Обработка на магнезий, подготовка на магнезиева руда за използване в различни продукти.
Магнезият (Mg) е сребристо бял метал, който на външен вид е подобен на алуминия, но тежи с една трета по-малко. С плътност от само 1,738 грама на кубичен сантиметър, това е най-лекият конструктивен метал, известен. Той има шестоъгълна кристална структура с шестоъгълна форма (hcp), така че подобно на повечето метали от тази структура, при липса на пластичност при липса на липса на пластичност. В допълнение, в чистата му форма той няма достатъчно здравина за повечето структурни приложения. Прибавянето на легиращи елементи обаче подобрява свойствата му до такава степен, че както леените, така и кованите магнезиеви сплави са широко използвани, особено там, където е важно лекото тегло и високата якост.
Магнезият е силно реактивен с кислорода при високи температури; над 645 ° C (1,190 ° F) в сух въздух, той гори с ярка бяла светлина и интензивна топлина. Поради тази причина магнезиевите прахове се използват в пиротехниката. При стайна температура върху повърхността на метала се образува стабилен филм от неразтворим във вода магнезиев хидроксид, който го предпазва от корозия в повечето атмосфери. Като силен реагент, който образува стабилни съединения с хлор, кислород и сяра, магнезият има няколко металургични приложения, като например при производството на титан от тетрахлорид на титан и в десулфуризацията на доменното желязо. Неговата химическа реактивност е очевидна и в магнезиевите съединения, които имат широко приложение в промишлеността, медицината и селското стопанство.
история
Магнезият получава името си от магнезит, минерал от магнезиев карбонат, а този минерал от своя страна дължи името си на магнезитови находища, открити в Магнезия, област в древногръцкия регион Тесалия. Твърди се, че британският химик Хъмфри Дейви е произвел амалгама от магнезий през 1808 г. чрез електролиза на влажен магнезиев сулфат, използвайки живак като катод. Първият метален магнезий обаче е произведен през 1828 г. от френския учен A.-A.-B. Зает. Работата му включваше намаляване на разтопения магнезиев хлорид с метален калий. През 1833 г. английският учен Майкъл Фарадей първият произвежда магнезий чрез електролиза на разтопен магнезиев хлорид. Експериментите му са повторени от немския химик Робърт Бунсен.
Първото успешно промишлено производство е започнато в Германия през 1886 г. от Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen въз основа на електролизата на разтопен карналит. По-късно Хемилинген става част от индустриалния комплекс IG Farbenindustrie, който през 1920-те и 30-те години разработва процес за производство на големи количества разтопен и по същество безводен магнезиев хлорид (сега известен като IG Farben процес), както и технологията за електролиза на този продукт до магнезиев метал и хлор. Други приноси на IG Farben бяха разработването на множество леяни и ковсти сплави, рафиниращи и защитни флюси, ковани продукти от магнезий и огромен брой приложения за самолети и автомобили. По време на Втората световна война Dow Chemical Company на Съединените щати и Magnesium Elektron Limited от Обединеното кралство започнаха електролитичното редуциране на магнезий от морска вода, изпомпвана от залива Galveston, Тексас и Северно море в Хартълпул, Англия. По същото време в Онтарио, Канада, беше въведен процесът на Л. М. Пиджън за термично редуциране на магнезиев оксид със силиций във външно изгарящи реторти.
След войната военните приложения загубиха известност. Dow Chemical разшири гражданските пазари чрез разработване на ковани продукти, технология за фотогравиране и системи за повърхностна обработка. Екстракцията остава на базата на електролиза и термична редукция. Към тези процеси са направени подобрения като вътрешното нагряване на ретор (процесът Magnetherm, въведен във Франция през 1961 г.), извличане от дехидратиран магнезиев хлорид (въведен от норвежката компания Norsk Hydro през 1974 г.) и подобрения в електролитната технология на клетките около 1970г.
Към 2019 г. Китай произвежда около 85 процента от световния магнезий, а Русия, Казахстан, Израел и Бразилия произвеждат голяма част от остатъка.
Руди и суровини
Осмият най-разпространен елемент в природата, магнезият представлява 2,4 процента от земната кора. Поради силната си реактивност, тя не се среща в местното състояние, а по-скоро се намира в голямо разнообразие от съединения в морска вода, саламури и скали.
Сред рудните минерали най-разпространени са карбонатите доломит (съединение на магнезиеви и калциеви карбонати, MgCO 3 · СаСО 3) и магнезит (магнезиев карбонат, MgCO 3). По-рядко срещан е хидроксидният минерален бруцит, Mg (OH) 2 и халидният минерален карналит (съединение от магнезий и калиев хлорид и вода, MgCl 2 · KCl · 6H 2 O).
Магнезиевият хлорид се възстановява от естествено срещащи се саламури като Голямото солено езеро (обикновено съдържащо 1,1% тегловни магнезий) и Мъртво море (3,4%), но най-големият източник са океаните в света. Въпреки че морската вода е само приблизително 0,13 процента магнезий, тя представлява почти неизчерпаем източник.
Добив и концентриране
Доломитът и магнезитът се добиват и концентрират по конвенционални методи. Карналитът се изкопава като руда или се отделя от други солни съединения, които се извеждат на повърхността чрез добив на разтвор. Природните соли, съдържащи магнезий, се концентрират в големи водоеми чрез слънчево изпарение.
Добив и рафиниране
Силен химичен реагент, магнезият образува стабилни съединения и реагира с кислород и хлор както в течно, така и в газообразно състояние. Това означава, че извличането на метала от суровини е енергоемък процес, изискващ добре настроени технологии. Търговското производство следва два напълно различни метода: електролиза на магнезиев хлорид или термично редуциране на магнезиев оксид чрез процеса на Пиджон. Някога електролизата представляваше приблизително 75 процента от световното производство на магнезий. В началото на 21 век обаче, когато Китай се изяви като водещ световен производител на магнезий, ниската цена на труда и енергията позволи на процеса на Пиджън да бъде икономически жизнеспособен, въпреки че е по-малко ефективен от електролизата.
електролиза
Електролитичните процеси се състоят от два етапа: получаване на суровина, съдържаща магнезиев хлорид, и дисоциацията на това съединение в магнезиев метал и хлорен газ в електролитичните клетки.
При промишлени процеси клетъчните фуражи се състоят от различни разтопени соли, съдържащи безводен (по същество без вода) магнезиев хлорид, частично дехидратиран магнезиев хлорид или безводен карналит. За да се избегнат примеси в карналитовите руди, дехидратираният изкуствен карналит се получава чрез контролирана кристализация от нагряти магнезиеви и калий-съдържащи разтвори. Частично дехидратиран магнезиев хлорид може да се получи чрез процеса на Dow, при който морската вода се смесва във флокулатор с леко изгорял реактивен доломит. Неразтворим магнезиев хидроксид се утаява на дъното на утаяващия се резервоар, откъдето се изпомпва като суспензия, филтрира се, превръща се в магнезиев хлорид чрез реакция със солна киселина и се изсушава в серия от етапи на изпаряване до 25 процента съдържание на вода. Крайното обезводняване се извършва по време на топенето.
Безводен магнезиев хлорид се получава по два основни метода: дехидратация на солеви разтвори на магнезиев хлорид или хлориране на магнезиев оксид. В последния метод, показан по метода на IG Farben, леко изгореният доломит се смесва с морска вода във флокулатор, където магнезиевият хидроксид се утаява, филтрира и калцинира до магнезиев оксид. Това се смесва с въглен, образува се в глобули с добавяне на разтвор на магнезиев хлорид и се суши. Глобулите се зареждат в хлоритор, тухлена шахтна пещ, където се нагряват с въглеродни електроди до приблизително 1000-1200 ° C (1800-2200 ° F). Газът на хлор, въведен през отворите в пещта, реагира с магнезиевия оксид, за да се получи разтопен магнезиев хлорид, който се пропуска през интервали и се изпраща към електролитичните клетки.
Дехидратацията на магнезиевия солев разтвор се провежда на етапи. При процеса на Norsk Hydro примесите първо се отстраняват чрез утаяване и филтриране. Пречистеният солев разтвор, който съдържа приблизително 8,5 процента магнезий, се концентрира чрез изпаряване до 14 процента и се превръща в частици в кулата за пълнене. По-нататък този продукт се суши до частици без вода и се пренася към електролитичните клетки.
Електролитичните клетки са по същество тухлени съдове, оборудвани с множество стоманени катоди и графитни аноди. Те се монтират вертикално през качулката на клетката и частично се потапят в разтопен солен електролит, съставен от алкални хлориди, към които магнезиевият хлорид, получен при описаните по-горе процеси, се добавя в концентрации от 6 до 18 процента. Основната реакция е:
Работните температури варират от 680 до 750 ° C (1,260 до 1380 ° F). Консумацията на енергия е от 12 до 18 киловатчаса на килограм произведен магнезий. Хлорът и други газове се генерират на графитните аноди, а разтопеният магнезиев метал плува до върха на солената баня, където се събира. Хлорът може да се използва повторно в процеса на дехидратация.
Топлинна редукция
При термично производство доломитът се калцинира до магнезиев оксид (MgO) и вар (CaO) и те се редуцират чрез силиций (Si), като се получава магнезиев газ и шлака от дикалциев силикат. Основната реакция, е ендотермичен - тоест трябва да се прилага топлина, за да го инициира и поддържа. Тъй като магнезият достига налягане на парата от 100 килопаскали (1 атмосфера) при 1800 ° C (3,270 ° F), топлинните нужди могат да бъдат доста високи. За да се понижат реакционните температури, промишлените процеси работят под вакуум. Има три основни метода, които се различават по своите средства за подаване на топлина. При процеса на Пиджън, смлян и калциниран доломит се смесва с фино смлян феросилиций, брикетира се и се зарежда в цилиндрични никел-хром-стоманени ретор. Редица retorts са монтирани хоризонтално в пещ, работеща с масло или газ, като техните капаци и прикрепени кондензаторни системи се простират извън пещта. След реакционен цикъл при температура 1200 ° С (2200 ° F) и при понижено налягане от 13 паскали, магнезиевите кристали (наречени корони) се отстраняват от кондензаторите, шлаката се евакуира като твърдо вещество и ретортата се презарежда. При процеса на Болцано, доломито-феросиликоновите брикети се подреждат върху специална система за поддържане на заряда, чрез която се извършва вътрешно електрическо нагряване до заряда. Пълната реакция отнема 20 до 24 часа при 1200 ° С под 400 паскали.
Шлаката на дикалциевия силикат, получена от горните процеси, има точка на топене от около 2 000 ° C (3 600 ° F) и следователно присъства като твърдо вещество, но чрез добавяне на алуминиев оксид (алуминиев оксид, Al 2 O 3) към заряда, точката на топене може да бъде намалена до 1550–1,600 ° C (2825–2 900 ° F). Тази техника, използвана в процеса Magnetherm, има предимството, че течната шлака може да се нагрява директно с електрически ток чрез меден електрод с водно охлаждане. Редукционната реакция протича при 1600 ° С и налягане 400–670 паскали. Изпареният магнезий се кондензира в отделна система, прикрепена към реактора, а разтопената шлака и феросилиций се подслушват на интервали.
