金属镁发现于18世纪初期,至今已有200年的历史。由于镁及镁合金优良的机械性能和物理化学性能,镁在工业上的应用越来越广泛,需求量也越来越高。因此,虽然从镁的发现到如今只有短短200年的时间,其工业生产的时间也只有120年,但是金属镁冶炼技术得到了快速发展。

目前镁冶炼的方法主要有两种:1、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;2、用硅铁对从碳酸盐矿石中经煅烧产生的氧化镁进行热还原,此法称为热还原法。

电解法炼镁的发展过程

1808年,科学家戴维以汞为阴极电解氧化镁,在人类历史上第一次制取了金属镁。18世纪30年代,法拉第第一次通过电解氯化镁得到了金属镁。第一次世界大战开始之前,法国、德国、英国和加拿大都实现了镁的工业生产,但产量有限,大约年产量几百吨,主要用于军事方面。

19世纪80年代,才由德国首先建立工业规模上的电解槽,电解无水光卤石生产金属镁,从此开创了电解法炼镁的工业化时代。后经不断在工艺和设备方面的改进,直到目前世界上采用的就是这种电解法。

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关键所在。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以下几种具体的方法:道乌法、氧化镁氯化法、光卤石法、AMC法、诺斯克法。

电解法因为其生产工艺先进,能耗较低的优点,是一种极具发展前景的炼镁方法。目前,发达国家80%以上的金属镁是通过电解法生产。

皮江法炼镁的发展过程

由于金属镁的需求越来越大,电解法生产金属不能够满足镁的需求,因此催生了金属镁的热还原法冶炼。第二次世界大战期间,热还原法生产镁的技术迅速发展起来。

使用硅作为还原剂还原氧化镁实现于1924年,但此时还未应用于工业生产。第二次世界大战期间,意大利科学家发明了在真空高温炉内用硅铁还有白云石生产镁的工艺;同期,奥地利科学家发明了用碳直接还原氧化镁来生产镁的亨氏格技术。第二次世界大战以后,这些工艺用于工业化生产。

1941年加拿大教授L.M.皮江在渥太华建立了一个以硅铁还原煅烧白云石炼镁的试验工厂,获得了成功。1942年加拿大在安大略省的哈雷建成世界上第一座皮江法生产的硅热法厂(年产量5000t),并取得成功成为炼镁的第二大方法。为了纪念这位科学家的卓越成就,特命名为“皮江法”;又由于用硅铁作还原剂高温炼镁,故又称为“硅热法”。皮江法经过不断改进,成为热还原法中使用最广泛的方法,也是目前世界上生产镁的主要方法之一。

皮江法炼镁的实质是在高温和真空条件下,有氧化钙存在时,通过硅(或铝)还原氧化镁生成镁蒸气,与反应生成的固体硅酸二钙(2CaO•SiO2)相互分离,并经冷凝得到结晶镁。该工艺过程可分为白云石煅烧、原料制备、还原和精炼四个阶段。

由于皮江法炼镁可以直接采用分布广泛、储量丰富的白云石资源作原料;能利用天然气、煤气、重油和交流电等为热源;工艺流程和设备较简单,建厂投资少,生产规模灵活;成品镁的纯度高等特点;其炉体小,建造容易,技术难度小,因此,皮江法在我国得到了广泛的发展和应用。到目前为止,皮江法仍是我国主要生产金属镁的方法。

皮江法和电解法的优缺点及其发展

对于皮江法来说,其工艺流程和设备较简单,建厂投资少,生产规模灵活;成品镁的纯度高等特点;其炉体小,建造容易,技术难度小;并且可以直接利用资源丰富的白云石作为原料。主要缺点在于热利用率低、还原罐寿命短,还原炉所占的成本较大,属于劳动密集型,生产过程不连续。

针对以上缺点,对其进行了一系列技术改造。改进还原罐结构、采用新型保温材料、切断热短路、提高内部介质的综合导热系数;改进炉型,比如采用水煤浆对还原罐底部加热,使其受热均匀。使用蓄热烧嘴等新型烧嘴,对排放的废气进行回收利用;采用现代化的控制技术,采用机械化装卸料设备等等。

与皮江法相比,电解法炼镁具有节能、产品均匀性好、易于大规模工业化生产、生产过程连续、生产成本比皮江法低等优点,属于能源密集型产业。但是,电解法也有以下不足之处:无水氯化镁制备的生产工艺较难控制;水氯镁石脱水需要较高温度和酸性气氛,使得能耗大,设备腐蚀严重;电解法生产过程排放的废水、废气和废渣,对环境造成污染,处理费用大。

针对上述缺点,也有一些相应的措施,通过将电解的原材料由粒状氯化镁经过无水氯化氢脱水转变为水球氯化镁,从而降低了能耗。

金属镁对于人类的生产生活有着极为重要的作用和影响,因此金属镁冶炼工艺的改进对社会的发展也有着深远的意义,需要进行不断探索