Magnezyum işleme

Magnezyum işleme, çeşitli ürünlerde kullanım için magnezyum cevherinin hazırlanması.

Magnezyum (Mg), görünüş olarak alüminyuma benzeyen, ancak üçte bir daha az ağırlığa sahip gümüşi beyaz bir metaldir. Santimetre küp başına sadece 1.738 gram yoğunluğuyla bilinen en hafif yapısal metaldir. Altıgen yakın paketlenmiş (hcp) bir kristal yapıya sahiptir, böylece bu yapının çoğu metalleri gibi daha düşük sıcaklıklarda çalışıldığında süneklikten yoksundur. Ek olarak, saf haliyle, çoğu yapısal uygulama için yeterli mukavemete sahip değildir. Bununla birlikte, alaşım elementlerinin eklenmesi, özelliklerini, özellikle hafif ve yüksek mukavemetin önemli olduğu yerlerde, hem dökme hem de dövme magnezyum alaşımlarının yaygın olarak kullanıldığı ölçüde geliştirir.

Magnezyum, yüksek sıcaklıklarda oksijen ile kuvvetli reaktiftir; kuru havada 645 ° C (1,190 ° F) üstünde, parlak beyaz ışık ve yoğun ısı ile yanar. Bu nedenle piroteknikte magnezyum tozları kullanılır. Oda sıcaklığında, metal yüzeyinde kararlı bir suda çözünmeyen magnezyum hidroksit filmi oluşur ve çoğu atmosferde korozyona karşı korur. Klor, oksijen ve kükürt ile kararlı bileşikler oluşturan güçlü bir reaktan olan magnezyum, titanyum tetraklorürden titanyum üretiminde ve yüksek fırın demirinin kükürtten arındırılmasında olduğu gibi çeşitli metalurjik uygulamalara sahiptir. Kimyasal reaktivitesi aynı zamanda endüstri, ilaç ve tarımda geniş uygulama alan magnezyum bileşiklerinde de görülür.

Tarih

Magnezyum adını bir magnezyum karbonat minerali olan manyezitten alır ve bu mineralin ismini antik Yunan Tesalya bölgesi olan Magnesia'da bulunan manyezit yataklarına borçlu olduğu söylenir. İngiliz kimyacı Humphry Davy'nin, katot olarak cıva kullanarak nemli magnezyum sülfatın elektrolizlenmesi yoluyla 1808'de bir magnezyum amalgamı ürettiği söyleniyor. Bununla birlikte, ilk metalik magnezyum 1828'de Fransız bilim adamı A.-A.-B tarafından üretildi. Bussy. Çalışmaları metalik potasyum ile erimiş magnezyum klorürün azaltılmasını içeriyordu. 1833'te İngiliz bilim adamı Michael Faraday, erimiş magnezyum klorürün elektrolizi ile magnezyum üreten ilk kişi oldu. Deneyleri Alman kimyager Robert Bunsen tarafından tekrarlandı.

İlk başarılı endüstriyel üretim 1886 yılında erimiş karallitin elektrolizine dayanan Aluminium ve Magnesiumfabrik Hemelingen tarafından Almanya'da başladı. Hemelingen daha sonra 1920 ve 30'lu yıllarda, büyük miktarlarda erimiş ve esas olarak susuz magnezyum klorür (şimdi IG Farben işlemi olarak bilinir) üretmek için bir süreç geliştiren endüstriyel kompleks IG Farbenindustrie'nin bir parçası oldu. bu ürünü magnezyum metal ve klora elektrolize etmek için. IG Farben'in diğer katkıları çok sayıda dökme ve dövülebilir alaşımların geliştirilmesi, rafine ve koruyucu akışlar, dövme magnezyum ürünleri ve çok sayıda uçak ve otomobil uygulamasıydı. II. Dünya Savaşı sırasında Birleşik Devletler Dow Chemical Company ve Birleşik Krallık Magnezyum Elektron Limited, Galveston Bay, Teksas'tan pompalanan deniz suyundan ve İngiltere'nin Hartlepool, Kuzey Denizi'nden magnezyumun elektrolitik indirgenmesini başlattı. Aynı zamanda Ontario, Kanada'da, LM Pidgeon'un dışarıdan ateşlenen imbiklerde magnezyum oksidi silikonla termal olarak azaltma süreci tanıtıldı.

Savaşın ardından askeri uygulamalar ön plana çıktı. Dow Chemical, dövme ürünleri, foto gravür teknolojisini ve yüzey işleme sistemlerini geliştirerek sivil pazarları genişletti. Ekstraksiyon elektroliz ve termal indirgeme temelinde kaldı. Bu işlemlere, imbiklerin iç ısıtması (1961'de Fransa'da tanıtılan Magnetherm işlemi), susuz magnezyum klorür prillerinden ekstraksiyon (Norveçli Norsk Hydro tarafından 1974'te tanıtıldı) ve elektrolitik hücre teknolojisindeki gelişmeler gibi iyileştirmeler yapıldı. yaklaşık 1970.

2019 itibariyle Çin, dünyadaki magnezyumun yaklaşık yüzde 85'ini üretti ve geri kalanların çoğunu Rusya, Kazakistan, İsrail ve Brezilya üretti.

Cevherler ve hammaddeler

Doğada sekizinci en bol element olan magnezyum Dünya'nın kabuğunun yüzde 2.4'ünü oluşturur. Güçlü reaktivitesi nedeniyle, doğal halde meydana gelmez, aksine deniz suyu, brinler ve kayalarda çok çeşitli bileşiklerde bulunur.

Cevher minerallerinin arasında, en yaygın karbonatlar dolomit (magnezyum ve kalsiyum karbonatlar ait bir bileşik, MgCO ₃ · CaCO ₃) (magnezyum karbonat, MgCO ve manyezit ₃). Daha az yaygın olan hidroksit, mineral brusit, Mg (OH) ₂, ve halojenür, mineral Karnalit (magnezyum ve potasyum klorür ve su bir bileşiğin, MgCI ₂ · KCI · 6H ₂ O).

Magnezyum klorür, Büyük Tuz Gölü (tipik olarak ağırlıkça yüzde 1,1 magnezyum içerir) ve Ölü Deniz (yüzde 3,4) gibi doğal olarak oluşan tuzlu sulardan kurtarılabilir, ancak açık arayla dünyanın en büyük kaynağı okyanuslardır. Deniz suyu sadece yaklaşık yüzde 0.13 magnezyum olmasına rağmen, neredeyse tükenmez bir kaynağı temsil eder.

Madencilik ve konsantre

Hem dolomit hem de manyezit çıkarılır ve geleneksel yöntemlerle konsantre edilir. Carnallite cevher olarak kazılır veya çözelti madenciliği ile yüzeye getirilen diğer tuz bileşiklerinden ayrılır. Doğal olarak oluşan magnezyum içeren tuzlu sular, büyük havuzlarda güneşin buharlaştırılmasıyla konsantre edilir.

Ekstraksiyon ve arıtma

Güçlü bir kimyasal reaktif olan magnezyum, kararlı bileşikler oluşturur ve hem sıvı hem de gaz halindeki oksijen ve klor ile reaksiyona girer. Bu, metalin hammaddeden çıkarılmasının, iyi ayarlanmış teknolojiler gerektiren enerji yoğun bir süreç olduğu anlamına gelir. Ticari üretim tamamen farklı iki yöntem izler: magnezyum klorürün elektrolizi veya Pidgeon işlemiyle magnezyum oksidin termal olarak indirgenmesi. Elektroliz bir zamanlar dünya magnezyum üretiminin yaklaşık yüzde 75'ini oluşturuyordu. Bununla birlikte, 21. yüzyılın başlarında, Çin dünyanın önde gelen magnezyum üreticisi olarak ortaya çıktığında, düşük işçilik ve enerji maliyeti, Pidgeon işleminin elektrolizden daha az verimli olmasına rağmen ekonomik olarak uygulanabilir olmasını sağladı.

Elektroliz

Elektrolitik işlemler iki aşamadan oluşur: magnezyum klorür içeren bir hammaddenin hazırlanması ve bu bileşiğin elektrolitik hücrelerde magnezyum metal ve klor gazına ayrılması.

Endüstriyel işlemlerde, hücre yemleri susuz (esasen susuz) magnezyum klorür, kısmen susuz magnezyum klorür veya susuz karpalit içeren çeşitli erimiş tuzlardan oluşur. Karallit cevherlerinde bulunan safsızlıkları önlemek için, susuz yapay karpalit, ısıtılmış magnezyum ve potasyum içeren çözeltilerden kontrollü kristalleştirme ile üretilir. Kısmen susuz magnezyum klorür, deniz suyunun hafifçe yanmış reaktif dolomit içeren bir topaklaştırıcıda karıştırıldığı Dow işlemi ile elde edilebilir. Çözünmeyen bir magnezyum hidroksit çökelme tankının dibine çökelir, bu arada bir bulamaç olarak pompalanır, süzülür, hidroklorik asit ile reaksiyona sokularak magnezyum klorüre dönüştürülür ve bir dizi buharlaşma adımında yüzde 25 su içeriğine kadar kurutulur. Nihai dehidrasyon eritme sırasında gerçekleşir.

Susuz magnezyum klorür iki ana yöntemle üretilir: magnezyum klorür tuzlu sularının dehidrasyonu veya magnezyum oksidin klorlanması. IG Farben işlemi ile örneklendirilen ikinci yöntemde, hafif yanmış dolomit, bir flokülatörde deniz suyu ile karıştırılır, burada magnezyum hidroksit çökeltilir, süzülür ve magnezyum okside kalsine edilir. Bu, kömürle karıştırılır, magnezyum klorür çözeltisi ilave edilerek globüller halinde oluşturulur ve kurutulur. Kürecikler, karbon kaplı elektrotlar tarafından yaklaşık 1,000–1,200 ° C'ye (1,800–2,200 ° F) ısıtıldığı tuğla kaplı bir şaft fırını olan bir klorlayıcıya yüklenir. Fırında lombalardan giren klor gazı, aralıklarla tıkanan ve elektrolitik hücrelere gönderilen erimiş magnezyum klorür üretmek için magnezyum oksit ile reaksiyona girer.

Magnezyum brinlerin dehidrasyonu aşamalar halinde gerçekleştirilir. Norsk Hydro işleminde, kirlilikler önce çökeltme ve filtreleme ile uzaklaştırılır. Yaklaşık yüzde 8,5 magnezyum içeren saflaştırılmış tuzlu su, yüzde 14'e kadar buharlaştırma ile konsantre edilir ve bir prilling kulede parçacıklara dönüştürülür. Bu ürün ayrıca susuz parçacıklara kurutulur ve elektrolitik hücrelere taşınır.

Elektrolitik hücreler esasen çoklu çelik katotlar ve grafit anotlarla donatılmış tuğla kaplı kaplardır. Bunlar hücre başlığından dikey olarak monte edilir ve yukarıda açıklanan işlemlerde üretilen magnezyum klorürün yüzde 6 ila 18'lik konsantrasyonlarda ilave edildiği alkalin klorürlerden oluşan bir erimiş tuz elektrolitine kısmen daldırılır. Temel reaksiyon:

Çalışma sıcaklıkları 680 ila 750 ° C (1,260 ila 1,380 ° F) arasında değişir. Güç tüketimi, üretilen kilogram magnezyum başına 12 ila 18 kilowatt saattir. Grafit anotlarda klor ve diğer gazlar üretilir ve erimiş magnezyum metal toplandığı tuz banyosunun tepesine yüzer. Klor, dehidrasyon işleminde tekrar kullanılabilir.

Termal azaltma

Termal üretimde, dolomit magnezyum oksit (MgO) ve kirece (CaO) kalsine edilir ve bunlar silikon (Si), magnezyum gazı ve bir cüruf dikalsilikat silikat ile azaltılır. Temel reaksiyon, endotermiktir - yani onu başlatmak ve sürdürmek için ısı uygulanmalıdır. Magnezyum 1.800 ° C'de (3.270 ° F) 100 kilopaskal (1 atmosfer) buhar basıncına ulaştığında, ısı gereksinimleri oldukça yüksek olabilir. Reaksiyon sıcaklıklarını düşürmek için endüstriyel prosesler vakum altında çalışır. Isı sağlama yöntemleri ile farklılık gösteren üç ana yöntem vardır. Pidgeon işleminde, öğütülmüş ve kalsine dolomit ince öğütülmüş ferrosilikon ile karıştırılır, briketlenir ve silindirik nikel-krom-çelik imbiklere yüklenir. Petrol veya gaz yakıtlı bir fırına, kapakları ve bağlı kondenser sistemleri fırından dışarıya uzanacak şekilde birkaç imbik yatay olarak monte edilir. 1.200 ° C'lik (2.200 ° F) bir sıcaklıkta ve 13 paskalın düşük basıncı altında bir reaksiyon döngüsünden sonra, kondansatörlerden magnezyum kristalleri (kronlar olarak adlandırılır) çıkarılır, cüruf bir katı olarak boşaltılır ve imbik yeniden doldurulur. Bolzano işleminde, dolomit-ferrosilikon briketler, dahili elektrikli ısıtmanın yüke iletildiği özel bir şarj destek sistemi üzerine istiflenir. Tam bir reaksiyon, 400 paskalın altında 1.200 ° C'de 20 ila 24 saat sürer.

Dikalsiyum silikat cüruf Yukarıdaki işlemlerle 2000 ° C (3600 ° F) ve alüminyum eklenerek bir katı olarak bu nedenle bu, ama yaklaşık bir erime noktasına (alüminyum oksit, Al sahiptir üretilen ₂ O ₃ ücret), erime noktası 1.550-1.600 ° C'ye (2.825-2.900 ° F) düşürülebilir. Magnetherm işleminde kullanılan bu teknik, sıvı cürufun su soğutmalı bakır elektrot yoluyla doğrudan elektrik akımı ile ısıtılabilmesi avantajına sahiptir. İndirgeme reaksiyonu 1.600 ° C ve 400-670 paskal basınçta gerçekleşir. Buharlaştırılmış magnezyum reaktöre bağlı ayrı bir sistemde yoğuşturulur ve erimiş cüruf ve ferrosilikon aralıklarla hafifçe vurulur.