Magnesiummetall används på en mängd olika marknader och applikationer som utnyttjar de unika fysiska och mekaniska egenskaperna hos elementet och dess legeringar. Användningen av magnesium ökar årligen eftersom de lätta egenskaperna används för att minska vikten, öka bränsleeffektiviteten och minska utsläppen av växthusgaser. Men hur utvinns magnesium?
Magnesiumextraktion: Horisontell Pidgeon Process
1941 utvecklade Dr Pidgeon från Dominion Magnesium i Kanada Pidgeon-processen. Kemiska reaktioner för den termiska processen är relativt enkla, inklusive dolomitnedbrytning och magnesiumoxidreduktion. Dolomitnedbrytningen eller kalcineringen involverar en endotermisk kemisk reaktion vid förhöjd temperatur.
MgCO3.CaCO3 → MgO + CaO + 2CO2
Beroende på de fysikaliska egenskaper som krävs kan kalcineringstemperaturen variera från 780 till 1450 °C kalcineringsbetingelser som påverkar reduktionsreaktionen.
Den brända dolomiten blandas sedan med ett reduktionsmedel, typiskt kisel eller aluminium, och upphettas till cirka 1150 till 1400 °C. Vid ett lågt tryck på cirka 3 till 10 Pa reducerades magnesiumoxid i dolimen till metalliskt magnesium som strömmade ut i form av gas från reaktionszonen och fångas upp vid en reducerad temperatur.
2MgO + 2CaO + Si → 2Mg + CaO.SiO2
3MgO + 2CaO + 2 l →3Mg + 2CaO.l2O3
Reduktionen av alkaliska jordartsmetalloxider med hjälp av kisel fortskrider teoretiskt enligt ekvationen:
2MO(S) + Si(s) = SiO2(s) + 2M(g) (I)
Reaktionen är reversibel. I allmänhet fortsätter den från höger till vänster vid tillåtande temperaturer med avgivande av värme och från vänster till höger endast vid höga temperaturer med absorption av värme.
Denna enkla ekvation följs dock inte, och en sekundär reaktion inträffar alltid där den resulterande kiseldioxiden kombineras med en viss mängd oreagerad alkalisk jordartsmetalloxid och bildar silikat. När därför en teoretisk reaktionsblandning används som beskrivits ovan, reduceras endast 1 mol oxid från 2 mol metalloxid och 1 mol kisel och 1 mol metall bildas och ½ mol kisel förblir oanvänd. För ett fullständigt utnyttjande av reduktionsmedlet är det nödvändigt att ha två gånger den mängd oxid som visas i ekvationen:
4MO(s) + Si(s) = 2MO.SiO2(s) + 2M(g) (II)
I allmänhet är reaktionen de fall då ett dibasiskt silikat 2MO.SiO2 har bildats. Det har visat att i ett system av alkalisk jordartsmetalloxid-kiseldioxid, bildas det tvåbasiska silikatet företrädesvis. Följaktligen, i fallet med MgO, följer reaktionen ekvation (II) där Mg ersätter M. Denna metod för reduktion av alkaliska jordartsmetaller med reduktionsmedel producerar en flyktig metall och icke-flyktig oxid som är känd som tidigt 1878.
Den termiska reduktionsprocessen fortsätter enligt följande:
1. Kalcinering av dolomit till dolim,
2. Blandning av dolimen med ett reduktionsmedel, såsom ferrokisel,
3. Uppvärmning av dolim-reduktionsmedelsblandningen är ett kärl under vakuum,
4. Kondensation av den frigjorda magnesiumångan,
5. Smältning, legering och gjutning av det kondenserade magnesiumet.
Magnesiumextraktion: Vertikal Pidgeon Process
Vertical Pidgeon Process är en relativt ny teknik, med många fördelar jämfört med Horizontal Pidgeon Process. Flera institut i Kina har tagit den vertikala processen till en industriell skala.
Med denna metod monteras retorten i ugnen i vertikalt läge, lastning och lossning av materialet fungerar automatiskt med hjälp av tyngdkraften, utrustad med en anpassad maskin, med moderniserad kontrollteknik för att övervaka materialet som förvandlas till råmagnesium och lossa slaggen.
Under tiden använder den slaggens spillvärme för att förvärma materialet; den vertikala processen anses vara miljövänlig med hög värmetillförselhastighet, vilket också säkerställer automatisering, mekanisering och minskad arbetsintensiv produktion av magnesium.
Jämfört med den traditionella horisontella processen har den vertikala processen följande fördelar:
- Produktionskapaciteten för enhetsretort ökar från 25 – 30 kg per retort till 65-70 kg. Den vertikala retorten har ett bra
- resultat genom uppvärmning och alla material är jämnt berikade i retorten. Temperaturfältet i retorten är jämnt fördelat, vilket främjar reduktionsprocessen, och det kan lämpligen utökas till retortvolymen.
- Den extra produktionscykeln förkortas med min. 1 timme per cykel, vilket är totalt min. 600 timmar per år. Det innebär en ökning med ca. 8 % i kapacitet och energieffektivitet, följaktligen.
- Tyngdkraftsarbetet har övre matning och bottenslaggning, utrustad med lämplig utrustning för att realisera slaggutsläppet och råmagnesium för mekanisk överföring. Den släpper automatiskt ut slaggen, öppnar retorten och tar magnesiummögel med modern kontrollteknik, vilket avsevärt kan förkorta den extra produktionsperioden och minska personalbehovet.
- Vertical Pidgeon Process förbättrar livslängden för reduktionsretorten. Tiden för laddning och slaggning förkortas och materialet förvärms. Fenomenet med kraftig ökning och sänkning av tanktemperaturen lindras och livslängden för reduktionsretorten förbättras. Genom att förbättra legeringssammansättningen av retorten kan minimalt underhåll uppnås.
- Som ett resultat kan en extra verkstad för återvinning av retorterna ersättas av kontrakterade tredje parter för återvinning.
- Materiallastning, slagglossning, råmagnesium som tas ut kan göras av maskinutrustning och gravitation; sålunda skulle arbetsintensiteten kunna minskas.
Magnesiumextraktion: Aluminotermisk reduktion
Den nya processen för dolomit-ren magnesiumsmältning har två delar. Den första är en ny process för omfattande användning av kalcium och magnesium separation av dolomit.
Denna process producerar magnesiumkarbonat, som är ett råmaterial för magnesiumsmältning. Detta steg löser problemet med att reduktionsslagg i Pigeonmetoden inte kan utnyttjas helt. Den andra är användningen av aluminiumtermisk reduktion, en ny magnesiumsmältningsprocess, som löser restgaserna från traditionell magnesiumsmältning och använder den mest avancerade mikrovågsuppvärmningstekniken idag.
Magnesiumextraktion: Slutsats
Under de senaste två decennierna har världsproduktionen av magnesiummetall haft en period av stark tillväxt, trots några avbrott. Sedan 2002 har den totala globala primära och sekundära produktionen ökat från uppskattningsvis 630 kt till drygt 1,1 miljoner ton eller en kumulativ årlig tillväxttakt (CAGR) på 5 %.
Den senaste tidens primärproduktionsökningar har nästan uteslutande skett i Kina, med produktionen som minskat eller upphört i flera västländer.
Kostnaden för råvaror, energi och arbetskraft i Kina ökar också, så kinesiska Pidgeon-fabrikers driftskostnader ökar, vilket pressar kostnaden för kinesisk magnesiumproduktion närmare kostnaderna för anläggningar på andra håll i världen.
Enligt den kinesiska regeringens 12:e femårsplan är den kinesiska magnesiumindustrins mål att utveckla produktion, energibesparing och utsläppsminskning, och mer input i teknisk innovation och strukturell anpassning.
På grund av betydande kapitalkostnader kommer kapaciteten för nya elektrolytiska anläggningar sannolikt att förbli minimal.
Byggandet av en ny termisk anläggningskapacitet är mer sannolikt, antingen genom Pidgeon eller alternativa processproduktionsanläggningar eller genom innovationer i råvaruproduktionsmetoder för en optimerad Pidgeon processanläggning.
