3.1.7 Керамика MgO

TL;DR

  • Назначение: Производство огнеупорной керамики из магния
  • Вход: ~44 т/день жидкого Mg из дистилляции + ~29 т/день O₂ из MRE
  • Выход: ~66 т/день MgO-керамики (88% выход)
  • Применение: Тигли, футеровка печей, теплоизоляция
  • Примечание: Остальные ~4 т/день Mg → Al-Mg сплавы (см. Дистилляция)

Обзор

Керамика на основе оксида магния (MgO) — критически важный огнеупорный материал для всех высокотемпературных процессов завода. С температурой плавления 2852°C, MgO выдерживает экстремальные условия MRE-электролиза, дистилляции и литья металлов.

Параметр Значение
Вход Mg ~44 т/день из дистилляции (остальные ~4 т → Al-Mg сплавы)
Вход O₂ ~29 т/день из MRE-электролиза
Выход MgO керамические блоки/порошок (~66 т/день)
Выход реакции 88% (потери на пыль, брак, трещины)
Энергопотребление ~150 кВт (окисление + спекание)

← Назад к обзору

Схема процесса

flowchart TD
    subgraph INPUT["ВХОД"]
        MG["Жидкий Mg<br/>1091°C<br/>~44 т/день"]
        O2["O₂ из MRE<br/>32 т/день"]
    end

    subgraph OXIDATION["ОКИСЛЕНИЕ"]
        OX_FURNACE["Окислительная печь<br/>600-1000°C"]
        REACTION["2Mg + O₂ → 2MgO"]
        MGO_POWDER["MgO порошок<br/>10-100 мкм"]
    end

    subgraph FORMING["ФОРМОВКА"]
        GRANULATE["Грануляция"]
        PRESS["Прессование<br/>50-200 МПа"]
        GREEN["Сырые заготовки"]
    end

    subgraph SINTERING["СПЕКАНИЕ"]
        SOLAR["Солнечная печь<br/>1500-1800°C<br/>2-6 часов"]
        CERAMIC["MgO керамика<br/>~70 т/день"]
    end

    MG --> OX_FURNACE
    O2 --> OX_FURNACE
    OX_FURNACE --> REACTION
    REACTION --> MGO_POWDER
    MGO_POWDER --> GRANULATE
    GRANULATE --> PRESS
    PRESS --> GREEN
    GREEN --> SOLAR
    SOLAR --> CERAMIC

    style INPUT fill:#fff3cd
    style OXIDATION fill:#ffe4cc
    style FORMING fill:#d4edda
    style SINTERING fill:#cce5ff

Этап 1: Окисление магния

Реакция: 2Mg + O₂ → 2MgO + тепло (∆H = -1203 кДж/моль)

Жидкий магний из дистилляции (1091°C) подаётся в окислительную печь, где контактирует с кислородом из MRE-электролиза.

Параметр Значение
Температура реакции 600-1000°C
Входящий Mg ~44 т/день = 1,811 кмоль/день
Требуемый O₂ ~29 т/день = 906 кмоль/день
Выходящий MgO (теоретически) ~73 т/день
Характер реакции Экзотермическая (выделяет тепло)

Оборудование

Компонент Материал Назначение
Корпус печи Fe (сталь) Конструкция, охлаждение
Футеровка Al₂O₃ керамика Защита от высоких температур
Инжекторы O₂ SiC керамика Подача кислорода в зону реакции
Теплообменник Al сплав Утилизация тепла реакции

Источник кислорода: MRE-электролиз производит ~250 т O₂/день при разложении оксидов реголита (SiO₂, FeO, Al₂O₃). Для MgO требуется ~32 т/день — избыток используется для атмосферы куполов и других нужд.

Этап 2: Грануляция и формовка

После окисления получается порошок MgO, который необходимо превратить в прочные керамические изделия.

Грануляция

Параметр Значение
Метод Распыление расплава в вакууме
Размер частиц 10-100 мкм
Цель Получение однородного порошка для прессования

Формовка (прессование)

Параметр Значение
Давление 50-200 МПа
Метод Изостатическое прессование (равномерное)
Продукт “Сырые” заготовки (green bodies)
Оборудование Гидравлический пресс (рама: Fe, матрицы: SiC)

Этап 3: Спекание в солнечной печи

Спекание — это термическая обработка, при которой порошковая заготовка превращается в плотную керамику без плавления.

Параметр Значение
Температура 1500-1800°C
Время 2-6 часов
Атмосфера Вакуум (естественная среда Меркурия)
Источник тепла Солнечная печь (концентрация зеркалами)

Солнечная печь спекания

Компонент Материал Функция
Зеркала концентраторы Al Фокусировка солнечного света
Тигель MgO (собственное производство) Удержание заготовок
Теплоизоляция MgO войлок Снижение теплопотерь
Вакуумная камера Fe корпус + Al₂O₃ изоляция Среда спекания

Результат спекания: - Плотность увеличивается с 50-60% до 90-95% от теоретической - Прочность на сжатие: 100-200 МПа - Стойкость к термоударам: отличная (∆T > 500°C)

Материальный баланс

Реакция: 2Mg + O₂ → 2MgO

Стехиометрический расчёт:

Компонент Вход/Выход Количество Молярная масса кмоль/день
Mg (вход) → ~44 т/день 24.3 кг/кмоль 1,811
O₂ (вход) → ~29 т/день 32 кг/кмоль 906
MgO (теоретический) ← ~73 т/день 40.3 кг/кмоль 1,811
MgO (реальный) ← ~66 т/день 88% выход 1,594

Потери (12%)

Источник потерь Доля Примечание
Унос пыли при грануляции ~5% Собирается фильтрами, возвращается в процесс
Брак при формовке ~3% Переформовка или переплавка
Трещины при спекании ~4% Термоудар, неоднородность

Применения MgO-керамики

Продукт Потребление (т/день) Критичность Описание
Тигли MRE ~20 Критическая Основная ёмкость для расплава в MRE-печи (Tпл 2852°C >> Траб 1500-2000°C)
Конденсаторы дистилляции ~10 Критическая Керамические поверхности для конденсации металлов (K, Na, Mg, Al)
Теплоизоляция печей ~25 Высокая MgO войлок/блоки для изоляции солнечных печей, MRE, дистилляции
МГД-каналы ~5 Высокая Футеровка каналов для транспорта расплавленных металлов (Al, Fe)
Футеровка промковша ~5 Высокая Огнеупорная защита промковша (тандиша) для литья
Запас/буфер ~5 — Резерв на случай сбоев или увеличения производства
ИТОГО ~70

Энергопотребление

Этап Мощность Назначение
Окислительная печь 50 кВт Поддержание температуры 600-1000°C
Грануляция 10 кВт Распыление и охлаждение
Пресс формовочный 20 кВт Гидравлическая система
Солнечная печь (электрика) 30 кВт Наведение зеркал, вакуумные насосы
Тепловая энергия (солнце) ~40 кВт термических Спекание при 1500-1800°C
Транспортировка 10 кВт Конвейеры, погрузчики
ИТОГО (электрика) ~120 кВт
ИТОГО (с учётом солнца) ~160 кВт эквивалент

Примечание: Солнечная печь использует концентрированный солнечный свет для спекания, что снижает электропотребление. Электрика нужна только для наведения зеркал и вакуумирования.

Свойства MgO-керамики

Свойство Значение Сравнение с другими материалами
Температура плавления 2852°C Выше Al₂O₃ (2072°C), ниже ThO₂ (3350°C, но токсичен)
Плотность 3.58 г/см³ Легче Al₂O₃ (3.95 г/см³)
Теплопроводность 40-60 Вт/(м·К) Высокая → хороший отвод тепла от зоны расплава; в войлочной форме — теплоизоляция
Коэффициент термического расширения 13.5 × 10⁻⁶ /K Средний → стойкость к термоударам
Химическая стойкость Отличная к основным шлакам Реагирует с кислыми шлаками (SiO₂)
Электроизоляция 10¹⁴ Ом·м Отличный изолятор

Контроль качества

Параметр Метод контроля Критерий
Размер частиц порошка Лазерная дифракция 10-100 мкм (±10%)
Плотность заготовки Взвешивание + объём ≥ 90% теоретической
Отсутствие трещин Визуальный осмотр + УЗИ Без видимых дефектов
Термостойкость Тест термоудара (∆T 500°C) Без разрушения
Химический состав Рентгеновская дифракция (XRD) > 98% MgO

Автоматизация: Система управления печью, прессом и спеканием работает автоматически. Оператор требуется только для обслуживания и контроля качества.

Особенности производства на Меркурии

Преимущества

  1. Природный вакуум — нет окисления примесей, не требуется защитная атмосфера
  2. Избыток кислорода — MRE производит ~250 т O₂/день, используем ~29 т на MgO
  3. Бесплатное тепло — солнечная печь работает на концентрированном свете (1 млн Вт/м² у поверхности)
  4. Магний в реголите — 8% содержание, дистилляция даёт 48 т/день чистого Mg (из них ~44 т → MgO, ~4 т → Al-Mg сплавы)

Вызовы

  1. Пыль в вакууме — при грануляции MgO пыль не оседает, требуются электростатические фильтры
  2. Термоудар — резкие перепады температуры (день/ночь: +430°C/-180°C) требуют медленного охлаждения керамики
  3. Хрупкость заготовок — “сырые” заготовки после прессования очень хрупкие → требуется аккуратная транспортировка

Источники

  • RHI Magnesita — крупнейший производитель огнеупоров, включая MgO (доменные печи, сталеплавильные конвертеры)
  • Magnesia Mineracao — добыча и производство MgO из магнезита и морской воды
  • NASA Technical Reports — производство керамики в вакууме и невесомости
  • NIST Chemistry WebBook — термодинамические данные реакции Mg + O₂

См. также