книги из ГПНТБ / Эйдензон М.А. Металлургия магния и других легких металлов учеб. пособие
.pdf
М. А. ЭЙДЕНЗОН
МЕТАЛЛУРГИЯ
МАГНИЯ И ДРУГИХ
ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ
Издание второе, переработанное и дополненное
Допущено Управлением кадров и учебных'заведений Министерства цветной металлургии СССР
в качестве учебного пособия для техникумов цветной металлургии
МОСКВА, «МЕТАЛЛУРГИЯ»
1974
УДК 669.721/.725 669.883/.884 669.891
Н/37
АННОТАЦИЯ
Книга предназначена в качестве учебного пособия для учащихся техникумов цветной металлургии и может быть полезна студентам высших учебных заведе ний, а также производственникам — металлургам по цветным металлам: инже нерам, техникам и мастерам-практикам.
В книге приведены основные свойства магния, бериллия, кальция, строн ция, бария, лития, натрия и калия, указаны области применения этих металлов. Даны сведения о важнейших рудах магния и других легких металлов, об основ ных месторождениях руд, методах их обогащения и подготовки сырья к метал лургическим переделам.
Изложены теоретические основы технологических процессов производства магния, подробно описаны технология получения магния, конструкции аппара тов, методы их пуска, управления технологическими процессами, их механиза ция и автоматизация и способы устранения неполадок в работе аппаратов.
Даны сведения о расчетах материального и энергетического балансов в про изводстве магния. Приведены основные сведения об экономике производства магния, показаны главные направления усовершенствования технологии и аппа ратуры, приведены правила техники безопасности и промышленной санитарии.
© Издательство «Металлургия», 1974
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ко второму изданию .......................................................................... |
|
|
6 |
||
|
|
Р а зд е л I. Металлургия магния |
|
|
|
Г л а в а |
I. Общие сведения о магнии |
............................................................. |
|
7 |
|
|
1. Свойства магния и его применение ............................................ |
|
7 |
||
|
2. |
Краткий обзор развития металлургии м а г н и я ...................... |
9 |
||
Г л а в а |
П. |
Магниевые руды и другие сырьевые источники получения |
|
||
|
|
магния .................................................................................................... |
|
|
11 |
|
1. |
Распространение магния в п р и р о д е ............................................ |
|
11 |
|
|
2. |
Характеристика магниевого сырья. Основные месторожде |
|
||
|
|
ния магниевых руд в СССР |
......................................................... |
|
12 |
Г л а в а |
III. Технологические схемы получения магния |
электролизом |
14 |
||
|
1. |
Технологические схемы, основанные на питании электроли |
|
||
|
|
зеров обезвоженным или безводным хлоридом магния . . . |
14 |
||
|
2. |
Технологические схемы, основанные на питании электроли |
|
||
|
|
зеров безводным карналлитом .................................................... |
|
20 |
|
Г л а в а |
IV. |
Получение безводного карналлита ............................................ |
|
24 |
|
|
1. Основы теории обезвоживания карналлита ; |
.......................... |
24 |
||
|
2. |
Технология первичного обезвоживания карналлита во вра |
|
||
|
|
щающейся печи ................................................................................... |
|
|
27 |
|
3. |
Регулирование технологического процесса во вращающейся |
|
||
|
4. |
печи ........................................................................................................ |
|
|
31 |
|
Технология первичного обезвоживания карналлита в печи |
• |
|||
|
|
с «кипящим слоем» .............................. |
|
|
34 |
|
5. |
Регулирование технологического процесса в печи с «кипя |
39 |
||
|
|
щим слоем» ........................................................................................... |
|
|
|
|
6. |
Сравнительная характеристика печей для первичного обез |
41 |
||
|
|
воживания карналлита...................................................................... |
|
|
|
|
7. |
Технология окончательного |
обезвоживания |
карналлита |
|
|
|
в печи С К Н ............................................................................................ |
|
|
42 |
|
8. |
Регулирование технологического процесса в печи СКН . . . |
46 |
||
|
9. |
Технология окончательного |
обезвоживания карналлита в |
47 |
|
|
|
х л о р а т о р е ................................................................. |
|
|
|
|
10. |
Регулирование технологического процесса в хлораторе . . . |
50 |
||
|
11. |
Сравнительная характеристика аппаратов для |
окончатель. |
|
|
|
|
ного обезвоживания карналлита ..................................................... |
|
52 |
|
|
12. |
Характерные отклонения от нормального технологического |
|
||
|
|
режима и меры их у ст р а н ен и я .................................................... |
|
53 |
|
|
13. |
Материальный бадане рбезвоживация кэрналдита |
55 |
||
3
Г л а в а |
V. |
Основы теории электролиза расплавленного хлорида магния |
60 |
|||
|
1. |
Основные п о н я т и я .............................................................................. |
|
|
60 |
|
|
2. |
Состав |
и физико-химические свойства электролита . . . . |
62 |
||
|
3. |
Выход |
по току и по э н е р г и и ......................................................... |
|
|
64 |
|
4. |
Напряжение р азл ож ен и я ................................................................. |
|
|
67 |
|
|
5. Процессы, протекающие в электролизере ............................... |
|
69 |
|||
Г л а в а |
VI. Электролизеры для получения магния ................................... |
|
74 |
|||
|
1. Общая характеристика и принцип работы электролизеров |
74 |
||||
|
2. |
Конструкция электролизеров......................................................... |
|
|
76 |
|
|
3. |
Краткие сведения о монтаже электролизеров.......................... |
|
85 |
||
Г л а в а |
VII. Основные технологические показатели электролиза . . . |
86 |
||||
|
1. |
Баланс напряжения .......................................................................... |
|
|
86 |
|
|
2. |
Удельный расход энергии................................................................. |
|
|
87 |
|
|
3. |
Энергетический б а л а н с ...................................................................... |
, , . . .......................... |
89 |
||
|
4. |
Производительность электролизера |
92 |
|||
|
5. |
Влияние различных факторов на' выход по току |
. . . . |
93 |
||
|
6. |
Влияние конструкции электролизера на показатели элек |
103 |
|||
|
|
тролиза |
.................................................................................................... |
|
|
|
Г л а в а |
VIII. Технология электролиза ............................................................. |
|
|
105 |
||
|
1. |
Пуск электролизера .................................................................... |
|
|
105 |
|
|
2. |
Загрузка сырья, извлечение отработанного электролита и |
107 |
|||
|
|
шлама |
.................................................................................................... |
|
|
|
|
3. |
Извлечение магния .......................................................................... |
|
|
113 |
|
|
4. |
Регулирование температуры электролита................................... |
|
114 |
||
|
5. Отсос газов из электролизера .................................................... |
|
|
115 |
||
|
6. |
Нормы технологического р е ж и м а ................................................ |
|
|
118 |
|
|
7. |
Характерные нарушения нормальной работы электролизе |
121 |
|||
|
|
ров. Способы устранения неполадок ............................................ |
|
|||
Г л а в а |
IX. Основы расчета электролизера для получения магния . . . |
123 |
||||
|
1. |
Исходные данные для расчета......................................................... |
|
|
123 |
|
|
2. |
Расчет материального баланса .................................................... |
|
|
124 |
|
|
3. Определение основных размеров электролизера...................... |
|
126 |
|||
|
4. |
Расчет напряжения .......................................................................... |
|
|
127 |
|
|
5. |
Энергетический баланс электроли зера....................................... |
|
129 |
||
Г л а в а |
X. Получение технически чистого магния и некоторых магние |
133 |
||||
|
|
вых сплавов ........................................................................................ |
|
|
||
|
1. |
Примеси в магнии-сырце. Влияние примесей на свойства |
|
|||
|
|
магния |
............................................................ |
|
|
133 |
|
2. |
Рафинирование м а г н и я ...................................................................... |
|
|
134 |
|
|
3. |
Получение некоторых магниевых с п л а в о в ............................... |
|
136 |
||
|
4. Разливка магния и сплавов ......................................................... |
|
|
141 |
||
|
5. |
Защита |
чушек магния и сплавов от к о р р о зи и ...................... |
|
142 |
|
|
6. |
Нормы и показатели технологического реж им а...................... |
|
143 |
||
|
7. |
Получение магния и его сплавов высокой чистоты.................. |
|
144 |
||
Г л а в а |
XI. Очистка отходящих газов и сточных в о д ................................... |
|
148 |
|||
Г л а в а |
XII. Основы промышленной санитарии и техники безопасности |
|
||||
|
|
в производстве магния .................................................................. |
|
|
151 |
|
|
1. Вентиляция производственных помещений и рабочих мест |
152 |
||||
|
2. |
Предупреждение ожогов ................................................................. |
|
|
153 |
|
|
3. |
Предупреждение поражения электрическим током . . . . |
153 |
|||
Г л а в а Х Ш . |
Основы экономики производства магния электролизом |
154 |
||||
|
1. |
Основные направлениятехнического |
прогресса .................... |
|
155 |
|
|
2. |
Структура и пути снижения себестоимости магния |
, . . |
160 |
||
4
Г л а в а |
XIV. Получение магния силикотермическим способом .................. |
164 |
|
|
1. |
Теоретические и экспериментальные основы процесса . . . . |
165 |
|
2. |
Технология производства................................................................. |
167 |
|
3. |
Новые варианты с п о с о б а .................................................................. |
170 |
|
|
Р а зд е л II. Металлургиядругих легких металлов |
172 |
Г л а в а |
XV. Металлургия лития, натрия и калия ................................... |
172 |
|
|
1. |
Свойства и применение лития, натрия и калия .................. |
172 |
|
2. |
Получение хлорида лития ............................................................. |
174 |
|
3. |
Получение лития .............................................................................. |
175 |
|
4. |
Получение н а т р и я ............................................................................... |
177 |
|
5. |
Получение калия ............................................................................... |
178 |
|
6. |
Основы техники безопасности ...................................... |
179 |
Г л а в а |
XVI. Металлургия бериллия, кальция, стронция и бария . . . . |
180 |
|
|
1. |
Свойства и применение бериллия, кальция, стронция и ба |
|
|
2. |
рия ............................................................................................................. |
180 |
|
Получение окиси б ер и л л и я ............................................................. |
184 |
|
|
3. |
Получение хлорида бериллия .................................................... |
186 |
|
4. |
Получение фторида бер и л л и я ......................................................... |
187 |
|
5. |
Получение бериллия электролизом................................................ |
187 |
|
6. |
Получение бериллия магниетермическим способом . . . . |
188 |
|
7. |
Получение безводного хлорида кальция . ............................... |
189 |
|
8. |
Получение кальция электролизом ................................................. |
191 |
|
9. |
Получение кальция алюминотермическим методом.................. |
195 |
|
10. |
Получение с т р о н ц и я ......................................................................... |
196 |
|
11. |
Получение бария ............................................................................... |
197 |
|
12. |
Основы техники безопасности ................................................... |
199 |
Приложение |
. ■ .............................................................................................................. |
100 |
|
Список рекомендуемой литературы ’ ...................................................................... |
200 |
||
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Государственным планом развития народного хозяйства СССР
на 1971—1975 годы намечено дальнейшее развитие цветной метал лургии. Общий выпуск продукции цветной металлургии за пяти летку увеличится в 1,4 раза. Весь прирост выпуска продукции должен быть обеспечен за счет повышения производительности труда без увеличения численности трудящихся. Указания и ре шения XXIV съезда КПСС о решительном ускорении техничес кого прогресса и конкретные задания по развитию металлургии магния и других легких металлов стали программой деятель ности работников данной отрасли.
За 10 лет, прошедших после выхода в свет первого издания этой книги, в магниевой промышленности произошли существенные качественные изменения и наметилась тенденция к перестройке старых и созданию новых технологических процессов на основе комплексной механизации и автоматизации. Эти изменения, а также перспективы дальнейшего технического развития магние вой промышленности отражены в настоящем издании.
План книги остался почти без изменений, но содержание ее коренным образом переработано. Изъяты или сильно сокращены главы и параграфы, относящиеся к устаревшим или не применяе мым в СССР методам производства. Наиболее важные главы по теории и практике отдельных технологических переделов произ водства магния расширены или написаны заново. В соответствии с учебной программой для техникумов несколько расширен второй раздел книги. По сравнению с первым изданием больше внимания уделено экономике магниевой промышленности; пара граф 2 главы XIII «Структура и пути снижения себестоимости магния» написан инженером-экономистом Э.^М. Лысенкер.
Настоящее издание книги, помимо своего основного назна чения, может служить дополнением к учебному пособию для ву
зов |
(М. А. Эйдензон. |
Магний. М., «Металлургия», |
1969, 352 |
с.с |
ил.), в котором |
многие подробности развития |
технологии |
производства магния за последние годы не нашли полного отра жения.
В книге применяются единицы измерения в основном по си стеме СГС и в отдельных случаях других систем. В приложении
дана |
таблица перевода этих единиц измерения в систему СИ. |
|||
И. |
Автор приносит глубокую |
благодарность канд. техн. наук |
||
П. |
Вяткину, |
научным сотрудникам К. Д. Мужжавлеву, |
||
Г. |
В. 'Олюнину, инженерам В. |
Д. Язеду, И. М- Хаиту, С. Н. Хол |
||
могорову и другим |
товарищам |
за ценные советы и необходимые |
||
материалы, |
|
/ |
||
Р А З Д Е Л I
МЕТАЛЛУРГИЯ МАГНИЯ
Г Л А В А I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИИ
1.СВОЙСТВА МАГНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
Магний — химический элемент главной подгруппы второй группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 12, атомная масса 24,312. В свободном со стоянии (простое вещество) магний ч- металл серебристо-белого цвета. Ниже приведены важнейшие физико-химические свойства магния.
Плотность твердого (25° С), г/см3 ............................................ |
1,738 |
»жидкого (650° С), г/см3 . ................................... 1,590
Температура плавления, °С .................................................... |
650 |
|
» |
кипения, °С ............................................................. |
1107 |
Теплота |
плавления, кал/г-атом ............................................ |
2 100 |
» ' |
испарения, к а л /г -атом ................................................ |
30 500 |
Удельная теплоемкость (20° С), кал/(г-град) .................. |
0,248 |
|
Теплопроводность (20° С), кал/(см-с-град) ......................... |
0,37 |
|
Удельное электросопротивление (20° С), Ом-см . . . . |
4,5-10'° |
|
Вязкость |
(652° С), с П ................................................................. |
1,228 |
Электрохимический эквивалент, г/(а-ч). . . . . . . . |
0,454 |
|
Для магния типичная валентность в соединении +2. Магний обладает высокой химической активностью йо отноше
нию к кислороду, с которым он взаимодействует по реакциям
MgTB4- ~2 Огг — MgOTB,
Mgж + -у Oar = MgOTB,
Mgr -j- -g- C>2r = MgOTB.
С водяным паром магний взаимодействует по реакции
MgTB+ Н2Ог = MgOTB Н2г.
Эта реакция идет с заметной скоростью, начиная с 380° С, и резко ускоряется с повышением температуры. Поэтому тушение горящего магния водой недопустимо.
Магний энергично взаимодействует с хлором, образуя хло рид MgCl2.
7
На воздухе при комнатной температуре магний медленно окисляется, покрываясь пленкой окиси. При повышении темпе ратуры скорость окисления компактного твердого магния кисло родом увеличивается. В форме порошка или тонкой ленты маг ний легко может быть подожжен и горит ослепительно белым пламенем.-Жидкий магний, если он не защищен от контакта с воз духом, также легко загорается. Однако в слитках или изделиях магний не огнеопасен.
С холодной водой магний практически не реагирует; с кипящей водой он взаимодействует с выделением водорода и образованием студенистого осадка гидроокиси магния. С азотом магний при нагревании образует нитрид; при нагревании в атмосфере хлора, а также в парах брома, иода и серы магний бурно реагирует с ними и воспламеняется.
Магний интенсивно растворяется в разбавленных минераль ных кислотах (кроме хромовой и плавиковой). Сильно концентри рованная серная кислота, а также ее смесь с дымящейся азотной кислотой не растворяют магний на холоду. С растворами щелочей, особенно разбавленными, магний практически не взаимодействует. В водных растворах солей (за исключением фторидов) магний заметно подвергается коррозии; особенно интенсивно он корро дирует в растворах хлоридов.
Магний применяют во многих отраслях народного хозяйства. Как конструкционный материал магний непосредственно не исполь зуют; главная область применения магния в современной технике— производство магниевых сплавов и изделий из них. Сплавы маг ния с другими металлами (алюминием, цинком, марганцем и др.) отличаются от чистого магния более высокой механической проч ностью и химической стойкостью.
Магниевые сплавы хорошо отливаются в песчаные формы и
кокиль, |
что дает возможность получить из них сложные отливки, |
|
а также |
хорошо поддаются механической обработке, |
газовой |
и дуговой сварке, обработке давлением. |
|
|
Важнейшая особенность магниевых сплавов — их невысокая |
||
плотность (1,7— 1,83 г/см3) при относительно высокой |
механи |
|
ческой прочности. Они также хорошо воспринимают ударные нагрузки. Благодаря этим свойствам магниевые сплавы широко применяют в самолетостроении. Из них, в частности, изготовляют сложные и высоконагруженные детали двигателей.
Магниевые сплавы немагнитны и не дают искры при ударах и трении. Эти свойства наряду с низкой плотностью и высокой механической прочностью позволяют применять магниевые сплавы для изготовления деталей автомобилей и других средств наземного транспорта, в точном машиностроении, в частности в приборострое нии, в оптической промышленности, в производстве текстильных, типографских и других машин и автоматов, а также в быту.
Благодаря высокой восстановительной способности магний широко применяют в качестве раскислителя и очистителя в про
8
изводстве стали и отливок из цветных металлов, а также восста новителя при получении трудновосстановимых металлов из их окисей (ванадия, хрома и др.) и галогенидов (титана, циркония, урана и др.).
Магний применяют в качестве анода в гальванических элемен тах и для протекторной защиты от коррозии подземных трубо проводов, корпусов морских судов и других конструкций.
В черной металлургии магний применяют в качестве модифи катора для получения сверхпрочного чугуна с шаровидными вклю чениями графита. Перспективно применение магния для десуль фурации чугуна.
В химической промышленности магний применяют для обез воживания органических соединений и получения магнийорганических соединений, играющих большую роль в органическом синтезе. Способность магния и его сплавов давать при горении яркий свет и развивать высокую температуру используют в воен ной технике для изготовления осветительных и зажигательных бомб.
Соединения магния находят применение в различных отрас лях народного хозяйства. Хлорид и карбонат магния используют
вмагниевой промышленности в качестве исходного сырья. Окись магния MgO (магнезия уста) применяют в качестве наполнителя
врезиновых смесях, для очистки нефтепродуктов, для получе ния магнезиального цемента и в производстве магнезитового огне упорного кирпича. Основной карбонат магния 3MgC03-Mg (ОН)2-
•ЗН20 (магнезия альба) применяют как наполнитель и усили тель в резиновой промышленности и для получения высокока чественных теплоизоляционных материалов. Асбест 2Mg0-2Si02-
•2Н20 используется для изготовления теплоизоляционных сме сей, электроизоляционных и строительных материалов, специаль ных кислотостойких и огнестойких тканей. Перхлорат магния Mg (С104)2 (ангидрон) применяют для осушки газов и в аналити ческой практике. Ряд других соединений магния находит приме нение в медицине и косметике.
2.КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ МАГНИЯ
Впервые магний в составе амальгамы магния получил в 1808 г. X. Дэви. В 1829 г. А. Бюсси получил чистый магний восстановлением хлорида магния парами иатрия. В шестидесятых годах XIX в. этим способом получали магний в промышленном масштабе на двух заводах — в Англии и США. Электролизом расплавленного хлорида магния впервые магний получил М. Фарадей в 1830 г., а Р. Бунзен в 1852 г. получил этим методом уже значительное для того времени количество магния.
Промышленное производство магния электролитическим способом было начато в Германии в конце XIX столетия, а затем и в других странах. По мере увеличения числа областей применения магния возрастали масштабы его про изводства. Рост производства магния сопровождался усовершенствованием элек тролитического способа и разработкой термических способов его получения. В связи с увеличением выпуска магния и организацией его производства в странах, обладающих разнообразными ресурсами магниевого сырья, были разработаны
9