Magnesiumbehandling, klargjøring av magnesiummalm til bruk i forskjellige produkter.
Magnesium (Mg) er et sølvfarget hvitt metall som ligner utseendet som aluminium, men veier en tredjedel mindre. Med en tetthet på bare 1.738 gram per kubikkcentimeter, er det det letteste konstruksjonsmetallet som er kjent. Den har en sekskantet tettpakket (hcp) krystallstruktur, slik at den, som de fleste metaller i denne strukturen, mangler duktilitet når den arbeider ved lavere temperaturer. I tillegg mangler den i sin rene form tilstrekkelig styrke for de fleste strukturelle anvendelser. Tilsetningen av legeringselementer forbedrer imidlertid dens egenskaper i en slik grad at både støpte og smidde magnesiumlegeringer er mye brukt, spesielt der lett vekt og høy styrke er viktig.
Magnesium er sterkt reaktiv med oksygen ved høye temperaturer; over 645 ° C (1190 ° F) i tørr luft, det brenner med et sterkt hvitt lys og intens varme. Av denne grunn brukes magnesiumpulver i pyroteknikk. Ved romtemperatur dannes en stabil film av vannuoppløselig magnesiumhydroksid på metallets overflate, og beskytter den mot korrosjon i de fleste atmosfærer. Å være en sterk reaktant som danner stabile forbindelser med klor, oksygen og svovel, har magnesium flere metallurgiske anvendelser, for eksempel ved fremstilling av titan fra titantetraklorid og ved avsvovling av masovnjern. Den kjemiske reaktiviteten er også tydelig i magnesiumforbindelsene som har bred anvendelse innen industri, medisin og jordbruk.
Historie
Magnesium henter navnet fra magnesitt, et magnesiumkarbonatmineral, og dette mineralet på sin side sies å skylde navnet sitt til magnesittforekomster som finnes i Magnesia, et distrikt i den antikke greske regionen Thessaly. Den britiske kjemikeren Humphry Davy sies å ha produsert et amalgam av magnesium i 1808 ved å elektrolyse fuktig magnesiumsulfat ved å bruke kvikksølv som katode. Den første metalliske magnesium ble imidlertid produsert i 1828 av den franske forskeren A.-A.-B. Opptatt. Hans arbeid involverte reduksjon av smeltet magnesiumklorid med metallisk kalium. I 1833 var den engelske forskeren Michael Faraday den første som produserte magnesium ved elektrolyse av smeltet magnesiumklorid. Eksperimentene hans ble gjentatt av den tyske kjemikeren Robert Bunsen.
Den første vellykkede industriproduksjonen ble startet i Tyskland i 1886 av Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen, basert på elektrolyse av smeltet karnallitt. Hemelingen ble senere en del av det industrikomplekset IG Farbenindustrie, som i 1920- og 30-årene utviklet en prosess for å produsere store mengder smeltet og hovedsakelig vannfritt magnesiumklorid (nå kjent som IG Farben-prosessen) samt teknologien for elektrolysering av dette produktet til magnesiummetall og klor. Andre bidrag fra IG Farben var utviklingen av en rekke støpte og formbare legeringer, raffinerings- og beskyttelsesflukser, smidde magnesiumprodukter og et stort antall fly- og bilapplikasjoner. Under andre verdenskrig begynte Dow Chemical Company i USA og Magnesium Elektron Limited i Storbritannia den elektrolytiske reduksjonen av magnesium fra sjøvann pumpet fra Galveston Bay, Texas og Nordsjøen i Hartlepool, England. På samme tid i Ontario, Canada, ble LM Pidgeons prosess for termisk reduksjon av magnesiumoksyd med silisium i eksternt fyrte retorter introdusert.
Etter krigen mistet militære applikasjoner prominensen. Dow Chemical utvidet sivile markeder ved å utvikle smedeprodukter, fotoegravingsteknologi og overflatebehandlingssystemer. Ekstraksjon forble basert på elektrolyse og termisk reduksjon. Til disse prosessene ble det foretatt foredlinger som intern oppvarming av retorter (Magnetherm-prosessen, introdusert i Frankrike i 1961), ekstraksjon fra dehydrert magnesiumkloridpriller (introdusert av det norske selskapet Norsk Hydro i 1974), og forbedringer i elektrolytisk celleteknologi fra ca 1970.
Fra og med 2019 produserte Kina omtrent 85 prosent av verdens magnesium, og Russland, Kasakhstan, Israel og Brasil produserte store deler av resten.
Malmer og råvarer
Det åttende rikeste elementet i naturen, magnesium utgjør 2,4 prosent av jordskorpen. På grunn av den sterke reaktiviteten forekommer den ikke i hjemlandet, men den finnes i mange forskjellige forbindelser i sjøvann, saltlake og stein.
Blant malmmineralene er de vanligste karbonatene dolomitt (en forbindelse av magnesium og kalsiumkarbonater, MgCO 3 · CaCO 3) og magnesitt (magnesiumkarbonat, MgCO 3). Mindre vanlig er hydroksidet mineral brucitt, Mg (OH) 2, og halogenidet mineral karnallit (en forbindelse av magnesium og kaliumklorider og vann, MgCl 2 · KCl · 6H 2 O).
Magnesiumklorid kan utvinnes fra naturlig forekommende saltlaker som Great Salt Lake (som vanligvis inneholder 1,1 vektprosent magnesium) og Dødehavet (3,4 prosent), men den klart største kilden er verdenshavene. Selv om sjøvann kun er omtrent 0,13 prosent magnesium, representerer det en nesten uuttømmelig kilde.
Gruvedrift og konsentrasjon
Både dolomitt og magnesitt blir utvunnet og konsentrert ved konvensjonelle metoder. Carnallite er gravd som malm eller separert fra andre saltforbindelser som føres til overflaten ved løsningen. Naturlig forekommende magnesiumholdige saltlaker blir konsentrert i store dammer ved solfordampning.
Ekstraksjon og raffinering
Et sterkt kjemisk reagens, magnesium danner stabile forbindelser og reagerer med oksygen og klor i både væske og gassform. Dette betyr at utvinning av metallet fra råvarer er en energikrevende prosess som krever godt avstemte teknologier. Kommersiell produksjon følger to helt forskjellige metoder: elektrolyse av magnesiumklorid eller termisk reduksjon av magnesiumoksyd gjennom Pidgeon-prosessen. En gang utgjorde elektrolyse cirka 75 prosent av verdens magnesiumproduksjon. På begynnelsen av det 21. århundre, men da Kina fremsto som verdens ledende magnesiumprodusent, tillot de lave kostnadene for arbeidskraft og energi der Pidgeon-prosessen å være økonomisk levedyktig til tross for at den var mindre effektiv enn elektrolyse.
elektrolyse
Elektrolytiske prosesser består av to trinn: fremstilling av et råstoff som inneholder magnesiumklorid og dissosiasjonen av denne forbindelsen til magnesiummetall og klorgass i elektrolytiske celler.
I industrielle prosesser består cellefôr av forskjellige smeltede salter som inneholder vannfritt (hovedsakelig vannfritt) magnesiumklorid, delvis dehydrert magnesiumklorid eller vannfri karnallitt. For å unngå urenheter som er til stede i karnallittmalm, produseres dehydrert kunstig karnallitt ved kontrollert krystallisering fra oppvarmede magnesium- og kaliumholdige oppløsninger. Delvis dehydrert magnesiumklorid kan oppnås ved Dow-prosessen, der sjøvann blandes i en flokkulator med lettforbrent reaktiv dolomitt. Et uoppløselig magnesiumhydroksyd utfeller til bunnen av en sedimenteringstank, hvorfra det pumpes som en oppslemming, filtreres, omdannes til magnesiumklorid ved reaksjon med saltsyre og tørkes i en serie av fordampningstrinn til 25 prosent vanninnhold. Endelig dehydrering finner sted under smelting.
Vannfri magnesiumklorid produseres ved to hovedmetoder: dehydrering av magnesiumklorid saltlaker eller klorering av magnesiumoksyd. I den sistnevnte metode, eksemplifisert ved IG Farben-prosessen, blandes lettforbrent dolomitt med sjøvann i en flokkulator, hvor magnesiumhydroksyd blir utfelt ut, filtrert og kalsinert til magnesiumoksyd. Dette blandes med trekull, formes til kuler med tilsetning av magnesiumkloridløsning og tørkes. Kulene føres inn i en klorinator, en murstein-foret akselovn, hvor de varmes opp med karbonelektroder til omtrent 1 000–1 200 ° C (1 800–2 200 ° F). Klorgass som føres gjennom porthullene i ovnen reagerer med magnesiumoksyd for å produsere smeltet magnesiumklorid, som tappes med intervaller og sendes til de elektrolytiske cellene.
Dehydrering av magnesiumsaltoppløsninger gjennomføres i trinn. I Norsk Hydro-prosessen fjernes urenheter først ved nedbør og filtrering. Den rensede saltlaken, som inneholder omtrent 8,5 prosent magnesium, konsentreres ved fordampning til 14 prosent og omdannes til partikler i et prillingtårn. Dette produktet blir ytterligere tørket til vannfrie partikler og ført til elektrolysecellene.
Elektrolytiske celler er hovedsakelig teglfôrede kar utstyrt med flere stålkatoder og grafittanoder. Disse er montert vertikalt gjennom cellehetten og delvis nedsenket i en smeltet saltelektrolytt sammensatt av alkaliske klorider som magnesiumklorid produsert i prosessene beskrevet ovenfor blir tilsatt i konsentrasjoner på 6 til 18 prosent. Den grunnleggende reaksjonen er:
Driftstemperaturene varierer fra 680 til 750 ° C (1 260 til 1380 ° F). Kraftforbruket er 12 til 18 kilowattimer per kilo produsert magnesium. Klor og andre gasser dannes ved grafittanodene, og smeltet magnesiummetall flyter til toppen av saltbadet, hvor det samles opp. Klor kan gjenbrukes i dehydratiseringsprosessen.
Termisk reduksjon
Ved termisk produksjon kalsineres dolomitt til magnesiumoksyd (MgO) og kalk (CaO), og disse reduseres med silisium (Si), hvilket gir magnesiumgass og et slagg av dikalsiumsilikat. Den grunnleggende reaksjonen, er endotermisk - det vil si at varme må påføres for å initiere og opprettholde den. Når magnesium når et damptrykk på 100 kilopascals (1 atmosfære) ved 1800 ° C, kan varmebehovet være ganske høyt. For å senke reaksjonstemperaturene, fungerer industrielle prosesser under vakuum. Det er tre hovedmetoder, som skiller seg ut ved hjelp av tilførsel av varme. I Pidgeon-prosessen blandes malt og kalsinert dolomitt med finmalt ferrosilisium, briketteres og lades i sylindrisk nikkel-krom-stål retorter. Et antall retorter er installert horisontalt i en olje- eller gassfyrt ovn, med lokk og påmontert kondensatorsystem som strekker seg ut av ovnen. Etter en reaksjonssyklus ved en temperatur på 1 200 ° C (2200 ° F) og under et redusert trykk på 13 pascals, fjernes magnesiumkrystaller (kalt kroner) fra kondensatorene, slagg evakueres som et fast stoff, og retort lades opp igjen. I Bolzano-prosessen blir dolomitt-ferrosilisiumbriketter stablet på et spesielt ladesupportsystem der intern elektrisk oppvarming ledes til ladningen. En komplett reaksjon tar 20 til 24 timer ved 1200 ° C under 400 pascal.
Den dikalsiumsilikat slagg som produseres ved de ovenfor angitte fremgangsmåter har et smeltepunkt på omtrent 2000 ° C (3600 ° F), og er derfor til stede som et fast stoff, men ved tilsetning av alumina (aluminiumoksyd, Al 2 O 3) til ladningen, den smeltepunktet kan reduseres til 1.550-11.600 ° C (2.825–2.900 ° F). Denne teknikken, benyttet i Magnetherm-prosessen, har fordelen at den flytende slaggen kan varmes direkte med elektrisk strøm gjennom en vannkjølt kobberelektrode. Reduksjonsreaksjonen skjer ved 1600 ° C og 400–670 pascaltrykk. Dampet magnesium kondenseres i et separat system festet til reaktoren, og smeltet slagg og ferrosilisium tappes med intervaller.
