Procesamiento de magnesio, preparación de mineral de magnesio para su uso en diversos productos.
El magnesio (Mg) es un metal blanco plateado que es similar en apariencia al aluminio pero pesa un tercio menos. Con una densidad de solo 1.738 gramos por centímetro cúbico, es el metal estructural más ligero conocido. Tiene una estructura cristalina hexagonal compacta (hcp), por lo que, como la mayoría de los metales de esta estructura, carece de ductilidad cuando se trabaja a temperaturas más bajas. Además, en su forma pura, carece de resistencia suficiente para la mayoría de las aplicaciones estructurales. Sin embargo, la adición de elementos de aleación mejora sus propiedades hasta el punto de que tanto las aleaciones de magnesio fundidas como las de hierro forjado se usan ampliamente, particularmente cuando el peso ligero y la alta resistencia son importantes.
El magnesio es fuertemente reactivo con el oxígeno a altas temperaturas; por encima de 645 ° C (1,190 ° F) en aire seco, arde con una luz blanca brillante y calor intenso. Por esta razón, los polvos de magnesio se usan en pirotecnia. A temperatura ambiente, se forma una película estable de hidróxido de magnesio insoluble en agua en la superficie del metal, protegiéndolo de la corrosión en la mayoría de las atmósferas. Al ser un reactivo fuerte que forma compuestos estables con cloro, oxígeno y azufre, el magnesio tiene varias aplicaciones metalúrgicas, como en la producción de titanio a partir de tetracloruro de titanio y en la desulfuración de hierro de alto horno. Su reactividad química también es evidente en los compuestos de magnesio que tienen una amplia aplicación en la industria, la medicina y la agricultura.
Historia
El magnesio deriva su nombre de la magnesita, un mineral de carbonato de magnesio, y se dice que este mineral debe su nombre a los depósitos de magnesita que se encuentran en Magnesia, un distrito en la antigua región griega de Tesalia. Se dice que el químico británico Humphry Davy produjo una amalgama de magnesio en 1808 al electrolizar el sulfato de magnesio húmedo, utilizando mercurio como cátodo. El primer magnesio metálico, sin embargo, fue producido en 1828 por el científico francés A.-A.-B. Ocupado Su trabajo implicó la reducción de cloruro de magnesio fundido por potasio metálico. En 1833, el científico inglés Michael Faraday fue el primero en producir magnesio mediante la electrólisis del cloruro de magnesio fundido. Sus experimentos fueron repetidos por el químico alemán Robert Bunsen.
La primera producción industrial exitosa se inició en Alemania en 1886 por Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen, basada en la electrólisis de la carnallita fundida. Más tarde, Hemelingen se convirtió en parte del complejo industrial IG Farbenindustrie, que, durante las décadas de 1920 y 1930, desarrolló un proceso para producir grandes cantidades de cloruro de magnesio fundido y esencialmente libre de agua (ahora conocido como el proceso IG Farben), así como la tecnología para electrolizar este producto a magnesio metálico y cloro. Otras contribuciones de IG Farben fueron el desarrollo de numerosas aleaciones fundidas y maleables, fundentes de refinación y protección, productos de magnesio forjado y una gran cantidad de aplicaciones de aviones y automóviles. Durante la Segunda Guerra Mundial, la Dow Chemical Company de los Estados Unidos y Magnesium Elektron Limited del Reino Unido comenzaron la reducción electrolítica del magnesio del agua de mar bombeada desde la Bahía de Galveston, Texas, y el Mar del Norte en Hartlepool, Inglaterra. Al mismo tiempo, en Ontario, Canadá, se introdujo el proceso de LM Pidgeon de reducir térmicamente el óxido de magnesio con silicio en retortas disparadas externamente.
Después de la guerra, las aplicaciones militares perdieron protagonismo. Dow Chemical amplió los mercados civiles mediante el desarrollo de productos forjados, tecnología de fotograbado y sistemas de tratamiento de superficies. La extracción se mantuvo en base a la electrólisis y la reducción térmica. A estos procesos se hicieron refinamientos como el calentamiento interno de las retortas (el proceso Magnetherm, introducido en Francia en 1961), la extracción de pastillas de cloruro de magnesio deshidratado (introducido por la empresa noruega Norsk Hydro en 1974) y las mejoras en la tecnología de células electrolíticas de alrededor de 1970.
A partir de 2019, China produjo alrededor del 85 por ciento del magnesio del mundo, y Rusia, Kazajstán, Israel y Brasil produjeron gran parte del resto.
Minerales y materias primas
El octavo elemento más abundante en la naturaleza, el magnesio constituye el 2.4 por ciento de la corteza terrestre. Debido a su fuerte reactividad, no ocurre en el estado nativo, sino que se encuentra en una amplia variedad de compuestos en el agua de mar, salmueras y rocas.
Entre los minerales minerales, los más comunes son la dolomita de carbonatos (un compuesto de carbonatos de magnesio y calcio, MgCO 3 · CaCO 3) y la magnesita (carbonato de magnesio, MgCO 3). Menos común es el mineral de hidróxido brucita, Mg (OH) 2, y el haluro mineral de carnallita (un compuesto de cloruros de magnesio y potasio y agua, MgCl 2 · KCl · 6H 2 O).
El cloruro de magnesio es recuperable de salmueras naturales como el Gran Lago Salado (que normalmente contiene un 1,1 por ciento en peso de magnesio) y el Mar Muerto (3,4 por ciento), pero la fuente más importante son los océanos del mundo. Aunque el agua de mar es solo aproximadamente 0,13 por ciento de magnesio, representa una fuente casi inagotable.
Minería y concentración
Tanto la dolomita como la magnesita se extraen y se concentran por métodos convencionales. La carnallita se extrae como mineral o se separa de otros compuestos de sal que son llevados a la superficie mediante la extracción minera. Las salmueras naturales que contienen magnesio se concentran en grandes estanques por evaporación solar.
Extracción y refinación.
Un reactivo químico fuerte, el magnesio forma compuestos estables y reacciona con el oxígeno y el cloro tanto en estado líquido como gaseoso. Esto significa que la extracción del metal de las materias primas es un proceso intensivo en energía que requiere tecnologías bien ajustadas. La producción comercial sigue dos métodos completamente diferentes: electrólisis de cloruro de magnesio o reducción térmica de óxido de magnesio a través del proceso Pidgeon. La electrólisis una vez representó aproximadamente el 75 por ciento de la producción mundial de magnesio. Sin embargo, a principios del siglo XXI, cuando China surgió como el principal productor mundial de magnesio, el bajo costo de la mano de obra y la energía permitieron que el proceso Pidgeon fuera económicamente viable a pesar de ser menos eficiente que la electrólisis.
Electrólisis
Los procesos electrolíticos consisten en dos pasos: la preparación de una materia prima que contiene cloruro de magnesio y la disociación de este compuesto en metal de magnesio y gas de cloro en células electrolíticas.
En los procesos industriales, las alimentaciones celulares consisten en varias sales fundidas que contienen cloruro de magnesio anhidro (esencialmente libre de agua), cloruro de magnesio parcialmente deshidratado o carnallita anhidra. Para evitar impurezas presentes en los minerales de carnallita, la carnallita artificial deshidratada se produce por cristalización controlada a partir de soluciones calentadas que contienen magnesio y potasio. Se puede obtener cloruro de magnesio parcialmente deshidratado mediante el proceso Dow, en el que el agua de mar se mezcla en un floculador con dolomita reactiva ligeramente quemada. Un hidróxido de magnesio insoluble precipita en el fondo de un tanque de sedimentación, de donde se bombea como una suspensión, se filtra, se convierte en cloruro de magnesio por reacción con ácido clorhídrico y se seca en una serie de etapas de evaporación con un contenido de agua del 25 por ciento. La deshidratación final tiene lugar durante la fundición.
El cloruro de magnesio anhidro se produce por dos métodos principales: deshidratación de salmueras de cloruro de magnesio o cloración de óxido de magnesio. En el último método, ejemplificado por el proceso IG Farben, la dolomita ligeramente quemada se mezcla con agua de mar en un floculador, donde el hidróxido de magnesio se precipita, se filtra y se calcina en óxido de magnesio. Esto se mezcla con carbón, se forma en glóbulos con la adición de solución de cloruro de magnesio y se seca. Los glóbulos se cargan en un clorador, un horno de eje revestido de ladrillos donde son calentados por electrodos de carbono a aproximadamente 1,000–1,200 ° C (1,800–2,200 ° F). El gas de cloro introducido a través de los ojos de buey en el horno reacciona con el óxido de magnesio para producir cloruro de magnesio fundido, que se extrae a intervalos y se envía a las células electrolíticas.
La deshidratación de las salmueras de magnesio se realiza por etapas. En el proceso Norsk Hydro, las impurezas se eliminan primero por precipitación y filtración. La salmuera purificada, que contiene aproximadamente 8,5 por ciento de magnesio, se concentra por evaporación al 14 por ciento y se convierte en partículas en una torre de relleno. Este producto se seca a partículas libres de agua y se transporta a las células electrolíticas.
Las celdas electrolíticas son esencialmente recipientes revestidos de ladrillos equipados con múltiples cátodos de acero y ánodos de grafito. Estos se montan verticalmente a través de la cubierta de la celda y se sumergen parcialmente en un electrolito de sal fundida compuesto de cloruros alcalinos a los que se agrega el cloruro de magnesio producido en los procesos descritos anteriormente en concentraciones de 6 a 18 por ciento. La reacción básica es:
Las temperaturas de funcionamiento varían de 680 a 750 ° C (1.260 a 1.380 ° F). El consumo de energía es de 12 a 18 kilovatios-hora por kilogramo de magnesio producido. El cloro y otros gases se generan en los ánodos de grafito, y el metal de magnesio fundido flota hacia la parte superior del baño de sal, donde se recoge. El cloro puede reutilizarse en el proceso de deshidratación.
Reducción térmica
En la producción térmica, la dolomita se calcina en óxido de magnesio (MgO) y cal (CaO), y estos se reducen con silicio (Si), produciendo gas de magnesio y una escoria de silicato dicálcico. La reacción básica
es endotérmico, es decir, se debe aplicar calor para iniciarlo y mantenerlo. Con el magnesio alcanzando una presión de vapor de 100 kilopascales (1 atmósfera) a 1.800 ° C (3.270 ° F), los requisitos de calor pueden ser bastante altos. Para reducir las temperaturas de reacción, los procesos industriales operan bajo vacío. Hay tres métodos principales, que difieren en sus medios de suministro de calor. En el proceso Pidgeon, la dolomita molida y calcinada se mezcla con ferrosilicio finamente molido, se hace briquetas y se carga en retortas cilíndricas de níquel-cromo-acero. Una serie de retortas se instalan horizontalmente en un horno a gas o petróleo, con sus tapas y sistemas condensadores conectados que se extienden fuera del horno. Después de un ciclo de reacción a una temperatura de 1.200 ° C (2.200 ° F) y bajo una presión reducida de 13 pascales, los cristales de magnesio (llamados coronas) se eliminan de los condensadores, la escoria se evacua como un sólido y la retorta se recarga. En el proceso de Bolzano, las briquetas de dolomita-ferrosilicio se apilan en un sistema especial de soporte de carga a través del cual se conduce el calentamiento eléctrico interno a la carga. Una reacción completa tarda de 20 a 24 horas a 1.200 ° C por debajo de 400 pascales.
La escoria de silicato dicálcico producida por los procesos anteriores tiene un punto de fusión de aproximadamente 2,000 ° C (3,600 ° F) y, por lo tanto, está presente como un sólido, pero, al agregar alúmina (óxido de aluminio, Al 2 O 3) a la carga, el El punto de fusión se puede reducir a 1,550–1,600 ° C (2,825–2,900 ° F). Esta técnica, utilizada en el proceso Magnetherm, tiene la ventaja de que la escoria líquida se puede calentar directamente por corriente eléctrica a través de un electrodo de cobre refrigerado por agua. La reacción de reducción ocurre a 1,600 ° C y 400-670 pascales de presión. El magnesio vaporizado se condensa en un sistema separado conectado al reactor, y la escoria fundida y el ferrosilicio se extraen a intervalos.
