Metalurgia Magnezu

Metalurgia Magnezu

Dr hab. inż. Andrzej

Dr hab. inż. Andrzej

Modrzyński

Modrzyński

Prof. nadzw. PP

Prof. nadzw. PP

Metalurgia magnezu

Metalurgia magnezu



Magnez jest metalem którego zawartość w

Magnez jest metalem którego zawartość w

skorupie ziemskiej można ocenić na 8

skorupie ziemskiej można ocenić na 8

miejscu. Jego zawartość w skorupie wynosi

miejscu. Jego zawartość w skorupie wynosi

2.4%

2.4%

.

.



Pierwiastek ten jest także w wodach

Pierwiastek ten jest także w wodach

oceanicznych i jego koncentrację można

oceanicznych i jego koncentrację można

ocenić na

ocenić na

0.13%.

0.13%.



Na świecie występuje około 60 minerałów

Na świecie występuje około 60 minerałów

które zawierają magnez natomiast

które zawierają magnez natomiast

znaczenie komercyjne techniczne ma tylko

znaczenie komercyjne techniczne ma tylko

około 12 z tej grupy

około 12 z tej grupy

Podstawowe rudy magnezu

Podstawowe rudy magnezu

Do podstawowych rud magnezu

Do podstawowych rud magnezu

zaliczamy:

zaliczamy:



Dolomit

Dolomit

( MgCO

( MgCO

3

3

·CaCO

·CaCO

3

3

),

),



Magnezyt

Magnezyt

(MgCO

(MgCO

3

3

),

),



Br

Br

ucit

ucit

[ Mg(OH)

[ Mg(OH)

2

2

],

],



Karnalit

Karnalit

[ MgCl

[ MgCl

2

2

KCl·6H

KCl·6H

2

2

O ].

O ].

Właściwości magnezu

Właściwości magnezu



Mała gęstość tego metalu –

Mała gęstość tego metalu –

ρ

ρ

Mg

Mg

=

=

1,74 g/cm

1,74 g/cm

3

3

( dla porównania

( dla porównania

ρ

ρ

Al

Al

=

=

2,7 oraz

2,7 oraz

ρ

ρ

Fe

Fe

=7,86)

=7,86)



Wysoka wytrzymałość właściwa

Wysoka wytrzymałość właściwa

,

,

R

R

m

m

/

/

ρ

ρ

=158 kNm/kg

=158 kNm/kg



Temperatura topnienia – 650

Temperatura topnienia – 650

o

o

C,

C,



Temperatura wrzenia – 1090

Temperatura wrzenia – 1090

o

o

C

C

Zakres zastosowania

Zakres zastosowania



Dodatek do stopów Al

Dodatek do stopów Al

– 43%

– 43%



Odlewanie ciśnieniowe ( stopy Mg) – 31%

Odlewanie ciśnieniowe ( stopy Mg) – 31%



Sferoidyzacja żeliwa

Sferoidyzacja żeliwa

– 13%

– 13%



inne

inne

- 13%

- 13%

Procesy stosowane do

Procesy stosowane do

wytwarzania Magnezu

wytwarzania Magnezu



Podstawowe procesy

Podstawowe procesy

:

:



Redukcja związku wapnia CaMg(CO

Redukcja związku wapnia CaMg(CO

3

3

)

)

2

2

z

z

dolomitem za pomocą krzemu – Pigeon

dolomitem za pomocą krzemu – Pigeon

Proces ( Kanada- okres II Wojny

Proces ( Kanada- okres II Wojny

Światowej)

Światowej)



Elektrochemiczna Redukcja krzemem

Elektrochemiczna Redukcja krzemem

stopionego chlorku magnezu

stopionego chlorku magnezu

( otrzymanego z wody morskiej)

( otrzymanego z wody morskiej)

PIGEON PROCES

PIGEON PROCES



Redukcja tlenku magnezu krzemem

Redukcja tlenku magnezu krzemem

MgO

MgO

(solid)

(solid)

+ Si

+ Si

(solid)

(solid)





Mg

Mg

(gaz)

(gaz)

+ SiO

+ SiO

2(solid)

2(solid)



Tlenek magnezu może być także

Tlenek magnezu może być także

redukowany przez C, Al ale Si jest tani

redukowany przez C, Al ale Si jest tani



Ta reakcja jest silnie endotermiczna i dla jej

Ta reakcja jest silnie endotermiczna i dla jej

przebiegu niezbędna jest wysoka

przebiegu niezbędna jest wysoka

temperatura (1800

temperatura (1800

o

o

C)

C)



Poniżej 1800

Poniżej 1800

o

o

C ciśnienie par magnezu jest

C ciśnienie par magnezu jest

mniejsze od 0,1MPa i reakcja ta nie przebiega

mniejsze od 0,1MPa i reakcja ta nie przebiega

Etapy w produkcji Magnezu

Etapy w produkcji Magnezu



Etap I

Etap I

Kalcynacja dolomitu ( T= 1300

Kalcynacja dolomitu ( T= 1300

o

o

C)-

C)-

reakcja endotermiczna

reakcja endotermiczna



CaMg(CO

CaMg(CO

3

3

)

)

2

2

= CaO + MgO + 2CO

= CaO + MgO + 2CO

2

2



Etap II

Etap II



Produkcja żelazo-krzemu (Fe-Si)

Produkcja żelazo-krzemu (Fe-Si)

wykorzystywanego jako reduktor –

wykorzystywanego jako reduktor –

reakcja endotermiczna

reakcja endotermiczna

Fe

Fe

2

2

O

O

3

3

+ 4SiO

+ 4SiO

2

2

+ 11C = 2(Fe)Si

+ 11C = 2(Fe)Si

2

2

+

+

11CO

11CO

Etapy w produkcji Magnezu

Etapy w produkcji Magnezu



Etap III

Etap III

Redukcja MgO przy wykorzystaniu

Redukcja MgO przy wykorzystaniu

jako reduktora żelazokrzemu ( Fe-Si)

jako reduktora żelazokrzemu ( Fe-Si)

w próżni w temperaturze 1200 –

w próżni w temperaturze 1200 –

1500

1500

o

o

C

C

,

,

2MgO + 2CaO + (Fe)Si = 2Mg

2MgO + 2CaO + (Fe)Si = 2Mg

(g)

(g)

+

+

Ca

Ca

2

2

2SiO

2SiO

4(Solid)

4(Solid)

+ Fe

+ Fe



Pary magnezu krystalizują w postaci

Pary magnezu krystalizują w postaci

porowatego osadu na ściankach reaktora

porowatego osadu na ściankach reaktora

Schemat procesu

Schemat procesu

DOLOMITE

PRODUCTION

BLENDING

AND

COMPACTIO

N

Fe-Si

PRODUCTIO

N

HIGH

TEMPERATURE

REACTOR

MAGNESIUM

CROWNS

Magnesium

Casting

House

Komercyjne procesy

Komercyjne procesy



Pidgeon process ( inventor Dr. L.M.

Pidgeon process ( inventor Dr. L.M.

Pidgeon- 1940 ),

Pidgeon- 1940 ),



Boltzano Process ( operated by

Boltzano Process ( operated by

Brasmag in Brazil - 1980)

Brasmag in Brazil - 1980)



Magnetherm Process ( developed by

Magnetherm Process ( developed by

Pechiney -1960).

Pechiney -1960).

PIGEON PROCES

PIGEON PROCES



Jest realizowany w reaktorze

Jest realizowany w reaktorze

przedstawionym na schemacie.

przedstawionym na schemacie.



Ten reaktor ma kształt rury o średnicy

Ten reaktor ma kształt rury o średnicy

0,3 m i długości 3 m i jest ogrzewany

0,3 m i długości 3 m i jest ogrzewany

z zewnątrz do temperatury 1200

z zewnątrz do temperatury 1200

o

o

C

C

przy ciśnieniu w reaktorze 13Pa

przy ciśnieniu w reaktorze 13Pa



Czas procesu – 8-10 godz.

Czas procesu – 8-10 godz.

Wsad do reaktora

Wsad do reaktora

Skład wsadu do reaktora:

Skład wsadu do reaktora:



Fe-Si (75%)

Fe-Si (75%)

- 16,3% masy

- 16,3% masy



MgO

MgO

- 35,0% masy

- 35,0% masy



CaO

CaO

- 48,0% masy

- 48,0% masy

Jedna retorta pozwala na otrzymanie ok.

Jedna retorta pozwala na otrzymanie ok.

70kg Mg przy zużyciu energii elektrycznej

70kg Mg przy zużyciu energii elektrycznej

około

około

30kWh/kg Mg.

30kWh/kg Mg.

Reaktor –Pigeon Proces

Reaktor –Pigeon Proces

BOLZANO Proces

BOLZANO Proces



Proces charakteryzuje się tym , że do

Proces charakteryzuje się tym , że do

reaktora wprowadzamy uprzednio

reaktora wprowadzamy uprzednio

przygotowany wstępnie wsad

przygotowany wstępnie wsad



Reaktor wykonany jest ze stali wyłożonej

Reaktor wykonany jest ze stali wyłożonej

materiałem ogniotrwałym

materiałem ogniotrwałym



Cylindryczna pokrywa reaktora służy do

Cylindryczna pokrywa reaktora służy do

gromadzenia magnezu

gromadzenia magnezu



Prąd elektryczny jest dostarczony do wsadu

Prąd elektryczny jest dostarczony do wsadu

i nagrzewa go do wymaganej temperatury

i nagrzewa go do wymaganej temperatury



Bezpośrednie nagrzewanie wsadu powoduje

Bezpośrednie nagrzewanie wsadu powoduje

spadek zużycia energii elektrycznej

spadek zużycia energii elektrycznej

BOLZANO

BOLZANO

REACTOR

REACTOR

Wsad do reaktora

Wsad do reaktora



Ze wsadu złożonego z:

Ze wsadu złożonego z:

5Mg – dolomit

5Mg – dolomit

0,7Mg – Fe-Si(78%)

0,7Mg – Fe-Si(78%)

otrzymujemy:

otrzymujemy:

1Mg – Magnezu,

1Mg – Magnezu,

5Mg –

5Mg –

Ca

Ca

2

2

SiO

SiO

4(s)

4(s)



Wydajność procesu 2Mg Magnezu/ dobę

Wydajność procesu 2Mg Magnezu/ dobę



Temperatura realizacji procesu – 1200

Temperatura realizacji procesu – 1200

o

o

C,

C,



Ciśnienie w reaktorze 400Pa

Ciśnienie w reaktorze 400Pa



Czas trwania procesu – 8-12 godz.

Czas trwania procesu – 8-12 godz.



Uzysk Magnezu ok. 80%

Uzysk Magnezu ok. 80%

Gromadzenie magnezu

Gromadzenie magnezu



Magnez krystalizuje na chłodzonej

Magnez krystalizuje na chłodzonej

wodą pokrywie reaktora i posiada

wodą pokrywie reaktora i posiada

temperaturę 400-500

temperaturę 400-500

o

o

C

C



Czystość magnezu – 99.98 –

Czystość magnezu – 99.98 –

99,99%Mg

99,99%Mg



Zużycie energii – 7,0-7,7 kWh/ kg Mg

Zużycie energii – 7,0-7,7 kWh/ kg Mg

Magnetherm Process

Magnetherm Process



W procesie tym stosowany jest także

W procesie tym stosowany jest także

reaktor z ogrzewaniem wewnętrznym

reaktor z ogrzewaniem wewnętrznym



Proces jest realizowany w wyższej

Proces jest realizowany w wyższej

temperaturze ( 1600

temperaturze ( 1600

o

o

C) oraz przy

C) oraz przy

wyższym ciśnieniu

wyższym ciśnieniu

( 400-670 Pa ).

( 400-670 Pa ).



Reaktor zbudowany jest z dwóch

Reaktor zbudowany jest z dwóch

połączonych reaktorów

połączonych reaktorów

Budowa reaktora

Budowa reaktora

Dwie połączone przestrzenie reakcyjne

Dwie połączone przestrzenie reakcyjne

:

:



Wyłożony grafitem cylinder reakcyjny

Wyłożony grafitem cylinder reakcyjny



Cylindryczny kondenser dla odzysku

Cylindryczny kondenser dla odzysku

ciepła i gromadzenia magnezu

ciepła i gromadzenia magnezu

Magnetherm

Magnetherm



Magnetherm reactor

Magnetherm reactor

produkuje

produkuje

magnez ze wsadu złożonego z

magnez ze wsadu złożonego z

mielonego dolomitu, żelazo-krzemu i

mielonego dolomitu, żelazo-krzemu i

boksytu które są dozowane do

boksytu które są dozowane do

przestrzeni reakcyjnej

przestrzeni reakcyjnej



Proces opisuje reakcja

Proces opisuje reakcja

:

:

MgO

MgO





CaO (solid)+Fe-Si (solid)+Al

CaO (solid)+Fe-Si (solid)+Al

2

2

O

O

3

3

(solid)

(solid)





Mg (gas)+Al

Mg (gas)+Al

2

2

O

O

3

3





SiO

SiO

4

4

(liquid)

(liquid)

+ +Fe(Si)(liquid)

+ +Fe(Si)(liquid)

Magnetherm

Magnetherm



Dodatek Al

Dodatek Al

2

2

O

O

3

3

do wsadu pozwala obniżyć

do wsadu pozwala obniżyć

temperaturę topnienia Ca

temperaturę topnienia Ca

2

2

(SiO

(SiO

4

4

) z

) z

temperatury 2000

temperatury 2000

o

o

C do 1600

C do 1600

o

o

C

C



Pozwala także na oporowe nagrzewanie

Pozwala także na oporowe nagrzewanie

żużla wytworzonego w czasie procesu.

żużla wytworzonego w czasie procesu.



Ciepło do układu jest dostarczane przez

Ciepło do układu jest dostarczane przez

zanurzoną w żużlu elektrodę miedzianą

zanurzoną w żużlu elektrodę miedzianą

chłodzoną wodą która dostarcza 4500kW

chłodzoną wodą która dostarcza 4500kW

energii elektrycznej pomiędzy elektrody

energii elektrycznej pomiędzy elektrody

zanurzone we wsadzie (drugą elektrodą

zanurzone we wsadzie (drugą elektrodą

jest wyłożenie grafitowe )

jest wyłożenie grafitowe )

Skład elektrolitu

Skład elektrolitu



CaSiO

CaSiO

4

4

-

-

50%

50%



Al

Al

2

2

O

O

3

3

-

-

18%

18%



MgO

MgO

-

-

14%

14%



CaO

CaO

-

-

18%

18%

Wydzielanie Mg

Wydzielanie Mg



Stosowane jest przedmuchiwanie

Stosowane jest przedmuchiwanie

przestrzeni reakcyjne Ar aby

przestrzeni reakcyjne Ar aby

zapobiec krystalizacji magnezu na

zapobiec krystalizacji magnezu na

zimnych fragmentach wsadu

zimnych fragmentach wsadu