電解鎂降鐵措施的探討

鄭思晨，李國棟

（青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000）

1 金屬鎂的生產(chǎn)方法簡介

目前，雖然說鎂的生產(chǎn)方法有很多，但是主要的兩種方法是氯化鎂的電解與熱還原法，其中，鎂作為一種輕質(zhì)且具有延展性的銀白色金屬，鎂及其合金的比重低，比強度高，是電池最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。

電解法生產(chǎn)金屬鎂在國際上比較流行，有取代皮江法之勢電解法產(chǎn)出的粗鎂經(jīng)精煉后，內(nèi)部含鐵量在0.02%～0.04%之間，達到國家(GB/T 3499—1995)二級質(zhì)量標準。

具體點解方法是，在電解槽中加入熔融電解質(zhì)氯化鎂，之后加以通電，之后氯化鎂便發(fā)生分解，在陰極析出金屬鎂，在陽極析出氯氣。

2 降鐵的必要性

熔融電解法作為生產(chǎn)金屬鎂的主要方法，其氯化物熔融鹽在電解煉鎂時，其重要環(huán)節(jié)電解過程的好壞會直接關(guān)系到相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟指標，在電解過程中，除了電級本身會對電解過程進行影響，此外，電解質(zhì)中的雜質(zhì)也會對電解過程產(chǎn)生重要的影響，會導(dǎo)致發(fā)生電解變化，破壞正常電解循環(huán)會導(dǎo)致電解程度大大下降[1]。

在進行電解過程中電解質(zhì)中的鐵會導(dǎo)致電解質(zhì)表面性質(zhì)發(fā)生變化，會導(dǎo)致電流效率降低。雜質(zhì)鐵會主要以氯化鐵和氯化亞鐵的形式存在，而由于氯化鐵的分解電壓較低，因此，在電解過程中會進行分解，在陽極析出氯，在陰極析出海綿鐵，會導(dǎo)致在陰極表面形成鈍化膜，導(dǎo)致電流效率降低。相關(guān)實驗證明，即使電解質(zhì)中有少量鐵的存在，它也會使鎂的電流效率直線下降，從而造成鎂的損失。

含鐵量較高的鎂在潮濕情況下，易發(fā)生化學(xué)原電池腐蝕。隨著鎂在防腐和輕合金方面的廣泛應(yīng)用，多數(shù)消費者要求終端鎂金屬的含鐵量應(yīng)在0.004%或0.005%以下。

3 降鐵措施

在電解鎂過程中雜質(zhì)鐵對電解效率影響較重，因此，降低鐵相的最直接的辦法就是除掉電解熔體中的鐵雜質(zhì)。一般用復(fù)合氯鹽精煉電解粗鎂后，鐵含量一般在0.02%～0.04%之間。而鎂合金中鐵含量一般要求是在0.005%以下。而對性能要求更高的鎂合金，鐵含量的要求更低。只有通過精煉，才能顯著降低鎂及其合金中的鐵含量。

目前較普遍的做法是，在鎂液精煉過程中，加入某種元素(如錳、鈦、鋯和硼等)的單質(zhì)、合金、化合物、鹽類等作為除鐵劑，與鎂液中的雜質(zhì)Fe相互作用，形成在鎂液中溶解度極小、熔點高、密度大的金屬間化合物，充分攪拌后靜置得到的金屬化合物沉淀至坩堝底部，從而達到去除雜質(zhì)Fe的目的[2]。

3.1 鈦粉降鐵

鈦粉與鐵相比其表面積更大，吸附活性更強，可以最大限度的吸收熔融鎂中的鐵雜質(zhì)，可以有效地將粗鎂中的鐵雜質(zhì)進行過濾，可以降至0.004%以下。

鈦粉強鐵的具體操作是將一定量的鎂精煉劑放入坩堝中，待其熔化后加入電解熔融粗鎂，之后將鈦粉和精煉劑的混合物加入鎂中，之后進行攪拌，幫助鈦粉快速下沉，防止出現(xiàn)劇烈燃燒，當加入鈦粉的坩堝中的物質(zhì)達到一定的溫度時，要進行一段時間的充分攪拌，幫助鈦粉與鎂充分接觸，幫助提高降鐵的效率。

在進行鈦粉降鐵時，還需要注意以下問題。首先，坩堝內(nèi)物質(zhì)進行放置時，首先需要添加底部精煉劑，其次在添加需要熔融精煉的鎂，之后等待鎂變成固體時，加入底部溶劑，此時底部溶劑可以加入過量，之后直接進行固體鎂錠的加入。

當加入鈦粉和精煉劑時，要注意對溫度的控制，不宜過高，溫度過高會造成鈦粉燃燒。進行鈦粉與精煉劑混合物的添加時，注意混合均勻，要控制其相應(yīng)體積，控制為2：1。在進行鎂的相關(guān)攪拌和燃燒時，要格外注意控制溫度，需要在其表面添加覆蓋劑，防止燃燒現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

3.2 海綿鈦降鐵

海綿鈦與鈦粉相比具有更好的優(yōu)勢，它可以有效的降低生產(chǎn)成。全新干燥的海綿碳氧化程度低，表面與內(nèi)部空隙大，因此有著較強的吸附能力，可以用于精煉電解粗鎂，可以明顯降低鐵含量。根據(jù)實驗可知，表面氧化少，顆粒度適當?shù)暮＞d鈦與等量的鈦粉功效相同。價格也比鈦粉要低，可以作為鈦粉的代替品。

3.3 低價氯化鈦降鐵

低價氯化鈦電解粗鎂中的鐵，其可以鐵降至0.002%以下，具有更強的降鐵效果。這種低價氯化物與熔鎂接觸時，鈦晶粒被置換出來，進而實現(xiàn)降鐵。用含低價氯化鈦的復(fù)鹽做降鐵劑，不僅具有更強的降鐵效果，同時還可以對晶粒進行細化，提高其質(zhì)量。同時由于其它氯鹽的存在，可以有效進行物質(zhì)的精煉，因此不需要其它精煉劑的添加。

具體使用方法是，熔體鎂進入坩堝或固體鎂熔化后升溫不低于730℃，用漏勺盛低價氯化鈦的復(fù)鹽，伸入到鎂液中不斷晃動，使其熔化并置換出鈦晶粒，完成除鐵過程。用低價氯化鈦除鐵應(yīng)注意以下兩點：由于含低價氯化鈦的鹽中鈦含量僅為10%，所以這種降鐵劑的加入量，每次不低于坩堝中鎂質(zhì)量的20%。當坩堝中的低價氯化鈦熔化后，對坩堝中鎂施以一定時間和強度的攪拌，以利降鐵。

3.4 四氯化鋯(ZrCl4)降鐵

ZrCl4降鐵與低價氯化鈦降鐵機理相似。因為四氯化鋯中鋯含量不多，因此在進行降鐵過程中，要對四氯化鋯的含量進行相應(yīng)的增加，以此來實現(xiàn)理想的降鐵效果。對于其加入量的控制要考慮需要除鐵物質(zhì)的質(zhì)量，不低于除鐵金屬的百分之四即可，以此來實現(xiàn)更高效率的實現(xiàn)降鐵。又因為四氯化鋯在鎂液中具有易揮發(fā)的特性，要注意鎂葉溫度的控制，溫度不需要很高。另外對于四氯化鋯與精煉劑的混合需要對其混合攪拌的時間和強度進行控制，保證其可以混合均勻與接觸完全。實驗結(jié)果表明，用ZrCl4除鐵能使電解鎂中鐵降至0.005%以下，其余各項雜質(zhì)成分符合國家二級鎂質(zhì)量標準。

3.5 含硼氧化物降鐵

但是添加的金屬元素在鎂液中的溶解度增大，也會對產(chǎn)品純度有一定影響。因此可以利用含硼氧化物來進行除鎂中的鐵雜質(zhì)。一般向熔融鎂中加入0.4%的硼元素就可以將鎂熔體中的鐵含量從0.35%降到0.002%以下，同時硼元素的殘留也會控制到0.0002%。

具體的實驗分析是以二級鎂錠和含硼氧化物三氧化二錳為例，具體操作是在井式坩堝電阻爐中進行，另外溫度變化范圍要控制在五度之內(nèi)。在進行鎂液處理時，首先將坩堝進行預(yù)熱，其次再加入稱量好的熔劑與鎂錠進行熔化，至恒溫后，在加入定量的三氧化二錳，最后進行充分攪拌混合均勻，靜置。

由實驗結(jié)果可知，當熔劑量相同時，鎂液中的鐵含量會隨著三氧化二錳的增加而逐漸降低，同時鎂液中的鐵元素含量也隨之下降到0.004%。達到一定程度后，降鐵速率也會逐漸減慢。在降鐵過程中可以適當提高溫度，略高的溫度可以提高降鐵效率。實驗具體表現(xiàn)為鎂中三氧化二錳的含量越高，其產(chǎn)生的單質(zhì)硼含量也在不斷提高，同時雜質(zhì)鐵與硼的接觸增大，從而實現(xiàn)降鐵。

4 結(jié)語

在進行輕金屬的生產(chǎn)過程中，我們不僅要考慮其生產(chǎn)成本，還要考慮需要達到的產(chǎn)品質(zhì)量指標，因此以金屬鎂的生產(chǎn)為例，強調(diào)在生產(chǎn)過程中降鐵的必要性。但是在實際降鐵過程中，還要考慮到多種多樣的影響因素，不僅受時間的影響，還有考慮溫度，坩堝儀器等對鎂生產(chǎn)的影響。因此，在進行金屬的生產(chǎn)過程中需要生產(chǎn)者進行多方權(quán)衡，提高產(chǎn)品質(zhì)量。