Magnesiumforarbejdning, klargøring af magnesiummalm til anvendelse i forskellige produkter.
Magnesium (Mg) er et sølvfarvet hvidt metal, der ligner udseende som aluminium, men vejer en tredjedel mindre. Med en densitet på kun 1.738 gram pr. Kubikcentimeter er det det letteste strukturelle metal, der er kendt. Den har en hexagonal tætpakket (hcp) krystallinsk struktur, så den, som de fleste metaller i denne struktur, mangler duktilitet, når den arbejdes ved lavere temperaturer. Derudover mangler det i sin rene form tilstrækkelig styrke til de fleste strukturelle anvendelser. Tilsætningen af legeringselementer forbedrer imidlertid dens egenskaber i en sådan grad, at både støbt og smedt magnesiumlegeringer er vidt brugt, især hvor let vægt og høj styrke er vigtigt.
Magnesium er stærkt reaktivt med ilt ved høje temperaturer; over 645 ° C (1.190 ° F) i tør luft, det brænder med et stærkt hvidt lys og intens varme. Af denne grund anvendes magnesiumpulvere i pyroteknikker. Ved stuetemperatur dannes en stabil film af vanduopløseligt magnesiumhydroxid på metaloverfladen og beskytter den mod korrosion i de fleste atmosfærer. Da det er en stærk reaktant, der danner stabile forbindelser med klor, ilt og svovl, har magnesium adskillige metallurgiske anvendelser, såsom i produktionen af titan fra titantetrachlorid og ved afsvovling af højovnsjern. Dens kemiske reaktivitet er også tydelig i magnesiumforbindelserne, der har bred anvendelse inden for industri, medicin og landbrug.
Historie
Magnesium henter sit navn fra magnesit, et magnesiumcarbonatmineral, og det siges, at dette mineral skylder sit navn til magnesitforekomster, der findes i Magnesia, et distrikt i den antikke græske region Thessalien. Det siges, at den britiske kemiker Humphry Davy har produceret et amalgam af magnesium i 1808 ved elektrolysering af fugtigt magnesiumsulfat ved anvendelse af kviksølv som katode. Det første metalliske magnesium blev imidlertid produceret i 1828 af den franske forsker A.-A.-B. Bussy. Hans arbejde involverede reduktion af smeltet magnesiumchlorid med metallisk kalium. I 1833 var den engelske videnskabsmand Michael Faraday den første, der producerede magnesium ved elektrolyse af smeltet magnesiumchlorid. Hans eksperimenter blev gentaget af den tyske kemiker Robert Bunsen.
Den første succesrige industrielle produktion blev startet i Tyskland i 1886 af Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen, baseret på elektrolyse af smeltet carnallite. Hemelingen blev senere en del af det industrielle kompleks IG Farbenindustrie, der i 1920'erne og 30'erne udviklede en proces til fremstilling af store mængder smeltet og i det væsentlige vandfrit magnesiumchlorid (nu kendt som IG Farben-processen) samt teknologien til elektrolysering af dette produkt til magnesiummetal og klor. Andre bidrag fra IG Farben var udviklingen af adskillige støbte og formbare legeringer, raffinering og beskyttende flukser, forarbejdede magnesiumprodukter og et stort antal fly- og bilapplikationer. Under 2. verdenskrig begyndte Dow Chemical Company i De Forenede Stater og Magnesium Elektron Limited i Det Forenede Kongerige den elektrolytiske reduktion af magnesium fra havvand pumpet fra Galveston Bay, Texas og Nordsøen ved Hartlepool, England. På samme tid i Ontario, Canada, blev LM Pidgeons proces med termisk reduktion af magnesiumoxid med silicium i eksternt fyrede retorter indført.
Efter krigen mistede militære applikationer prominensen. Dow Chemical udvidede civile markeder ved at udvikle smedeprodukter, fotoengravingsteknologi og overfladebehandlingssystemer. Ekstraktion forblev baseret på elektrolyse og termisk reduktion. Til disse processer blev der foretaget forfininger som intern opvarmning af retorter (Magnetherm-processen, der blev indført i Frankrig i 1961), ekstraktion fra dehydreret magnesiumchloridpriller (introduceret af det norske firma Norsk Hydro i 1974) og forbedringer i elektrolytisk celleteknologi fra omkring 1970.
Fra 2019 producerede Kina ca. 85 procent af verdens magnesium, og Rusland, Kazakhstan, Israel og Brasilien producerede meget af det resterende.
Malme og råvarer
Det ottende mest rigelige element i naturen, magnesium udgør 2,4 procent af jordskorpen. På grund af dens stærke reaktivitet forekommer den ikke i den oprindelige tilstand, men den findes snarere i en lang række forbindelser i havvand, saltvand og klipper.
Blandt malmmineraler er det mest almindelige carbonatdolomit (en forbindelse af magnesium- og calciumcarbonater, MgCO 3 · CaCO 3) og magnesit (magnesiumcarbonat, MgCO 3). Mindre almindelige er hydroxidet mineral brucit, Mg (OH) 2, og halogenidet mineral carnallit (en forbindelse med magnesium og kalium chlorider og vand, MgC 2 · KCI · 6H 2 O).
Magnesiumchlorid kan udvindes fra naturligt forekommende saltopløsninger såsom Great Salt Lake (typisk indeholder 1,1 vægtprocent magnesium) og Dødehavet (3,4 procent), men langt den største kilde er verdenshavene. Selvom havvand kun er ca. 0,13 procent magnesium, repræsenterer det en næsten uudtømmelig kilde.
Minedrift og koncentrering
Både dolomit og magnesit udvindes og koncentreres ved konventionelle metoder. Carnallite graves som malm eller adskilles fra andre saltforbindelser, der bringes til overfladen ved opløsning. Naturligt forekommende magnesiumholdige saltopløsninger koncentreres i store damme ved solafdampning.
Ekstraktion og raffinering
Et stærkt kemisk reagens, magnesium danner stabile forbindelser og reagerer med ilt og klor i både flydende og luftformige tilstande. Dette betyder, at udvinding af metallet fra råmaterialer er en energikrævende proces, der kræver godt afstemte teknologier. Kommerciel produktion følger to helt forskellige metoder: elektrolyse af magnesiumchlorid eller termisk reduktion af magnesiumoxid gennem Pidgeon-processen. Elektrolyse tegnede sig engang for cirka 75 procent af verdens magnesiumproduktion. I det tidlige 21. århundrede, da Kina fremkom som verdens førende magnesiumproducent, lod de lave omkostninger til arbejdskraft og energi der, Pidgeon-processen være økonomisk levedygtige på trods af at være mindre effektive end elektrolyse.
Elektrolyse
Elektrolytiske processer består af to trin: fremstilling af et råmateriale indeholdende magnesiumchlorid og dissociationen af denne forbindelse til magnesiummetal og klorgas i elektrolytiske celler.
I industrielle processer består cellefødere af forskellige smeltede salte indeholdende vandfrit (i det væsentligt vandfrit) magnesiumchlorid, delvis dehydreret magnesiumchlorid eller vandfri carnallit. For at undgå urenheder, der er til stede i carnallitmalm, produceres dehydreret kunstig carnallit ved kontrolleret krystallisation fra opvarmede magnesium- og kaliumholdige opløsninger. Delvist dehydreret magnesiumchlorid kan opnås ved Dow-processen, hvor havvand blandes i en flokkulator med let forbrændt reaktiv dolomit. Et uopløseligt magnesiumhydroxid udfældes til bunden af en bundfældningstank, hvorefter det pumpes som en opslæmning, filtreres, omdannes til magnesiumchlorid ved reaktion med saltsyre og tørres i en række fordampningstrin til 25 procent vandindhold. Endelig dehydrering finder sted under smeltning.
Vandfrit magnesiumchlorid fremstilles ved to hovedmetoder: dehydrering af magnesiumchlorid saltvand eller klorering af magnesiumoxid. I den sidstnævnte metode, eksemplificeret ved IG Farben-processen, blandes letforbrændt dolomit med havvand i en flokkulator, hvor magnesiumhydroxid udfældes, filtreres og calcineres til magnesiumoxid. Dette blandes med trækul, formes til kugler med tilsætning af magnesiumchloridopløsning og tørres. Kuglerne anbringes i en klorinator, en muret foret akselovn, hvor de opvarmes med carbonelektroder til ca. 1.000–1.200 ° C (1.800–2.200 ° F). Chlorgas, der indføres gennem porthuller i ovnen, reagerer med magnesiumoxid til dannelse af smeltet magnesiumchlorid, som tappes med intervaller og sendes til de elektrolytiske celler.
Dehydrering af magnesium saltvand foregår i trin. I Norsk Hydro-processen fjernes urenheder først ved nedbør og filtrering. Den rensede saltopløsning, der indeholder ca. 8,5 procent magnesium, koncentreres ved inddampning til 14 procent og omdannes til partikler i et prillingtårn. Dette produkt tørres yderligere til vandfrie partikler og transporteres til de elektrolytiske celler.
Elektrolytiske celler er i det væsentlige murede foret kar udstyret med flere stålkatoder og grafitanoder. Disse monteres lodret gennem cellehætten og delvis nedsænket i en smeltet saltelektrolyt sammensat af alkaliske chlorider, hvortil magnesiumchloridet, der er produceret ved de ovenfor beskrevne processer, tilsættes i koncentrationer på 6 til 18 procent. Den grundlæggende reaktion er:
Arbejdstemperaturer varierer fra 680 til 750 ° C (1.260 til 1.380 ° F). Elforbruget er 12 til 18 kilowatt-timer pr. Kg produceret magnesium. Chlor og andre gasser dannes ved grafitanoderne, og smeltet magnesiummetal flyder til toppen af saltbadet, hvor det opsamles. Chloret kan genanvendes i dehydratiseringsprocessen.
Termisk reduktion
Ved termisk produktion calcineres dolomit til magnesiumoxid (MgO) og kalk (CaO), og disse reduceres med silicium (Si), hvilket giver magnesiumgas og en slagge af dicalciumsilicat. Den grundlæggende reaktion, er endotermisk - det vil sige, at varme skal påføres for at initiere og opretholde den. Når magnesium når et damptryk på 100 kilopascals (1 atmosfære) ved 1.800 ° C (3.270 ° F), kan varmebehovene være ret høje. For at sænke reaktionstemperaturerne fungerer industrielle processer under vakuum. Der er tre hovedmetoder, der adskiller sig ved hjælp af deres tilførsel af varme. I Pidgeon-processen blandes malet og calcineret dolomit med finmalet ferrosilicium, briketteres og lades i cylindrisk nikkel-chrom-stål retorts. Et antal retorts installeres vandret i en olie- eller gasfyret ovn med deres låg og tilsluttede kondensatorsystemer, der strækker sig ud af ovnen. Efter en reaktionscyklus ved en temperatur på 1.200 ° C (2.200 ° F) og under et reduceret tryk på 13 pascaler fjernes magnesiumkrystaller (kaldet kroner) fra kondensatorerne, slagge evakueres som et fast stof, og retort genoplades. I Bolzano-processen stables dolomit-ferrosilicon-briketter på et specielt ladestøttesystem, gennem hvilket intern elektrisk opvarmning ledes til ladningen. En komplet reaktion tager 20 til 24 timer ved 1.200 ° C under 400 pascaler.
Den dicalciumsilicat slagge fremstillet ved ovenstående fremgangsmåder har et smeltepunkt på ca. 2.000 ° C (3.600 ° F) og er derfor til stede som et fast stof, men ved tilsætning af alumina (aluminiumoxid, AI 2 O 3) til ladning, den smeltepunkt kan reduceres til 1.550–1.600 ° C (2.825–2.900 ° F). Denne teknik, der anvendes i Magnetherm-processen, har den fordel, at den flydende slagge kan opvarmes direkte med elektrisk strøm gennem en vandkølet kobberelektrode. Reduktionsreaktionen finder sted ved 1.600 ° C og 400-670 pascaltryk. Dampet magnesium kondenseres i et separat system fastgjort til reaktoren, og smeltet slagge og ferrosilicium tappes med intervaller.
