Переробка магнію

Наші редактори розглянуть подане вами повідомлення та вирішать, чи слід переглянути статтю.

Переробка магнію, підготовка магнієвої руди до використання в різних продуктах.

Магній (Mg) - сріблясто-білий метал, який зовні схожий на алюміній, але важить на третину менше. З щільністю лише 1,738 грам на кубічний сантиметр, це найлегший з відомих конструкційних металів. Він має гексагональну щільно упаковану (hcp) кристалічну структуру, так що, як і більшість металів цієї структури, їй не вистачає пластичності при роботі при більш низьких температурах. Крім того, у чистому вигляді йому не вистачає міцності для більшості конструкційних застосувань. Однак додавання легуючих елементів покращує його властивості настільки, що широко застосовуються як литі, так і ковані магнієві сплави, особливо там, де важлива невелика вага та висока міцність.

Магній сильно реагує з киснем при високих температурах; вище 645 ° C (1190 ° F) на сухому повітрі, він горить яскравим білим світлом та інтенсивним теплом. З цієї причини порошки магнію використовуються в піротехніці. При кімнатній температурі на поверхні металу утворюється стійка плівка нерозчинного у воді гідроксиду магнію, захищаючи його від корозії в більшості атмосфер. Будучи сильним реагентом, який утворює стабільні сполуки з хлором, киснем і сіркою, магній має кілька металургійних застосувань, наприклад, у виробництві титану з чотирихлористого титану та при десульфурації доменного заліза. Його хімічна реакція також виявляється у сполуках магнію, які широко застосовуються у промисловості, медицині та сільському господарстві.

Історія

Магній отримав свою назву від магнезиту, мінералу карбонату магнію, і, в свою чергу, цей мінерал зобов'язаний своєю назвою магнезитовим родовищам, виявленим у Магнезії, районі давньогрецького регіону Фессалія. Говорять, що британський хімік Хамфрі Деві в 1808 році виробив амальгаму магнію, електролізуючи вологий сульфат магнію, використовуючи ртуть як катод. Однак перший металевий магній був вироблений у 1828 р. Французьким вченим А.-А.-Б. Бассі. Його робота включала відновлення розплавленого хлориду магнію металевим калієм. У 1833 р. Англійський вчений Майкл Фарадей першим виробив магній електролізом розплавленого хлориду магнію. Його експерименти повторив німецький хімік Роберт Бунзен.

Перше успішне промислове виробництво було розпочато в Німеччині в 1886 році компанією Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen на основі електролізу розплавленого карналіту. Пізніше Хемелінген став частиною промислового комплексу IG Farbenindustrie, який протягом 20-30-х років розробив процес виробництва великих кількостей розплавленого і по суті безводного хлориду магнію (нині відомий як процес IG Farben), а також технологію для електролізу цього продукту до металевого магнію та хлору. Іншими внесками IG Farben були розробка численних литих та ковких сплавів, рафінаційні та захисні флюси, вироблені магнієві вироби, а також велика кількість літаків та автомобілів. Під час Другої світової війни компанія Dow Chemical Company з США та Magnesium Elektron Limited з Великобританії розпочали електролітичне відновлення магнію з морської води, що перекачується з затоки Галвестон, штат Техас, та Північного моря в Хартлпулі, Англія. У той же час в Онтаріо, Канада, було запроваджено процес термічного відновлення магнію оксидом магнію з кремнієм у ретортах, що обпалюються зовні Л.М.Піджену.

Після війни військові програми втратили популярність. Dow Chemical розширила цивільні ринки шляхом розробки кованих виробів, технології фотогравірування та систем обробки поверхонь. Екстракція залишалася на основі електролізу та термічного відновлення. До цих процесів були доведені такі вдосконалення, як внутрішнє нагрівання реторт (процес Magnetherm, запроваджений у Франції в 1961 р.), Вилучення з дегідратованих хлоридів магнію (запроваджено норвезькою компанією Norsk Hydro в 1974 р.) Та вдосконалення технології електролітичних елементів близько 1970 року.

Станом на 2019 рік Китай виробляв близько 85 відсотків світового магнію, а Росія, Казахстан, Ізраїль та Бразилія виробляли більшу частину решти.

Руди та сировина

Восьмий за поширеністю елемент в природі, магній становить 2,4 відсотка земної кори. Через свою сильну реакційну здатність він не зустрічається в рідному стані, а навпаки, він міститься в різноманітних сполуках у морській воді, розсолах та гірських породах.

Серед рудних мінералів найпоширенішими є карбонати доломіту (сполука карбонатів магнію та кальцію, MgCO3 · CaCO3) та магнезит (карбонат магнію, MgCO3). Рідше зустрічається гідроксид мінерального бруциту, Mg (OH) 2 та галогенідний мінерал карналіт (сполука хлоридів магнію та калію та води, MgCl2 · KCl · 6H2O).

Хлорид магнію можна вилучити із природних розсолів, таких як Велике Солоне озеро (зазвичай містить 1,1 відсотка магнію за вагою) та Мертве море (3,4 відсотка), але безумовно найбільшим джерелом є океани світу. Хоча морська вода становить лише приблизно 0,13 відсотка магнію, вона є майже невичерпним джерелом.

Видобуток і збагачення

Як доломіт, так і магнезит видобувають і концентрують звичайними методами. Карналіт копають у вигляді руди або відокремлюють від інших сольових сполук, які виводяться на поверхню видобуванням розчину. Розсоли, що містять природний вміст магнію, концентруються у великих ставках шляхом сонячного випаровування.

Добування та переробка

Сильний хімічний реагент, магній утворює стійкі сполуки та реагує з киснем та хлором як у рідкому, так і в газоподібному станах. Це означає, що вилучення металу з сировини є енергоємним процесом, що вимагає чітко налаштованих технологій. Комерційне виробництво здійснюється за двома абсолютно різними методами: електроліз хлориду магнію або термічне відновлення оксиду магнію за допомогою процесу Піджона. Колись на електроліз припадало приблизно 75 відсотків світового виробництва магнію. Однак на початку XXI століття, коли Китай став провідним світовим виробником магнію, низька вартість робочої сили та енергії там дозволила процесу Піджен бути економічно вигідною, незважаючи на меншу ефективність, ніж електроліз.

Електроліз

Електролітичні процеси складаються з двох етапів: приготування вихідної сировини, що містить хлорид магнію, та дисоціація цієї сполуки на металевий магній та газоподібний хлор в електролізері.

У промислових процесах клітинні корми складаються з різних розплавлених солей, що містять безводний (по суті, безводний) хлорид магнію, частково зневоднений хлорид магнію або безводний карналіт. Щоб уникнути домішок, що містяться в карналітових рудах, зневоднений штучний карналіт отримують шляхом контрольованої кристалізації з підігрітих розчинів, що містять магній і калій. Частково зневоднений хлорид магнію можна отримати методом Доу, при якому морська вода змішується у флокуляторі зі злегка згорілим реактивним доломітом. Нерозчинний гідроксид магнію випадає в осад на дно відстійника, звідки його закачують у вигляді суспензії, фільтрують, перетворюють у хлорид магнію в результаті реакції з соляною кислотою та сушать у послідовності етапів випаровування до 25 відсотків вмісту води. Остаточне зневоднення відбувається під час плавки.

Безводний хлорид магнію отримують двома основними методами: зневодненням розсолів хлориду магнію або хлоруванням оксиду магнію. В останньому способі, прикладом якого є процес IG Farben, злегка спалений доломіт змішують з морською водою у флокуляторі, де гідроксид магнію випадає в осад, фільтрується і прожарюється до оксиду магнію. Його змішують з деревним вугіллям, формують у глобули з додаванням розчину хлориду магнію і сушать. Глобули завантажують у хлоратор, шахтну піч, облицьовану цеглою, де вони нагріваються вуглецевими електродами до приблизно 1000– 1200 ° C (1800–2200 ° F). Газ хлору, введений через ілюмінатори в печі, реагує з оксидом магнію, утворюючи розплавлений хлорид магнію, який через певні проміжки відводиться і направляється в електролітичні елементи.

Дегідратація розсолів магнію проводиться поетапно. У процесі Norsk Hydro домішки спочатку видаляються осадженням та фільтруванням. Очищений розсіл, який містить приблизно 8,5 відсотка магнію, концентрується випаровуванням до 14 відсотків і перетворюється на тверді частинки у колодязі. Цей продукт далі сушать до безводних частинок і транспортують до електролітичних елементів.

Електролітичні елементи - це, по суті, облицьовані цеглою посудини, оснащені безліччю сталевих катодів та графітових анодів. Вони кріпляться вертикально через клітинний кожух і частково занурюються в розплавлений сольовий електроліт, що складається з лужних хлоридів, до яких хлорид магнію, отриманий в описаних вище процесах, додається у концентраціях від 6 до 18 відсотків. Основна реакція:

Робочі температури варіюються від 680 до 750 ° C (1260 до 1380 ° F). Споживання енергії становить 12-18 кіловат-годин на кілограм виробленого магнію. Хлор та інші гази утворюються на графітових анодах, а розплавлений метал магнію пливе до верху соляної ванни, де він збирається. Хлор можна повторно використовувати в процесі зневоднення.

Термічне відновлення

При тепловому виробництві доломіт прожарюють до оксиду магнію (MgO) та вапна (CaO), і вони відновлюються кремнієм (Si), отримуючи газоподібний магній і шлак силікату дикальцію. Основна реакція,

є ендотермічним - тобто для його ініціювання та підтримання потрібно застосовувати тепло. Якщо магній досягає тиску пари 100 кілопаскалей (1 атмосфера) при 1800 ° C (3270 ° F), потреби в теплі можуть бути досить високими. Для зниження температури реакції промислові процеси працюють у вакуумі. Є три основні методи, що відрізняються за своїми способами подачі тепла. У процесі Pidgeon розмелений і прожарений доломіт змішують з дрібно подрібненим феросиліцієм, брикетують і завантажують у циліндричні нікель-хромово-сталеві реторти. Ряд ретортів встановлені горизонтально в топці, що працює на мазуті або газі, кришки та приєднані конденсаторні системи виходять за межі печі. Після реакційного циклу при температурі 1200 ° C (2200 ° F) і при зниженому тиску в 13 паскалів кристали магнію (так звані коронки) видаляються з конденсаторів, шлак евакуюється у вигляді твердого речовини і реторта перезаряджається. У процесі Больцано доломіт-феросиліцієві брикети укладаються на спеціальну систему підтримки заряду, через яку проводиться внутрішнє електричне нагрівання до заряду. Повна реакція триває від 20 до 24 годин при 1200 ° C нижче 400 паскалів.

Дикальцієво-силікатний шлак, вироблений вищезазначеними процесами, має температуру плавлення близько 2000 ° C (3600 ° F) і тому присутній у вигляді твердої речовини, але, додаючи до шихти глинозем (оксид алюмінію, Al2O3), температура плавлення може знизиться до 1550–1600 ° C (2825–2900 ° F). Ця техніка, що використовується в процесі Magnetherm, має ту перевагу, що рідкий шлак можна нагрівати безпосередньо електричним струмом через мідний електрод з водяним охолодженням. Реакція відновлення відбувається при 1600 ° C і тиску 400-670 паскалів. Випарений магній конденсується в окремій системі, приєднаній до реактора, а розплавлений шлак і феросиліцій відводяться з інтервалами.

Переробка

Після вилучення за описаними вище процесами неочищений метал магнію транспортується до литих цехів для видалення домішок, додавання легуючих елементів та перетворення в злитки, заготовки та плити. Під час плавлення та обробки розплавлений метал магнію та сплави захищаються від горіння шаром потоку або газу, таким як гексафторид сірки або діоксид сірки. Для транспортування та транспортування в суворих кліматичних умовах необхідні відповідні вентильовані пластикові або паперові обгортки для запобігання корозії.