轻金属冶金学1-2镁冶金学第二讲----热还原法的原理与过程
金属冶炼中的还原与氧化技术
氧化除杂过程中，需要注意控制反应条件，避免对金属造成过大的损失 和污染。
氧化脱硫
氧化脱硫是通过向金属熔体中加入氧化剂，使金属中的硫化物发生氧化反应，生成硫化物或 硫化亚铁，从而将其从金属中分离出来。
常用的氧化脱硫方法有直接脱硫和间接脱硫。直接脱硫是将金属熔体与固体氧化剂混合后加 热至高温使硫化物直接氧化为硫化亚铁；间接脱硫则是将金属熔体通入气体氧化剂，使硫化 物间接氧化为气体排出。
$2MeO + 5Alrightarrow 2Me + Al_{2}O_{3}$
氢气还原法
总结词
利用氢气作为还原剂，将金属氧化物还原成金属的过程。
详细描述
氢气还原法是一种环保的金属冶炼方法，通过高温下利用氢气作为还原剂，将金属氧化物 还原成金属单质。这种方法广泛应用于镍、钴、铜等金属的冶炼。
化学反应
化学反应
$MeO + 3Crightarrow Me + 3CO$
铝热还原法
01
总结词
利用铝作为还原剂，将金属氧化物还原成金属的过程。
02 03
详细描述
铝热还原法是一种常用的金属冶炼方法，通过高温下利用铝作为还原剂 ，将金属氧化物还原成金属单质。这种方法广泛应用于钛、锆、铪等金 属的冶炼。
化学反应
$MeO + H_{2}rightarrow Me + H_{2}O$
金属热还原法
总结词
利用另一种金属作为还原剂，将另一种金属的氧化物还原成金属的过程。
详细描述
金属热还原法是一种常用的金属冶炼方法，通过高温下利用另一种金属作为还原剂，将另一种金属的氧化物还原成金 属单质。这种方法广泛应用于镁、铍、钛等金属的冶炼。
镁的提取方法及应用
镁的提取方法及应用镁是一种常见的金属元素，广泛存在于地壳中。
它具有较低的密度、良好的导电性和热传导性，因此在各个领域有着广泛的应用。
本文将介绍镁的提取方法和一些主要的应用。
镁的提取方法主要有熔融电解法、热还原法和水冶法。
熔融电解法是镁的主要工业生产方法。
该方法采用镁的氯化物（如氯化镁）作为原料，通过熔融电解产生镁金属。
该方法工艺简单，能够高效地提取纯度较高的镁金属。
热还原法主要用于提取镁的硅酸盐矿石（如菱镁矿、透石膏等）。
该方法首先将矿石中的镁化合物与还原剂（如煤、焦炭等）在高温条件下反应，生成镁金属。
然后通过物理分离等步骤，将镁金属从其他杂质中分离出来。
水冶法是一种较为常见的低温提取镁的方法。
该方法以菱镁矿为原料，在酸性条件下与氢氧化钠反应生成氢氧化镁。
然后将氢氧化镁经过过滤、洗涤等工序，得到纯度较高的镁氢氧化物。
最后通过加热或煅烧处理，将镁氢氧化物转化为镁金属。
镁具有较多的应用领域，以下是其中几个主要的应用：1. 轻金属合金制造：镁具有较低的密度和较高的强度，广泛用于制造航空航天器件、汽车零部件、电子设备等。
例如，镁合金可以用于制造飞机的机翼、汽车的发动机罩以及手机的外壳等。
2. 防腐蚀材料：镁可以与氧气中的水反应生成氢氧化镁，形成一层保护层，因此被用作防腐蚀材料。
例如，在海洋工程和化工设备中，镁可以作为防腐蚀涂层或镀层使用。
3. 火箭燃料：镁燃烧时产生大量的热能和光亮，因此常被用作火箭燃料。
镁粉末可以在空气中燃烧，产生高温的火焰，可用于信号弹、照明弹等军事用途。
4. 医疗领域：镁在医疗领域有着广泛的应用。
例如，镁合金可用于制造生化植入物，如骨内固定器、血管支架等。
此外，镁离子也具有抗菌、抗炎和止痛的作用，被用于制造医用材料和药物。
5. 环境保护技术：镁可以与水中的氟化物结合，形成难溶性的氟化镁，用以去除水中的氟化物污染物。
此外，镁也可以用于处理废水、废气和固体废物，发挥污染治理和资源再生的作用。
金属冶炼的热力学原理
目录
CONTENTS
• 金属冶炼概述 • 热力学基本原理 • 金属冶炼过程中的热力学原理 • 金属冶炼的工艺流程与设备 • 金属冶炼的环境影响与可持续发展 • 金属冶炼的未来展望
01 金属冶炼概述
金属冶炼的定义
金属冶炼是指通过化学或物理的方法，从矿石中提取金属的 过程。
金属冶炼主要包括矿石的破碎、磨细、浮选、焙烧、熔炼等 工序。
热力学第二定律
方向性
热力学过程具有方向性，不可逆过程 总是自发地向着熵增加的方向进行。
第二定律表达式
对于封闭系统，总熵（即系统熵与环 境熵的和）不会减少，即ΔS ≥ 0。
热机效率
根据热力学第二定律，任何热机的效 率都不可能达到100%。
熵与自由能
熵
表示系统混乱度或无序度的物理量，用于衡量系统内 分子运动的无规则程度。
循环经济与资源再利用
总结词
随着环保意识的不断提高，循环经济和资源 再利用已成为金属冶炼行业的重要发展方向 。
详细描述
通过金属冶炼废料的回收、处理和再利用， 可以实现资源的循环利用，降低生产成本和 环境污染。同时，金属冶炼过程中产生的副 产品也可以通过再利用转化为有价值的资源 ，进一步提高了资源的利用效率。
06 金属冶炼的未来展望
新材料与新工艺的发展
总结词
随着科技的不断进步，新材料和新工艺在金属冶炼领域的应用越来越广泛，为金属冶炼 带来了新的发展方向。
详细描述
随着新材料如高强度轻质材料、高温超导材料等的出现，金属冶炼工艺也在不断改进。 例如，利用高强度轻质材料制成的冶炼设备能够提高设备的耐用性和稳定性，从而提高 金属冶炼效率。同时，高温超导材料在金属冶炼中的应用，可以降低能源消耗和减少环
镁热还原法生产海绵钛的基本原理---乘钒钛文化之风 创钒钛产业之都
镁热还原法生产海绵钛的基本原理---乘钒钛文化之风创钒钛产业之都原创邹建新王能为教授等镁还原法生产海绵钛是目前唯一工业化的生产方法。
在高温下用金属Mg或Na还原TiCl4，得到金属钛，呈海绵状，纯度为98.5%~99.7%，工业上叫作海绵钛。
用镁还原法生产金属钛是在密闭的钢制反应器中进行。
将纯金属镁放入反应器中并充满惰性气体,加热使镁熔化(650℃)，在高温下，以一定的流速放入TiCl4 与熔融的镁反应。
镁热还原过程为间歇作业，在惰性气体氩或氦的保护下进行，还原温度为800℃～900℃，在还原过程中间歇排出生成物MgCl2。
还原所得产物中夹有MgCl2和金属镁,可用真空蒸馏法除去并回收。
真空蒸馏温度为950℃～1000℃。
生产海绵钛的原料：液态TiCl4、金属Mg，典型化学成分如表4.8.1和表4.8.2所示。
生产海绵钛的产品：海绵钛（金属钛）、MgCl2。
海绵钛产品的国家标准如表4.8.3所示，海绵钛外观如图4.8.1所示。
生产海绵钛的工艺：克劳尔法（镁热还原法）、亨特法（钠还原法，已淘汰）。
生产海绵钛的设备：倒“U”型或“I”型还原–蒸馏炉，还原罐如图4.8.2所示。
表4.8.1 四氯化钛原料典型化学成分 指标 TiCl 4 Si Fe V 比色度含量 > 99.9%< 0.004%< 0.0007%< 0.0007%5mg K 2Cr 2O 7/L表4.8.2 金属Mg 原料典型化学成分，% 元素 Mg 总杂质 Mn Fe Si Al Cu Cl - K Na 含量99.90.080.05 0.04 0.01 0.02 0.01 0.05 0.005 0.01表4.8.3 国内海绵钛产品标准（GB/T2524-2010）图 4.8.1 含Mg 和MgCl 2杂质的粗海绵钛图 4.8.2 还原反应罐Mg 还原TiCl 4的主反应：TiCl 4（g ）+2Mg(l)─→2MgCl 2(l)+Ti(s) ΔG=-462200+136T (987~1200K)ΔG 01000 = -312.66 kJ/mol常压下，TiCl 4为液态，熔点-23℃，沸点123℃；Mg 的熔点649℃，沸点1107℃。
冶炼镁方程式
冶炼镁方程式冶炼镁是指通过化学反应将镁的化合物转化为金属镁的过程。
镁是一种轻金属，具有较低的密度和良好的机械性能，广泛用于航空、汽车、电子等领域。
下面将详细介绍冶炼镁的方程式以及其原理。
冶炼镁的主要原料是镁的化合物，常用的有氧化镁（MgO）、氯化镁（MgCl2）等。
冶炼镁的过程可分为两个步骤：还原和电解。
首先是还原步骤。
通常使用金属钙或金属铝作为还原剂。
以金属钙为例，反应方程式如下：MgO + Ca → Mg + CaO这个反应是一个还原反应，镁氧化物被还原为金属镁，同时金属钙被氧化为氧化钙。
还原反应是通过高温下加热反应物来进行的，一般需要在2000℃以上的高温条件下进行。
接下来是电解步骤。
经过还原步骤得到的金属镁通常含有杂质，需要通过电解进一步纯化。
电解是利用电流将离子还原为金属的过程。
冶炼镁通常采用的是熔融态电解法。
在电解槽中加入氯化镁溶液，然后通电进行电解。
在电解槽中，镁离子被还原为金属镁，同时氯离子被氧化为气体释放出来。
电解反应方程式如下：Mg2+ + 2e- → Mg这个反应是一个氧化还原反应，镁离子被还原为金属镁，同时电子被转移。
经过电解后，从电解槽中得到的是纯净的金属镁。
冶炼镁的过程中还需要注意一些问题。
首先是原料的选择，镁的化合物选择的好坏直接影响到冶炼效果。
其次是还原剂的选择，不同的还原剂对冶炼过程和产品质量都有一定影响。
另外，冶炼过程中需要控制温度、电流等参数，以确保冶炼过程的稳定性和产品的质量。
冶炼镁是一项复杂的工艺过程，需要考虑多个因素的综合影响。
通过合理选择原料、还原剂以及控制冶炼条件，可以获得高纯度的金属镁。
冶炼镁的发展对于提高镁金属的生产能力和质量有着重要意义，也对于推动轻金属应用领域的发展具有重要作用。
工业上冶炼金属镁的方法
工业上冶炼金属镁的方法金属镁是一种轻质、强度高、耐腐蚀的金属材料，在工业上具有广泛的应用。
为了满足不同领域的需求，人们采用多种方法来冶炼金属镁，其中最常见的方法包括电解法、熔炼法和热还原法。
1. 电解法电解法是工业上生产金属镁最常用的方法之一。
它主要基于电解质溶液中的离子迁移和电化学反应原理。
首先，将镁盐（如氯化镁）溶解在水中，形成镁离子和阴离子。
然后，将该溶液注入电解槽中，用一对电极（阳极和阴极）通电。
在电解过程中，阳极上的氯离子会接受电子，转化为氯气释放出来，而阴极上的镁离子则会接受电子，还原为金属镁沉积在阴极上。
最后，通过收集、过滤和烘干，得到纯净的金属镁。
2. 熔炼法熔炼法是另一种常用的金属镁冶炼方法。
这种方法适用于一些难以通过电解法获得金属镁的镁矿石。
首先，选取含有镁的矿石，进行破碎和磨矿处理，得到细粉末。
然后，将细粉末与还原剂（如纯碳）混合，并放入高温炉中进行熔炼。
在高温下，还原剂与镁矿石发生反应，产生金属镁和一些气体副产物。
最后，通过冷却、分离和精炼，得到纯净的金属镁。
3. 热还原法热还原法是一种利用高温下镁矿石与还原剂（如硅、铝等）反应获得金属镁的方法。
这种方法适用于一些特殊的镁矿石，如氧化镁、碳酸镁等。
首先，将镁矿石与还原剂混合，并放入高温反应炉中。
在高温下，还原剂与镁矿石发生反应，生成金属镁和一些气体副产物。
最后，通过冷却、分离和精炼，得到纯净的金属镁。
在金属镁的冶炼过程中，还需要注意一些关键参数和条件，以确保产品质量和生产效率。
例如，电解法中需要控制电流密度、温度和电解槽的设计；熔炼法和热还原法中需要控制反应温度、还原剂的用量和反应时间。
此外，还需要进行产品的后续处理和精炼工艺，以满足不同应用领域的要求。
总结起来，工业上冶炼金属镁的方法主要包括电解法、熔炼法和热还原法。
这些方法各有优缺点，适用于不同类型的镁矿石和生产需求。
在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的冶炼方法，并对关键参数和条件进行控制，以获得高质量的金属镁产品。
镁冶金
100～115 ℃
2 氧化镁生产及其氯化
2.2 氧化镁的氯化
可逆反应
化学反应：MgO+Cl2→MgCl2+1/2O2 反应条件：
为得到氯化镁熔体（710℃），必须保持反应温度高
（800～900℃ ）
为了反应快速进行，氯气比率大（Cl2/O2>90：10)
为了利用电解产生的阳极气体Cl2：75～95％，空气：5～25％。 加碳氯化
硅酸盐
1.3 镁矿
地壳中镁的质量分数平均为 2％，在各种金属元素当中，仅 次于铝和铁。自然界中已知有150多种镁化合物。海水中镁以 氯化物形态存在，约为1.3 kg／m3。海水便是镁的取之不尽的 来源。另外一种重要矿石是白云石(即碳酸镁和碳酸钙的络合
盐)，它广泛产于世界各地。这些丰富的天然资源和广泛的地
水解的最终结果：使MgCl2转变成MgO
3 氯化镁脱水
3.3 以氯化镁溶液为原料制取无水氯化镁
1. 2.
卤水的净化
制取低水氯化镁
1. 2.
氯化镁溶液的蒸发和氯化镁水合物的脱水
由卤水直接制取低水氯化镁
3.
低水氯化镁的彻底脱水
1. 2.
氯化氢气氛下低水氯化镁的彻底脱水 低水氯化镁的熔融氯化脱水
3 氯化镁脱水
然后得到金属镁。
1828年，法国布赛(A．Bussy)用钾还原融熔的氯化镁制得纯镁。 1833年，英国法拉第(M．Faraday)电解熔融氯化镁制得纯镁。 德国在1886年首先开始镁的工业生产，当时采用电解法。 第二次世界大战期间，镁的产量迅速增加，全世界达到20余万吨。此
时除了电解法之外，还有硅热还原法和炭热还原法。
热还原法,冶炼金属范围与其他方法
热还原法，冶炼金属范围与其他方法文档下载说明Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document 热还原法，冶炼金属范围与其他方法can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!热还原法是一种常见的金属冶炼方法，通过高温下将金属矿石还原为纯金属的过程。
它在金属冶炼领域中占据着重要的地位，广泛应用于铁、铜、铅、锌等金属的生产中。
与其他冶炼方法相比，热还原法有其独特的优势和适用范围。
首先，让我们了解一下热还原法的基本原理。
热还原法利用高温将金属矿石中的氧化物还原成金属的过程。
在高温下，金属氧化物会失去氧元素，从而得到纯金属。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
●还原时间
在一定的还原温度与体系的剩余压力 下，增加还原时间，可以使热传递的 深度增大，还原反应彻底，从而，镁 的产出率高，硅的利用率也高。下图 是配硅比＝1．1，P＝1716．2×105Pa， 在1100 ℃ 、1150℃、1200 ℃ 三种 温度下，不同还原时间内镁的还原效 率与硅的利用率变化。图中的虚线为 镁的还原效率，实线为硅的利用率。
●萤石
§1.2硅热法炼镁的燃料 ●重油 ●半水煤气或煤气 ●烟煤和无烟煤
§2 硅热法炼镁的基本原理
§2.1硅热法炼镁的热力学 ●MgO还原的热力学原理
为了将镁从氧化镁中还原出来，只有用 对氧亲和力大于镁对氧亲和力的物质作为还 原剂才行。通常，衡量氧化物亲和力大小的 是氧化物的标准吉布斯自由能。
图1-1中绘出了一系列氧化物标准吉布斯 自由能与温度的关系曲线。
上图表明，随着反应时间的延长，镁的还原效率和 硅的利用率随之增加。在反应开始阶段，镁的还原效率 和硅的利用率增加较快，曲线的斜率也较大。随着反应 的进行，开始时反应速度很快，后来反应速度急剧减小， 当反应进行一定时间后，曲线的斜率几乎为零，即反应 速度近于零。由此表明，还原反应进行一段时间后，反 应速度很慢，再延长反应时间已经没有意义了。对于不 同的还原温度，达到最大镁的还原率的时间不同， 1200℃时约为1．5h(实验值)，工业生产时为7．6h， 1150℃时约为1．75h(实验值)，工业生产时为8．5h。
所以，硅热法炼镁过程，最合适的还原温度范围 是1150-1180℃，在这一反应温度范围内，镁的 还原效率实验值可达93％-95％(还原时间为2h)， 工业生产中镁的还原效率可达85％以上(还原时 间为8h)，硅的利用率可达87％-88％(实验值)， 工业生产中硅的利用率可达70％—75％。为了达 到同样的还原效率，如果还原时间较短，则需更 高的还原温度和进一步降低还原体系中的剩余压 力(1—3Pa)o
第二讲 硅热法炼镁之
硅热法炼镁的基本原理
冶金科学与工程学院 周向阳
前言
▲我国金属镁产量增大迅速。
1990年只有0.59万吨； 1999年镁产量达到12万吨，超过美国跃居第一； 2000年镁产量约为20万ｔ,几乎占世界产量的40%； 2006年镁产量达到61.3万吨，比1990年增长100倍。
▲ 我国镁工业发展之所以如此之快,一是改革开放的政 策,市场经济调动了地方、集体、个体兴办炼镁企业的积 极性;二是由于热法炼镁工艺的改进,使其投资少、技术 可行。目前我国炼镁方法几乎全部是热法炼镁。
上图表明：
○随着温度的升高，在同一还原时间内，还原效率和 硅的利用率都有不同程度的提高。在低温区域内，镁的还 原效率和硅的利用率与温度的关系近似为直线，曲线的斜 度较大，也就是说，在低温区域内，同一时间内镁的还原 效率与硅的利用率增加更为明显。
○当温度超过1150℃以后，还原效率与硅利用率增加 较少，曲线趋于平缓。为了达到较高的镁的还原效率与硅 的利用率，温度必须高于1150℃，但是，当温度超过 1200℃以后，同一时间内的还原效率与硅的利用率增加也 不多，由于还原罐的材质在高温下抗氧化的性能较小，故 温度不能超过1200℃
▲我国热法炼镁存在的问题：
△能耗高，资源消耗大。 △环境污染严重,“废渣+废气”几乎没有处 理
以牺牲资源与环境作为代价！
▲热法炼镁的基本原理：
基于的反应： 2(MgO．CaO)十Si 2Mg十2CaO．SiO2
该工艺主要包括： 白云石煅烧成煅白； 混料（煅白+硅铁）； 压球； 真空热还原等工序。
那么，如果将常压改为真空状态，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ会怎么样？下图是某些物质在不同真空 度下吉布斯自由能与温度的变化关系。
就反应：2MgO+Si=2Mg+SiO2而言， MgO、Si 、SiO2均为固态，其活度为1，此 时，吉布斯自由能的表达式为——
△G=△G0+RTlnpMg 当反应中 pMg ＜101.325pa时， RTlnpMg为负值， △G ＜ △G0这有利于将 反应的温度降低。
3.白云石的耐磨指数
●硅铁
硅铁是硅热法炼镁的还原剂，其质量的好 坏直接影响到还原效率。是否用纯硅作还原剂 更好？
图2-1中示出了Fe-Si二元状态。
从图可知，低品位硅铁中除了有FeSi2外，还有 FeSi、Fe3Si2等存在，而反应活性的顺序为： 85%Si>75%Si>45%Si>25%Si,因此Si含量低的活性 差，但是生产上为什么不用纯硅作还原剂？？
Cu<Pb<Ni<Co<P<Fe<Zn<Cr<Mn<V<Si<Ti<Al<Mg<Ca
从上面图可知：各种氧化物的△G值均随温度的 变化而变化，但变化的方向与幅度各不相同，有些 曲线的相互位置都发生了变化。
从图还可推知，只有在温度超过2373℃以后， SiO2的稳定性才会高于MgO的，才能发生如下反应：
从右图可知，当温 度超过2060℃后，会发 生如下反应：
4MgO+Si=2Mg+2MgO·SiO2
此反应是一个造渣 反应，可以降低反应温 度，然而也降低了MgO 的有效利用率。
当有CaO存在时， 由于2CaO ·SiO2比 2MgO·SiO2更加稳定…..
●MgO·CaO真空还原的热力学原理
从前面知道，常压下还原MgO的温 度超过2373℃，当有CaO存在时，还原温 度可降至1750℃，这么高温度在工业上 实现起来有相当难度。
热法炼镁的创始人：皮江博士
§1 硅热法炼镁的原料与燃料
§1.1硅热法炼镁的原料 ●白云石
白云石中杂质含量（指氧化镁、氧化铝、氧化硅）偏高时， 在白云石煅烧及球团真空还原过程中容易生成低熔点化合物， 阻挡碳酸盐的分解及镁蒸气的逸出。
2.白云石的矿物结构
要求是晶粒细小、聚晶、格子晶格、网状结 构，色泽为浅灰色。
所以，硅热法炼镁，一般是在真空条 件下进行。
§3影响还原效率及硅利用率的因素
●还原温度
右图为p＝ 1716．2×105Pa，配硅 比＝1．1时在不同的时 间下，镁的还原效率与 硅利用率随着温度变化 而变化，图中虚线为镁 的还原效率，实线为硅 的利用率。此外还标注 了时间为1-2h时镁的还 原效率与硅的利用率的 数值。
计算表明：在温度低于2000K时，用Si还原MgO 根本就不可能。
●MgO·CaO还原的热力学原理
从前面知道，用硅还原氧化镁时，如果常压则 温度必须超过2373℃，这在实际中实现起来很难，
并且在此高温下，SiO2与MgO会反应生成硅酸镁 。
成本问题，耐火材料问题，产物污染问题。
但是，根据热力学，如果反应过程中存在CaO， 则还原温度可降到1750℃，下页的图中列 出了某些复杂氧化物的吉布斯自由能与温 度的关系。