镁合金的冶炼和铸造教程

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1、镁合金的冶炼 目录 镁合金应用举例 冶金基础知识 镁的冶炼 粗镁精炼 镁合金的铸造 镁合金应用举例 美国研制中的新式单 兵作战系统(OICW) , 功能齐全,很多零件采 用了镁合金,重量仅 8.172kg ,但军方仍希 望进一步减重1. 8kg 以上。 美军方计划采购24 万枝新枪，单价为0 81万美元。 单兵作战系统(OICW) 法国FA-MAS突击步枪反坦克枪榴弹 应用了镁合金,全弹质量仅800g 美国空军战略轰炸机B52 上个世纪50年代，镁合 金都一直用在飞机的主 要结构件上。庞然大物 B52 则更是代表了当 时镁应用的颠峰，B轰 炸机的机身部分就使用 了镁合金板材635公斤， 挤压件

2、90公斤，铸件超 过200公斤 . 比使用铝合金减重了约500公斤 比使用钢减重了2700公斤 日本利用镁合金低质量 密度的特征，开发了旨 在提高具有镁合金机翼 的超音速飞行器特性的 结构最优化设计方法， 并以镁合金成功地制作 出了重量仅为1kg 的超 小型人造卫星。 日本利用镁合金低质量得到卫星的高性能 M-60火箭灭火发射器 重科院航研镁与重庆盛 镁镁业联合研发的M- 60,M-80火箭发射器通 过了总装多性能鉴定。 比原发射器减重42%， 稳定性大幅提升，在战 斗状态下士兵可多携弹 四枚。 减震性能优良 镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍,减震效果很显 著,采用镁合金取代铝合金制作计算机硬盘

3、的底座, 可以大幅度减轻重量(约降低70%),大大增加硬盘的 稳定性,非常有利于计算机的硬盘向高速、大容量 的方向发展。 电磁屏蔽 计算机、手机等产品的外壳,以降低电磁波对人 体辐射危害。 生物性能 生物医用材料具有很高的附加值，其每公斤达 1200-150000美元，而建筑材料仅为0.1-1.2美 元，宇航材料也仅100-1200美元。 冶金基础知识 冶金基础知识 高炉冶炼特点 高炉是连续的、大规 模的高温生产过程， 机械化和自动化水平 较高。 可以数十年不停机。 为什么不用高炉冶炼镁？ 镁 熔点650 C 沸点1091 C 铁 熔点1538 C， 沸点 2862 C 镁的沸点低，容 易形成

4、蒸汽，难 于从炉底排出镁 熔体。 能否通过降低炉内温度的方式， 用高炉冶炼镁？ 冶金基础知识 （高炉）Blast furnace 为什么要吹气？ 为什么要吹气？ 1、加速炭的燃烧，提高炉内温度。 2、产生CO气体，促成（气相+固相）还原 反应。 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO 2 Fe3O4+CO=3FeO+ CO2 FeO+CO=Fe+CO2 固态的C也可以直接对铁矿石进行还原，但是固相-固相之 间的反应，依靠原子扩散来进行，速度非常慢。 如果要用高炉冶炼镁， 在降低炉温的同时。 需要找到合适的还原性气体。 氧化物能否被还原，取决与各组元与氧的亲和能力。 亲和能力越强的组元，可以争取

5、到更多的氧原子。 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO 2 Fe3O4+CO=3FeO+ CO2 FeO+CO=Fe+CO2 上面的反应式中，CO的与氧的亲和能力最强， 可以还原Fe的氧化物。 氧势图 氧势图 把上式的rG与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为氧 势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能与 温度的关系图。 为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应： 氧势图（Ellingham）的形成原理 氧势图

6、 （1）斜率是反应的熵变 的负值 （2）转折点一定是在该 温度有反应物或产物的相 变 氧势图 直线的位置的重要性 （1）位置越低，表明负值越大，在标准状态下所生成的 氧化物越稳定，越难被其他元素还原。 （1）位置高 （2）位置低 （3） 氧势图 直线的位置的重要性 （2）在同一温度下，若几种元素同时与氧相遇，则位置低 的元素最先氧化。如1673K时，元素Si、Mn、Ca、Al、Mg同 时与氧相遇时，最先氧化的是金属Ca, 然后依次为Mg、Al 、Si、Mn。 （3）位置低的元素在标准状态下可以将位置高的氧化物还 原。如1600时，Mg可以还原SiO2得到液态硅。 此原理是金属热还原的理论基础

7、注意：先氧化是指同样条件，氧化所需的最低氧分压低 氧势图 CO Mg 1800 在CO线以上的区域 ，如元素Fe、W、P 、Mo、Sn、Ni、Co 、As及Cu等的氧化 物均可以在固态的 时候被C还原. 镁 熔点650 C 沸点1091 C 氧势图 氧势图应用举例 氧势图应用举例 氧势图用于判断氧的走向 除了氧势图，实际生产中还有碳、硫、氯 、磷势图 镁的冶炼 水氯镁石 MgCl2H2O 水氯镁石（Bischofite）是六水氯化镁（Magnesium Chloride Hexahydrate）的俗称，工业上也叫卤块。其广泛分布于海水、盐 湖卤水及井矿盐卤水中。 熔盐电解法 熔盐电解法 183

8、0年英国科学家M.法拉第首先用熔盐氯化法制得了纯 镁；1852年P.本生在实验室范围内对此法进行了详细的研 究；到1886年在德国开始了镁德工业生产；1909年开始 ，电解氯化镁成为了工业生产镁的第一大方法。 水是有害杂质，它在电解过程中产生下列反应 Mg+H2O=MgO+H2 MgCl2+H2O=Mg(OH)Cl+HCl Mg(OH)Cl=MgO+HCl MgCl2 +H2O+C=MgO+H2+Cl2 熔盐电解法 无水氯化镁制备 氯化镁水合物脱水过程及关键技术难点 熔盐电解法 无水氯化镁制备 脱水过程中也会发生如下的副反应： 从上面反应式可知，水合氯化镁从六水合物到二水 合物的脱水较容易，而

9、它的低水合物(二水和一水合 物)会产生副反应，同时脱水所生成的氯化镁还要发 生水解。怎样脱水？ 熔盐电解法 氯化镁水合物的脱水方法简介 氯化氢保护气氛下脱水 氯化氢保护气氛下脱水基于以下两个反应 : 2 +2O = +及 2 +2O = +2 在一定温度下反应体系内维持适当的氯化氢浓度就能避免氯 化镁水解或使水解降至最低程度。 熔盐电解法 热还原法 按还原剂种类 金属热还原法 mMgO+nMe=mMg+MenOm 炭热还原法 MgO+C=Mg+CO ； 炭化物热还原法 MgO+CaC2=Mg+CaO+2C 金属热还原法是指用硅、硅-铁、铝、铝-硅-铁、钙、硅-钙等作 为还原剂 。 炭热还原法是

10、指用木炭、煤、焦碳、石墨粉等炭质材料作为还原 剂 。 炭化物热还原法指的是用炭化钙（CaC2）之类的炭化物作为还 原剂 。 其特点是：可直接采用天然矿物原料，如白云石、菱 镁矿、蛇纹石等；加热时不一定用电，热源可由煤、 煤气、天然气、石油、液化气、重油等提供；工艺过 程简单；基建投资少；建厂快；生产过程不产生有害 气体；还原残渣可作水泥原料、肥料或铸型硬化剂； 间接加热的横罐真空还原炉所得镁纯度高等。 缺点是：设备产能低；机械化程度差；半连续法所得 镁含硅量高；目前所用还原剂较贵。 热还原法 热还原法 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

11、和二钙硅 酸盐渣的反应是： 2(CaOMgO)(固） + Si(Si Fe)(固） = 2Mg(气） + 2 CaOSiO2(固） 氧势图 热还原法 2MgO + Si = 2Mg（蒸汽） + SiO2 2375, G0 = 0 这时候可能用Si还原 MgO。 此反应为动态平衡，抽真空或者对SiO2 进行造渣，可加速反应过程。 热还原法 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 。 热还原法 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/

12、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13.3133.3Pa， 可顺利还原出镁。 热还原法 皮江法（1940年） 1941年加拿大科学家皮江(L. M. Pidgeon)教授发明了一种硅 热还原炼镁工艺，称为Pidgeon工艺。该工艺将煅烧后的白云 石和硅铁按一定配比磨成细粉，压成团块，装在由耐热合金 制成的蒸馏器内，在14231473K及13Pa条件下还原得到镁 蒸气，冷凝结晶成固态镁，再熔成镁锭。 该工艺投资少，产品质量高，但不能连续生产。 热还原法 皮江法（1940年） 蒸馏

13、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。 热还原法 皮江法（1940年） 真空度13.3133.3Pa， 温度1200 ， 时间9h。 电解法和皮江法对比 1、电解法与皮江法在一次能源消耗和矿石资源消耗上 基本相当 2、由于有副产品氯气的销售收入,电解法的生产成本低 于皮江法 3、在镁电解生产中, 吨镁将产生副产品氯气2.8 2.9 吨 , 而氯气属有毒的高危产品, 不宜大量贮存和运输, 因此, 必须在电解镁装置附近配套建设能消耗这些氯气 的一系列化工装置, 配套这些化工装置的投资一般是镁 冶炼部分的8 10 倍, 整个项目是一个

14、庞大的产业集 群, 投资巨大。 电解法和皮江法对比 4、皮江法工艺简单, 所需资源分布广, 只要在煤炭资源 丰富的地方均可建设, 在生产中皮江法炼镁所提供的就 业岗位相对较多, 有较好的社会效益。皮江法炼镁与焦 化产业组合形成产业链, 利用炼焦产生的焦炉煤气作为 皮江法炼镁的燃料, 可充分利用能量资源, 降低生产成 本, 使皮江法更具竞争力。 皮江法中的细节问题 皮江法中的细节问题-煅烧白云石 煅烧不完全，会残留CaCO3。残留的碳酸钙 在镁冶金过程中产生CO2，CO2与镁蒸汽发 生反应，影响镁的产量。 煅烧过度，MgO和CaO的结晶变得粗大，影 响固相-固相反应的进行。 2(CaOMgO)(

15、固） + Si(Si Fe)(固） = 2Mg(气） + 2 CaOSiO2(固） 皮江法中的细节问题-物料粒度及制团 皮江法中的细节问题-温度和压力控制 结晶器内温度过高：镁蒸汽冷凝效果不好 温度过低：镁蒸汽来不及扩散到结晶器内壁，而 在空间就冷凝下来，形成镁粉。镁粉在出炉和后 续精炼过程中，极易被氧化。 粗镁精炼 粗镁中的杂质 粗镁中杂质金属杂质和非金属杂质 非金属杂质：Mg0、Ca0、Fe203、A1203、Si02、CaF2， 来源：原料。有的是初期抽真空带入，也有的是后期破真 空的结晶镁表面氧化烧损后的氧化物。 非金属杂质： Na、K、Fe、Zn、Mn、Si、Ni等，这 些金属蒸气是部分氧化物被Si还原所产生的。 粗镁精炼 粗镁精炼 结晶镁精炼的操作 (1)在坩埚中加入粗镁重量的15 熔炼熔剂(熔剂总量为) ; (2) 装入结晶镁，在750温度下加热熔化，慢慢加入结晶 镁及熔炼熔剂; (3)使镁液温度保持在710 ,边搅拌边加入精炼熔剂； (4)升至740 (或720)，并静置510分钟; (5)降温至710 ，开始铸造。 粗镁精炼 结晶