Przetwarzanie magnezu, przygotowanie rudy magnezu do stosowania w różnych produktach.
Magnez (Mg) to srebrzysty biały metal, który z wyglądu przypomina aluminium, ale waży o jedną trzecią mniej. Gęstość zaledwie 1,738 gramów na centymetr sześcienny jest najlżejszym znanym metalem konstrukcyjnym. Ma heksagonalną, ściśle upakowaną krystaliczną strukturę (hcp), dzięki czemu, podobnie jak większość metali tej struktury, nie ma ciągliwości podczas pracy w niższych temperaturach. Ponadto w czystej postaci nie ma wystarczającej wytrzymałości do większości zastosowań konstrukcyjnych. Jednak dodanie pierwiastków stopowych poprawia jego właściwości do tego stopnia, że zarówno odlewane, jak i kute stopy magnezu są szeroko stosowane, szczególnie tam, gdzie ważna jest lekkość i wysoka wytrzymałość.
Magnez jest silnie reaktywny z tlenem w wysokich temperaturach; powyżej 645 ° C (1.190 ° F) w suchym powietrzu pali się jasnym białym światłem i intensywnym ciepłem. Z tego powodu proszki magnezu są używane w pirotechnice. W temperaturze pokojowej na powierzchni metalu tworzy się trwała warstwa nierozpuszczalnego w wodzie wodorotlenku magnezu, chroniąc go przed korozją w większości atmosfer. Będąc silnym reagentem, który tworzy stabilne związki z chlorem, tlenem i siarką, magnez ma kilka zastosowań metalurgicznych, takich jak produkcja tytanu z tetrachlorku tytanu i odsiarczanie żelaza wielkopiecowego. Jego reaktywność chemiczna jest również widoczna w związkach magnezu, które mają szerokie zastosowanie w przemyśle, medycynie i rolnictwie.
Historia
Magnez wywodzi swoją nazwę od magnezytu, minerału węglanu magnezu, a ten minerał z kolei zawdzięcza swoją nazwę złożom magnezytu znajdującym się w Magnezji, okręgu w starożytnym greckim regionie Tesalii. Mówi się, że brytyjski chemik Humphry Davy wyprodukował amalgamat magnezu w 1808 r. Przez elektrolizę wilgotnego siarczanu magnezu, stosując rtęć jako katodę. Pierwszy metaliczny magnez został jednak wyprodukowany w 1828 r. Przez francuskiego naukowca A.-A.-B. Zajęty. Jego praca polegała na redukcji stopionego chlorku magnezu przez metaliczny potas. W 1833 roku angielski naukowiec Michael Faraday jako pierwszy wyprodukował magnez poprzez elektrolizę stopionego chlorku magnezu. Jego eksperymenty powtórzył niemiecki chemik Robert Bunsen.
Pierwsza udana produkcja przemysłowa została rozpoczęta w Niemczech w 1886 roku przez firmę Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen, w oparciu o elektrolizę stopionego karnalitu. Hemelingen stał się później częścią kompleksu przemysłowego IG Farbenindustrie, który w latach dwudziestych i trzydziestych opracował proces produkcji dużych ilości stopionego i zasadniczo bezwodnego chlorku magnezu (obecnie znany jako proces IG Farben), a także technologię do elektrolizy tego produktu do magnezu i chloru. Innym wkładem IG Farben było opracowanie licznych stopów lanych i ciągliwych, rafinacji i topników ochronnych, produktów z kutego magnezu oraz ogromnej liczby zastosowań w samolotach i samochodach. Podczas II wojny światowej Dow Chemical Company w Stanach Zjednoczonych i Magnesium Elektron Limited w Wielkiej Brytanii rozpoczęły elektrolityczną redukcję magnezu z wody morskiej pompowanej z zatoki Galveston w Teksasie i Morza Północnego w Hartlepool w Anglii. W tym samym czasie w Ontario w Kanadzie wprowadzono proces LM Pidgeona polegający na termicznej redukcji tlenku magnezu za pomocą krzemu w retortach opalanych zewnętrznie.
Po wojnie wnioski wojskowe straciły na znaczeniu. Dow Chemical rozszerzył rynki cywilne, opracowując produkty kute, technologię grawerowania i systemy obróbki powierzchni. Ekstrakcja pozostała na podstawie elektrolizy i redukcji termicznej. Do tych procesów wprowadzono takie udoskonalenia, jak wewnętrzne ogrzewanie retort (proces Magnetherm, wprowadzony we Francji w 1961 r.), Ekstrakcję z osadów odwodnionego chlorku magnezu (wprowadzoną przez norweską firmę Norsk Hydro w 1974 r.) Oraz ulepszenia technologii ogniw elektrolitycznych z około 1970 roku.
W 2019 r. Chiny produkowały około 85 procent światowego magnezu, a Rosja, Kazachstan, Izrael i Brazylia produkowały znaczną część pozostałej części.
Rudy i surowce
Ósmy najliczniejszy pierwiastek w przyrodzie, magnez stanowi 2,4 procent skorupy ziemskiej. Ze względu na swoją silną reaktywność nie występuje w stanie macierzystym, ale raczej występuje w wielu różnych związkach w wodzie morskiej, solankach i skałach.
Wśród rud minerałów najczęstszymi są dolomit węglanowy (związek węglanów magnezu i wapnia, MgCO 3 · CaCO 3) i magnezyt (węglan magnezu, MgCO 3). Mniej rozpowszechniony jest wodorotlenek brucytu mineralny, Mg (OH) 2, oraz karnalit halogenek mineralnej (związek magnezu i chlorków potasu i wodą, MgCI 2 · KCI x 6 2 o).
Chlorek magnezu można odzyskać z naturalnie występujących solanek, takich jak Great Salt Lake (zwykle zawierające 1,1 procent wagowych magnezu) i Morze Martwe (3,4 procent), ale zdecydowanie największym źródłem są oceany świata. Chociaż woda morska zawiera tylko około 0,13 procent magnezu, stanowi prawie niewyczerpane źródło.
Wydobycie i koncentracja
Zarówno dolomit, jak i magnezyt są wydobywane i zagęszczane konwencjonalnymi metodami. Karnalit jest wykopywany jako ruda lub oddzielany od innych związków soli, które są wydobywane na powierzchnię przez wydobycie w roztworze. Naturalnie występujące solanki zawierające magnez są skoncentrowane w dużych stawach przez odparowanie słoneczne.
Wydobycie i rafinacja
Silny odczynnik chemiczny magnez tworzy stabilne związki i reaguje z tlenem i chlorem zarówno w stanie ciekłym, jak i gazowym. Oznacza to, że wydobycie metalu z surowców jest energochłonnym procesem wymagającym dobrze dostrojonych technologii. Produkcja komercyjna przebiega według dwóch całkowicie różnych metod: elektrolizy chlorku magnezu lub termicznej redukcji tlenku magnezu w procesie Pidgeona. Elektroliza stanowiła kiedyś około 75 procent światowej produkcji magnezu. Jednak na początku XXI wieku, kiedy Chiny stały się wiodącym światowym producentem magnezu, niski koszt siły roboczej i energii pozwolił na opłacalność ekonomiczną procesu Pidgeona, mimo że był mniej wydajny niż elektroliza.
Elektroliza
Procesy elektrolityczne składają się z dwóch etapów: przygotowania surowca zawierającego chlorek magnezu i dysocjacji tego związku na metal magnezowy i gazowy chlor w ogniwach elektrolitycznych.
W procesach przemysłowych pasze komórkowe składają się z różnych stopionych soli zawierających bezwodny (zasadniczo bezwodny) chlorek magnezu, częściowo odwodniony chlorek magnezu lub bezwodny karnalit. Aby uniknąć zanieczyszczeń obecnych w rudach karnalitowych, odwodniony sztuczny karnityna jest wytwarzany przez kontrolowaną krystalizację z ogrzewanych roztworów zawierających magnez i potas. Częściowo odwodniony chlorek magnezu można otrzymać w procesie Dow, w którym wodę morską miesza się we flokulatorze z lekko spalonym reaktywnym dolomitem. Nierozpuszczalny wodorotlenek magnezu wytrąca się na dnie osadnika, skąd pompuje się go jako zawiesinę, filtruje, przekształca w chlorek magnezu w reakcji z kwasem chlorowodorowym i suszy w szeregu etapów odparowywania do zawartości 25 procent wody. Ostateczne odwodnienie ma miejsce podczas wytapiania.
Bezwodny chlorek magnezu wytwarza się dwiema głównymi metodami: odwodnienie solanek chlorku magnezu lub chlorowanie tlenku magnezu. W tym ostatnim sposobie, którego przykładem jest proces IG Farben, lekko spalony dolomit miesza się z wodą morską we flokulatorze, w którym wodorotlenek magnezu wytrąca się, filtruje i kalcynuje do tlenku magnezu. Miesza się go z węglem drzewnym, formuje w kulki z dodatkiem roztworu chlorku magnezu i suszy. Globulki są ładowane do chlorowanego pieca, wyłożonego cegłą szybowego pieca szybowego, gdzie są ogrzewane elektrodami węglowymi do około 1000–1 200 ° C (1 800–2 200 ° F). Chlor wprowadzany przez iluminatory w piecu reaguje z tlenkiem magnezu z wytworzeniem stopionego chlorku magnezu, który jest okresowo stukany i przesyłany do ogniw elektrolitycznych.
Odwodnienie solanek magnezowych prowadzi się etapami. W procesie Norsk Hydro zanieczyszczenia są najpierw usuwane przez wytrącanie i filtrowanie. Oczyszczoną solankę, która zawiera około 8,5 procent magnezu, zatęża się przez odparowanie do 14 procent i przekształca w cząstki stałe w wieży do zbrylania. Produkt ten jest następnie suszony do cząstek wolnych od wody i przenoszony do ogniw elektrolitycznych.
Ogniwa elektrolityczne są zasadniczo ceglanymi naczyniami wyposażonymi w wiele stalowych katod i anod grafitowych. Są one montowane pionowo przez pokrywę komory i częściowo zanurzone w elektrolicie stopionej soli złożonym z chlorków alkalicznych, do których dodaje się chlorek magnezu wytwarzany w procesach opisanych powyżej w stężeniach od 6 do 18 procent. Podstawowa reakcja to:
Temperatury robocze wahają się od 680 do 750 ° C (1260 do 1380 ° F). Zużycie energii wynosi od 12 do 18 kilowatogodzin na kilogram wyprodukowanego magnezu. Chlor i inne gazy wytwarzane są na anodach grafitowych, a stopiony metaliczny magnez unosi się na szczycie kąpieli solnej, gdzie jest gromadzony. Chlor może być ponownie użyty w procesie odwodnienia.
Redukcja termiczna
Podczas produkcji termicznej dolomit jest kalcynowany do tlenku magnezu (MgO) i wapna (CaO), które są redukowane przez krzem (Si), w wyniku czego powstaje gaz magnezowy i żużel krzemianu diwapniowego. Podstawowa reakcja, jest endotermiczny - to znaczy, że ciepło musi być zastosowane, aby go zainicjować i utrzymać. Przy magnezie osiągającym prężność pary 100 kilopaskali (1 atmosfera) w 1800 ° C (3270 ° F) zapotrzebowanie na ciepło może być dość wysokie. W celu obniżenia temperatur reakcji procesy przemysłowe działają w próżni. Istnieją trzy podstawowe metody, różniące się sposobem dostarczania ciepła. W procesie Pidgeona zmielony i kalcynowany dolomit jest mieszany z drobno zmielonym żelazokrzemem, brykietowany i ładowany do cylindrycznych retort stalowych niklowo-chromowych. Pewna liczba retort jest zainstalowana poziomo w piecu opalanym olejem lub gazem, a ich pokrywy i podłączone układy skraplacza wychodzą z pieca. Po cyklu reakcji w temperaturze 1200 ° C (2200 ° F) i pod zmniejszonym ciśnieniem 13 paskali kryształy magnezu (zwane koronami) są usuwane ze skraplaczy, żużel jest usuwany jako ciało stałe, a retorta jest ładowana ponownie. W procesie Bolzano brykiety dolomitowo-żelazokrzemowe są układane na specjalnym systemie podtrzymującym ładunek, przez który wewnętrzne ładowanie elektryczne jest doprowadzane do ładunku. Pełna reakcja trwa od 20 do 24 godzin w 1200 ° C poniżej 400 paskali.
Żużel krzemianu diwapniowego wytwarzany powyższymi procesami ma temperaturę topnienia około 2000 ° C (3600 ° F) i dlatego jest obecny jako ciało stałe, ale po dodaniu do wsadu tlenku glinu (tlenku glinu, Al 2 O 3) temperaturę topnienia można obniżyć do 1550–1 600 ° C (2825–2 900 ° F). Ta technika, stosowana w procesie Magnetherm, ma tę zaletę, że ciekły żużel może być ogrzewany bezpośrednio prądem elektrycznym przez chłodzoną wodą elektrodę miedzianą. Reakcja redukcji zachodzi w 1600 ° C i przy ciśnieniu 400–670 paskali. Odparowany magnez kondensuje się w oddzielnym układzie przyłączonym do reaktora, a stopiony żużel i żelazokrzem są okresowo spuszczane.
