Технология производства магния

Магний широко применяют в виде сплавов с алюминием, цинком и марганцем для изготовления деталей авиационных и автомобильных двигателей. Магниевые сплавы обладают хорошими литейными свойствами, что дает возможность получать из них сложные отливки. Сплавы магния легко поддаются свариванию и обработке резанием.

Основными видами сырья для производства магния являются магнезит, доломит, карналлит и бишофит. Главной составляющей магнезита является MgCO3, а доломита СаСО3 • MgCO3. Карналлит — это природный хлорид магния и калия MgCl2 • КСl • 6Н2O. Бишофит (MgCl2 • 6Н2O) получается при переработке карналлита или выпаривается из воды соленых озер и морей. Наиболее распространен в настоящее время электролитический способ производства магния, при этом магний в процессе электролиза получается из вводимого в электролит хлорида MgCl2. Технология производства магния этим способом включает три стадии: получение безводного хлорида магния MgCl2, электролиз с выделением из хлорида жидкого магния, рафинирование магния.

Производство хлорида магния ведут тремя способами. Первый способ — обезвоживание карналлита MgCl2 • KCl • 6Н2O. Процесс осуществляют в две стадии. Первую проводят, нагревая карналлит в трубчатых вращающихся печах или печах кипящего слоя. Вторую — в основном в печах-хлораторах, имеющих плавильную камеру, где карналлит расплавляют при температурах 550—600 °С; две хлорирующие камеры, где продувкой хлором примеси (MgO) переводят в MgCl2 и копильник расплава (миксер). На некоторых заводах вторую стадию проводят в электрических печах сопротивления, где карналлит расплавляют при температуре ~500°С и сливают в миксер. В обоих случаях жидкий карналлит сливают из миксеров в ковш и везут в электролизный цех. Обезвоженный карналлит содержит, %: MgCl2 47-52; KCl 40-46; NaCl 5-8.

Рисунок 1. Шахтная печь для производства магния:

1 — летка; 2 — угольные электроды; 3 — ремонтный люк; 4 — загрузочное устройство; 5 — гаэоотвод; б — футеровка; 7 — хлорные фурмы; 8 — шихта; 9 — угольные брикеты

Рисунок 2. Схема магниевого диафрагменного электролизера

Второй способ производства хлорида магния заключается в хлорировании магнезита или оксида магния, получаемого путем предварительного обжига магнезита. Процесс ведут в шахтных электрических печах. В нижней части (рис. 1) расположены в два ряда электроды 2; между ними находятся угольные брикеты, которые при прохождении электрического тока нагреваются до ~ 750 °С. Шихту загружают сверху, через фурмы 7 вдувают хлор.

У фурм происходит хлорирование оксида магния: MgO + Сl2 + С = MgCl2 + СО. Хлористый магний плавится и скапливается на подине, периодически его выпускают в ковш и транспортируют в электролизный цех.

Третий способ — это получение МgСl2 в качестве побочного продукта в процессе восстановления титана магнием из TiCl4 (см. ниже). Этот жидкий хлорид магния направляют в магниевое производство (магний и титан обычно производят на одном предприятии).

Электролитическое производство магния осуществляют в электролизере (рис. 2). Анодами служат графитовые пластины 7, а катодами — стальные пластины 2. Удельная плотность магния меньше удельной плотности электролита, и поэтому магний всплывает. Хлор, выделяемый на аноде, тоже всплывает. Чтобы избежать взаимодействия хлора с магнием, а также короткого замыкания анода и катода расплавленным магнием, вверху устанавливают специальную разделительную диафрагму 3.

Электролит состоит из МgСl2 (5—17 %), KCl, NaCl и добавок СаF2 и По мере расходования МgСl2 в электролизер периодически заливают жидкие карналлит либо хлористый магний. Электролиз ведут при 670—720 °С. На катоде выделяется магний: Мg2+ + 2е —>на аноде — газообразный хлор 2Cl- — 2е —> Cl2. Из электролизера откачивают хлор и 2—3 раза в сутки с помощью вакуум-ковшей с электрообогревом извлекают жидкий магний.

В последнее время наряду с описанными выше диафрагменными электролизерами применяют бездиафрагменные.

Рафинирование магния осуществляют отстаиванием в печах, возгонкой или электролизом. Наиболее распространен первый способ, заключающийся в выдержке магния в печах сопротивления под слоем флюса. При этом происходит отстаивание (переход в осадок) запутавшихся в расплаве частиц электролита и шлама. Рафинирование возгонкой осуществляют путем испарения магния в вакууме при 900 °С. Испаряющийся чистый магний осаждается в конденсаторе. Электролитическое рафинирование магния схоже с аналогичным процессом рафинирования алюминия по трехслойному методу. В электролизере внизу у анода находится слой рафинируемого магния, выше — слой электролита, а над ним у катода накапливается чистый магнийПрименяют также термические способы производства магния с использованием в качестве восстановителя С, Si или СаС2. Из них проще силикотермический способ, при котором пользуются специальными ретортами из хромоникелевой жаропрочной стали, помещаемыми в электропечь, отапливаемую газообразным топливом. В качестве сырья лучше всего брать доломит MgCO3 • СаСО3, а в качестве восстановителя — кремний ферросилиция. Магний получается высокой чистоты.

Специальные виды сварки

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка представляет собой электротермический процесс, при котором преобразование электрической энергии в тепловую происходит при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак. Сварка изделий, как правило, осуществляется в вертикальном положении с принудительным формированием шва. Для этого свариваемые детали собирают с зазором и скрепляют между собой.

В пространстве, образованном кромками изделий и формирующими приспособлениями, создается ванна расплавленного шлака, в которую погружают металлический электрод. Проходящий между электродом и основным металлом ток разогревает шлак, в результате чего происходит плавление электрода и кромок изделия, образуя сварочную ванну. Для предотвращения вытекания жидкого металла из пространства зазора к свариваемым деталям прижимают охлаждаемые водой медные пластины или ползуны. По мере охлаждения и формирования шва ползуны перемещают снизу вверх.

Электрошлаковая сварка характеризуется наибольшей площадью нагрева и наименьшей сосредоточенностью энергии в зоне нагрева. Её применяют для сварки больших кожухов, турбин и других деталей толщиной до нескольких метров, когда обычные способы сварки неприемлемы.

Сварка давлением

Под сваркой давлением понимают все виды сварки (контактная, трением, холодная и т.д.), при которых происходит пластическая деформация металлов в зоне контакта, в результате чего образуется сварное соединение. Этот процесс становится возможным при условии образования между двумя деталями межатомных связей кристаллических решеток. Для образования сварного соединения поверхности деталей сближают между собой настолько, что происходит взаимодействие атомов металла, расположенных на одной поверхности с атомами металла другой поверхности. После чего происходит объединение электронных оболочек, формируя металлургические связи. Граница соединения перестает быть барьером и происходит взаимная диффузия атомов, сопровождающаяся структурными изменениями в зоне контакта и деформацией с выделением большого количества тепла.

Технология сварки трением

Сварка трением предусматривает взаимное перемещение свариваемых поверхностей относительно друг друга при одновременном сдавливании их. В результате этого свариваемые поверхности нагреваются силами трения, а имеющиеся на поверхности пленки оксидов, разрушаются и выдавливаются из зоны контакта в радиальном направлении. В результате возникшей пластической деформации очищенные от оксидов поверхности деталей сближаются до возникновения межатомных связей и металлургических реакций, сопровождающихся взаимной диффузией атомов.

После прекращения движения металл остывает, образуя прочное соединение. Особенностью этого процесса является мгновенная остановка взаимного перемещения, так как при замедленной остановке возможно разрушение контактного соединения. Сдавливающую нагрузку снимают после остывания контакта.

Сварка взрывом

Возможность нетрадиционного использования энергии взрыва для соединения металлов в твердой фазе была открыта еще в начале 60 годов минувшего столетия практически одновременно в России и США. В Волгоградском техническом университете за сравнительно короткий срок была создана научная школа сварки взрывом. При этой технологии соединение происходит за счет совместной пластической деформации в результате соударения, вызванного взрывом быстродвижущихся соединяемых частей. При этом кинетическая энергия движущихся деталей выполняет работу по совместной пластической деформации контактирующих слоев.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка (рис.50) - неразъемное соединение, полученное совместным воздействием на свариваемые детали механических колебаний высокой частоты и сдавливающих усилий. Магнитострикционный эффект передается через трансформатор упругих колебаний 1, наконечник 2, представляющих собой вместе с рабочим инструментом 3 преобразователь, в результате чего на свариваемые детали 4 действуют силы колебательного характера, амплитуда которых составляет 20 - 40 мкм. В результате этого между свариваемыми деталями возникают силы трения, вызванные возвратно-поступательными движениями.

Это приводит к разрушению поверхностных пленок в зоне контакта, размягчению поверх-ностного слоя нагревающегося металла и пластической деформации, возникающей под действием сжимающих сил. В результате этого свариваемые детали сближаются настолько, что между ними возникают силы межатомного взаимодействия, формирующие прочное неразъемное соединение.

Термитная сварка

Термитная сварка применяется в местах, где нет возможности выполнить электросварочные работы. К таким работам относят сваривание рельс железнодорожных линий, проводов связи, электрические кабели и т.д. Для этого промышленность выпускает термитные патроны (карандаши) и спички к ним. Принцип действия термитной сварки основан на создании температуры плавления при сгорании термитного патрона.

Лазерная сварка

Принцип лазерной сварочной установки похож на принцип действия установки для сварки электронным лучом, но в данном случае используется энергия светового потока. Световой поток создается в оптическом квантовом генераторе состоящем из лампы накачки и рабочего тела , которое излучает фотоны. Фотонный поток фокусируется оптическим устройством и направляется на деталь , создавая в месте контакта пятно нагрева. Однако современные лазерные установки еще очень дороги, а КПД их низок, что накладывает ограничение да данный вид сварки.

Сварка полимерных материалов

Многие полимерные материалы, как и металлы, можно сваривать при помощи газовой сварки. Методика сварочных работ несколько отличается от сварки металлов, так как в данном случае отсутствует сварочная ванна. То есть пластмасса разогревается не до жидкого состояния, а до вязко-текучего состояния кромок и присадочного материала, при котором происходит их слипание, образуя сварочный шов. Характерно особенностью сварки пластмасс является тот факт, что их не обрабатывают открытым пламенем, как металлы. Существует несколько методик сварки пластмасс, которые в определенной степени отличаются друг от друга.

Импульсно-дуговая сварка

Сущность импульсно-дуговой сварки состоит в том, что сварочный ток в зону дуги подается кратковременными импульсами. Этот способ сварки может применяться при использовании как плавящегося, так и неплавящегося электрода.

Применение импульсов тока при дуговой сварке дает следующие преимущества:

-качественное формирование сварного шва при сварке на весу и уменьшение опасности образования прожогов;

-стабильный перенос металла при сварке плавящимся электродом.

Для импульсно-дуговой сварки пульсирующим током применяются специальные источники питания (BCBУ-315, ВСВУ-630 и т. д.) с регулируемой величиной импульса и паузы сварочного тока по амплитуде и времени.

Для получения управляемого переноса металла применяется дополнительный импульсный генератор, состоящий, как правило, из управляемого выпрямителя и конденсатора.

Обычно число импульсов, поступающих на сварочную дугу, равно частоте питающей сети (50 Гц) или вдвое больше (100 Гц).

Использование импульсов тока бывает весьма эффективным при сварке плавящимся электродом. Импульсы тока, посылаемые конденсатором на сварочную дугу, упорядочивают перенос металла в дуге. Например, увеличение тока в импульсе в 4 раза увеличивает усилия, воздействующие на металл в 16 раз.

В результате подачи импульсов тока капля жидкого металла отрывается от электрода и как бы стремительно летит вперед по направлению к оси электрода, вследствие чего упорядочивается перенос металла в сварочной дуге, улучшается формирование шва, возрастает глубина проплавлення основного металла и улучшаются условия сварки в вертикальном и потолочном положениях.

Применение импульсно-дуговой сварки особенно важно при наложении корневого слоя, так как в этом случае обеспечивается стабильный провар свариваемых кромок без прожогов.

Импульсно-дуговую сварку эффективно используют при монтаже трубопроводов ответственного назначения. Применение этого вида сварки позволяет получать сварные швы, имеющие 100%-ный провар в корне шва и хорошо сформированный обратный валик. Получение хорошо сформированного обратного валика весьма важно для трубопроводов, внутренняя поверхность которых должна быть всегда чистой. Наличие хорошего обратного валика является показателем высокой прочности сварного соединения.

Получение заготовок на гкм

Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) применяют во многих отраслях промышленности при изготовлении самых различных заготовок, требующих технологических переходов высадки, прошивки, просечки, пережима заготовки, выдавливания, гибки и, наконец, отрезки, т. е. отделения штамповки от прутка.

Штамповкой (высадкой) на ГКМ получают заготовки из прутков для блоков зубчатых колес или валов – шестерен, т.е. когда заготовки имеют участки с большим перепадом по диаметру. Матрица ГКМ имеет разъем. Одна часть матрицы подвижная другая неподвижная. Пуансон при высадке перемещается в горизонтальном направлении. Штамповка производится в следующей последовательности:

I – пруток закладывается в разъемную матрицу до упора; II – упор отводится, пруток зажимается в матрице и деформируется пуансоном; III – процесс деформации заканчивается, IV – подвижная часть матрицы пуансон отводятся в исходное положение, поковка извлекается из штампа.

Высадку на горячековочных машинах (ГКМ) как высокопроизводительный и эффективный способ пластического деформирования металла широко используют в массовом производстве для изготовления заготовок, имеющих форму тел врашения. Исходным материалом служит прокат круглого сечения и трубы диаметром 30…250 мм и длиной до 3…3,5 м, масса заготовок в этом случае колеблется в пределах 0,1… 100 кг, Потери металла составляют всего 1…3% массы заготовки. При одном нагреве исходного материала можно получить несколько заготовок. Штамп на ГКМ состоит из неподвижной и подвижной матриц и пуансона. Пруток нагретым концом укладывается в неподвижную матрицу, подвижная матрица зажимает пруток, образуется полость штампа. При движении пуансона формируется головка штамповки. Стойкость штампов составляет 10—20 тыс. заготовок. В некоторых случаях обработку на ГКМ эффективно совмещать с другими видами формообразования заготовки, например со штамповкой в ручьевых штампах или с поперечно-винтовым прокатом.