一、镁锭基础知识

1.产品概念

,地球上储量最丰富的轻金属元素之一

元素名称:镁[1] 
镁元素类型:金属
相对原子质量:24.3050(6)
发现者:戴维
发现年代:1808年
化学式:Mg
核内质子数:12
核外电子数:12
核电荷数:12
电子层数:3
原子体积:(立方厘米/摩尔) 13.97
元素在太阳中的含量:(ppm) 700
元素在海水中的含量:(ppm) 1200
地壳中含量:(ppm)23000
电负性:1.31
氧化态: Main  Mg+2  Other
外围电子排布:3s2 核外电子排布: 2,8,2
晶体结构:晶胞为六方晶胞.。

镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一,镁的比重是1.74g/cm3,只有的2/3、的2/5、的1/4;镁合金铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%。镁的熔点为648.8℃。

镁锭

 

2.性质及元素来源

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、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量仅为铝合金的70%和易于回收等优点。

镁存在于菱镁MgCO3、白云石CaMg(CO3)2、光卤石KCl•MgCl2•H2O中,海水中也含镁盐。可以由电解熔融的氯化镁或光卤石制得。白云石:菱镁矿(碳酸镁)含量40%以上。

镁合金的比强度高于铝合金和钢,略低于比强度最高的纤维增强塑料;比刚度与铝合金和钢相当,远高于纤维增强塑料;耐磨性能比低碳钢好得多,已超过压铸铝合金A380;减振性能、磁屏蔽性能远优于铝合金。

镁物理性能:除了比重低,镁还有很多其它的良好的物理特性,使之在汽车结构材料应用中,有时比铝和塑料更有应用价值。镁物理性能的主要优点是: 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。

镁机械性能:和压铸铝合金相比,镁除了上述物理性能等优点,还具有较高的机械性能。镁的强度和刚度要明显好于塑料,延伸率和冲击抗力则明显好于压铸铝合金。

镁加工性能:镁有很好的加工性能,也就是说有很好的铸造性能。和其它材料比,它的制造成本很低,值得重视的是,尽管每公斤镁锭的价格要比铝和铁贵一些,但它单位体积的成品价格几乎是一样的。镁的物理化学特性使其比铝更适合压铸大型部件。镁单位体积的熔化潜热只有铝的2/3,比热只有铝的3/4,并且有非常低的溶铁性。这些特性使镁压铸件达到和铝几乎相同的生产成本/每公斤。

二、金属镁生产工艺流程及应用领域

1.镁锭生产流程

烟煤 ——球磨机——回转窑煅烧——白云石——球磨机——压球机——还原炉——精炼炉——真空泵——炉温1200℃——真空度13Pa——烟煤提供——热量——800℃——烟煤提供——热量——成品镁锭

电解法炼镁的各种工艺原理

氯化熔盐电解法包括氯化镁的生产及电解制镁两大过程。该方法又可分为以菱镁矿为原料的无水氯化镁电解法和以海水为原料制取无水氯化镁的电解法。其中后者最大的难点是如何去除MgCl2·6H2O中的结晶水。一般来说:采用普通的加热法可以去除部分结晶水,生成MgCl2·3/2H2O。但MgCl2·3/2H2O在空气中加热时很容易发生水解反应,生成不利于电解过程的杂质,如Mg(OH) 2.电解法生产镁的工艺很多,但基本原理相同,其中最有代表性的有DOW工艺、I.G.Farben工艺、Magnola工艺等。 

DOW工艺

1916年DOW工艺在美国Michighn的Midland首次得到应用。当时所用的制备MgCl2的方法是将海水与煅烧白云石一起制成泥浆,与盐酸反应,生成氯化镁溶液,将其浓缩并干燥处理后生成MgCl2·3/2H20。这种原料直接加入电解槽内进行反应,副产物氯气可以回收利用。

1941年道屋(DOW)化学公司在塔克赛斯自由港建立了一个工厂,从海水中提取镁的电解原料。海水由引水槽引入,滤过淤泥后导人沉淀池,与石灰混合,过滤后与20%HCI反应生成MgClz,蒸发后得到固体氯化镁,然后经干燥炉干燥得到低水合氯化镁(MgCl2·3/2H2O),成为DOW工艺电解制镁的原料。

许多生产厂家都采用与DOW工艺类似的方法电解海水来生产镁(见图1),主要差别在于提取无水氯化镁的方法不同。DOW化学公司通过在含大量MgCl2、NaCI和CaCl2混合溶液的电解池中直接加入少量部分脱水氯化物来迅速脱水。挪威诺斯克—希德罗(Norsk—Hydro)公司是欧洲最主要的镁生产商,通过在于燥的氯化氢气氛中加热MgCl2·6H2O来实现完全脱水。前独联体则主要采用往电解池中加入无水光卤石来脱水。最近,澳大利亚金属镁公司开发了一种制备无水氯化镁原料的全新工艺,在氯化镁溶液中加入一种称为Gylcol的物质,蒸馏脱水,然后喷雾氨生成六氨合氯化镁,接着焙烧制备高质量的无水氯化镁。在该工艺中,溶剂和氨都可以循环使用。

DOW工艺中所用电解槽结构如图2所示,锥形电极直接焊接在不锈钢内壁上。由于使用的原料含有部分结晶水,电极磨损较大。另外电解副产物也不容易排除。生产1t镁约可获得2t氯。电解后废的电解质中含有很高的碳酸钾,可用于生产肥料。

2.应用领域

常用做还原剂,去置换、锆、铀、铍等金属。主要用于制造轻金属合金、球墨铸铁、科学仪器脱脱氢和格氏试剂,也能用于制烟火、闪光粉、镁盐等。结构特性类似于铝,具有轻金属的各种用途,可作为飞机、导弹的合金材料。但是镁在汽油燃点可燃,这限制了它的应用。

金属镁能与大多数非金属和酸反应;在高压下能与氢直接合成氢化镁;镁能与卤化或卤化芳烃作用合成格利雅试剂,广泛应用于有机合成。镁具有生成配位化合物的明显倾向。

镁是航空工业的重要材料,镁合金用于制造飞机及森、发动机零件等;镁还用来制造照相和光学仪器等;镁及其合金的非结构应用也很广;镁作为一种强还原剂,还用于钛、锆、铍、铀和铪的生产中。

纯镁的强度小,但镁合金是良好的轻型结构材料,广泛用于空间技术、航空、汽车和仪表等工业部门。一架丧事超音速飞机约有5%的镁合金构件,一枚导弹一般消耗100~200公斤镁合金。镁是其他合金(特别是铝合金)的主要组元,它与其他元素配合能使铝合金热处理强化;球墨铸铁用镁作球化剂;而有些金属(如钛和锆)生产又用镁作还原剂;镁是燃烧弹弹和照明弹不能缺少的组成物;镁粉是节日烟花必需的原料;镁是核工业上的结构材料或包装材料;镁肥能促使植物对磷的吸收利用,缺镁植物则生长趋于停滞。镁在人民生活中占有重要地位的一种基础材料。

镁在笔记本电脑中的应用:镁在笔记本电脑中的应用在本期刊物中,你将看到戴尔公司用镁合金作为笔记本电脑的外壳,从而保护其内部组件,延长笔记本电脑的使用寿命。这种用途利用了镁合金的高强度和耐用性。镁再次证明了其不仅可以应用在汽车、家具等领域,更可以在计算机行业满足高科技的需求。这将进一步扩大人们对镁的使用范围。

三、镁锭产量

阿拉丁镁锭产量统计

四、镁工业的发展

20世纪50年代以前,镁的发展依附于军事工业,20世纪60年代以后,由于金属镁在民用市场和空间技术的应用得到发展,于是推动了镁的平衡增长。近几年来随着镁合金在交通、电子及通信等领域应用的增长,世界镁的消费在逐年上升并增长迅速。全世界(除中国外)有10个国家即美国、加拿大、挪威、俄罗斯、法国、意大利、前南斯拉夫、巴西、印度、朝鲜生产金属镁。

20世纪90年代以来,市场经济拉动了中国镁工业的发展。在90年代的10年间,中国原镁产量增长了37倍,特别是1995-2000年,年平均增长率为15.84%,大大高于西方世界的增长率。中国已成为世界上最大的原镁生产国和出口国。中国镁工业的高速发展为全球镁的推广与应用做出了积极的贡献,也深刻地改变了全球镁工业的竞争格局。

2006年1-12月,全国共产金属镁(镁)613084.94吨,同比增长32.23%;2007年1-12月,全国共产金属镁(镁)670130.87吨,同比增长24.12%;2008年1-10月,全国共产金属镁(镁)539498.36吨,同比增长6.59%。

中国镁工业要想取得更大发展,需要进一步优化产品结构,生产高附加值、高科技含量的镁产品,扩大国内镁的应用,增强国际竞争力;同时必须下大力气推广新能源,节能降耗,走上循环经济之路。

“十一五”期间,用于脱硫的镁粉增速在10%。每吨铁水用镁粉大概为0.5公斤,中国等地区钢铁行业的高速发展势必也会带动镁粉的发展。汽车工业的发展,带动钢铁工业,同时也会带动镁粉的应用。

五、镁目前的实际应用及市场情况


近年来,世界各国高度重视镁合金的研究与开发,将镁资源作为二十一世纪的重要战略物资,加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天领域的应用开发研究,镁合金已成为世界最令人瞩目的绿色环保工程材料,属二十一世纪的朝阳产业。目前,镁合金应用主要有以下五个方面。其中,后二个方面的用量增长十分迅速。

(1)铝合金的添加元素

金属镁是铝合金中的主要合金元素,世界年需求量在16万吨左右。

(2)镁牺牲阳极

镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一,广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。目前,作为镁牺牲阳极的镁合金有3-4万吨/年的市场需求量,且每年以20%的速度增长。

(3)型材用镁合金

镁合金型材、管材,以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高,其生产成本已下降到与铝合金相当的程度,极大地刺激了其在民用领域的应用,如用作自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材等。

(4)汽车、摩托车用镁合金

进入七十年代,各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制。1993-1994年欧洲汽车制造商提出“3公升汽油轿车”的新概念。美国提出了“PNGV”(新一代交通工具)的合作计划。其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3公升的6人客车,且整车至少80%以上的部件可以回收。这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术,生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算,汽车自重减轻10%,其燃油效率可提高5.5%。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料,在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。在欧美国家中,各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少来做为自身车辆领先的标志,大众、奥迪、菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。在未来的7-8年中,欧洲汽车用镁将占镁总消耗量的14%,预计今后将以15%的速度递增,2005年将达到20万吨。美、欧、日等发达国家投入大量人力和物力,实施多项大型联合研究发展计划,研究用镁合金制造汽车零部件。这些研究开发计划促进了镁合金在汽车上应用的发展。目前,镁合金压铸汽车零部件至少已超过60种,例如,已经使用并在近期要快速推广的零部件有轮毂、仪表盘、座椅框架、变速箱壳体、转向系统、汽缸盖、进气岐管和刹车踏板架。正在加紧着手开发的有门框、大的车体外部件、支撑柱、发动机箱体、油底盘。其中,安装安全气囊的汽车都开始改用镁合金方向盘,这既可减重,又可降低震动,在发生意外撞击时,镁合金可吸收更多的能量,有利保证驾驶员的安全。

世界汽车、摩托车产量在2000年产量分别达到2,700万和1,500万辆,如按每辆汽车用镁合金30公斤、每辆摩托车用镁合金5公斤计算,单汽车原镁年耗量将达到约90万吨,远远超过镁年产量。作为未来进一步的发展目标,每辆汽车和摩托车的镁合金用量更可达100和15公斤。对镁合金制品将有着巨大的需求。

(5)电子类产品的壳体
汽车行业对镁合金的大量需求,推动了镁合金生产技术的多项突破,镁合金的使用成本也大幅度下降,从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中,镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。

电子信息行业由于数字化技术的发展,市场对电子及通讯产品的高度的集成化、轻薄化、微型化和符合环保的要求是越来越高。工程塑料曾作为主要材料,但其强度终究无法和金属相比。例如,镁合金具有优异的薄壁造性能,其压铸件的壁厚可达0.5mm-1mm,并保持一定强度、刚度和抗撞能力,这非常有利于产品超薄、超轻和微型化的要求。这是工程塑料,甚至铝合金所无法达到的。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下,加上电磁屏蔽、散热和环保的方面的考虑,镁合金成了厂家的最佳选择。另外,镁合金外壳可使产品更豪华、美观,也是工程塑料所无法比拟的。

在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件,但它的数量大、覆盖面大,其用量也是巨大的。所以,近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加,成为拉动全球消耗量增加的另一重要因素。