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浅谈镁资源分布及性能

镁(Mg)在元素周期表上排行12,原子量为24.31。镁为银白色金属;熔点648.8°C,沸点1107°C。密度1.74克/厘米3,只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4;镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%,为碱土金属中最轻的结构金属。镁是天然存在的分布最广的第8个元素(地壳中的含量约2.5%),但因其不易从化合物中还原成单质状态,故迟迟未被发现。1808年,英国化学家戴维在成功制得钙以后,通过电解氧化镁和氧化汞的混合物,制得镁汞齐,蒸出其中的汞后,制得了金属镁。从此镁被确定为元素,并被命名为magnesium,元素符号是Mg。Magnesium来自希腊城市美格里西亚Magnesia,因为在这个城市附近出产氧化镁,被称为magnesialba,即白色氧化镁。1828年法国科学家比西用金属钾还原熔融的无水氯化镁得到了纯镁。

镁天然存在于菱镁矿MgCO3、白云石CaMg(CO3)2、光卤石KCl·MgCl2·H2O及橄榄石中。海水、盐湖及油田卤水中也含有大量的镁。镁也存在于人体和植物中,它是叶绿素的主要组分。

镁具有较强的还原性,能与热水反应放出氢气,燃烧时能产生眩目的白光(曾作为闪光灯用),镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用,也不受苛性碱侵蚀,但极易溶解于有机和无机酸中,镁能直接与氮、硫和卤素等化合,包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。

纯镁的机械性能较低(变形状态σb=200MPa,σs=90MPa,δ=11.5%,ψ=12.5%),抗腐蚀能力也很低,因而不能直接用做结构材料。故在镁中加入铝、锌、镁、锆、铈等合金元素,创造了各种不同的镁合金。根据化学成分和工艺性能可将镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。镁最常见的合金元素有铝(Al)、锌(Zn)、锰(Mn),镁合金按合金组元不同主要有Mg-Al-Zn-Mn系(Az系列)、Mg-Al-Mn系(AM)和Mg-Al-Si-Mn系(AS)、Mg-Al-RE系(AE)、Mg-Zn-Zrn(ZK)、Mg-Zn-RE系(ZE)等合金。根据ASTM标准,镁合金主要品种有AZ91D、AM60B、AM50A和AS41B。以其中AZ91D为例,A和Z分别代表主要添加元素铝和锌,9代表第一种添加元素铝的重量比为约为9%,1代表第二种添加元素锌的重量比为约为1%,D代表合金开发的顺序号。在不考虑其它微量添加元素和杂质时,镁合金中镁的重量比为扣除主要添加元素后的余量。

镁是地壳中含量高、分布广的元素之一。自然界中以化合态存在,主要分布于白云石矿、盐湖、海水等资源中,镁在地壳表层储量居第8位,占1.9%(质量比),已知的含镁矿物有60多种,具有工业价值的有:菱镁矿(MgCO3),含镁28.8%;白云石(MgCO3·CaCO3),含镁13.2%;光卤石(KCl·MgCl2·6H2O),含镁8.8%。世界各地还有很多含镁的盐湖、地下卤水和盐矿床。海水是取之不尽的镁资源,据估算1立方公里海水中含有130多万吨的镁。

我国的镁储量占世界第一,各省都有白云石矿,辽宁、山东产菱镁矿,青海有盐湖卤水和光卤石,沿海盐场的副产品卤水,均可作炼镁的原料。我国已探明的白云石矿资源总量为40亿吨,青海柴达木盆地的33个盐湖镁盐储量为47.5亿吨,而且储存形式为非常有利于开采的高纯度氯化镁。同时,每千克海水中约含3.8克氯化镁、1.7克硫酸镁,海水中含镁约为2,100亿吨。另外,镁具有可回收性,对废弃镁产品的再生利用也是镁合金生产加工对象的重要来源之一。据专家估计,按现有镁的使用量计算,仅从中国白云石矿中提炼镁开采年限可达1000年。因此,镁资源十分丰富,在可预见的未来不存在短缺之虞。

受益于资源优势,我国在镁金属方面在世界上具有举足轻重的地位。自1999年以来,我国金属镁产量保持十年位居世界第一。2008年,我国金属镁的产量达到63万吨,占全球产量的85%以上。其中,山西的镁产量占了全国的70%以上。

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,其中皮江法是热还原法中使用最广泛的方法。

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。

皮江法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;炉体小,建造容易,技术难度小;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,实践中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。

目前国内的原镁厂家大都采用硅热还原法中的皮江法,而国外因镁矿石资源贫乏以及环保设备要求,大多采用的是电解法从海水中提取镁。电解法生产原镁设备投入是皮江法的十倍以上,其能耗也远高于皮江法。发达国家80%以上的金属镁是通过电解法生产,采用电解法的条件是电力丰富且电价低的地方。

镁是实用金属中最轻的金属,镁的比重是1.74g/cm3,只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4;镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%。

除了比重低,镁物理性能的主要优点还有:比铝高30倍的减振性能;比塑料高200倍的导热性能;其热膨胀性能只有塑料的1/2。


本文引用地址:http://www.metalnews.cn/ys/show-847780-1.html

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