金屬鎂發(fā)現(xiàn)于18世紀(jì)初期,至今已有200年的歷史。由于鎂及鎂合金優(yōu)良的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能,鎂在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛,需求量也越來越高。因此,雖然從鎂的發(fā)現(xiàn)到如今只有短短200年的時(shí)間,其工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)間也只有120年,但是金屬鎂冶煉技術(shù)得到了快速發(fā)展。
　　目前鎂冶煉的方法主要有兩種:1、從尖晶石、鹵水或海水中將含有氯化鎂的溶液經(jīng)脫水或焙融氯化鎂熔體,之后進(jìn)行電解,此法稱為電解法;2、用硅鐵對(duì)從碳酸鹽礦石中經(jīng)煅燒產(chǎn)生的氧化鎂進(jìn)行熱還原,此法稱為熱還原法。
　　電解法煉鎂的發(fā)展過程
　　1808年,科學(xué)家戴維以汞為陰極電解氧化鎂,在人類歷史上第一次制取了金屬鎂。18世紀(jì)30年代,法拉第第一次通過電解氯化鎂得到了金屬鎂。第一次世界大戰(zhàn)開始之前,法國、德國、英國和加拿大都實(shí)現(xiàn)了鎂的工業(yè)生產(chǎn),但產(chǎn)量有限,大約年產(chǎn)量幾百噸,主要用于軍事方面。
　　19世紀(jì)80年代,才由德國首先建立工業(yè)規(guī)模上的電解槽,電解無水光鹵石生產(chǎn)金屬鎂,從此開創(chuàng)了電解法煉鎂的工業(yè)化時(shí)代。后經(jīng)不斷在工藝和設(shè)備方面的改進(jìn),直到目前世界上采用的就是這種電解法。
　　電解法煉鎂的原理是在高溫下電解熔融的無水氯化鎂,使之分解成金屬鎂和氯氣。高溫情況下水對(duì)熔鹽性質(zhì)的影響是致命的,因此,高純度的無水氯化鎂是電解法制鎂關(guān)鍵所在。依據(jù)所用原料及處理原料的方法不同,電解法煉鎂又可細(xì)分為以下幾種具體的方法:道烏法、氧化鎂氯化法、光鹵石法、AMC法、諾斯克法。
　　電解法因?yàn)槠渖a(chǎn)工藝先進(jìn),能耗較低的優(yōu)點(diǎn),是一種極具發(fā)展前景的煉鎂方法。目前,發(fā)達(dá)國家80%以上的金屬鎂是通過電解法生產(chǎn)。
　　皮江法煉鎂的發(fā)展過程
　　由于金屬鎂的需求越來越大,電解法生產(chǎn)金屬不能夠滿足鎂的需求,因此催生了金屬鎂的熱還原法冶煉。第二次世界大戰(zhàn)期間,熱還原法生產(chǎn)鎂的技術(shù)迅速發(fā)展起來。
　　使用硅作為還原劑還原氧化鎂實(shí)現(xiàn)于1924年,但此時(shí)還未應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。第二次世界大戰(zhàn)期間,意大利科學(xué)家發(fā)明了在真空高溫爐內(nèi)用硅鐵還有白云石生產(chǎn)鎂的工藝;同期,奧地利科學(xué)家發(fā)明了用碳直接還原氧化鎂來生產(chǎn)鎂的亨氏格技術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)以后,這些工藝用于工業(yè)化生產(chǎn)。
　　1941年加拿大教授L.M.皮江在渥太華建立了一個(gè)以硅鐵還原煅燒白云石煉鎂的試驗(yàn)工廠,獲得了成功。1942年加拿大在安大略省的哈雷建成世界上第一座皮江法生產(chǎn)的硅熱法廠(年產(chǎn)量5000t),并取得成功成為煉鎂的第二大方法。為了紀(jì)念這位科學(xué)家的卓越成就,特命名為“皮江法”;又由于用硅鐵作還原劑高溫?zé)?a href=http://m.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>鎂,故又稱為“硅熱法”。皮江法經(jīng)過不斷改進(jìn),成為熱還原法中使用最廣泛的方法,也是目前世界上生產(chǎn)鎂的主要方法之一。
　　皮江法煉鎂的實(shí)質(zhì)是在高溫和真空條件下,有氧化鈣存在時(shí),通過硅(或鋁)還原氧化鎂生成鎂蒸氣,與反應(yīng)生成的固體硅酸二鈣(2CaO·SiO2)相互分離,并經(jīng)冷凝得到結(jié)晶鎂。該工藝過程可分為白云石煅燒、原料制備、還原和精煉四個(gè)階段。
　　由于皮江法煉鎂可以直接采用分布廣泛、儲(chǔ)量豐富的白云石資源作原料;能利用天然氣、煤氣、重油和交流電等為熱源;工藝流程和設(shè)備較簡單,建廠投資少,生產(chǎn)規(guī)模靈活;成品鎂的純度高等特點(diǎn);其爐體小,建造容易,技術(shù)難度小,因此,皮江法在我國得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。到目前為止,皮江法仍是我國主要生產(chǎn)金屬鎂的方法。
　　皮江法和電解法的優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展
　　對(duì)于皮江法來說,其工藝流程和設(shè)備較簡單,建廠投資少,生產(chǎn)規(guī)模靈活;成品鎂的純度高等特點(diǎn);其爐體小,建造容易,技術(shù)難度小;并且可以直接利用資源豐富的白云石作為原料。主要缺點(diǎn)在于熱利用率低、還原罐壽命短,還原爐所占的成本較大, 屬于勞動(dòng)密集型,生產(chǎn)過程不連續(xù)。
　　針對(duì)以上缺點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行了一系列技術(shù)改造。改進(jìn)還原罐結(jié)構(gòu)、采用新型保溫材料、切斷熱短路、提高內(nèi)部介質(zhì)的綜合導(dǎo)熱系數(shù);改進(jìn)爐型,比如采用水煤漿對(duì)還原罐底部加熱,使其受熱均勻。使用蓄熱燒嘴等新型燒嘴,對(duì)排放的廢氣進(jìn)行回收利用;采用現(xiàn)代化的控制技術(shù),采用機(jī)械化裝卸料設(shè)備等等。
　　與皮江法相比,電解法煉鎂具有節(jié)能、產(chǎn)品均勻性好、易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)、生產(chǎn)過程連續(xù)、生產(chǎn)成本比皮江法低等優(yōu)點(diǎn),屬于能源密集型產(chǎn)業(yè)。但是,電解法也有以下不足之處:無水氯化鎂制備的生產(chǎn)工藝較難控制;水氯鎂石脫水需要較高溫度和酸性氣氛,使得能耗大,設(shè)備腐蝕嚴(yán)重;電解法生產(chǎn)過程排放的廢水、廢氣和廢渣,對(duì)環(huán)境造成污染,處理費(fèi)用大。
　　針對(duì)上述缺點(diǎn),也有一些相應(yīng)的措施,通過將電解的原材料由粒狀氯化鎂經(jīng)過無水氯化氫脫水轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚵然?a href=http://m.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>鎂,從而降低了能耗。
　　金屬鎂對(duì)于人類的生產(chǎn)生活有著極為重要的作用和影響,因此金屬鎂冶煉工藝的改進(jìn)對(duì)社會(huì)的發(fā)展也有著深遠(yuǎn)的意義,需要進(jìn)行不斷探索。