마그네슘 가공, 다양한 제품에 사용하기위한 마그네슘 광석 준비.
마그네슘 (Mg)은 알루미늄과 외관은 비슷하지만 무게는 1/3이 적은 은백색 금속입니다. 입방 센티미터 당 1.738 그램의 밀도로 알려진 가장 가벼운 구조 금속입니다. 육각형의 밀폐형 (hcp) 결정 구조를 가지므로이 구조의 대부분의 금속과 마찬가지로 저온에서 가공 할 때 연성이 부족합니다. 또한 순수한 형태로 대부분의 구조적 적용에 충분한 강도가 부족합니다. 그러나, 합금 원소의 첨가는 특히 경량 및 고강도가 중요한 경우에 주조 및 단조 마그네슘 합금이 널리 사용되는 정도로 그 특성을 개선시킨다.
마그네슘은 고온에서 산소와 강하게 반응합니다. 건조한 공기에서 645 ° C (1,190 ° F) 이상에서는 밝은 흰색 빛과 강한 열로 화상을 입습니다. 이러한 이유로, 마그네슘 분말은 불꽃 공학에 사용됩니다. 실온에서, 수 불용성 수산화 마그네슘의 안정한 필름이 금속 표면에 형성되어 대부분의 대기에서 부식되는 것을 방지합니다. 염소, 산소 및 황과 안정한 화합물을 형성하는 강력한 반응물 인 마그네슘은 사염화 티타늄에서 티타늄을 생산하고 고로 철의 탈황과 같은 여러 야금 분야에 적용됩니다. 이의 화학적 반응성은 산업, 의약 및 농업에 널리 적용되는 마그네슘 화합물에서도 분명합니다.
역사
마그네슘은 탄산 마그네슘 광물 인 마그네사이트 (magnesite)에서 유래되었으며,이 미네랄은 차례로 테살 리아의 고대 그리스 지역 인 마그네시아 (Magnesia)에서 발견 된 마그네사이트 (magnesite) 퇴적물에 이름이 붙여져 있습니다. 영국의 화학자 Humphry Davy는 수은을 음극으로 사용하여 습한 황산 마그네슘을 전기 분해하여 1808 년에 마그네슘 아말감을 생산했다고한다. 그러나 최초의 금속 마그네슘은 1828 년 프랑스 과학자 A.-A.-B에 의해 생산되었습니다. 바쁜. 그의 연구는 금속성 칼륨에 의한 용융 염화 마그네슘의 환원과 관련이 있습니다. 1833 년 영국 과학자 마이클 패러데이 (Michael Faraday)는 염화 마그네슘을 전기 분해하여 마그네슘을 처음으로 생산했습니다. 그의 실험은 독일 화학자 Robert Bunsen에 의해 반복되었습니다.
최초의 성공적인 산업 생산은 용융 카르 날 라이트의 전기 분해를 기반으로 1886 년에 알루미늄과 마그네슘 파 브릭 헤 멜링 겐에 의해 독일에서 시작되었습니다. 헤 멜링 겐은 나중에 산업 단지 IG Farbenindustrie의 일원이되었습니다. 이 제품을 마그네슘 금속 및 염소에 전기 분해합니다. IG Farben의 또 다른 기여는 수많은 주물 및 가단성 합금, 정제 및 보호 플럭스, 단조 마그네슘 제품 및 수많은 항공기 및 자동차 응용 분야의 개발이었습니다. 제 2 차 세계 대전 동안 미국의 다우 케미칼 회사와 영국의 마그네슘 엘렉 트론 (Elektron Limited)은 텍사스 갤버스턴 베이 (Galveston Bay)와 영국 하 틀풀 (Hartlepool)의 북해에서 펌핑 된 해수에서 마그네슘의 전해 환원을 시작했다. 동시에 캐나다 온타리오에서는 외부 소성 된 레토르트에서 실리콘으로 산화 마그네슘을 열적으로 환원시키는 LM Pidgeon의 프로세스가 도입되었습니다.
전쟁이 끝난 후 군사 응용 프로그램의 중요성이 사라졌습니다. Dow Chemical은 가공 제품, 사진 제판 기술 및 표면 처리 시스템을 개발하여 민간 시장을 확대했습니다. 전기 분해 및 열 감소에 기초하여 추출이 유지되었다. 이러한 공정은 레토르트의 내부 가열 (1961 년 프랑스에서 도입 된 Magnetherm 공정), 탈수 된 염화 마그네슘 프릴에서 추출 (1974 년 노르웨이 회사 Norsk Hydro에 의해 도입 됨) 및 약 1970.
2019 년 현재 중국은 세계 마그네슘의 약 85 %를 생산했으며 러시아, 카자흐스탄, 이스라엘 및 브라질은 나머지 대부분을 생산했습니다.
광석 및 원료
자연에서 8 번째로 가장 풍부한 원소 인 마그네슘은 지각의 2.4 %를 구성합니다. 그것의 강한 반응성으로 인해, 그것은 본래의 상태에서 발생하지 않고 오히려 바닷물, 소금물 및 암석의 다양한 화합물에서 발견됩니다.
광석 광물 중에서 가장 흔한 것은 탄산염 백운석 (마그네슘 및 탄산 칼슘의 화합물, MgCO 3 · CaCO 3) 및 마그네사이트 (마그네슘 탄산염, MgCO 3)입니다. 수산화물 광물 브루 사이트, Mg (OH) 2 및 할라이드 광물 카날 라이트 (마그네슘 및 염화칼륨 및 물의 화합물, MgCl 2 · KCl · 6H 2 O) 는 덜 일반적이다.
염화 마그네슘은 그레이트 솔트 레이크 (일반적으로 1.1 중량 %의 마그네슘을 함유 함) 및 사해 (3.4 %)와 같은 자연 발생 소금물로부터 회수 할 수 있지만, 가장 큰 근원은 세계의 바다입니다. 해수는 마그네슘의 약 0.13 %에 불과하지만 거의 배출 할 수없는 공급원입니다.
광업 및 집중
백운석과 마그네사이트는 모두 기존의 방법으로 채굴되고 농축됩니다. 카날 라이트는 광석으로 파거나 용액 채굴에 의해 표면으로 가져 오는 다른 염 화합물로부터 분리된다. 자연적으로 발생하는 마그네슘 함유 소금물은 태양 증발에 의해 큰 연못에 집중됩니다.
추출 및 정제
강력한 화학 시약 인 마그네슘은 안정적인 화합물을 형성하고 액체 및 기체 상태에서 산소 및 염소와 반응합니다. 즉, 원료에서 금속을 추출하는 것은 잘 조정 된 기술이 필요한 에너지 집약적 인 프로세스입니다. 상업적 생산은 완전히 다른 두 가지 방법, 즉 염화 마그네슘의 전기 분해 또는 Pidgeon 공정을 통한 산화 마그네슘의 열 감소를 따릅니다. 전기 분해는 한때 세계 마그네슘 생산의 약 75 %를 차지했습니다. 그러나 21 세기 초에 중국이 세계 최고의 마그네슘 생산국으로 부상했을 때, 낮은 노동력과 에너지 비용으로 전기 분해보다 효율이 낮지 만 Pidgeon 공정이 경제적으로 실행 가능해졌습니다.
전기 분해
전해 공정은 염화 마그네슘을 함유 한 공급 원료의 제조 및 전해조에서이 화합물을 마그네슘 금속 및 염소 가스로 해리하는 두 단계로 구성된다.
산업 공정에서, 세포 공급 물은 무수 (본질적으로 물이없는) 염화 마그네슘, 부분적으로 탈수 된 염화 마그네슘 또는 무수 카르 날 라이트를 함유하는 다양한 용융 염으로 구성된다. 카날 라이트 광석에 존재하는 불순물을 피하기 위해, 탈수 된 인공 카날 라이트는 가열 된 마그네슘-및 칼륨-함유 용액으로부터의 결정화 된 제어에 의해 생성된다. 부분적으로 탈수 된 염화 마그네슘은 다우 공정에 의해 얻어 질 수 있으며, 여기서 해수는 가볍게 연소 된 반응성 백운석과 함께 응집 기에서 혼합된다. 불용성 수산화 마그네슘은 침전 탱크의 바닥에 침전되어 슬러리로 펌핑되고, 여과되고, 염산과의 반응에 의해 염화 마그네슘으로 전환되고, 25 %의 수분 함량으로 일련의 증발 단계에서 건조된다. 최종 탈수는 제련 중에 발생합니다.
무수 염화 마그네슘은 염화 마그네슘 염수의 탈수 또는 산화 마그네슘의 염소화의 두 가지 주요 방법으로 생성됩니다. IG Farben 공정으로 예시 된 후자의 방법에서, 가볍게 연소 된 백운석은 응집제에서 해수와 혼합되며, 여기서 수산화 마그네슘이 침전되고, 여과되며, 산화 마그네슘으로 소성된다. 이것을 목탄과 혼합하고, 염화 마그네슘 용액을 첨가하여 소구 체로 형성하고 건조시킨다. 소 구체는 브릭 라이닝 된 샤프트 퍼니스 (chlorinator)에 충전되며, 탄소 전극으로 약 1,000-1,200 ° C (1,800-2,200 ° F)로 가열됩니다. 퍼니스의 포트홀을 통해 유입 된 염소 가스는 산화 마그네슘과 반응하여 용융 된 염화 마그네슘을 생성하며, 간격을 두드리고 전해 전지로 보내집니다.
마그네슘 염수의 탈수는 단계적으로 수행됩니다. Norsk Hydro 공정에서는 먼저 침전 및 여과에 의해 불순물을 제거합니다. 약 8.5 %의 마그네슘을 함유 한 정제 된 소금물은 14 %로 증발하여 농축되어 프릴 링 타워에서 미립자로 변환됩니다. 이 생성물은 물이없는 입자로 추가로 건조되어 전해조로 이송된다.
전해 전지는 본질적으로 다수의 강철 캐소드 및 흑연 애노드가 장착 된 브릭-라인 용기이다. 이들은 셀 후드를 통해 수직으로 장착되고 상기 기술 된 공정에서 생성 된 염화 마그네슘이 6 내지 18 %의 농도로 첨가되는 알칼리 염화물로 구성된 용융 염 전해질에 부분적으로 침지된다. 기본 반응은 다음과 같습니다.
작동 온도는 680 ~ 750 ° C (1,260 ~ 1,380 ° F)입니다. 소비 전력은 마그네슘 킬로그램 당 12-18 킬로와트시입니다. 염소 및 기타 가스가 흑연 양극에서 생성되고 용융 마그네슘 금속이 염욕 상단으로 부유하여 수집됩니다. 염소는 탈수 과정에서 재사용 할 수 있습니다.
열 감소
열 생산에서 백운석은 산화 마그네슘 (MgO)과 석회 (CaO)로 소성되며, 실리콘 (Si)에 의해 환원되어 마그네슘 가스와 규산 칼슘 슬래그가 생성됩니다. 기본 반응
흡열 성입니다. 즉, 열을 발병하고 유지하려면 열을 가해 야합니다. 마그네슘이 1,800 ° C (3,270 ° F)에서 100 킬로 파스칼 (1 기압)의 증기압에 도달하면 열 요구량이 상당히 높아질 수 있습니다. 반응 온도를 낮추기 위해 산업 공정은 진공 상태에서 작동합니다. 열 공급 방식에 따라 세 가지 주요 방법이 있습니다. Pidgeon 공정에서, 분쇄 및 하소 된 백운석은 미세하게 분쇄 된 페로 실리콘과 혼합되어 연탄 화되고 원통형 니켈-크롬-강 레토르트로 충전됩니다. 많은 레토르트가 석유 또는 가스 연소로에 수평으로 설치되며, 덮개와 응축기 시스템이 퍼니스 밖으로 확장됩니다. 1,200 ° C (2,200 ° F)의 온도에서 13 파스칼의 감압하에 반응 사이클 후, 응축기에서 마그네슘 결정 (크라운)이 제거되고 슬래그가 고체로 배출되고 레토르트가 재충전됩니다. 볼 차노 공정에서, 백운석-페로 실리콘 연탄은 내부 전기 가열이 충전으로 수행되는 특수 충전 지원 시스템에 쌓입니다. 완전한 반응은 1,200 ° C에서 400 파스칼 미만에서 20 ~ 24 시간이 걸립니다.
칼슘 실리케이트 슬래그 상기 방법에 의해 2,000 ℃ (3600 ° F) 및 알루미나를 첨가함으로써, 고체 따라서 존재하지만 대한 융점 (산화 알루미늄, 알루미늄 가지고 제조 2 O 3 전하에)를 상기 융점은 1,550–1,600 ° C (2,825–2,900 ° F)로 감소 될 수 있습니다. Magnetherm 공정에 사용되는이 기술은 액체 슬래그가 수냉식 구리 전극을 통해 전류에 의해 직접 가열 될 수 있다는 이점을 갖는다. 환원 반응은 1,600 ° C 및 400-670 파스칼 압력에서 발생합니다. 기화 된 마그네슘은 반응기에 부착 된 별도의 시스템에서 응축되고, 용융 슬래그 및 페로 실리콘이 간격을 두드려진다.
