鎂廢料的回收技術

□編譯/蘇鴻英

鎂廢料的回收技術

□編譯/蘇鴻英

The Recycling Technology of Magnesium Waste

目前鎂廢料的回收有兩種方法，即無熔劑回收和有熔劑回收。具體采用哪種回收工藝，要根據鎂廢料的質量來決定。

有熔劑回收

從20世紀20年代起熔劑就用于原鎂和鎂的熔化、回收，制備好的熔劑鹽混合劑用于熔化和精煉，其中熔鹽混合劑為MgCl2、KCl和NaCl，而精煉劑還包括CaF2、MgF2和MgO。和鎂水相比，熔化熔劑具有的密度差異為0.5～0.8g/cm3，有較高的黏度。對于上述兩種類型的熔劑來講除了薄薄一層熔融狀態的鹽外，其余全部都會沉降到坩堝底部。由于熔融狀態的鹽的張力會留在表面作為保護層，不需要覆蓋氣體來避免熔體氧化，因此熔劑的熔點低于鎂及其合金的熔點。

在回收工藝中，精煉熔劑通過從鎂熔體里積累氧化物，加上MgO在熔劑中有稠化作用，所以熔劑鹽數量會根據鎂熔體中氧化物含量來確定。一級鎂廢料回收所需的熔劑很少甚至不需要，具有較高氧化物含量的鎂熔體需要較多的熔劑，液態精煉熔劑黏在氧化層上而不是鎂熔體上。熔劑混合物中不同的成分會起到各自不同的作用，CaCl2和 MgCl2用于打碎并剝離氧化層，氟化物則通過降低鎂熔體和熔劑熔體之間的接觸角來促進鎂熔體液滴的聚集。

在回收工藝開始時熔劑通常為液態，液態熔劑和鎂水必須混合，這樣才可能通過攪拌器或吹入惰性氣體與氧化物接觸。吹入惰性氣體可以和熔體除氣同時進行，也可以采用一體化吹入氣體系統的攪拌器。鎂水和液態熔劑混合后，大部分氧化物會轉移到熔劑里，因為密度不同，熔劑和鎂水層會分開，熔劑和高含量的金屬間化合物顆粒中的一些鎂合金液滴會沉降到坩堝的底部。熔劑、氧化物、鎂和金屬間顆粒在每個熔次后都必須去除。

Waltrip引用了1959年Dow公司雇員培訓手冊中的精煉工藝：鎂必須加熱到1 300OF±15OF（704℃±10℃）才能用于凈化和精煉，溫度太低鎂中會有熔劑和其他雜質，溫度太高將造成鎂的過度燒損，時間太長會降低坩堝使用壽命。加熱到1 300OF（704℃）之后，必須在每個熔次表面添加2%～3%wt的熔劑進行精煉，再采用鎂水包、撇渣器或機械攪拌裝置攪拌15分鐘，使熔劑和鎂水完全混合。如果裝入的鎂廢料已經嚴重污染，則需要較多的熔劑和較長的攪拌時間。攪拌之后，讓鎂熔體沉淀10～15分鐘，這段時間里雜質會進入熔劑形成渣沉降到坩堝底部，而油覆蓋鎂廢料的碳質材料會在鎂熔體表面形成殘渣或浮渣，必須將其撇掉，放到渣盤里，再把新的熔劑粉敷到鎂熔劑表面。

如果熔劑留在鎂水里或者沒有沉降在鎂水之外，將會造成鑄件的嚴重腐蝕，所以采用適宜的精煉溫度并在攪拌后沉淀10～15分鐘是絕對必要的。沉淀時熔體溫度允許下降到1 125OF（677℃），特別是鎂水運輸造成熱損失之后，更接近鑄造坩堝的溫度，這時鎂水可以用于運輸和鑄造。

用熔劑回收鎂可以利用不同的爐子。Galovsky報道，單一的爐子適合小公司自身鎂廢料的回收，對于更先進的回收方案，應該采用額外的鑄造爐或一臺多室爐。熔化和凈化主要在第一臺爐子或第一室里進行，第二臺爐子用于鑄造。第二臺爐子對熔體質量非常重要，鎂合金熔體的溫度變化通常會造成因可溶性變化引起的金屬間顆粒的析出。另外，在這一過程中也會失去錳，難以控制鐵的污染。wallevik等人建造了一臺多室爐用于熔化鎂錠和鎂廢料。爐子的室與室之間用擋板分開，但鎂熔體可以從一室不斷的流向另一室。關于多室爐的一個重要問題是熔化系統，過熱熔劑流的固態鎂金屬在熔體水平之上是熔融狀態，在熔化過程中氧化物已經被捕捉到熔劑里，不必再額外攪動鎂水和溶劑鹽。熔化之后，鎂水通過后面的幾個室進行額外的凈化工序，如氣體吹入或過濾等，然后直接從回收爐里鑄造鎂錠。交流電的電阻加熱與感應加熱相比具有更高的效率。

采用熔劑回收鎂廢料的工藝缺點是腐蝕性氣體（Cl2和HCl）的潛在釋放和回收鎂材料中夾帶的熔劑。用過的熔劑鹽應該回填土地，鎂和水反應生成的氫氣也是重要的問題之一。采用有熔劑的鎂廢料回收工藝通常不能用于含Ca、Sr和稀土元素的鎂合金，這些元素比鎂具有更高的親和力，MgCl2在回收過程里會分解，Sr和Ca分解得較少，稀土元素則從熔體中被去除。可能采用鈣基或鍶基熔劑鹽，但這些熔劑鹽價格昂貴且具有不合適的物理性能。

無熔劑回收

如前所述，無熔劑回收工藝用于氧化物含量低的鎂廢料，如一級鎂廢料，因此它永遠無法替代有熔劑回收工藝。鎂和鎂合金的無熔劑回收工藝廣泛用于壓鑄廠自身產生的鎂廢料回收。Meridian Magnesiam公司和Norsk Hydro公司合作完成了對一家公司無熔劑回收工藝的調研。他們對熔體氧化物和氯化物含量進行了試驗，分別對鑄造的試驗部件和商業部件的機械性能和抗腐蝕性能進行評估，對化學成分定期加以監控，結果表明回收鎂材料具有和原鎂一樣的質量。

在無熔劑回收工藝里，鎂廢料應至少預熱到350℃，來蒸發游離水并確保Mg（OH）2的分解，熔體保護采用覆蓋混合氣體。無熔劑精煉工藝步驟包括沉降和漂浮、熔體過濾和氣體清洗。

與有熔劑的回收工藝相比，無熔劑回收工藝比更偏愛采用兩臺爐子，一臺爐子用于熔化和凈化，另一臺爐子用于鑄造。鎂灰的形成主要發生在熔爐，定期從熔體表面和熔化坩堝底部去除氧化物和金屬間顆粒，才不會把鎂灰轉移到靜置爐，而熔體應在鎂熔體表面和坩堝底部之間的中間高度取得。Norsk Hydro公司和Husqvarna壓鑄廠對無熔劑鎂廢料回收工藝作了詳細報告。如果使用最佳的回收工藝，即使采用100%的鎂廢料回收的鎂金屬，也能生產出優質的鑄件。

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