Magneesiumi töötlemine

Magneesiumi töötlemine, magneesiumi maagi ettevalmistamine kasutamiseks erinevates toodetes.

Magneesium (Mg) on ​​hõbedane valge metall, mis on välimuselt sarnane alumiiniumiga, kuid kaalub kolmandiku vähem. Tihedusega ainult 1,738 grammi kuupsentimeetri kohta on see kõige kergem teadaolev konstruktsioonmetall. Sellel on kuusnurkne tihedalt pakitud (hcp) kristalne struktuur, nii et nagu enamikul selle struktuuriga metallidel, puudub see madalamal temperatuuril töötamisel elastsus. Lisaks puudub sellel puhtal kujul enamiku konstruktsiooni jaoks piisav tugevus. Kuid legeerivate elementide lisamine parandab selle omadusi sel määral, et laialdaselt kasutatakse nii valatud kui ka sepistatud magneesiumsulameid, eriti kui oluline on kerge kaal ja kõrge tugevus.

Magneesium reageerib kõrgetel temperatuuridel hapnikuga tugevalt; temperatuuril üle 645 ° C (1,190 ° F) kuivas õhus põleb see ereda valge valguse ja intensiivse kuumusega. Sel põhjusel kasutatakse pürotehnikas magneesiumipulbreid. Toatemperatuuril moodustub metalli pinnale stabiilne vees lahustumatu magneesiumhüdroksiidi kile, mis kaitseb seda korrosiooni eest enamikus atmosfäärides. Kuna magneesium on tugev reagent, mis moodustab stabiilseid ühendeid kloori, hapniku ja väävliga, on sellel mitmeid metallurgilisi rakendusi, näiteks titaani tootmisel titaantetrakloriidist ja kõrgahju raua väävlitustamisel. Selle keemiline reaktsioonivõime ilmneb ka magneesiumiühendites, mida on laialdaselt kasutatud tööstuses, meditsiinis ja põllumajanduses.

Ajalugu

Magneesium on oma nime saanud magnesiidist, magneesiumkarbonaatmineraalist, ja väidetavalt võlgneb see mineraal oma nime magnesiidimaardlatele, mis leiti Magnesiast, Thessaly iidse Kreeka piirkonna rajoonist. Briti keemiku Humphry Davy sõnul toodeti 1808. aastal magneesiumi amalgaami niiske magneesiumsulfaadi elektrolüüsimisel, kasutades katoodina elavhõbedat. Esimese metallilise magneesiumi tootis aga 1828. aastal prantsuse teadlane A.-A.-B. Bussy. Tema töö hõlmas sulatatud magneesiumkloriidi redutseerimist metallilise kaaliumi abil. 1833. aastal tootis inglise teadlane Michael Faraday esimesena sulatatud magneesiumkloriidi elektrolüüsi teel magneesiumi. Tema katseid kordas saksa keemik Robert Bunsen.

Esimest edukat tööstuslikku tootmist alustati Saksamaal 1886. aastal ettevõtte Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen poolt, mis põhines sula karnaliidi elektrolüüsil. Hiljem sai Hemelingen osa tööstuskompleksist IG Farbenindustrie, mis töötas 1920. ja 30ndatel aastatel välja sulatatud ja põhimõtteliselt veevaba magneesiumkloriidi (nüüd tuntud kui IG Farbeni protsess) suurtes kogustes tootmise tehnoloogia ning tehnoloogia selle toote elektrolüüsimiseks magneesiummetalli ja klooriga. Muud IG Farbeni kaastööd olid arvukate valatud ja tempermalmist sulamite, rafineerivate ja kaitsevoogude, sepistatud magneesiumitoodete ning suure hulga õhusõidukite ja autode rakenduste väljatöötamine. Teise maailmasõja ajal alustasid Ameerika Ühendriikide Dow Chemical Company ja Suurbritannia magneesium Elektron Limited magneesiumi elektrolüütilist redutseerimist Texasest Galvestoni lahest ja Põhjamerest pumbatud mereveest Hartlepoolis, Inglismaal. Samal ajal tutvustati Kanadas Ontarios LM Pidgeoni meetodit magneesiumoksiidi termiliseks redutseerimiseks räni abil väljastpoolt kuumutatavates retortides.

Pärast sõda kaotasid sõjalised rakendused tuntuse. Dow Chemical laiendas tsiviilturge, arendades sepistatud tooteid, fotograveerimise tehnoloogiat ja pinnatöötlussüsteeme. Ekstraheerimine põhines elektrolüüsil ja termilisel redutseerimisel. Nendele protsessidele viidi läbi sellised täiustused nagu retrotoodete sisemine kuumutamine (1961. aastal Prantsusmaal kasutusele võetud Magnethermi protsess), ekstraheerimine dehüdreeritud magneesiumkloriidi prillidest (kasutusele võtnud Norra ettevõte Norsk Hydro 1974. aastal) ja elektrolüütiliste elementide tehnoloogia täiustamine umbes 1970.

2019. aasta seisuga toodeti Hiinas umbes 85 protsenti maailma magneesiumist ning suure osa ülejäänud jääkidest tootis Venemaa, Kasahstan, Iisrael ja Brasiilia.

Maagid ja toorained

Looduse kaheksas kõige rikkalikum element, magneesium moodustab 2,4 protsenti maakoorest. Tugeva reaktsioonivõime tõttu ei esine seda looduslikus olekus, vaid leidub seda merevees, soolvees ja kivimites mitmesuguste ühendite kujul.

Maagi mineraalidest on kõige levinumad karbonaadid dolomiit (magneesiumi ja kaltsiumkarbonaatide ühend, MgCO ₃ · CaCO ₃) ja magnesiit (magneesiumkarbonaat, MgCO ₃). Vähem levinud on hüdroksiidmineraal-brutsiit, Mg (OH) ₂ ja halogeniidmineraalkarnaliit (magneesiumi ja kaaliumkloriidide ning vee ühend, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O).

Magneesiumkloriidi saab tagasi looduslikult esinevatest soolveest, näiteks Suurest Soolajärvest (mis sisaldab tavaliselt 1,1 massiprotsenti magneesiumi) ja Surnumerest (3,4 protsenti), kuid vaieldamatult on suurim allikas maailma ookeanid. Ehkki merevees on magneesiumi ainult umbes 0,13 protsenti, on see peaaegu ammendamatu allikas.

Kaevandamine ja kontsentreerimine

Nii dolomiiti kui ka magnesiiti kaevandatakse ja kontsentreeritakse tavapäraste meetoditega. Karnaliit kaevatakse maakidena või eraldatakse teistest soolaühenditest, mis pinnale tuuakse lahuse kaevandamise teel. Looduses esinevad magneesiumi sisaldavad soolveed kontsentreeritakse suurtes tiikides päikese aurustumise teel.

Ekstraheerimine ja rafineerimine

Tugev keemiline reaktiiv, magneesium moodustab stabiilsed ühendid ja reageerib hapniku ja klooriga nii vedelas kui ka gaasilises olekus. See tähendab, et metalli ekstraheerimine toorainest on energiamahukas protsess, mis nõuab hästi häälestatud tehnoloogiaid. Kaubanduslikus tootmises järgitakse kahte täiesti erinevat meetodit: magneesiumkloriidi elektrolüüs või magneesiumoksiidi termiline redutseerimine Pidgeoni protsessi abil. Kunagi moodustas elektrolüüs umbes 75 protsenti kogu magneesiumi tootmisest. 21. sajandi alguses, kui Hiina tõusis aga maailma juhtivaks magneesiumitootjaks, võimaldasid sealsed madalad tööjõu- ja energiakulud Pidgeoni protsessi majanduslikult elujõuliseks, vaatamata sellele, et see oli vähem tõhus kui elektrolüüs.

Elektrolüüs

Elektrolüütilised protsessid koosnevad kahest etapist: magneesiumkloriidi sisaldava lähteaine valmistamine ja selle ühendi dissotsieerimine magneesiummetalli ja kloorgaasi jaoks elektrolüütilistes elementides.

Tööstuslikes protsessides koosnevad rakusöödad mitmesugustest sulatatud sooladest, mis sisaldavad veevaba (põhimõtteliselt veevaba) magneesiumkloriidi, osaliselt veetustatud magneesiumkloriidi või veevaba karnaliiti. Karnaliidimaakides esinevate lisandite vältimiseks toodetakse dehüdreeritud kunstlikku karnaliiti kontrollitud kristallimisega kuumutatud magneesiumi ja kaaliumi sisaldavatest lahustest. Osaliselt dehüdreeritud magneesiumkloriidi võib saada Dow-meetodi abil, mille käigus merevesi segatakse flokulaatoris kergelt põletatud reaktiivse dolomiidiga. Lahustumatu magneesiumhüdroksiid sadestub settepaagi põhja, kust see suspensioonina pumbatakse, filtreeritakse, muundatakse soolhappega reageerimisel magneesiumkloriidiks ja kuivatatakse aurustamisetappide jadadena 25 protsendilise veesisalduseni. Lõplik dehüdratsioon toimub sulatamise ajal.

Veevaba magneesiumkloriidi valmistatakse kahel põhimeetodil: magneesiumkloriidi soolvee dehüdraatimisel või magneesiumoksiidi kloorimisel. Viimase meetodi puhul, mida näitlikustatakse IG Farbeni meetodil, segatakse kergelt põletatud dolomiit mereveega flokulaatoris, kus sadetakse välja, filtreeritakse ja kaltsineeritakse magneesiumoksiidiks magneesiumhüdroksiid. Segu segatakse söega, moodustatakse magneesiumkloriidi lahuse lisamisega kuulikesteks ja kuivatatakse. Gloobud laaditakse kloorimisseadmesse, tellistest vooderdatud võlliahju, kus neid kuumutatakse süsinik-elektroodide abil temperatuurini umbes 1000–1200 ° C (1800–2200 ° F). Ahju aukude kaudu juhitav kloorgaas reageerib magneesiumoksiidiga, et saada sulatatud magneesiumkloriid, mida korrapäraselt kraanitakse ja saadetakse elektrolüütilistesse elementidesse.

Magneesiumi soolvee dehüdratsioon toimub etapiviisiliselt. Norsk Hydro protsessis eemaldatakse lisandid esmalt sadestamise ja filtrimisega. Puhastatud soolvesi, mis sisaldab umbes 8,5 protsenti magneesiumi, kontsentreeritakse aurustamisel 14 protsendini ja teisendatakse osakesteks prillitornis. Seda toodet kuivatatakse täiendavalt veevabade osakeste saamiseks ja juhitakse elektrolüütilistesse rakkudesse.

Elektrolüütilised elemendid on peamiselt tellistest vooderdatud anumad, mis on varustatud mitmete teraskatoodide ja grafiidianoodidega. Need paigaldatakse vertikaalselt läbi kambrikapu ja sukeldatakse osaliselt aluselisesse kloriididesse koosnevasse sulanud soola elektrolüüti, millele on lisatud ülalkirjeldatud protsessides toodetud magneesiumkloriidi kontsentratsioonides 6 kuni 18 protsenti. Põhireaktsioon on:

Töötemperatuurid varieeruvad vahemikus 680–750 ° C (1 260–1 380 ° F). Elektritarbimine on 12–18 kilovatt-tundi toodetud magneesiumi kilogrammi kohta. Kloori ja muid gaase tekitatakse grafiidianoodides ja sulatatud magneesiummetall hõljub soolavanni ülaossa, kus see kogutakse. Kloori saab dehüdratsiooniprotsessis uuesti kasutada.

Termiline redutseerimine

Termilises tootmises kaltsineeritakse dolomiit magneesiumoksiidiks (MgO) ja lubjaks (CaO) ning neid redutseeritakse räni (Si) abil, saades magneesiumgaasi ja räbu dikaltsiumsilikaadi. Põhireaktsioon, on endotermiline - see tähendab, et selle käivitamiseks ja säilitamiseks tuleb kasutada soojust. Kui magneesium saavutab 1800 ° C (3270 ° F) juures aururõhu 100 kilopaskalit (1 atmosfäär), võib soojusvajadus olla üsna kõrge. Reaktsioonitemperatuuri alandamiseks töötavad tööstuslikud protsessid vaakumis. On olemas kolm peamist meetodit, mis erinevad soojusvarustuse poolest. Pidgeoni protsessis segatakse jahvatatud ja kaltsineeritud dolomiit peeneks jahvatatud ferrosiliidiga, briketeeritakse ja laaditakse silindrilistesse nikkel-kroomterasest retrotordidesse. Õli- või gaasiküttega ahju on horisontaalselt paigaldatud terve rida retuure, mille kaaned ja kinnitatud kondensatsioonisüsteemid ulatuvad ahjust välja. Pärast reaktsioonitsüklit temperatuuril 1200 ° C (2200 ° F) ja 13 paskaali alarõhul eemaldatakse kondensaatoritest magneesiumkristallid (nn kroonid), räbu eemaldatakse tahke ainena ja retort laaditakse uuesti. Bolzano protsessis virnastatakse dolomiit-ferrosilikbriketid spetsiaalsele laengu tugisüsteemile, mille kaudu juhitakse sisemine elektriküte laadimisele. Täielik reaktsioon kestab 20 kuni 24 tundi temperatuuril 1200 ° C alla 400 paskali.

Ülaltoodud protsesside käigus toodetud dikaltsiumsilikaadi räbu sulamistemperatuur on umbes 2000 ° C (3600 ° F) ja seetõttu on see tahke aine, kuid kui lisada alumiiniumoksiidi (alumiiniumoksiidi, Al ₂ O ₃) laengule, sulamistemperatuuri saab vähendada 1550–1 600 ° C-ni (2 825–2 900 ° F). Selle meetodi, mida kasutatakse Magnethermi protsessis, eeliseks on see, et vedelat räbu saab kuumutada otse elektrivooluga läbi vesijahutusega vaselelektroodi. Redutseerimisreaktsioon toimub 1600 ° C ja rõhu 400–670 juures. Aurutatud magneesium kondenseeritakse eraldi süsteemis, mis on kinnitatud reaktori külge, ja sulatatud räbu ja raudräni koputatakse teatud intervalliga.