Prelucrare de magneziu

Prelucrarea magneziului, prepararea minereului de magneziu pentru utilizare în diferite produse.

Magneziul (Mg) este un metal alb argintiu, care are aspect similar cu aluminiul, dar cântărește cu o treime mai puțin. Cu o densitate de numai 1,738 grame pe centimetru cub, este cel mai ușor metal structural cunoscut. Are o structură cristalină cu hxp (hcp) închisă, astfel încât, la fel ca majoritatea metalelor din această structură, lipsește ductilitatea atunci când este lucrată la temperaturi mai scăzute. În plus, în forma sa pură, îi lipsește rezistența suficientă pentru majoritatea aplicațiilor structurale. Cu toate acestea, adăugarea elementelor de aliere își îmbunătățește proprietățile într-o asemenea măsură încât atât aliajele de magneziu turnate, cât și cele forjate sunt utilizate pe scară largă, în special acolo unde sunt importante greutatea ușoară și rezistența ridicată.

Magneziul este puternic reactiv cu oxigenul la temperaturi ridicate; peste 645 ° C (1.190 ° F) în aer uscat, arde cu o lumină albă strălucitoare și căldură intensă. Din acest motiv, pulberile de magneziu sunt utilizate în pirotehnie. La temperatura camerei, pe suprafața metalului se formează un film stabil de hidroxid de magneziu insolubil în apă, protejându-l de coroziunea în majoritatea atmosferelor. Fiind un reactant puternic care formează compuși stabili cu clor, oxigen și sulf, magneziul are mai multe aplicații metalurgice, cum ar fi în producția de titan din tetraclorură de titan și în desulfurarea fierului de furnal. Reactivitatea sa chimică este evidentă și în compușii de magneziu care au o largă aplicare în industrie, medicină și agricultură.

Istorie

Magneziul își derivă numele de magnezit, un mineral de carbonat de magneziu și, la rândul său, se spune că acest mineral își datorează numele depozitelor de magnezit găsite în Magnesia, un district din regiunea greacă antică din Tesalia. Se spune că chimistul britanic Humphry Davy a produs un amalgam de magneziu în 1808 prin electrolizarea sulfatului de magneziu umed, folosind mercur ca catod. Primul magneziu metalic, însă, a fost produs în 1828 de savantul francez A.-A.-B. Ocupat. Activitatea sa a implicat reducerea clorurii de magneziu topit cu potasiu metalic. În 1833, omul de știință englez Michael Faraday a fost primul care a produs magneziu prin electroliza clorurii de magneziu topit. Experimentele sale au fost repetate de chimistul german Robert Bunsen.

Prima producție industrială de succes a fost începută în Germania în 1886 de Aluminum und Magnesiumfabrik Hemelingen, pe baza electrolizei carnalitei topite. Ulterior, Hemelingen a devenit parte a complexului industrial IG Farbenindustrie IG, care, în anii 1920 și '30, a dezvoltat un proces pentru producerea unor cantități mari de clorură de magneziu topită și esențial fără apă (acum cunoscut sub numele de procedeul IG Farben), precum și tehnologia. pentru electrolizarea acestui produs în metal de magneziu și clor. Alte contribuții ale IG Farben au fost dezvoltarea a numeroase aliaje turnate și maleabile, fluxuri de rafinare și protecție, produse de magneziu forjat și un număr mare de aplicații pentru aeronave și automobile. În timpul celui de-al doilea război mondial, compania chimică Dow din Statele Unite și Magnesium Elektron Limited din Regatul Unit au început reducerea electrolitică a magneziului din apa de mare pompată din Golful Galveston, Texas și din Marea Nordului la Hartlepool, Anglia. În același timp, în Ontario, Canada, a fost introdus procesul LM Pidgeon de reducere termică a oxidului de magneziu cu siliciu în replicile cu foc extern.

În urma războiului, cererile militare au pierdut proeminență. Dow Chemical a extins piețele civile prin dezvoltarea de produse forjate, tehnologie de gravare foto și sisteme de tratare a suprafeței. Extracția a rămas pe baza electrolizei și a reducerii termice. La aceste procese s-au efectuat rafinări precum încălzirea internă a replicilor (procedeul Magnetherm, introdus în Franța în 1961), extragerea din prile de clorură de magneziu deshidratate (introduse de compania norvegiană Norsk Hydro în 1974) și îmbunătățiri ale tehnologiei celulelor electrolitice din aproximativ 1970.

Începând cu 2019, China a produs aproximativ 85 la sută din magneziul lumii, iar Rusia, Kazahstan, Israel și Brazilia au produs o mare parte din rest.

Minereuri și materii prime

Al optulea cel mai abundent element din natură, magneziul constituie 2,4 la sută din scoarța terestră. Datorită reactivității sale puternice, nu apare în starea natală, ci se găsește mai degrabă într-o mare varietate de compuși în apa de mare, saramuri și roci.

Dintre mineralele minerale, cele mai frecvente sunt dolomitele carbonatate (un compus din magneziu și carbonați de calciu, MgCO ₃ · CaCO ₃) și magnezit (carbonat de magneziu, MgCO ₃). Mai puțin frecvente este brucit hidroxid mineral, Mg (OH) ₂, iar carnalitului mineral halogenură (un compus de cloruri de magneziu și potasiu și apă, MgCI ₂ · KCl · 6H ₂ O).

Clorura de magneziu este recuperabilă din saramuri naturale, cum ar fi Marele Salt Lac (care conține de obicei 1,1 la sută în greutate magneziu) și Marea Moartă (3,4 la sută), dar de departe cea mai mare sursă sunt oceanele lumii. Deși apa de mare este doar aproximativ 0,13 la sută magneziu, reprezintă o sursă aproape inepuizabilă.

Minerit și concentrare

Atât dolomitul cât și magnezitul sunt minate și concentrate prin metode convenționale. Carnalitul este săpat sub formă de minereu sau separat de alți compuși de sare care sunt aduși la suprafață prin extragerea soluțiilor. Saramuri care conțin magneziu care se află în mod natural sunt concentrate în iazuri mari prin evaporare solară.

Extracție și rafinare

Un reactiv chimic puternic, magneziul formează compuși stabili și reacționează cu oxigenul și clorul atât în ​​stările lichide, cât și în cele gazoase. Aceasta înseamnă că extragerea metalului din materiile prime este un proces care consumă energie care necesită tehnologii bine ajustate. Producția comercială urmează două metode complet diferite: electroliza clorurii de magneziu sau reducerea termică a oxidului de magneziu prin procedeul Pidgeon. Electroliza a reprezentat o dată aproximativ 75 la sută din producția mondială de magneziu. Totuși, la începutul secolului XXI, când China a apărut ca principal producător mondial de magneziu, costul scăzut al forței de muncă și energie a permis procesului Pidgeon să fie viabil din punct de vedere economic, în ciuda faptului că este mai puțin eficient decât electroliza.

Electroliză

Procesele electrolitice constau în două etape: prepararea unei materii prime care conține clorură de magneziu și disocierea acestui compus în metal de magneziu și gaz de clor în celulele electrolitice.

În procesele industriale, furajele celulare constau din diferite săruri topite care conțin clorură de magneziu anhidră (în esență fără apă), clorură de magneziu parțial deshidratată sau carnalită anhidră. Pentru a evita impuritățile prezente în minereurile de carnalită, este produsă o carnalită artificială deshidratată prin cristalizarea controlată din soluții încălzite cu conținut de magneziu și potasiu. Clorura de magneziu parțial deshidratată poate fi obținută prin procedeul Dow, în care apa de mare este amestecată într-un floculator cu dolomit reactiv ușor ars. Un hidroxid de magneziu insolubil precipită la fundul unui rezervor de decantare, de unde este pompat sub formă de suspensie, filtrat, transformat în clorură de magneziu prin reacție cu acid clorhidric și uscat într-o serie de etape de evaporare până la un conținut de apă de 25%. Deshidratarea finală are loc în timpul topirii.

Clorura de magneziu anhidră este produsă prin două metode principale: deshidratarea clorurilor de magneziu sau clorurarea oxidului de magneziu. În această din urmă metodă, exemplificată prin procedeul IG Farben, dolomitul ars ușor este amestecat cu apa de mare într-un floculator, unde este precipitat hidroxidul de magneziu, filtrat și calcinat la oxid de magneziu. Acesta este amestecat cu cărbune, format în globule cu adaos de soluție de clorură de magneziu și uscat. Globulele sunt încărcate într-un clorură, un cuptor de arbore căptușit cu cărămidă, unde sunt încălzite de electrozii de carbon până la aproximativ 1.000-11.200 ° C (1.800–2.200 ° F). Gazul de clor introdus prin orificiile din cuptor reacționează cu oxidul de magneziu pentru a produce clorură de magneziu topită, care este tapetată la intervale și trimisă celulelor electrolitice.

Deshidratarea saramurilor de magneziu se realizează în etape. În procesul Norsk Hydro, impuritățile sunt mai întâi îndepărtate prin precipitare și filtrare. Saramura purificată, care conține aproximativ 8,5 la sută magneziu, este concentrată prin evaporare la 14% și transformată în particule într-un turn de prilling. Acest produs este uscat în continuare în particule fără apă și transportat la celulele electrolitice.

Celulele electrolitice sunt în esență vase cu căptușeală din cărămidă, echipate cu mai mulți catodi din oțel și anodi grafitici. Acestea sunt montate vertical prin capota celulei și parțial scufundate într-un electrolit de sare topită compus din cloruri alcaline la care se adaugă clorura de magneziu produsă în procedeele descrise mai sus, în concentrații de 6 până la 18%. Reacția de bază este:

Temperaturile de funcționare variază de la 680 la 750 ° C (1.260 la 1.380 ° F). Consumul de energie este de 12 până la 18 kilowati-oră pe kilogramul de magneziu produs. Clorul și alte gaze sunt generate la anodii de grafit și metalul de magneziu topit plutește în vârful băii de sare, unde este colectat. Clorul poate fi reutilizat în procesul de deshidratare.

Reducere termică

În producția termică, dolomitul este calcinat la oxid de magneziu (MgO) și var (CaO), iar acestea sunt reduse cu siliciu (Si), obținând gaz de magneziu și o zgură de silicat dicalcic. Reacția de bază, este endotermică - adică trebuie aplicată căldură pentru inițierea și susținerea acesteia. Dacă magneziul atinge o presiune de vapori de 100 kilopascali (1 atmosferă) la 1.800 ° C (3.270 ° F), cerințele de căldură pot fi destul de mari. Pentru a scădea temperaturile de reacție, procesele industriale funcționează sub vid. Există trei metode principale, care diferă prin mijloacele lor de furnizare a căldurii. În procesul Pidgeon, dolomitul măcinat și calcinat este amestecat cu ferrosilicon măcinat fin, brichetat și încărcat în replici cilindrice de nichel-crom. O serie de replici sunt instalate orizontal într-un cuptor cu combustibil pe bază de ulei sau gaz, cu capacele lor și sistemele de condensatoare atașate care se extind în afara cuptorului. După un ciclu de reacție la o temperatură de 1.200 ° C (2.200 ° F) și sub o presiune redusă de 13 pascali, cristalele de magneziu (numite coroane) sunt îndepărtate din condensatoare, zgura este evacuată sub forma unui solid și replică este reîncărcată. În procesul Bolzano, brichetele dolomit-ferrosilicon sunt stivuite pe un sistem special de susținere a încărcăturii prin care se realizează încălzirea electrică internă la încărcare. O reacție completă durează 20 până la 24 de ore la 1.200 ° C sub 400 pascali.

Zgura de silicat dicalcic produs prin procesele de mai sus are un punct de topire de aproximativ 2.000 ° C (3.600 ° F) și este, prin urmare, prezentă ca un solid, dar, prin adăugarea de alumină (oxid de aluminiu, Al ₂ O ₃), punctul de topire poate fi redus la 1.550–1.600 ° C (2.825–2.900 ° F). Această tehnică, utilizată în procesul Magnetherm, are avantajul că zgura lichidă poate fi încălzită direct prin curent electric printr-un electrod de cupru răcit cu apă. Reacția de reducere are loc la 1.600 ° C și presiune 400-670 pascali. Magneziul vaporizat este condensat într-un sistem separat atașat la reactor și zgură topită și ferrosilicon sunt aplicate la intervale.