Processament de magnesi

Processament de magnesi, preparació de mineral de magnesi per a ús en diversos productes.

El magnesi (Mg) és un metall blanc platejat que és similar a l’alumini però pesa un terç menys. Amb una densitat de només 1.738 grams per centímetre cúbic, és el metall estructural més lleuger conegut. Té una estructura cristal·lina hexagonal tancada (hcp), de manera que, com la majoria de metalls d’aquesta estructura, manca de ductilitat quan es treballa a temperatures més baixes. A més, en la seva forma pura, manca força suficient per a la majoria d’aplicacions estructurals. No obstant això, l'addició d'elements d'aliatge millora les seves propietats de tal manera que s'utilitzen àmpliament tant els aliatges de magnesi fós com el forjat, particularment quan són importants el pes lleuger i la gran resistència.

El magnesi és fortament reactiu amb l’oxigen a altes temperatures; per sobre dels 645 ° C (1.190 ° F) a l’aire sec, crema amb una llum blanca brillant i una calor intensa. Per aquest motiu, en la pirotècnia s’utilitzen pols de magnesi. A temperatura ambient, es forma una pel·lícula estable d’hidròxid de magnesi insoluble en aigua a la superfície del metall, protegint-lo de la corrosió a la majoria d’atmosferes. Al ser un reactant fort que forma compostos estables amb clor, oxigen i sofre, el magnesi té diverses aplicacions metal·lúrgiques, com per exemple en la producció de titani a partir de tetraclorur de titani i en la desulfuració del ferro de forn. La seva reactivitat química també és palesa en els compostos de magnesi que tenen una àmplia aplicació en la indústria, la medicina i l’agricultura.

Història

El magnesi deriva el seu nom de magnesita, un mineral de carbonat de magnesi i, al seu torn, es diu que aquest mineral deu els seus dipòsits de magnesi que es troben a Magnèsia, un districte de l'antiga regió grega de Tessàlia. Es diu que el químic britànic Humphry Davy va produir una amalgama de magnesi el 1808 electrolitzant sulfat de magnesi humit, utilitzant el mercuri com a càtode. El primer magnesi metàl·lic, però, va ser produït el 1828 pel científic francès A.-A.-B. Emprenedor. El seu treball va consistir en la reducció del clorur de magnesi fos mitjançant potassi metàl·lic. El 1833, el científic anglès Michael Faraday va ser el primer a produir magnesi mitjançant l'electròlisi del clorur de magnesi fos. Els seus experiments van ser repetits pel químic alemany Robert Bunsen.

La primera producció industrial amb èxit es va iniciar a Alemanya el 1886 per Aluminum und Magnesiumfabrik Hemelingen, basada en l'electròlisi de la carnallita fos. Hemelingen va passar a formar part del complex industrial IG Farbenindustrie IG, que durant els anys vint i trenta va desenvolupar un procés per produir grans quantitats de clorur de magnesi fos i essencialment lliure d'aigua (actualment conegut com el procés IG Farben) així com de la tecnologia. per l'electrolització d'aquest producte a metall de magnesi i clor. Altres aportacions d’IG Farben van ser el desenvolupament de nombrosos aliatges de fosa i maleables, fluxos de refinament i protecció, productes de magnesi forjat i un gran nombre d’aplicacions d’avions i automòbils. Durant la Segona Guerra Mundial, la Companyia Química Dow dels Estats Units i Magnesium Elektron Limited del Regne Unit van iniciar la reducció electrolítica de magnesi a partir d’aigua de mar bombada des de la badia de Galveston, Texas i el mar del Nord a Hartlepool, Anglaterra. Al mateix temps, a Ontario, Canadà, es va introduir el procés de LM Pidgeon per reduir tèrmicament l’òxid de magnesi amb silici en rèpliques disparades externament.

Després de la guerra, les aplicacions militars van perdre protagonisme. Dow Chemical va ampliar els mercats civils mitjançant el desenvolupament de productes forjats, tecnologia de gravat fotogràfic i sistemes de tractament superficial. L’extracció es va mantenir basada en l’electròlisi i la reducció tèrmica. Per a aquests processos es van realitzar perfeccionaments com l'escalfament intern de rèpliques (el procés de Magnetherm, introduït a França el 1961), l'extracció de plens de clorur de magnesi deshidratats (introduïda per l'empresa noruega Norsk Hydro el 1974) i millores en la tecnologia de cèl·lules electrolítiques de cap al 1970.

A partir del 2019, la Xina va produir al voltant del 85 per cent del magnesi mundial, i Rússia, Kazakhstan, Israel i el Brasil van produir gran part de la resta.

Minerals i matèries primeres

El vuitè element més abundant a la natura, el magnesi constitueix el 2,4 per cent de l'escorça de la Terra. A causa de la seva forta reactivitat, no es produeix a l'estat nadiu, sinó que es troba en una gran varietat de compostos en aigua de mar, salmorra i roques.

Entre els minerals del mineral, els més comuns són la dolomita de carbonats (un compost de magnesi i carbonats de calci, MgCO ₃ · CaCO ₃) i magnesita (carbonat de magnesi, MgCO ₃). Menys freqüent és la brucita mineral hidròxida, Mg (OH) ₂, i la carnallita mineral halogenada (un compost de clorurs de magnesi i potassi i aigua, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O).

El clorur de magnesi es recupera de salmorra natural, com el Gran Salt Lake (que conté normalment un 1,1 per cent en pes de magnesi) i el Mar Mort (3,4 per cent), però amb molta diferència, la font més gran són els oceans del món. Tot i que l’aigua de mar només és aproximadament del 0,13 per cent de magnesi, representa una font gairebé inesgotable.

Mineria i concentració

Tant la dolomita com la magnesita es treuen i es concentren mitjançant mètodes convencionals. La carnallita s’excava com a mineral o se separa d’altres compostos de sal que es treuen a la superfície mitjançant una minada de solucions. Les salmadetes que contenen magnesi naturalment es concentren en grans basses per evaporació solar.

Extracció i perfeccionament

Un fort reactiu químic, el magnesi forma compostos estables i reacciona amb l’oxigen i el clor tant en els estats líquids com gasosos. Això significa que l'extracció del metall de les matèries primeres és un procés que consumeix molta energia i requereix tecnologies ben ajustades. La producció comercial segueix dos mètodes completament diferents: electròlisi del clorur de magnesi o reducció tèrmica de l’òxid de magnesi mitjançant el procés Pidgeon. L’electròlisi va representar una vegada aproximadament el 75 per cent de la producció mundial de magnesi. Tanmateix, a principis del segle XXI, quan la Xina va ser la principal productora mundial de magnesi, el baix cost de mà d’obra i energia allí va permetre que el procés Pidgeon fos viable econòmicament tot i ser menys eficient que l’electròlisi.

Electròlisi

Els processos electrolítics consten de dues etapes: la preparació d’un pinso de primera planta que conté clorur de magnesi i la dissociació d’aquest compost en metall de magnesi i gas de clor a les cèl·lules electrolítiques.

En els processos industrials, els pinsos cel·lulars es componen de sals fosques que contenen clorur de magnesi anhidre (essencialment sense aigua), parcialment deshidratat clorur de magnesi o carnallita anhidra. Per tal d'evitar les impureses presents en minerals de carnallita, es produeix una carnallita artificial deshidratada mitjançant cristal·lització controlada a partir de solucions que contenen magnesi i potassi. El clorur de magnesi parcialment deshidratat es pot obtenir mitjançant el procés Dow, en el qual l’aigua de mar es barreja en un floculador amb una dolomita reactiva cremada lleugerament. Un hidròxid de magnesi insoluble precipita fins a la part inferior d’un dipòsit d’assentament, d’on és bombat com a puré, filtrat, convertit en clorur de magnesi per reacció amb àcid clorhídric i assecat en una sèrie de passos d’evaporació fins al contingut d’aigua del 25 per cent. La deshidratació final té lloc durant la fosa.

El clorur de magnesi anhidre es produeix mitjançant dos mètodes principals: la deshidratació de salmorra clorur de magnesi o la cloració de l’òxid de magnesi. En aquest darrer mètode, exemplificat pel procés IG Farben, es barreja dolomita lleugerament cremada amb aigua de mar en un floculador, on es precipita l’hidròxid de magnesi, es filtra i es calcina a l’òxid de magnesi. Es barreja amb carbó vegetal, format en glòbuls amb l'addició de solució de clorur de magnesi i s'asseca. Els glòbuls es carreguen en un cloritzador, un forn d’eix folrat de maó, on s’escalfen per elèctrodes de carboni fins a aproximadament 1.000-11.200 ° C (1.800–2.200 ° F). El gas de clor introduït a través dels forats en el forn reacciona amb l’òxid de magnesi per produir clorur de magnesi fos, que es tapia a intervals i s’envia a les cèl·lules electrolítiques.

La deshidratació de salmorra de magnesi es realitza per etapes. En el procés de Norsk Hydro, les impureses s’eliminen primer per precipitació i filtració. La salmorra purificada, que conté aproximadament un 8,5 per cent de magnesi, es concentra per evaporació al 14 per cent i es converteix en partícules en una torre de perforació. Aquest producte s’asseca més a partícules lliures d’aigua i es transmet a les cèl·lules electrolítiques.

Les cèl·lules electrolítiques són essencialment vasos folrats de maó equipats amb múltiples càtodes d'acer i ànodes de grafit. Aquests es munten verticalment a través de la caputxa cel·lular i se submergeixen parcialment en un electròlit de sal fosa compost de clorurs alcalins als quals s’afegeix el clorur de magnesi produït en els processos descrits anteriorment en concentracions del 6 al 18 per cent. La reacció bàsica és:

Les temperatures de funcionament varien de 680 a 750 ° C (1.260 a 1.380 ° F). El consum elèctric és de 12 a 18 quilowatts-hora per quilo de magnesi produït. El clor i altres gasos es generen als anodes del grafit i el metall de magnesi fos es flota a la part superior del bany de sal, on es recull. El clor es pot reutilitzar en el procés de deshidratació.

Reducció tèrmica

En la producció tèrmica, la dolomita es calcina a òxid de magnesi (MgO) i calç (CaO), i es redueix per silici (Si), produint gas de magnesi i una escòria de silicat dicalci. La reacció bàsica, és endotèrmic, és a dir, cal aplicar calor per iniciar-lo i mantenir-lo. Si el magnesi assoleix una pressió de vapor de 100 quilopascals (1 atmosfera) a 1.800 ° C (3.270 ° F), els requisits de calor poden ser força elevats. Per tal de baixar les temperatures de reacció, els processos industrials funcionen al buit. Hi ha tres mètodes principals, que difereixen pels seus mitjans de subministrament de calor. En el procés de Pidgeon, la dolomita mòlta i calcinada es barreja amb un ferrosilicó finament mòlt, es va arrebossar i es carrega en rèpliques cilíndriques de níquel-crom d'acer. Una sèrie de rèpliques s’instal·len horitzontalment en un forn a gas o amb gas, amb les seves tapes i els sistemes de condensadors connectats que s’estenen fora del forn. Després d’un cicle de reacció a una temperatura de 1.200 ° C (2.200 ° F) i sota una pressió reduïda de 13 pascals, s’eliminen dels condensadors cristalls de magnesi (anomenats corones), s’evacua escòria com a sòlid i es retorna la rèplica. En el procés de Bolzano, les briquetes dolomita-ferrosilicon s’apilen en un sistema especial de suport a la càrrega a través del qual es realitza un escalfament elèctric intern a la càrrega. Una reacció completa triga de 20 a 24 hores a 1.200 ° C per sota de 400 pascals.

L’escòria de silicat dicalci produït pels processos anteriors té un punt de fusió d’uns 2.000 ºC (3.600 º F) i per tant està present com a sòlid, però, afegint alumina (òxid d’alumini, Al ₂ O ₃) a la càrrega, la el punt de fusió es pot reduir a 1.550–1.600 ° C (2.825–2.900 ° F). Aquesta tècnica, utilitzada en el procés de Magnetherm, té l’avantatge que l’escòria líquida es pot escalfar directament per corrent elèctric mitjançant un elèctrode de coure refrigerat per aigua. La reacció de reducció es produeix a 1.600 ° C i a una pressió de 400-7070 pascals. El magnesi vaporitzat es condensa en un sistema separat connectat al reactor, i les escòries fosques i el ferrosilic es troben a intervals.