度下煅烧（轻烧）
18、得到的具有较高活性的氧化镁。由菱镁矿轻烧得到的氧化镁习惯上也称为轻烧菱镁矿或苛性菱镁矿。由于其晶质结构不完善，因此化学活性较高。提高煅烧温度，氧化镁晶体向方镁石晶体转化；温度越高，晶体结构越致密，化学活性也越低。纯菱镁矿的分解反应为：MgCO3MgO+CO2金属氧化物(MeO)被氯气氯化的反应，可以用简化的通式来表示：MeO+Cl2=MeCl2+1/2O2以菱镁矿或氧化镁生产无水氯化镁的氯化炉（见图5-7）为外径为44.5 m，高为8 m左右的圆筒形竖式电炉，氯化炉中有内径3.1 m、有效高度7 m的炉膛。5.3.2 氯化镁制备5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.3 氯化镁的电解（一）
19、氯化镁的电解原理（一）氯化镁的电解原理往盛有含MgCl2的熔盐电解质的电解槽中通以直流电，MgCl2便发生分解，在阴极析出金属镁，在阳极析出氯气。电解过程中传输电流的是Na+、K+、Cl-，电解质中MgCl2的分解电压最低，在电极上放电的为Mg2+和Cl-，在阴极上析出镁、阳极上析出氯。在工业生产条件下，电解质中氯化镁的分解电压2.72.8 V。电解质一般含MgCl2715，在此浓度范围内主要是MgCl2电解，含MgCl2小于4时会有碱金属电解析出。5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.3 氯化镁的电解（二）氯化镁电解的电解槽（二）氯化镁电解的电解槽1.电解槽类型（1）有隔板镁电解槽 有
20、隔板电解槽曾经是镁工业使用最广泛的电解槽，其阴阳极是用隔板隔开的。由于这种电解槽是德国埃奇染料化学公司发明的，故又常称为埃奇槽。无隔板电解槽出现以后，埃奇槽便被称为有隔板电解槽。世界各国曾经使用过的隔板槽有上插阳极、侧插阳极和底插阳极几种槽型。（2）无隔板镁电解槽 无隔板镁电解槽有两种类型，一种是借电解质的循环运动使镁进入集镁室，另一种是借导镁槽使镁进入集镁室。导镁槽集镁的无隔板电解槽又称阿尔肯型无隔板电解槽。无隔板电解槽由电解室和集镁室组成。阳极和阴极都在电解室。5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.3 氯化镁的电解（二）氯化镁电解的电解槽（二）氯化镁电解的电解槽2.电解槽的启动（1）
21、交流电启动 烤槽之后，分数次向电解槽内加入熔融电解质。利用阴极（用金属连接板把阴极串联在一起）或专门的钢电极通入交流电，在23昼夜内，使熔体温度保持在740760 范围内。当电解槽的热损失完全能用直流电补偿时，停止供交流电。这种启动方法在我国又称为二阶段启动法，在生产现场简称为“二次启动”。（2）直流电启动 烤槽时，当槽内空气温度逐渐达到350380 后，提出加热器，直接加入电解质，通入直流电，随着电解质温度的升高，逐渐将电解质水平提高到正常高度。这种启动方法又称为一阶段启动法，在生产现场简称为“一次启动”。（3）贫槽启动 该法特点是电解质启动后，让电解质中MgCl2的浓度以每小时下降0.8%
22、1.0%的速度从10%12%降低，当降至5%6%时，进入贫槽阶段，然后在810 h之内，使MgCl2浓度以每小时降低0.5%0.7%的速度降至0.5%左右。5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.3 氯化镁的电解（二）氯化镁电解的电解槽（二）氯化镁电解的电解槽3.故障及处理（1）热槽发生热槽时，电解质温度达730830，电解质发白，并剧烈挥发，镁珠在电解质中翻滚，造成二次反应损失增大，电流效率降低。电解过程中由于极距增大，阳极气体管路堵塞，氯气排放量减少和阴极气体排气量减少，电解质成分不合理，电阻增大，电流密度提高，电流效率降低等原因，可能引起电解槽热槽。在生产实践中，对于热槽应根据其发生
23、的原因进行处理。可以通过调整极距，清理阳极和阴极管路，增大气体排气量；提高电解质中的氯化钠含量；检查阴极、阳极工作情况，根据检查结果更换阴极或阳极，或清洗阴极工作面，或加入固体氯化镁来调整热槽。5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.3 氯化镁的电解（二）氯化镁电解的电解槽（二）氯化镁电解的电解槽3.故障及处理（2）冷槽 当电解槽极距较小，阴极排气量过大，阴极与阳极发生短路或系列电流降低时，都可能发生冷槽。冷槽时电解质温度低于690，表面呈暗红色并有结壳，出镁时镁液表面脏而且与电解质不好分离。冷槽会使温度低于镁的熔点，镁呈海绵状析出，引起两极短路。根据冷槽原因可提高氯化镁含量，调整极距，减
24、少阴极排气量，消除短路。冷槽严重时，可切断两个阴极短路，或另用交流电加热。5 5.3 3 电解法炼镁电解法炼镁5.3.3 氯化镁的电解（二）氯化镁电解的电解槽（二）氯化镁电解的电解槽3.故障及处理（3）电解质沸腾 电解质沸腾，就是电解质夹带大量氯气以远远超过正常循环的速度从阳极室经隔板下缘流向阴极室。电解质沸腾时，电解质、镁、氯气的正常运动被破坏，镁与氯不能很好分离，镁和氯的电流效率都大为降低；而且氯气大量进入车间，既损失了氯，又恶化了劳动条件。电解沸腾对生产带来以下严重危害。降低电流效率，减少镁产量。由于阳极电流效率下降及氯气外逸，阳极氯气产量降低。电解质温度升高。长期生产实践表明，电解槽沸
25、腾往往在以下情况下出现。电解槽启动前内衬烘烤不充分（启动初期常会出现电解槽的短时沸腾）。上插槽更换阳极时（由于从石墨阳极内析出水分，过量磷酸盐挥发引起电解质沸腾）。氯化炉作业不正常，产出的熔体质量不高（例如氯化炉开动初期技术条件拉制不当、氯化炉塌料、氯化炉出现白渣层时，产出熔体含MgO或C等杂质较多）。扒渣操作不当，电解质被搅起的槽渣浊化。电解质中MgCl2浓度过高（如高于25%）。复习题1.简述熔盐电解炼镁生产工艺。2.简述硅热还原炼镁生产工艺。3.镁的主要工业应用有哪些？4.根据金属镁的化学特性，筒述金属镁着火后扑救注意事项。5.煤气在硅热还原炼镁中的应用有哪些？6.煅白制备所用白云石的要求有哪些？7.简述煅白制备的基本原理。8.简述硅热还原炼镁炉料配制原则。9.简述结晶镁精炼操作过程。数控系统机床结构编码器本项目学习结束THANKS
