Elaborarea Magneziului

Elaborarea Magneziului Facultatea de Construcii de Masini si Management Industrial

Student: Gavrila Alexandra Andreea Prof. Coordonator:Bejinariu Costic Grupa:4108A CuprinsElaborarea Magneziului...pagina 4Generaliti..4Propietile chimice si utilizri ale magneziului.5Aplicaii nestructurale.5Aplicaii structurale.....................6Principii si tehnologii de obinere....7Elaborarea magneziului si a aliajelor de magneziu......8Metalurgia magneziului............2Caracteristicile materiei prime pentru producia de magneziu12Pregatirea materiei prime pentru electroliza13Rafinarea magneziului.....14Notiuni despre producerea magneziului prin metode termice......15 Bibliografie

Academia de stiine tehnice din Romania

Tratat de stiin si ingineria materialelor metalice Vol 2

Bazele Teoretice si ingineria obinerii materialelor metalice

Editura:Agir,Bucureti 2007

Autori:-Prof ing. Rami erban

-Prof ing.- Constantin Dumitru

-Prof ing.Petru Moldovan

-Prof ing.Maria Nicolae

Tratat de tehnologia materialelor

Editura:Academiei Romane

Autori:-Gheroghe Amza

-Viorel Ovidiu Rndou

-Gabriel Marius Dumitru

-Catalin Gheorghe Amza

Tehnologia materialelor Editura:Tehnica

Autori:-A.N.Galinin

-N.P.Dubinin,

-S.P.Jevtunov

-S.T. Nazarov

-K.P.Psn Cenko

-V.A.Popov

-L.A.Popov

-M.V.Storojev

Generaliti

Datorit raspandirii mari in natur a magneziului ,greutile specifice mici si caracteristicilor mecanice destul de nalte in ultimii ani i s-a acordat o mare atenie.Numele provine de la o provincie greceasc din Tesalia,Magnezia.Magneziul a fost identificat de Josef Black in anu 1755 i a fost produs pentru prima dat.In stare liber a fost obinut pentru prima oar de Boussy 1829,prin metoda chimica.In 1830 Faraday a obinut pentru prima dat magneziu prin electroliza clorurii de magneziu opite.Prin utilajul de tip industrial a fost construit in 1883 de catre Gretzell.Industria magneziului s-a dezvoltat pe scara forte larg in Germania si S.U.A. n timpul primului razboi mondial.Dupa terminarea razboiului producia mondial de magneziu s-a ntrerupt si pana in 1930 nu a depait 2000 tone pe an.Anilor din cel de al doilea razboi mondial le este caracterizat creterea vertiginoas a produciei de magneziu,atat prin metoda electrolitic cat si prin cea termic.ncepnd cu anii 1960 industria chimic si cea metalurgic in special a inceput sa fie preponderena in utilizarea magneziului.

Magneziu face parte din grupa IIa,metalelor alcalino-pmntoase,cu nr de ordine 12.

Propietile mecanico-fizice:

Culoare:alb-argintie

Greutate atomica:24,305kg/kmol

Configuraia electronic:1s2s2p(La 6)3s Densitatea:1738kg/m Densitatea in stare lichid:1584kg/m Temperatura de topire:650C

Temperatura de fierbere:1090C

Caldura latent de topire:8,48kj/mol

Caldura de vaporizare:128kJ/mol

Rezistivitatea electric Conductibilitatea termic Coeficientul de dilatare termic Modul Young:45GPa Modulul de elasticitate transversal:17GPa

Duritatea Mohas:2,5

Rezistena chimic:260MPa Izotopi instabili

Raspandirea in scoara raza atomic Raza ionic Sistemul cristalografic

La creterea temperaturii propietaile fizico-mecanice ale magneziului se inrutaesc foarte mult Porpietile chimice si utilizri ale magneziuluiMagneziul pur este rezistent la acizii fluorhidric si cromic si in soluiile de hidroxizi alcani.Ali acizi anorganici dizolva magneziul.Magneziul sub forma de piese turnate sau semifabricate nu este inflamabil.Acesta se aprinde numai la o temperatura apropiat de punctul de topire.Magneziul nu reacioneaz cu oxigenul din aer la temperatur joas.Sub form de srm sau pulbere arde,cand este aprins in aer,dnd nastere unui fum abundent de oxid de magneziu si emind o lumin alb orbitoare.

Din cauza caldurii de formare mari oxidului sau magneziu dislocuiete multe metale din oxizii lor,dnd oxidul de magneziul si metalul respectiv.Magneziu nu reacioneaz cu apa rece,cu ap cald,magneziu se combin mai usor

Mg este al treilea cel mai folosit metal in aplicaii structurale ,dup aluminiu.n prezent magneziul este folosit att ca material de rezisten ct si in aplicaiile care se bazeaz pe propietaile sale chimice si metalurgice.

Aplicaii nestructurale

Din cauza locului naintat din seria de reactivitate,Mg este folosit ca anod de sacrificiu pentru protejarea oelului la coroziune,aliajele folosite n acest scop sunt produse prin turnare in forme permanente sau prin extruziune

Sub forma de pulbere Mg este adaugat in fonta cenuie in vedere nodularizrii,obtinndu-se fonta maleabila Utilizarea foarte important a pulberii de Magneziu este in furnalele de obinere a oelului prin ndepartarea sulfului,imbunatind eficacitatea furnalului si mrind duritatea oelului

Pulbere de Mg este folosit la producerea reactivului Grignard,folosit in farmaceutic si indsutria chimic ca materie prim Sub form extrudat sau folii Mg este folosit la foto-gravuri

Lingourile de Mg reprezint principalul element de aliere al aluminiu,crescandu-i acestuia rezisten mecanic si la coroziune,

Este folosit ca agent reductor a minereului de uraniu sau a altor metale din srurile acestora

Bromura de magneziu este folosit ca sedativ uor

Bromatul si sulfatul de magneziu sunt utilizate ca dezinfectani

Fosfatul de magneziu este izolator impotriva focului pentru construciile de lemn

Ionul de magneziu este foarte necesar organismului uman,deci sarurile de magneziu sunt folosite ca aditivi pentru mancare sau ca fertilizatori(deoarece magneziul intra in compoziia clorofilei)

Aplicaii StructuraleStructurile din magneziu sunt realizate prin turnare in forme de nisip,in forme permanente ,forme destructibile prin turnare sub presiune i prin forjare i extrudarea foilor sau a placilor.Semifabricatele produse prin aceste metode sunt transformate in produse finite prin aschiere,profilarea si imbinarea.Acoperirile decorative sau pentru protecie se realizeaz prin acoperire chimica,vopsire sau pe cale lectroliticCea mai rapid metod de reproducere a pieselor structurale este prin turnare sub presiune.Metoda este deseori si cea mai rentabil din punct de vedere economic.Este eficient mai ales in vederea producerii pieselor cu seciuni foarte.subiri.Creterea actual foarte accentuat a fost stimulat si de dezvoltar ea unui aliaj de puritate ridicat si care rezista la coroziune fara a necesita tratamente finale(AZ91D).Turnarea sub presiune se realizeaza in camere reci,camere calde si printr-o metod recent,similar realizrii pieselor din plastic prin injecie.Aceast metode cunoscute ca turnare Thixo presupune folosirea unei instalaii care impinge prin inubarea aliajului semilichid,injectand-ul in cantiti prestabilite in matrie.

Compuii magneziului in special oxidului de magneziu sunt folosii ca material refractar pentru captueala furnalelor de fier,hotel ,metale neferoase,sticl si ciment.Oxidul de Magneziu este folosit in agricultura ,industria chimic si in construcii.Mg metalic este folosit ca element de aliere in aliajele de aluminiu.Acestea sunt folosite in principal pentru cutiile de buturi

n industria auto aliajele de magneziu au fost folosite pentru pima dat n 1957cnd Corvette SS(o maina de curse) a fost fabricat cu caroseria de de magneziu.Motoarele automobilelor sunt facute din ce in ce mai mult din aliaje de magneziu

Din cauza folosirii crescande a aliajelor de magneziu in industria auto pentru prima dat in istorie,in decembrie 2005 preul aliajului de magneziu pentru automobile a scazut sub cel al aliajului A380(aliajul de aluminiu folosit in acelas domeniu)

Al doilea mare domeniu de utilizare al magneziu este in electronic.Din cauza densitaii mici,proietilor mecanice si electrice bune,Magneziu este larg folosit la producerea telefoanelor mobile,laptop-urile si a altor componente electronice.Magneziu este extras fie din carnalit fie din dolomit,fie din ap de mare.In ar noastra se poate extrage Mg din dolomit si din apa Marii Negre.Din cauza largii raspandiri si a depozitelor de magneziu foarte usor disponibile se poate spune ca n termeni umani depozitele sunt inepuizabile

La obinerea oxidului din magneziu din dolomita acestea trebuie calcinata la temperatura maxima de 800C.Dupa calcinare dolomita trebuie macinata astfel ca minim 80% din material sa treac pintr-o sita de 150 mesi.Dolomita natural pur,puin impurificat este una din cele mai bune tipuri de materii prime pentru obinerea clorurii de magneziu dezhidratata.

Magneziu este obinut fie prin electroliza clorurii de magneziu topite,fie prin reducerea termica a oxidului de magneziu.

Principii si tehnologii de obinereProcedeele electrolicite au la baz electroliza topiturii de clorura de magneziu n amestec cu clorurile ale matalelor alcaline sau alcalino-pamntoase.In cadrul acestor procedee deosebim dou faze importante :obinerea clorurii de magneziu in stare pur deshidratat si electroliza MgCl2 din sruri topite cu rafinarea magneziului obinut.

Procedeele termice au la baz reducerea oxidului de magneziu cu carbon,carbid ,aluminiu sau ferosiliciu.Fazele principale ale tehnologiei sunt reducerea si distilarea vaporilor de magneziu si obinerea magneziului metalic compact in stare lingou

Se obine ori prin reducere electrolitic a MgCl2 se obine din apa de mare,saramur sau lucuri srate.MgO se obine in special din apa de mare sau din dolomit (fig 9.50)

La baza procesului de obtinerea magneziului sta reacia: MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2Hidroxidul de magneziu se carbonizeaz dupa recaia: Mg(OH)2+2CO2Mg(HCO3)2Soluia de bicarbonat se descompuneMg(HCO3)2+2H2)MgCO33H2O+CO2Dupa centrifugare rezidual solid de carbon se usuc.In acest caz are loc reacia:

4(MgCO33H2))4MgO+4CO2+12H2O

La obinerea oxidului de magneziu pentru clorurare trebuie acordat o atenie puritii si gradului de activitate al oxidului de magneziu

Clorurarea oxidului de magneziu se desfoar dupa reacia:

MgO+Cl2MgCl2+1/2O2In urma studiilor efectuate s-a dedus ca formarea clorurii de magneziu in intervalul de temperatur 200-300C are loc la un raport de O2:Cl2 de circa 2,3.Totui la aceste temperaturi viteza de reacie de clorurare este foarte mica.Viteze aceptabile de clorurare se obin la 500-700C dar la aceste temperaturi clorura de magneziu poate exista numai la concentraie de clor in gaz de cel puin 80-90%.In legtur cu aceast clorur se face astfel ca presiunea parial a oxigenului in faza gazoas sa fie mult mai mic dect cea de echilibru la temperatura dat.In practic trebuie sa se foloseasc clorul care conine mari cantiti de oxigen care deseori mresc concentraiile de echilibru la temperatur de clorurare(800-1000C).De aceea,clorurarea are loc in prezena unui oarecare reductor care leag oxigenul.Ca reductori la clorurarea oxidului de magneziu se pot folosi carbunii,cocsul,turba si oxidul de carbon.La clorurarea oxidului de magneziu in prezena carbonului i oxidului de carbon au loc urmatoarele reacii: MgO+C+Cl2=MgCl2=CO=34,0Kcal

2MgO+C+Cl2=2MgCl2=CO2=70,8 Kcal

MgO+CO+Cl2=MgCl2+CO2+70,8Kcal Elaborarea magneziului si a aliajelor de magneziuMagneziu este un metal de culoaore alb-argintie care are urmatoarele propieti:

Densitatea(la293K)-1,7410[kg/m]

Temperatura de topire-923K

Temperatur de fierbere-1370k

Are o afinitate foarte mare fat de oxigen,acoperindu-se la temperatur ambiana cu o pelicul protectoare

In stare pur este maleabil

Cele mai raspndite forme sub care se afl n natur sunt carnalita (MgCl2KCl6H2O) si dolomita (MgCO3CaCO3):

-ncalzirea n vederea obinerii clorurii de magneziu (MgCl2)

-extragerea electrolitic Eliminarea apei de cristalizare din carnalit se face iniial prin ncalzire n aer si apoi in atmosfer de acid clorhidric,care mpiedic hidroliza clorurii de magneziu anterior obinute:

MgCl26H2OMgCl2H2)+5H2O

MgCl2H2O+HClMgCl2+H2+HClElectroliza clorurii de magneziu se face in baie de sruri topite care conine pe lang clorura de magneziu si cloruri de hotel.Magneziul lichid depus la catod se extrage prin canale de vid

Hidrometalurgic magneziul se obine din dolomit in urmatoarele etape (vezi schema tehnologic de mai jos)

-solubilizarea(ieirea)dolomitei

-calcinarea concentratului

-clorurarea in vedere obinerii clorurii de magneziu

-extragerea electroliticLesierea dolomitei se face cu ap,obinndu-se hidroxidul de magneziu:

MgCO3CaCO3+2H2OMg(OH)2+Ca(OH)2+2CO2Prin splare si precipitare se separ hidroxidul de magneziu,care se calcineaz obinandu-se oxidul de magneziu.

Clorurarea magneziului se face intr-un cuptor electric(fig2.116) a crui inclzire se realizeaz prin efectul rezistiv al rondelelor din grafit 5 aflate in contact cu electrozii din grafit 6.Clorul introdus prin conducta 4 va asigura reacia de clorurare care are loc in prezena carbonului:

Schema tehnologic de obinere a magneziului

MgO+Cl2+ClMgCl2+COMgO+Cl+Cl+COMgCl2+CO2Clorura de magneziu topit se evacueaz prin conducta 7 direct in cuvele de electroliz.

Aliajele de magneziu se elaboreaz din metale primare ,prealiaje i/sau deeuri in cuptoare cu creuzet,cu flacar sau electrice cu rezisten sau inducie)

Aliajele pe baza de magneziu trebuie protejate in timpul elaborrii mpotriva oxidrii si dizolvrii gazelor in special a hidrogenului.Pentru aceasta,topirea incrcturii se face sub fluxul de protecie care este format din halogenurile MgCl2,KCl,BaCl2,CaF2)

Alierea se realizeaz astfel:

-manganul se ntroduce sub forma de prealiaj(Al+Mn) sau sub forma de clorura de mangan(MnCl2)

-aluminiu se introduce ntodeauna dupa mangan,

-zincul se introduce la sfrsitul alierii

-beriliu i siliciul se introduc sub forma de prealiaje(Mg+Be,Mg+Si)

-zirconiul se introduce sub forma de fluoruri duble de sodiu sau potasiu i zirconiu(k-ZrF6,NaZrF6-ceriul i borul se introduce dup rafinarea pentru c reacioneaz cu clorul i se pierd

Fig 2.116

1-instalaie de ncrcare

2-cuptor

3-aglomerat de oxid de magneziu si crbune

4-conducta de alimentare de clor

5-rondele de grafit

6-electrozi de grafit

7-conducta de evacuare a clorurii de magneziu

8-orificiu de evacuare a gazelor

Metalurgia MagneziuluiElaborarea magneziului prezint o serie de greuti ,deoarece la temperaturi nalte magneziul se combin cu oxigenul si arde complet.Magneziul se obine prin dou metode:Prin electroliza clorurii de magneziu sau prin reducerea termic a magneziului,direct din materiile prime.n Rusia,primele lucrri pentru obinerea magneziului prin electroliza clorurii topite au fost efectuate in 1915,La institutul Politehnic si Electrotehnic din Petersburg.n anii 1916-1917,producia de magneziu prin electroliz a fost organizat pe scar mic la institutul de Stat de Chimie Aplicat.Fondatorul teoriei si al practicii metalurgiei magneziului in uniunea Sovietica a fost P.P.FedotievIn legatur cu organizarea industriei de magneziu ,in U.R.S.S. s-au creat cteva institute de cercetri stiinifice care au studiat pe scara larg i au elaborat procedeele de obinere a magneziului.Cercetrile stiinifice in domeniul metalurgiei magneziului au fost conduse de P.F.Antipin,I.V.Vaimanov,V.M.Guskov si N.G.Scerbakov.Rezultatele acestor lucrri au permis sa se pun in funciune,in 1931,prima uzina experimental de magneziu la Leningrad,unde in colaborare cu institutele de cercetri stiinifice au fost elaborate metode industriale de procedere a magneziului.Primele uzine pentru industria magneziului au fost construite in Ucraina si Ura.

In Cincinalul postbelic,producia de magneziu a crescut foarte mult

Caracteristicile materiei prime pentru producia de MagneziuMagneziu face parte din metalele cele mai rspandite in scoara pamantului.n natur se gasete in diferite minerale a caror compoziie chimic este dat in tabela 15.

Ca materie prim pentru producia magneziului se utilizeaz magnezit,dolomit,carnalit si bisofit,care se obin din ap marin sau a lacurilor srate.

Magnezita este un carbonat natural de magneziu MgCo3 cu 28,8%Mg i care conine alte elemente(Si,Fe si Ca) sub form de compui.Zcmintele din Satkino i din Halilovo sunt cele mai importante.Coninutul de oxid de magneziu al magnezitei din zcmintele care se exploateaz ajunge pana la 43-47%.

Dolomita este un carbonat dublu de magneziu si de calciu MgCO3.CaCO3 care conine peste 13,2%Mg.Coninutul de oxid de magneziu al dolomitei variaz intre 14 si 22%.Zcmintele importante de dolomi se gasesc la Jiguliovsk,Nikitovsk,Scelkovsk,Podolsk etc.Carnalita este o clorura dubl de magneziu si de potasiu MgCl2.KCl-H2O coninnd 8,8%Mg.coninutul de clorura de magneziu al carnalitei variaz ntre 12 si 30%.Cel mai mare zacmant din lume se afl n U.R.S.S.(verhnekamsk,Ucraina Apusean si multe altele).Soluiile naturale de srituri de magneziu reprezint surse inepuizabile pentru producia de magneziu .astfel de exemplu 1000t ap marin conin o ton magneziu.Principalul compus de magneziu din ap de mare si din lacurile srate este bisofita care este o clorura de magneziu cu ase molecule de ap si care conine 12%Mg.n Uniunea sovietic exist numeroase lacuri sarate:La Saksk,Sivassk etc care conin n soluie 0,83-0,89%Mg.

Pregtirea materiei prime pentru electrolizMateria prima trebuie pregtit in prealabil,nainte de a trece in bile de electroliz.

Magnezia se prjete la temperatura de 850-900,descompunndu-se dup reacia:MgCO3-:MgO+CO3.Oxidul de magneziu obinut se numete Magnezie(magnezia usta).Prin metodele de prelucare termic,magnezia se reduce direct in magneziu metalic.Pentru a fi supus electrolizei,MgO se supune clorurarii la temperatura de 800-900,in prezena carbunelui:MgO+C+Cl2MgCl2+CO

Clorura de magneziu se supune electrolizei in stare topita,aducandu-se pentru prelucrare si alte saruri(Kcl si NaCl)

Dolomita se prajete pentru a se descompune in MgO si CaO.La metode termice de prelucrare,dolomita se utilizeaza imediat dupa prajire,pentru a se obine magneziu prin metoda reducerii.3nainte de electroliza,dolomita se clorureaza,pentru a se obine clorura de magneziu.

Carnalita poate fii utilizata direct pentru electroliza,dup purificare si deshidratare.apa se ndeparteaz din carnalit n cuptoare tambur,la temperatura de 480-500.Apoi carnalita se topete in cuptoare electrice unde se las sa se depun pentru a se indeprta MgO.Dupa retopire,carnalita deshidratat,care conine 43-50%0,3-0,7%MgO,restul KCl si NaCl se trimite la electroliz.n practica actual se fabric carnalita sintetic din diferite materii prime.Carnalita sintetic conine mai puine impuriti(MgO,Fe,SO3 etc)Bisofita se deshidrateaza nainte de electroliza.Indepartarea ultimei molecule de ap este legat de mari greutti,deoarece clorura de magneziu se poate hidroliza in aer liber:

MgCl+H2OMgO+2HCl

Din aceast cauza deshidratarea complet se face la presiune mare de HCl sau de CH4Cl.Bisofita deshidratata se topete in cuptoare,se lasa sa se depuna pentru indepartarea MgO i se trimite la electroliza in stare topit. Rafinarea Magneziului

Magneziu obtinut prin electroliz conine MgCl2,CaCl2 si NaCl,are-i nrutesc propietile,de aceea magneziul trebuie rafinat.Pentru aceasta el se retopete n cuptoare electrice si se cur de impuriti cu ajutorul fondanilor,turnndu-se apoi in blocuri.In practica modern,rafinarea magneziului este efectuat adeseori simultan cu elaborarea diferitelor aliaje de magneziu.Arderea magneziului la rafinare ajunge pana la 5% consumul de fondani40-60% si consumul suplimentar de energie electric 900-950 kWh pentru o ton de magneziu,Metalul rafinat conine pan la 99,5-99,85%Mg.Calitile de magneziu,dupa GOST,sunt date in tabelul 16.

Magneziu Primar(Tabelul 16)

Procesul tehnologic de obinere a magneziului prin electroliz este complicat i necesit un consum mare de energie electric.De aceea,metodele termice mai simple prezint un interes deosebit

Noiuni despre producerea magneziului prin metode termiceMetodele termice de obinere a magneziului au nceput s fie introduse pe scar larg in industrie,incepand din 1940-1941.aceste metode permit s se obtina magneziu direct din materia prima,cu ajutorul unui combustibil ieftin si al unei aparaturi simple.Un loc important printre metoda carbido-termic.Aceste doua metode se bazeaza pe subtituirea magneziului din compuii lui,prin alte metale.Cercetarea acestor fenomene a fost fcut de chimistul rus N.N.Beketov,iar rezultatele acestor cercetri au fost publicate in 1865.totusi,lucrri industriale pentru a utiliza reducerea cu carbon au fost ncepute abia intre 1920-1930.n U.R.S.S. primele lucrari de reducere a magneziului din magnezit cu ajutorul aluminiului,siliciului si al aliajelor acestora au fost efectuate sub conducerea lui P.F.Antipin.Lucrri in continoare,n domeniul metodeo termice de obinere a magneziului,au fost facute de muli cercetatori sovietici i au dar rezultate preioase pentru industrie.

Reducerea magneziului din oxid de magneziu cu ajutorul siliciului sau a

aliajelor sale are loc confrom reaciei:

2MgO+2CaO+Si2CaOSiO2+2Mg

Reducerea se face in retorde din oel inoxidabil legate cu nite cristalizatoare.Procesul decurge n vid (0,1 at),la o temperatur de 1100-1200C.ncalzirea retordelor se face n cuptoare speciale,ncalzite cu combustibil sau cu electricitate.Ca reducator se utilizeaza ferosiliciul sau aliaje de siliciu de 75%.ntr-o retorda se incarca aproximativ 3,5-4 t materie prim,din care se obine pna la 500-600kg magneziu.

Metode carbido-termica de obinere a magneziului consta n reducerea magneziului din oxid de magneziu cu ajutorul carbidului CaC2,conform reaciri:

3MgO+CaC23Mg+CaO+2CO.

Din oxidul de magnez i carbid se fac brichete care se incarca in retorte i se ncalzesc n vid pn la 1100-1200C.La aceasta temperatur magneziul care se reduce se evapora i se condenseaz sub form de cristale,ntr-un cristalizator se formeaza un inel de metal cu un continut de 99,85%Mg.PAGE 2