Металлургия Магния
Свойства магния и его использование
Магний (Mg) представляет собой легкий, ковкий металл, серебристого оттенка, при разломе – более темного. Плотность магния ниже, чем плотность алюминия и равна – 1,74 г/см3, однако прочность магния в два раза больше.
В таблице химических элементов Mg расположен в главной подгруппе 2-ой группы 3-его периода, с порядковым номером 12. Молярная (атомная масса) вещества составляет 24,304 а.е.м. Он начинает плавиться при температуре 6500 по Цельсию (923 К). Температура кипения – 1090 градусов по Цельсию.
В ряду напряжения этот элемент расположен среди более электроотрицательных – электронный потенциал составляет -2,37 В.
При нахождении на сухом воздухе Mg защищен специальной оксидной пленкой, в виде белого налета. Она предотвращает окисление при температуре до 400 °С. Влажная среда негативно сказывается на коррозийной стойкости. Из-за этого горящий Mg никогда не гасят холодной водой.
Чистый Mg воспламеняется ярким пламенем даже от спички. При горении выделяет много тепла. Для того чтобы закипел 1 литр ледяной воды достаточно сжечь 20 грамм этого вещества.
Mg активно реагирует с галогенами, а в процессе взаимодействия с водой (при температуре 100 °С), заставляет из последней выделяться водород. С водой комнатной температуры реакции проходят медленно. Так же легко магний взаимодействует с кислотой – растворяясь и выделяя из нее водород. Таким образом, реакции на взаимодействие Mg и кислот называют «окислительными». При этом щелочь на него никак не действует.
В производственной сфере магний зачастую используют только в сплавах с другими примесями. Если добавить в магний алюминий и цинк, его механические и литейные качества увеличатся. А примесь марганца повысит стойкость металла к коррозии.
Сплавы Mg используют в самолетостроении и автомобильном производстве, в металлургии, при изготовлении светящихся ракет и снарядов, благодаря своему яркому свечению.
Несмотря на низкую устойчивость к воздействию коррозии, этот металл используют в качестве защитного элемента других металлов при строительстве. Оксид Mg – основная составляющая при создании магнезитовых огнеупоров.
Сульфаты магния, при проведении реакций выделяют горькую соль, которую активно используют не только в промышленности (как бумажной, так и текстильной), но еще и в медицинских целях.
Существуют и другие виды магниевых соединений, широко применяющихся в наше время.
Сырье, из которого получают магний
Благодаря своему широкому распространению в природе, магний занимает 6 место, после таких элементов как: кислород, кальций, алюминий, железо, кремний. Однако, чистый магний в природе найти невозможно, он может быть лишь в составе примесей и сплавов. Наибольший его состав обнаруживается в солях угольной и кремниевой кислоты, а так же в хлоридах и сульфатах соленых вод в водоемах.
Одним из самых крупных месторождений карналлита является Соликамское месторождение в республике Коми.
Богаты природным бишофитом соленые озера Зауралья и Сибири.
В России существуют большие количества залежей магнезита в Оренбургской области (Халиловское природное месторождение), в Челябинской области (Саткинское месторождение), в Иркутской области (Онотское месторождение полезных ископаемых) и других регионах. В мире Россия занимает лидирующие места по залежам магния.
Производство магния из сплавов
Магний был известен задолго до своего открытия. Этот элемент появился в 1808 году, а сплавы с его составом использовались задолго до этого. 1830 год – год открытия способа выплавки Mg из MgCl2. В нашей же стране, использование и воспроизводство магния как металла появилось лишь в 40-е гг. XX в.
Существует два способа добычи металлического магния:
1. Электролитический способ (применяется в 70 % случаев) проходит в два этапа:
- получение хлористого магния;
- получение магния путем электролиза.
Сейчас комбинируют производство магния и титана, которое занимает не последнее место в современной промышленности.
Однако этот вариант весьма сложен и несет вред для работников, ведь при работе выделяется вредный газообразный хлор.
2. Термический способ (составляет 30 % от объема всего производства магния в России). Заключается в восстановлении магния из обожженного магнезита.
Хлоридное производство Mg
Сырьем при получении безводного хлорида Mg выступает магнезит, карналлит (природный минерал, двойная соль), бишофит (магниевая соль).
Выделяют три основных способа выплавления хлористого магния
1. Производство безводного карналлита.
Данная работа проходит в два этапа:
- карналлит нагревается в специальных трубчатых печах;
- перевод в MgCl2 в печах типа «хлораторы».
2. Хлорируем карбонат магния или оксид магния. Происходит это в электрических шахтных печах.
Такие печи представлены в виде круглых футерованных шахт, обернутыми в тонкую пластину из металла. Внизу такой печи расположено по два ряда электродов, которые находятся под углом в 60 градусов друг к другу - каждый ряд содержит в себе по 3 электрода, которые стоят относительно друг друга под углом в 120 градусов.
Все свободное оставшееся место печи от низа доверху выставлено специальными брикетами из угля, они применяются для увеличения сопротивления, благодаря чему температуру печи можно увеличить до тысячи градусов.
Через фурмы, которые располагаются между электродами, в них поступает хлор.
Через герметичное куполообразное устройство в свод печи попадает шихта, а хлорид магния выходит порциями через летку, которая находится у пода печки. Выпускается хлорид каждые 3 – 4 часа.
Шихта, погруженная в печь, находится в самой ее верхней части. Опорой ей служит насадка из угля, в нижней части. Из-за отходов газа шихта сразу нагревается и после чего высушивается.
Сами же реакции хлорирования проходят в нижнем слое из шихт, называется этот слой реакционной зоной. После прохождения реакции расплавленный хлорид просачивается в восстановительный слой, он же и является основным очагом тепла, и используется в качестве фильтра.
Вырабатывающиеся при этом газы выходят через специальные газоотводные трубы и применяются в виде топлива, появляющегося после вторичной обработки.
Уже расплавленный хлорид доставляется в цех для получения чистого магния.
Продуктами реакции выступают металлический магний и хлор (но уже в газообразном виде).
3. MgCl2 получают в качестве побочного продукта при выработке титана. Потребность в безводном MgCl2 возникает при использовании определенного сырья, однако во всех прочих условиях, хлорирование проще и дешевле.
Выделение магния путем электролитической реакции
Электролиз представляет собой как химический, так и физический процесс, который заключается в проявлении на электродах частиц веществ, которые используются в виде вторичного продукта предыдущих реакций. Данная процедура возможна благодаря пропуску электрического разряда сквозь подготовленный раствор с электролитом.
Сама процедура добычи магния через реакции электролиза (выплавка металла из хлоридов магния) включает в себя несколько ведущих этапов: пополнение (другими словами - питание) ванны электролитом, забор выделенного магния, уничтожение использованного электролита, уборка возникшего после процесса смены анодов специфического пористого шлама.
В ванне, приготовленной для такого процесса, создают и поддерживают во время всего приготовления определенную температуру. Оптимальная температура - от 700 до 750 градусов Цельсия. Она обеспечивается благодаря сопротивлению электролита. В состав этого электролита входят следующие элементы: 8 – 16 % хлористого магния; 25 – 35 % хлорида кальция; 25 – 35 % хлорида натрия; 18 – 25 % хлорида калия; 0,2 % оксид магния; 0,3 – 0,5 %. железа и следов оксида серы.
Катодное пространство в ванне периодически заполняется расплавленным и обезвоженным хлористым магнием, либо карналлитом, чтобы поддерживать соотношение MgG2 от 8 до 16 %.
В период электролиза MgCl2 разлагается на две составляющие: в катодном пространстве выделяется магний, в анодном - хлор. На 1 т металлического магния при электролизе хлористого магния выделяется 2,9 т хлора. По удельному весу магний меньше, чем электролит, и поэтому он поднимается на внешнюю плоскость электролита в катодное пространство и собирается в одну массу.
Расплавленный магний вынимают из ванны специальным устройством – вакуумным ковшом. Съем магния с одного квадратного метра площади пода электролизной ванны составляет 70 – 130 кг/сут. Расход электроэнергии составляет 13,5-16,7 кВт•ч/ т магния.
Рафинирование магния
Электролитный магний включает в свой состав более одной десятой процентов примесей, что негативно проявляется на некоторых его свойствах (упругости, прочности, пластичности) и способности противостоять коррозии.
Государственные стандарты выделяют три допустимые нормы первичного Mg:
- Mg 90 (магний в своем составе не должен содержать более 0,1 % примесей);
- Mg 95 (магний в своем составе не должен содержать более 0,035 % примесей)
- Mg 96 (в составе магния должно содержаться менее 0,030 % примесей).
Магний чистого вида не может подходить к таким требованиям государственного стандарта, поэтому его еще дополнительно очищают, или рафинируют.
Очищают магний также несколькими способами: выплавка с флюсами, возгонка и электролиз.
Самым распространенным способом очистки магния является плавка с флюсами. Флюсы представляют собой составы из неорганических веществ. Благодаря их использованию, металл снижает свою температуру, что позволяет легко отделить его от сплавов. Если использовать этот способ, то магний очистится от неметаллических смесей, которые в нем присутствуют. Уменьшатся они так же из-за снижения температуры.
Флюсы включают в себя примеси MgCl2, MgF2, а так же калия, кальция и бария. Их основное предназначение – сохранить магний от окисления, а так же откинуть примеси. Все это происходит при температуре свыше 750 градусов Цельсия в специальных электрических печах тигельного вида, которые постоянного действия.
Очищение с применением возгонки основывается на различии величины упругости паров магния и других содержащихся в нем примесей. При нагревании сначала будут улетучиваться или испаряться пары тех веществ, упругость которых ниже. Элементы с более низкой упругостью паров осядут в осадок. Поэтому при улетучивании магния они принимают структуру твердого вещества, а возгоны представляют собой практически чистый Mg. Данные реакции проводят в закрытых ретортах при температуре 600 °С и остаточном давлении 13 – 7 Паскаль.
Аппарат вмещает до 250 килограмм магния. Этот процесс периодический. Своей нижней частью реторта опускается в печь для нагревания и впоследствии служит испарителем; верхняя часть применяется в качестве конденсатора. Промышленные пылинки магния (возгоны) в виде друз остаются в конденсаторе. Самой чистой считается основная (центральная) составляющая друз, это ее отделяют и впоследствии переплавляют. Магний, полученный через возгонку, имеет в своем составе около 99,99 % чистого магния.
Очищение Mg путем электролитического воздействия проходит трехслойным методом, схожим с очищением Al. Однако этот способ активно не применяется.
Чистый магний распределяется в специальные емкости - цилиндры. Для того чтобы уберечь его от воздействия коррозии, поверхность обливают специальным ингибитором – горячим бихроматом. Для более долгого сохранения емкости сверху закупоривают парафином и вазелином.
Магний (Mg) представляет собой легкий, ковкий металл, серебристого оттенка, при разломе – более темного. Плотность магния ниже, чем плотность алюминия и равна – 1,74 г/см3, однако прочность магния в два раза больше.
В таблице химических элементов Mg расположен в главной подгруппе 2-ой группы 3-его периода, с порядковым номером 12. Молярная (атомная масса) вещества составляет 24,304 а.е.м. Он начинает плавиться при температуре 6500 по Цельсию (923 К). Температура кипения – 1090 градусов по Цельсию.
В ряду напряжения этот элемент расположен среди более электроотрицательных – электронный потенциал составляет -2,37 В.
При нахождении на сухом воздухе Mg защищен специальной оксидной пленкой, в виде белого налета. Она предотвращает окисление при температуре до 400 °С. Влажная среда негативно сказывается на коррозийной стойкости. Из-за этого горящий Mg никогда не гасят холодной водой. Чистый Mg воспламеняется ярким пламенем даже от спички. При горении выделяет много тепла. Для того чтобы закипел 1 литр ледяной воды достаточно сжечь 20 грамм этого вещества.
Mg активно реагирует с галогенами, а в процессе взаимодействия с водой (при температуре 100 °С), заставляет из последней выделяться водород. С водой комнатной температуры реакции проходят медленно. Так же легко магний взаимодействует с кислотой – растворяясь и выделяя из нее водород. Таким образом, реакции на взаимодействие Mg и кислот называют «окислительными». При этом щелочь на него никак не действует.
В производственной сфере магний зачастую используют только в сплавах с другими примесями. Если добавить в магний алюминий и цинк, его механические и литейные качества увеличатся. А примесь марганца повысит стойкость металла к коррозии.
Сплавы Mg используют в самолетостроении и автомобильном производстве, в металлургии, при изготовлении светящихся ракет и снарядов, благодаря своему яркому свечению.
Несмотря на низкую устойчивость к воздействию коррозии, этот металл используют в качестве защитного элемента других металлов при строительстве. Оксид Mg – основная составляющая при создании магнезитовых огнеупоров.
Сульфаты магния, при проведении реакций выделяют горькую соль, которую активно используют не только в промышленности (как бумажной, так и текстильной), но еще и в медицинских целях.
Существуют и другие виды магниевых соединений, широко применяющихся в наше время.
Сырье, из которого получают магний
Благодаря своему широкому распространению в природе, магний занимает 6 место, после таких элементов как: кислород, кальций, алюминий, железо, кремний. Однако, чистый магний в природе найти невозможно, он может быть лишь в составе примесей и сплавов. Наибольший его состав обнаруживается в солях угольной и кремниевой кислоты, а так же в хлоридах и сульфатах соленых вод в водоемах.
Одним из самых крупных месторождений карналлита является Соликамское месторождение в республике Коми.
Богаты природным бишофитом соленые озера Зауралья и Сибири.
В России существуют большие количества залежей магнезита в Оренбургской области (Халиловское природное месторождение), в Челябинской области (Саткинское месторождение), в Иркутской области (Онотское месторождение полезных ископаемых) и других регионах. В мире Россия занимает лидирующие места по залежам магния.
Производство магния из сплавов
Магний был известен задолго до своего открытия. Этот элемент появился в 1808 году, а сплавы с его составом использовались задолго до этого. 1830 год – год открытия способа выплавки Mg из MgCl2. В нашей же стране, использование и воспроизводство магния как металла появилось лишь в 40-е гг. XX в.
Существует два способа добычи металлического магния:
1. Электролитический способ (применяется в 70 % случаев) проходит в два этапа:
- получение хлористого магния;
- получение магния путем электролиза.
Сейчас комбинируют производство магния и титана, которое занимает не последнее место в современной промышленности.
Однако этот вариант весьма сложен и несет вред для работников, ведь при работе выделяется вредный газообразный хлор.
2. Термический способ (составляет 30 % от объема всего производства магния в России). Заключается в восстановлении магния из обожженного магнезита.
Хлоридное производство Mg
Сырьем при получении безводного хлорида Mg выступает магнезит, карналлит (природный минерал, двойная соль), бишофит (магниевая соль).
Выделяют три основных способа выплавления хлористого магния
1. Производство безводного карналлита.
Данная работа проходит в два этапа:
- карналлит нагревается в специальных трубчатых печах;
- перевод в MgCl2 в печах типа «хлораторы».
2. Хлорируем карбонат магния или оксид магния. Происходит это в электрических шахтных печах.
Такие печи представлены в виде круглых футерованных шахт, обернутыми в тонкую пластину из металла. Внизу такой печи расположено по два ряда электродов, которые находятся под углом в 60 градусов друг к другу - каждый ряд содержит в себе по 3 электрода, которые стоят относительно друг друга под углом в 120 градусов.
Все свободное оставшееся место печи от низа доверху выставлено специальными брикетами из угля, они применяются для увеличения сопротивления, благодаря чему температуру печи можно увеличить до тысячи градусов.
Через фурмы, которые располагаются между электродами, в них поступает хлор.
Через герметичное куполообразное устройство в свод печи попадает шихта, а хлорид магния выходит порциями через летку, которая находится у пода печки. Выпускается хлорид каждые 3 – 4 часа.
Шихта, погруженная в печь, находится в самой ее верхней части. Опорой ей служит насадка из угля, в нижней части. Из-за отходов газа шихта сразу нагревается и после чего высушивается.
Сами же реакции хлорирования проходят в нижнем слое из шихт, называется этот слой реакционной зоной. После прохождения реакции расплавленный хлорид просачивается в восстановительный слой, он же и является основным очагом тепла, и используется в качестве фильтра.
Вырабатывающиеся при этом газы выходят через специальные газоотводные трубы и применяются в виде топлива, появляющегося после вторичной обработки.
Уже расплавленный хлорид доставляется в цех для получения чистого магния.
Продуктами реакции выступают металлический магний и хлор (но уже в газообразном виде).
3. MgCl2 получают в качестве побочного продукта при выработке титана. Потребность в безводном MgCl2 возникает при использовании определенного сырья, однако во всех прочих условиях, хлорирование проще и дешевле.
Выделение магния путем электролитической реакции
Электролиз представляет собой как химический, так и физический процесс, который заключается в проявлении на электродах частиц веществ, которые используются в виде вторичного продукта предыдущих реакций. Данная процедура возможна благодаря пропуску электрического разряда сквозь подготовленный раствор с электролитом.
Сама процедура добычи магния через реакции электролиза (выплавка металла из хлоридов магния) включает в себя несколько ведущих этапов: пополнение (другими словами - питание) ванны электролитом, забор выделенного магния, уничтожение использованного электролита, уборка возникшего после процесса смены анодов специфического пористого шлама.
В ванне, приготовленной для такого процесса, создают и поддерживают во время всего приготовления определенную температуру. Оптимальная температура - от 700 до 750 градусов Цельсия. Она обеспечивается благодаря сопротивлению электролита. В состав этого электролита входят следующие элементы: 8 – 16 % хлористого магния; 25 – 35 % хлорида кальция; 25 – 35 % хлорида натрия; 18 – 25 % хлорида калия; 0,2 % оксид магния; 0,3 – 0,5 %. железа и следов оксида серы.
Катодное пространство в ванне периодически заполняется расплавленным и обезвоженным хлористым магнием, либо карналлитом, чтобы поддерживать соотношение MgG2 от 8 до 16 %.
В период электролиза MgCl2 разлагается на две составляющие: в катодном пространстве выделяется магний, в анодном - хлор. На 1 т металлического магния при электролизе хлористого магния выделяется 2,9 т хлора. По удельному весу магний меньше, чем электролит, и поэтому он поднимается на внешнюю плоскость электролита в катодное пространство и собирается в одну массу.
Расплавленный магний вынимают из ванны специальным устройством – вакуумным ковшом. Съем магния с одного квадратного метра площади пода электролизной ванны составляет 70 – 130 кг/сут. Расход электроэнергии составляет 13,5-16,7 кВт•ч/ т магния.
Рафинирование магния
Электролитный магний включает в свой состав более одной десятой процентов примесей, что негативно проявляется на некоторых его свойствах (упругости, прочности, пластичности) и способности противостоять коррозии.
Государственные стандарты выделяют три допустимые нормы первичного Mg:
- Mg 90 (магний в своем составе не должен содержать более 0,1 % примесей);
- Mg 95 (магний в своем составе не должен содержать более 0,035 % примесей)
- Mg 96 (в составе магния должно содержаться менее 0,030 % примесей).
Магний чистого вида не может подходить к таким требованиям государственного стандарта, поэтому его еще дополнительно очищают, или рафинируют.
Очищают магний также несколькими способами: выплавка с флюсами, возгонка и электролиз.
Самым распространенным способом очистки магния является плавка с флюсами. Флюсы представляют собой составы из неорганических веществ. Благодаря их использованию, металл снижает свою температуру, что позволяет легко отделить его от сплавов. Если использовать этот способ, то магний очистится от неметаллических смесей, которые в нем присутствуют. Уменьшатся они так же из-за снижения температуры.
Флюсы включают в себя примеси MgCl2, MgF2, а так же калия, кальция и бария. Их основное предназначение – сохранить магний от окисления, а так же откинуть примеси. Все это происходит при температуре свыше 750 градусов Цельсия в специальных электрических печах тигельного вида, которые постоянного действия.
Очищение с применением возгонки основывается на различии величины упругости паров магния и других содержащихся в нем примесей. При нагревании сначала будут улетучиваться или испаряться пары тех веществ, упругость которых ниже. Элементы с более низкой упругостью паров осядут в осадок. Поэтому при улетучивании магния они принимают структуру твердого вещества, а возгоны представляют собой практически чистый Mg. Данные реакции проводят в закрытых ретортах при температуре 600 °С и остаточном давлении 13 – 7 Паскаль.
Аппарат вмещает до 250 килограмм магния. Этот процесс периодический. Своей нижней частью реторта опускается в печь для нагревания и впоследствии служит испарителем; верхняя часть применяется в качестве конденсатора. Промышленные пылинки магния (возгоны) в виде друз остаются в конденсаторе. Самой чистой считается основная (центральная) составляющая друз, это ее отделяют и впоследствии переплавляют. Магний, полученный через возгонку, имеет в своем составе около 99,99 % чистого магния.
Очищение Mg путем электролитического воздействия проходит трехслойным методом, схожим с очищением Al. Однако этот способ активно не применяется.
Чистый магний распределяется в специальные емкости - цилиндры. Для того чтобы уберечь его от воздействия коррозии, поверхность обливают специальным ингибитором – горячим бихроматом. Для более долгого сохранения емкости сверху закупоривают парафином и вазелином.