Сырьё для производства магния

     В качестве сырья для производства магния используют магнезит, доломит, карналлит в виде минералов и  бишофит, получаемый из морской и озерной соленой воды. 

     Магнезит — природный карбонат магния MgCO₃ — содержит до 28,8% Mg, но загрязнен примесями: соединениями кремния, железа, алюминия и кальция. 

     Доломит — это двойной карбонат магния и кальция СаСОа, MgCOe. Содержание окиси магния в доломите колеблется от 14 до 22%. 

     Карналлит — это двойной хлорид магния и калия MgCl₂ • КО • 6Н₂О. Содержание хлористого магния в карналлите колеблется в пределах 12—30%. Природные растворы магниевых солей являются неисчерпаемым источником для производства магния. Так, например, 1000 т морской воды содержат 1 т магния. Основное соединение магния в морской воде, рассолах озер представляет бишофит — шестиводный хлорид магния MgCl₂ • 6Н₂О; он содержит до 12% Mg. 

     Магниевое сырье для переработки в электролизных  ваннах требует подготовки, состоящей  в том, что магний путем химических процессов (хлорирования) переводится  в хлористые соединения — хлориды, которые сплавляются с другими  солями. 

     Если  природное сырье содержит хлориды, то производят обезвоживание, плавление  и очистку от окислов магния. Состав расплавленных хлоридов, идущих в  электролиз (в %): 80—95 MgCl₂; 0,1—0,3 MgO; 5—7 СаС1₂; 5—7 NaCl+KCl. 

     Устройство электролизной ванны для получения магния 

     Электролизная ванна для получения магния должна быть герметичной для предотвращения попадания хлора в атмосферу цеха и влаги воздуха в электролит, так как это может привести к разрушению хлорида магния: 

     MgCl₂ + Н₂О→MgO + 2НС1. 

     В практике применяют два типа электролизных ванн, различающихся по способу ввода анодов — сбоку и сверху.  

     На  рис. 1 приведена схема устройства ванны с верхним вводом анодов. Аноды 1 вводят через крышку 7 и уплотняют асбестом и специально массой 8. Аноды из графита сечением 100—200 мм2, соединяемые в один ряд шиной 4, работают 8—9 месяцев, а срок службы ванны 12—14 месяцев. Диафрагмы 5, которые служат для разделения анодного и катодного пространств, изготовляют из огнеупорного материала. Железные или стальные литые катоды 2 соединяют шиной 3. Они могут использоваться до 4 лет. 

     Рис. 1. Ванна для электролиза магния с верхним вводом анодов 

     При электролизе выделяется хлор, который отводится хлоропроводом 6. Напряжение на ванне 7 . Сила тока на современных ваннах достигает       30 000—50 000. 

     Технология электролиза магния из хлоридов магния  

     Технология производства магния электролизом расплавленных хлоридов магния состоит из следующих основных операций: питания ванн электролитом, извлечения магния, удаления отработанного электролита, удаления образовавшегося шлама и смены анодов. 

     В электролизной ванне в процессе электролиза поддерживают температуру 700—750° за счет сопротивления электролита. Примерный состав электролита: 8—16% MgCl2; 25 — 35% СаС12; 25—35% NaCl; 18—25% КС1; 0,2% MgO; 0,3—0,5%.Fe и следы SO3. 

     В катодное пространство 13 (рис. 1) электролизной ванны для поддержания концентрации 8—16% MgG₂ заливают расплавленный и обезвоженный хлорид магния или карналлит. В период электролиза MgCl₂ разлагается: в катодном пространстве 13 выделяется магний, в анодном 14 — хлор. На 1 т металлического магния при электролизе хлористого магния выделяется 2,9 т хлора. Магний 11 имеет меньший удельный вес, чем электролит 12, и всплывает на поверхность электролита в катодное пространство 13, где постепенно собирается.  

     Выделяющийся при электролизе хлор может снова вступить в реакцию с магнием, поэтому его отсасывают через хлоропровод. Образующаяся окись магния и частично восстановившееся железо- опускаются на дно ванны. Металлический магний из электролизной ванны перекачивается в вакуумный котел, который соединен с ванной трубой. 

     На 1 т магния требуется 4,5 т обезвоженного хлорида магния или около 10 т искусственного карналлита, около 12 т естественного карналлита. Количество отработанного электролита, содержащего СаС1₂, NaCl, КС1 и MgO, особенно велико при электролизе карналлита (6 т на 1 т магния). Отработанный электролит удаляют через летку или при помощи вакуумных котлов. Накапливающийся на дне ванны шлам 10  удаляют черпаками с отверстиями. 

     Процесс производства магния электролизом хлорида магния характеризуется следующими показателями: расход анодов 20—25 кг/т, выход по току 80—90% и расход электроэнергии от 15 000 до 17 000 квтч на 1 т магния. Полученный электролизом магний содержит примеси MgCl₂, СаС1₂, NaCl, которые ухудшают качество металла; для удаления этих примесей его подвергают рафинированию. 

     В современной практике рафинирование часто совмещают с процессом получения различных   магниевых сплавов. Рафинированный металл содержит до 99,5—99,85% Mg и по ГОСТу классифицируется на марки. 

     Технологический процесс получения магния электролизом вложен и требует большого расхода электроэнергии, поэтому большой интерес представляют более простые термические способы получения магния. 

     Термический способ производства магния в промышленности стол широко применяться с 1940—1941 г. Применение термических способов восстановления магния дает возможность непосредственно из сырья восстановить магний при помощи более простой аппаратуры и при помощи дешевого топлива. Преобладающее место среди термических способов получения магния занимают силико-термический и карбидно-термический способы. 

     Оба термических способа основаны на вытеснении магния из его соединений другими металлами и элементами. Восстановление магния из окиси магния при помощи кремния и его сплавов происходит по реакции: 

     2MgO + 2CaO + Si→2CaO • SiО₂ + 2Mg. 

     Восстановление ведут в ретортах из нержавеющей стали, соединенных с кристаллизаторами. Процесс идет под вакуумом (0,1 amu) при 1100—1200°. Нагрев реторт ведут в специальных печах, обогреваемых топливом или электричеством. В качестве восстановителя используют ферросилиций или сплавы кремния с алюминием. На 5 т доломита требуется 1 т 75-процентного ферросилиция. В одну реторту загружают примерно 3,5—4 т шихты, Ил которой получают до 500—600 кг магния. 

     Карбидно-термический метод получения магния состоит в восстановлении магния из окиси магния при помощи карбида кальция по реакции: 

     3MgO + СаС₂→3Mg + СаО + 2СО. 

     Из окиси магния и карбида изготовляют брикеты, которые .нагружают в реторты и нагревают под вакуумом до 1100—1200º. При этой температуре восстанавливаемый магний возгоняется и конденсируется в виде кристаллов в охлаждаемом кристаллизаторе. 

     Магний из природных соединений можно восстановить при помощи углерода при высоких температурах. В связи с этим магний в момент восстановления получается в парообразном состоянии. Восстановление окиси магния углеродом идет по реакции: 

     MgO + С ↔СО + Mg. 

     Процесс осуществляется в электродуговых печах при температуре выше 2000°. Реакция восстановления магния обратима и с понижением температуры магний окисляется окисью углерода. Для того чтобы процесс не шел в обратную сторону, нужно смесь парообразного магния и окиси углерода быстро охладить до 200— 250º. Для этого ее разбавляют нейтральными газами. 

     Производство магния термическими способами получило развитие вследствие более простых технологических процессов и безвредности производства.