Металлический магний Мг90

Магний первичный Мг90: общая характеристика

Магний первичный марки Мг90 — нелегированный металлический магний с содержанием основного элемента не менее 99,90 %. Материал выпускается в виде чушек и регламентируется ГОСТ 804-93 «Магний первичный в чушках. Технические условия». Обозначение марки расшифровывается следующим образом: «Мг» — магний, «90» — сотые доли процентного содержания магния после запятой (то есть 99,90 %).

Магний — серебристо-белый лёгкий металл с гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. Плотность при 20 °C составляет 1,738 г/см³, что делает его одним из самых лёгких конструкционных металлов: он примерно в 1,5 раза легче алюминия и почти в 4,5 раза легче железа. Температура плавления — 650 °C, температура кипения — около 1090 °C, теплопроводность при 20 °C — 156 Вт/(м·К).

Помимо марки Мг90, ГОСТ 804-93 предусматривает ещё три марки первичного магния: Мг80 (≥ 99,80 %), Мг95 (≥ 99,95 %) и Мг98 (≥ 99,98 %). Марка Мг90 относится к магнию общего назначения и является одной из наиболее востребованных в промышленности.

Химический состав магния Мг90 по ГОСТ 804-93

Требования к химической чистоте марки Мг90 определяются максимально допустимыми массовыми долями примесей. Содержание магния устанавливается по разности — как 100 % минус сумма всех определённых примесей.

Сумма всех оговорённых примесей для марки Мг90 не должна превышать 0,10 %. Массовая доля любого другого, не перечисленного в таблице элемента — не более 0,010 %. Массовая доля хлора — не более 0,005 %. По требованию потребителя магний Мг90 может изготавливаться с ограничением массовой доли титана — не более 0,002 %.

Железо, никель и медь являются наиболее вредными примесями в магнии, поскольку снижают коррозионную стойкость как самого металла, так и сплавов на его основе. Их содержание строго контролируется при приёмке каждой плавки.

Физические свойства металлического магния

Ниже приведены основные физические характеристики чистого магния, актуальные для инженерных расчётов и технологического проектирования.

На воздухе при обычных условиях магний покрыт тонкой оксидной плёнкой MgO, которая обеспечивает защиту от дальнейшего окисления. Однако при нагреве выше примерно 550–600 °C эта плёнка теряет защитные свойства, и металл способен воспламениться, сгорая ярким белым пламенем с образованием оксида магния и небольшого количества нитрида магния Mg₃N₂.

Сырьё для производства первичного магния

Магний в природе не встречается в свободном виде. Содержание магния в земной коре составляет около 2,35 % по массе. Основными видами природного сырья для промышленного получения магния служат:

Карналлит (MgCl₂·KCl·6H₂O) — наиболее распространённый источник, используемый преимущественно на предприятиях электролитического производства. Перед использованием карналлит обогащают и обезвоживают для получения безводного сырья.

Магнезит (MgCO₃) — применяется главным образом в термических способах получения магния. После обжига из магнезита получают оксид магния (MgO), который используется как исходный компонент для восстановительных процессов.

Доломит (CaCO₃·MgCO₃) — карбонатная порода, содержащая магний и кальций. Используется в силикотермическом способе, при этом предварительного отделения кальция не требуется.

Бишофит (MgCl₂·6H₂O) — водный хлорид магния, служит альтернативным источником хлорида магния для электролитического способа.

Электролитический способ получения магния

Около 70 % мирового производства магния приходится на электролитический способ. Его сущность заключается в электрохимическом разложении хлорида магния (MgCl₂) в расплаве солей.

Подготовка сырья и состав электролита

Исходное сырьё (чаще всего карналлит) проходит стадии обогащения и обезвоживания. Из безводного карналлита (MgCl₂·KCl) готовят расплавленный электролит. Типовой состав четырёхкомпонентного электролита: MgCl₂ — 10 %, CaCl₂ — 45 %, NaCl — 30 %, KCl — 15 %, с небольшими добавками NaF и CaF₂. Хлорид кальция выполняет функцию утяжелителя, повышая плотность электролита до значений выше плотности жидкого магния, что обеспечивает всплытие выделяющегося металла. Добавки хлоридов натрия и калия снижают температуру плавления электролита и его вязкость, улучшают электропроводность расплава.

Процесс электролиза

Электролиз проводят в электролизёре, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, катодами — стальные пластины. Температура электролиза поддерживается в диапазоне 700–720 °C.

При пропускании электрического тока через расплав происходит электрохимическое разложение хлорида магния: на катоде выделяются ионы магния, образуя капельки жидкого металла, на аноде выделяется газообразный хлор. Для предотвращения взаимодействия хлора с магнием и короткого замыкания электродов в верхней части электролизёра устанавливают разделительную диафрагму.

Жидкий магний имеет плотность ниже, чем расплавленный электролит (плотность расплава магния при температуре плавления — около 1,58 г/см³), поэтому выделяющийся металл всплывает на поверхность. Расплавленный черновой магний периодически извлекают из ванны вакуумным ковшом.

Термический способ получения магния

Около 30 % мирового производства магния приходится на термические способы — силикотермический и карботермический. В силикотермическом процессе оксид магния, полученный обжигом магнезита или доломита, восстанавливается кремнием (в составе ферросилиция) при высокой температуре и пониженном давлении. Магний выделяется в парообразном состоянии и конденсируется на охлаждаемых поверхностях.

Рафинирование чернового магния

Черновой магний, полученный электролизом, содержит около 5 % примесей — преимущественно это кальций, натрий, калий, алюминий и железо. Для получения товарного первичного магния требуется рафинирование.

Основной промышленный метод — переплавка с флюсами. Черновой магний и флюс (смесь на основе MgCl₂, KCl, NaCl, CaCl₂, CaF₂) загружают в электрическую печь и нагревают до 700–750 °C при перемешивании. Неметаллические примеси и оксиды переходят в шлаковую фазу. После рафинирования магний выдерживают для отстаивания шлака, затем охлаждают расплав до температуры 660–670 °C (чуть выше точки плавления) и производят разлив в изложницы.

Формы поставки магния Мг90

Основная товарная форма первичного магния марки Мг90 — чушки (слитки). Чушка имеет форму бруска с трапециевидным поперечным сечением, расширяющимся кверху (для удобства извлечения из изложницы).

Массогабаритные параметры чушек

Стандартная масса чушки по ГОСТ 804-93 составляет (8,0 ± 1,0) кг. Допускается выпуск чушек иной массы — в диапазоне от (2,0 ± 0,3) кг до (22,0 ± 2,0) кг.

Требования к поверхности

Поверхность чушек должна быть без флюсовых включений и продуктов горения магния. На чушках, не прошедших антикоррозионную обработку, допускаются незначительные дефекты (флюсовые включения и продукты горения) общей площадью не более 25 мм² и глубиной не более 1 мм. Допускаются зачищенные места и цвета побежалости.

Антикоррозионная обработка

Чушки, предназначенные для длительного хранения, а также по требованию потребителя, подвергают антикоррозионной обработке. Поверхность обрабатывают раствором бихромата калия с предварительной промывкой в растворе кальцинированной соды и последующей промывкой в воде.

Упаковка, маркировка и транспортировка

Чушки магния Мг90 транспортируют в пакетированном виде. Формирование пакетов выполняется по ГОСТ 21399. Параметры пакетов: не более 700 × 700 мм или 700 × 1400 мм, массой не более 1500 кг. Пакеты скрепляют алюминиевой катанкой по ГОСТ 13843 или стальной упаковочной лентой по ГОСТ 3560.

На каждой чушке наносят маркировку: товарный знак или наименование предприятия-изготовителя, марку магния и номер плавки. Каждая партия сопровождается документом о качестве с результатами химического анализа по плавкам.

Контроль качества и приёмка

Партия состоит из магния одной марки, одной или нескольких плавок. Для контроля поверхности отбирают 1 % чушек от партии, но не менее 10 штук. Для определения химического состава от каждой плавки отбирают по три чушки. Отбор проб — методом сверления (по ГОСТ 24231). Масса точечной пробы — не менее 10 г, лабораторной пробы — не менее 50 г.

Массовые доли железа, кремния, никеля, меди, алюминия и марганца определяют в каждой плавке. Содержание других примесей контролируют в каждой тридцатой плавке. Методы определения химического состава — по ГОСТ 851.1 — ГОСТ 851.13.

Области применения магния Мг90

Первичный магний марки Мг90 — востребованный промышленный материал, используемый в нескольких ключевых направлениях.

Производство магниевых и алюминиево-магниевых сплавов

Основная область потребления первичного магния — производство магниевых сплавов (литейных серии МЛ и деформируемых серии МА), а также легирование алюминиевых сплавов системы Al–Mg (серия АМг). Магниевые сплавы применяются в авиастроении, автомобильной промышленности, приборостроении, электронике, текстильном машиностроении и полиграфии благодаря малой плотности (1,75–1,85 г/см³) и высокой удельной прочности.

Магниетермические процессы

Магний используется как восстановитель в магниетермическом производстве титана (восстановление тетрахлорида титана TiCl₄), циркония, урана и других металлов. Этот процесс основан на высокой химической активности магния и его способности восстанавливать галогениды тугоплавких металлов.

Десульфурация чугуна и стали

В чёрной металлургии магний (в виде чушек, гранул и порошка) применяют для глубокой десульфурации — удаления серы из расплава чугуна и стали. Магний связывает серу в сульфид магния (MgS), который переходит в шлак. Кроме того, магний используется для модифицирования чугуна: при обработке расплава магнием пластинчатый графит превращается в шаровидный, что позволяет получать высокопрочный чугун (ЧШГ) с существенно улучшенными механическими свойствами.

Производство ферросплавов и химических реагентов

Магний служит раскислителем и рафинирующей добавкой при выплавке ферросплавов, меди, никелевых сплавов. Применяется в качестве химического реагента в органическом синтезе (реактив Гриньяра) и ряде других химических процессов.

Пиротехника и военное дело

Благодаря способности ярко гореть с выделением большого количества света и тепловой энергии магний используется в пиротехнических составах, осветительных и сигнальных средствах.

Особенности хранения и пожарная безопасность

Магний относится к пожароопасным материалам. Чушки магния необходимо хранить в отдельных сухих отапливаемых помещениях, изолированных от основного производства. В складских помещениях не допускается скопление магниевой пыли и хранение легковоспламеняющихся материалов (бензина, масел, керосина).

Для тушения загоревшегося магния применяют сухие молотые флюсы, используемые при плавке магниевых сплавов. Применение воды, пенных и углекислотных огнетушителей категорически запрещено: при контакте раскалённого магния с водой происходит экзотермическая реакция с выделением водорода, что приводит к усилению горения.

Сравнение марок первичного магния по ГОСТ 804-93

Для выбора подходящей марки магния в зависимости от задач полезно сравнить допустимые уровни примесей по всем маркам, предусмотренным стандартом.

Марка Мг90 занимает промежуточное положение между техническим магнием (Мг80) и высокочистым (Мг95, Мг98). Она обеспечивает достаточную чистоту для большинства задач в металлургии и химической промышленности при оптимальном соотношении качества и стоимости.

Нормативная документация

Производство, приёмка и поставка первичного магния в чушках регламентируются следующими основными стандартами:

ГОСТ 804-93 — «Магний первичный в чушках. Технические условия» — основной стандарт, устанавливающий марки, химический состав, массу чушек, требования к поверхности, упаковке и маркировке.

ГОСТ 24231 — определяет порядок отбора и подготовки проб для химического анализа цветных металлов и сплавов.

ГОСТ 851.1 — ГОСТ 851.13 — методы определения химического состава первичного магния (железо, кремний, никель, медь, алюминий, марганец, натрий, калий и другие элементы).

ГОСТ 21399 — требования к формированию транспортных пакетов чушек, катодов и слитков цветных металлов.