Тема 3.1. Производство магния. Магний, его свойства и применение

 Магний относится к числу широко распространенных метал­лов. Его содержание в земной коре превышает 2,3 %. Встреча­ется в виде следующих минералов:

□ магнезита — природного карбоната магния (МgС0₃), содер­жащего 28,8 % магния;

□ доломита — двойного карбоната магния и кальция (МgС0₃ • СаС0₃), содержащего 13,2 % магния;

□ карналлита — двойного хлорида магния и калия (МgС1₂ • КС1 • 6Н₂0), содержащего 8,8 % магния;

□ бишофит а — шестиводного хлорида магния (МgС1₂ • 6Н₂0), растворенного в морской воде.

Независимо от вида исходного сырья процесс получения маг­ния можно разбить на три периода: подготовку сырья, получение из него магния и рафинирование. Магний можно получать термическим и электролитическим способами. Последний способ применяется наиболее часто.

Технологический процесс производства магния из карналлита следующий. Карналлит обезвоживают и плавят в печах, после чего подают на электролиз, который про­текает при температуре выше 700 °С. Электролизер представляет собой сварную стальную ванну, футе­рованную внутри огнеупорным кирпичом. В расплав карнал­лита опускают стальные катоды, облицованные с внутрен­ней стороны огнеупором. Графитовый анод устанавливается между двумя катодами и сверху закрывается хлороуловителем. Выделяющийся на аноде хлор в виде пузырьков всплывает, собираясь в хлороуловителе, из которого он удаляется через от­верстие.

Ионы магния разряжаются на катоде. Плот­ность электролита поддерживают выше плотности магния, вслед­ствие чего последний всплывает на поверхность, откуда периоди­чески удаляется с помощью вакуумных ковшей и насосов. При этом применяются определенные меры предосторожности, ис­ключающие контакт расплавленного магния с кислородом воз­духа (чтобы избежать возгорания).

 Дальнейшую очистку магния можно осуществлять возгонкой, используя сравнительно низкую температуру его кипения, или за счет повторного плавления смеси магниевых чушек и специ­ально подобранного флюса, растворяющего неметаллические включения чернового магния.

Если в качестве исходного сырья применяют магнезит или доломит, то процесс подготовки руды включает ее обжиг при 900 °С с целью разложения карбонатов, после чего полученный оксид магния смешивают с углем и нагревают в атмосфере хло­ра. Образующийся в ходе реакции хлорид магния используют для получения магния в электролизерах:

МgО + С + С1₂ = МgС1₂ + СО.

 Процесс получения бишофита из морской воды и его перера­ботку с целью производства магния применяют редко, так как он связан со значительными затратами энергии и большой тру­доемкостью.

    Магний – металл серебристо- белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений; кристаллическая решетка магния – г.п.у. Температура плавления магния 650°С. Магний – очень легкий металл: g=1,74г/см3, хорошо обрабатывается резанием и способен воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Теплопроводность магния в 1,5 раза, а электропроводность – в 2 раза ниже, чем у алюминия. Примерно в 1,5 раз меньше, чем у алюминия, и его модуль нормальной упругости. Однако они близки по удельной жесткости. В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния: Мг90 (99,90% Mg), Мг95 (99,95% Mg), Мг96 (99,96% Mg). Примеси: Fe, Si, Ni, Cu понижают и без того низкую пластичность и коррозионную стойкость.

При нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623 °С на воздухе воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. Порошок, тонкая лента, мелкая стружка магния представляет большую опасность, так как самовозгорается на воздухе при обычных температурах, горят с выделением большого количества теплоты и излучением ослепительно яркого света.

Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства (sв=110-120 МПа, d=6-8%, НВ300). Модифицирование цирконием и пластическая деформация, приводящая к измельчению структуры, несколько улучшают механические свойства: sв=260 МПа, d=9% (холоднокатаный лист). Отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 330-350 °С, в результате чего магний имеет следующие свойства: sв=190 МПа, d=15-17%, НВ400. Наклеп для упрочнения магния применяют редко, так как он вызывает возникновение развитой текстуры деформации и анизотропии свойств.

Низкая пластичность магния при комнатной температуре объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической решеткой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникования и, как следствие, к увеличению пластичности. В связи с этим обработку давлением магния проводят при температуре 350-450 °С в состоянии наибольшей пластичности.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяется. Он используется в пиротехнике, в химической промышленности, для синтеза органических препаратов, в металлургии различных металлов и сплавов – как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.