硅熱法冶煉金屬鎂

鎂的化學(xué)性質(zhì)鎂的化學(xué)性質(zhì)很活潑。固體鎂在常溫、干燥空氣中，一般是比較穩(wěn)定的，不易燃燒，但在熔融狀態(tài)時(shí)，容易燃燒，并生成氧化鎂（MgO）。在300°C時(shí)，鎂與空氣中的N2作用生成氮化鎂伽的），使鎂表面成為棕黃色，并且溫度達(dá)600C時(shí)，反應(yīng)迅速。3Mg+2N=MgN鎂在沸水中可與HO作用，2 32 2使水分解放出氫（H2）。鎂能溶解在無(wú)機(jī)酸（HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4）中，但能耐氟氫酸和鉻酸的腐蝕。鹽鹵、硫化物、氮化物、碳酸氫鈉（NaHCO3）溶液對(duì)鎂有侵蝕作用。鎂在NaOH和Na2CO3溶液中是穩(wěn)定的，但有機(jī)酸能破壞鎂。鎂能將許多氧化物（TiO2、叫、Li2O等）和氯化物（TiCi4、ZrCi4）等還原。鎂與鐵不形成合金，但鐵在鎂中的溶解度隨溫度增高而增大，鎂的物理化學(xué)性質(zhì)鎂的物理性質(zhì)鎂是元素周期系第二族化學(xué)元素，其晶格是密集的六方晶系。鎂的自由原子的電子排列為1s22s22p63s2,所以鎂通常為兩價(jià)（Mg2+）o金屬M(fèi)是一^很^的金屬，它的質(zhì)量比鋁還輕1/3,它還是電與熱的良好導(dǎo)體等，其物理化學(xué)性質(zhì)數(shù)值為［3］：原子序數(shù)：12原子量：24.305原子體積：13.99cm3/mol原子半徑：0.15nm離子半徑（Mg2+）：0.074nm密度：20C（Mg99?9%）1.74g/cm3熔點(diǎn)（651C）1.57g/cm3液體狀態(tài)1?54g/cm3熔點(diǎn)溫度：651C沸點(diǎn)溫度：1107C（p=0.1MPa）熔融潛熱：（99.93%Mg）8786.4±418.4J/mol蒸發(fā)潛熱：（1107C）127.6±6.3kJ/mol升華熱：（651C）142.3±6.3kJ/mol導(dǎo)熱率：（20C）22.9x10-4Qcm-3標(biāo)準(zhǔn)電位：-2.38V電化當(dāng)量：0?453g/A?h結(jié)晶收縮率：3.97%~4.2%收縮率：（651~20°C）2%鎂的蒸氣壓相當(dāng)高，627°C時(shí)為215.95Pa,727°C時(shí)為1037.1Pa,因此鎂極易揮發(fā)。純鎂是柔軟可鍛的金屬，鑄鎂的抗拉強(qiáng)度約為8kg/mm2,而鍛鎂則為20kg/mm2,其延伸率相應(yīng)為6%和8%,布氏硬度分別為30kg/mm2和35kg/mm2,鎂中所含的雜質(zhì)大多數(shù)對(duì)其機(jī)械性能有不良影響。MgO超過(guò)0.1%時(shí)會(huì)降低鎂的機(jī)械性能。鈉的含量超過(guò)0.01%或者鉀的含量超過(guò)0.03%時(shí)也會(huì)大大降低鎂的抗拉強(qiáng)度及其機(jī)械性能。但同時(shí)含鈉達(dá)0.07%和含鉀達(dá)0.01%時(shí)，鎂的機(jī)械強(qiáng)度雖不降低，但降低其塑性。但是有些雜質(zhì)元素對(duì)鎂的物理性能有所改善。例如雜質(zhì)硅能使鎂的抗拉強(qiáng)度增大；鈣能使鎂的晶粒細(xì)化，含鈣約為0.45%時(shí)，鎂的塑性顯著提高；含鋁1%左右能增加鎂的硬度和機(jī)械強(qiáng)度；銅在1%以下時(shí)不使鎂的機(jī)械強(qiáng)度發(fā)生變化。鎂與鋁、銅、錳、鋅、錯(cuò)、釷等金屬可構(gòu)成合金。這些合金的機(jī)械性能比純鎂優(yōu)良。鎂與鐵、鈹、鉀、鈉等金屬不能構(gòu)成合金。蒸汽壓指的是在液體（或者固體）的表面存在著該物質(zhì)的蒸汽，這些蒸汽對(duì)液體（或者固體）表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是該液體（或者固體）的蒸汽壓。比如，水的表面就有水蒸汽壓，當(dāng)水的蒸汽壓達(dá)到水面上的氣體總壓的時(shí)候，水就沸騰。我們通常看到水燒開(kāi)，就是在100攝氏度時(shí)水的蒸汽壓等于一個(gè)大氣壓。蒸汽壓隨溫度變化而變化，溫度越高，蒸汽壓越大。當(dāng)然還和液體種類有關(guān)在一定的溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)（或固態(tài)）處于平衡狀態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫飽和蒸汽壓，它隨溫度升高而增加。如：放在杯子里的水,會(huì)因不斷蒸發(fā)變得愈來(lái)愈少。如果把純水放在一個(gè)密閉的容器里，并抽走上方的空氣。當(dāng)水不斷蒸發(fā)時(shí)，水面上方汽相的壓力，即水的蒸汽所具有的壓力就不斷增加。但是，當(dāng)溫度一定時(shí)，汽相壓力最終將穩(wěn)定在一個(gè)固定的數(shù)值上，這時(shí)的汽相壓力稱為水在該溫度下的飽和蒸汽壓力。當(dāng)汽相壓力的數(shù)值達(dá)到飽和蒸汽壓力的數(shù)值時(shí)，液相的水分子仍然不斷地氣化，汽相的水分子也不斷地冷凝成液體，只是由于水的氣化速度等于水蒸汽的冷凝速度，液體量才沒(méi)有減少，氣體量也沒(méi)有增加，液體和氣體達(dá)到平衡狀態(tài)。所以，液態(tài)純物質(zhì)蒸汽所具有的壓力為其飽和蒸汽壓力時(shí)，汽液兩相即達(dá)到了相平衡。飽和蒸汽壓是物質(zhì)的一個(gè)重要性質(zhì)，它的大小取決于物質(zhì)的本性和溫度。飽和蒸汽壓越大，表示該物質(zhì)越容易揮發(fā)為了使鎂蒸氣冷凝下來(lái)，必須使結(jié)晶器內(nèi)鎂的蒸氣壓75（p實(shí)）大于結(jié)晶溫度下鎂的飽和蒸氣壓（p飽和）。即p實(shí)〉p飽和應(yīng)該指出，還原過(guò)程是在真空中進(jìn)行的，因此還原出來(lái)的鎂蒸氣不可能達(dá)到平衡。即使在還原區(qū)，鎂蒸氣的實(shí)際蒸氣壓（p實(shí)）比鎂的平衡蒸氣壓（p平）低。進(jìn)入冷凝器的鎂蒸氣壓p實(shí)＞350.58Pa時(shí)，鎂冷凝成液態(tài)，當(dāng)p實(shí)＜350.58Pa時(shí)，鎂直接冷凝成固態(tài)。為了提高鎂的冷凝效率，冷凝器的溫度低一點(diǎn)為好，但冷凝器的溫度和剩余壓力對(duì)鎂的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有彳艮大的影響。生產(chǎn)實(shí)踐表明，為了減少出罐和精煉時(shí)鎂的氧化燃燒損失，要求鎂蒸氣在冷凝時(shí)得到致密的結(jié)晶。冷凝器的溫度愈高和剩余壓力愈低，結(jié)晶愈致密。當(dāng)冷凝器內(nèi)的剩余壓力為1.33Pa時(shí)，可以得到平整的纖維狀結(jié)晶。剩余壓力為26.66Pa時(shí)，得到的是樹(shù)枝狀的鎂。當(dāng)剩余壓力較高，冷凝溫度又低鎂蒸氣將成鎂粉冷凝下來(lái)。81.鎂的結(jié)晶狀態(tài)受哪些因素的影響？鎂的結(jié)晶狀態(tài)與還原時(shí)體系的剩余壓力有關(guān)，還與冷凝溫度有關(guān)。冷凝溫度高（低于鎂的熔點(diǎn)、真空度高（剩余的壓力低），冷凝的鎂是致密纖維狀的鎂。冷凝溫度高，真空度低，冷凝成樹(shù)枝狀的鎂。冷鎂溫度低，真空度低，會(huì)冷凝成粉狀鎂。所以冷凝溫度的高低、真空度或剩余壓力的高低對(duì)鎂結(jié)晶的狀態(tài)影響很大。結(jié)晶鎂的質(zhì)量與漏入罐內(nèi)的空氣、爐料中的水分和CO有關(guān)。它們能2使鎂蒸氣氧化，生成MgO和Mg3N2，并與鎂蒸氣一起冷凝沉降下來(lái)，妨礙鎂滴的彼此融合，使結(jié)晶鎂極為分散且無(wú)金屬光澤還原車間惡劣的勞動(dòng)條件是如何形成的？生產(chǎn)上應(yīng)如何操作來(lái)改善它？還原時(shí)從滑閥泵排出的氣體是真空泵油的揮發(fā)物，這部分氣體有害工人身體健康，應(yīng)排到室外。還原罐開(kāi)蓋后，冷凝結(jié)晶在堿金屬捕集器中的Na、K，因活性大，立即燃燒，冒白煙。如果冷凝在鎂結(jié)晶器中的鎂屬于疏松、細(xì)粒狀的鎂粉，也會(huì)引起著火燃燒，冒出大量的煙氣。如果還源罐中的爐渣因溫度降低而粉化，那么在扒渣時(shí)容易造成飛揚(yáng)損失，使空氣中含塵量增大，渣中夾帶的鎂、及會(huì)氧化和氮化，氮化M（Mg3N2）的分解放出大量氣體及帆氣，這就使車間的勞動(dòng)條件大大變壞。為了改善車間的勞動(dòng)條件、廠房?jī)?nèi)應(yīng)設(shè)衛(wèi)生排氣系統(tǒng)，還原時(shí)控制爐溫及冷凝器中的溫度，使Mg、Na、K分部位結(jié)晶。選定含Na、K低的白云石，采用機(jī)械扒渣，縮短扒渣時(shí)間；合理的匹配主真空機(jī)組，使系統(tǒng)剩余壓力低、鎂結(jié)晶致密都有利于改善勞動(dòng)條件。在從還原罐中取出鎂結(jié)晶器時(shí)，此時(shí)罐中有鎂燃燒現(xiàn)象，可用含硫磺30%的滅火熔劑進(jìn)行滅火，以免鎂燒損。白云石中的CaO與MgO含量應(yīng)達(dá)到上述要求，如果白云石中MgO含量過(guò)高（大于22%MgO），CaO含量就偏低（小于30%CaO），在還原過(guò)程中就不能形成2CaO?SiO2爐渣，故應(yīng)添加CaOo反之白云石中CaO含量過(guò)高（大于33%CaO）,MgO含量就偏低（小于19%MgO）,還原過(guò)程中鎂的產(chǎn)出率低，故原料中應(yīng)添加MgO。對(duì)于硅熱法煉鎂來(lái)說(shuō)，為了簡(jiǎn)化工藝流程，要求白云石中CaO/MgO=1（摩爾比）。這樣在工藝流程中可不考慮添加MgO或CaO。以下四種硅鐵的合金組成為：85%Si以上的硅鐵，在合金組成中幾乎全都是以游離硅（Si游）存在；75%Si的硅鐵是由游離硅（Si游）和FeSi2組成；45%Si的硅鐵是由FeSi2和FeSi組成，幾乎沒(méi)有游離硅；25%Si的硅鐵完全是由FeSi和Fe3Si2組成的螢石一般用天然螢石作為硅熱法煉鎂的添加劑，這種天然螢石其CaF2含量為87%~90%，最好的含CaF2可達(dá)95%。螢石中應(yīng)少含SiO2.Fe2O3和AlQ等雜質(zhì)。硅熱法還原煅燒白云石的反應(yīng)機(jī)理以硅作還原劑還原煅燒白云石的化學(xué)反應(yīng)，可以用下式表示：2（CaO?MgO）+Si==2Mg+2CaO-SiO2在還原溫度（1200°C）下，反應(yīng)物均為固態(tài)，但卻可獲得較快的還原速度Mg和CO反應(yīng)會(huì)生成單質(zhì)碳且是主反應(yīng)。在點(diǎn)燃條件下22Mg+CO===2MgO+C2鎂屬于第二主族元素,與鈉同周期,故金屬性比鈉弱，與水反應(yīng)生成物與納與水反應(yīng)相似,條件比鈉要求高鎂與熱水（冷水）反應(yīng)強(qiáng)烈（緩慢）生成氫氧化鎂沉淀物并置換出氫氣化學(xué)方程式為M