2.3 Фізико-металургійні основи магнію 2.3.1 Магній в земній корі
Магній - один з найпоширеніших у земній корі елементів, він посідає VI місце після кисню, кремнію, алюмінію, заліза і кальцію. У літосфері (за А.П.Виноградовим) вміст магнію становить 2,1%. У природі магній зустрічається тільки у вигляді сполук. Він входить до складу багатьох мінералів: карбонатів, силікатів та ін. До найважливіших із таких мінералів відносять, зокрема, вуглекислі карбонатні породи, що створюють величезні масиви на суші і навіть цілі гірські хребти - магнезит MgCO3 і доломіт MgCO3(CaCO)3. Під шарами різних наносних порід разом з покладами кам'яної солі відомі колосальні поклади й іншого легкорозчинного магнійвмісного мінералу - карналіту MgC12(KC1·6H2O) (у Солікамську, наприклад, пласти карналіту досягають потужності до 100 м). Крім того, у багатьох мінералах магній тісно зв'язаний з кремнеземом, утворюючи, наприклад, олівін [(Mg, Fe)2SiO4] і, що рідше зустрічається, форстерит (Mg2SiO4). Інші магнійвмісні мінерали - це бруцит Mg(OH)2, кізерит MgSO4, епсоміт MgSO4·7H2O, каїніт MgSO4(KCl·3H2O). На поверхні Землі магній легко утворює водні силікати (тальк, азбест та ін.), зразком яких може служити серпентин 3MgO(2SiO2·2H2O); із відомих науці 1500 мінералів близько 200 (більше 13%) містять магній. Проте природні сполуки магнію широко зустрічаються і в розчиненому вигляді. Окрім різних мінералів і гірських порід, 0,13% магнію у вигляді MgCl2 постійно містяться у водах океану (його запаси тут невичерпні - близько 61016 т) і в солоних озерах і джерелах. У рослинних і тваринних організмах магній міститься в кількостях порядку сотих часток відсотка, а до складу хлорофілу входить до 2% Mg. Загальний вміст цього елемента в живій речовині Землі оцінюється величиною близько 1011 тонн. При нестачі магнію припиняються ріст і розвиток рослин. Накопичується він переважно у насінні. Введення магнієвих сполук у грунт помітно підвищує врожайність деяких культурних рослин (наприклад, буряка).
У компактній формі і у відчутних кількостях магній був уперше отриманий у 1828 р. Антуаном Олександром Брутом Буссі (1794-1882) шляхом нагрівання суміші безводного MgCl2 з калієм у скляній трубці. У результаті реакції калій з'єднався з хлором, витісняючи магній з утворенням КС1 і Mg. З цих дослідів почався перший етап металургії магнію, який повністю ґрунтувався на хімічних методах. За технологією, схожою з методом Брута Буссі, у Франції, Англії і Сполучених Штатах працювали невеликі заводи, що виробляли металевий магній. Таке виробництво існувало до кінця минулого століття, поки не був створений електролітичний спосіб отримання магнію. Конкурувати з ним хімічний спосіб не зміг, оскільки використовував дорогі відновники - металевий натрій і калій, крім того, при хімічному способі не вдавалося створити періодичний технологічний процес.
2.3.2 Електролітичний спосіб отримання магнію
У 1830 р. Майкл Фарадей отримав декілька грамів металевого магнію шляхом пропускання електричного струму через розплав MgCl2. У 1852 р. цей метод був детально досліджений і вдосконалений Робертом Бузеном (1811-1897рр.), який також здійснив перше масове виробництво магнію. За допомогою його електролізера, що складається з фарфорового тигля і двох вугільних електродів пилкоподібної форми, занурюваних зверху в розплав зневодненого MgCl2, йому вдавалося всього за декілька секунд отримувати «корольок» магнію вагою в декілька грам. Пилкоподібна форма електродів була необхідна для утримання капельок магнію, щоб уникнути їх підйому на поверхню і самозайманню. При цьому принципове значення для підвищення продуктивності грало повне зневоднення MgCl2.
Технологія електролітичного отримання магнію за час свого застосування піддалася значним удосконаленням,
проте її принципи, природно, залишилися без кардинальних змін.
Сучасне апаратурне оформлення електролітичного виробництва магнію принципово мало чим відрізняється від першого магнієвого електролізера промислового типу на 300 А, розробленого Гретцелем і застосованого їм уперше в 1883 р.
Основною сировиною для отримання магнію служать магнієві руди і карналіт MgCl2·KCl·6H2O, магнезит MgCl3, доломі MgCl3 ·CaCO3, бішофіт MgCl2·6H2O.
Найпоширеніший спосіб отримання магнію – електролітичний – складається з двох процесів – отримання хлористого магнію MgCl2 і його електролізу. Основна сировина для отримання магнію в нашій країні – карналіт. З метою збагачення подрібнений карналіт обробляють гарячою водою. При цьому хлориди MgCl2 і КСl переходять в розчин, охолоджуючи який одержують кристали штучного карналіту. Для видалення вологи його спочатку обпалюють у печах з «киплячим» шаром, а потім плавлять в електропечах.
У разі використання як сировини магнезиту і доломіту їх спочатку обпалюють, а потім піддають хлоруванню за наявності вуглецю, одержуючи хлористий магній MgCl2.
Електроліз хлористого магнію здійснюють у футерованих шамотом електролізерах, що складаються з ряду комірок, що включають вугільний анод 4 (рис. 2.9) і два катоди у вигляді сталевих пластин 2. У верхній герметизуючій частині комірки анодний простір відокремлений від катодного шамотною перегородкою для збирання і відведення хлору, що виділяється. Електролітом для отримання магнію служить розплав солей MgCl2, СаCl2, NaCl, KCl з додаванням NaF і KF. Електроліз проводять при температурі 720°С, напруженні струму близько 3 В і силі 30-50 кА. Витрата електроенергії на отримання 1 т магнію становить 15-17 тис. кВт · год.
Рисунок 2.9 – Схема електролізера для отримання магнію
Іони магнію, що утворюються у результаті електролізу, розряджаються на катодних пластинах 2, збираються у краплі і спливають на поверхню електроліту. Рідкий магній періодично видаляють вакуум-ковшом. Іони хлору розряджаються на аноді і виходять на поверхню під перегородку 1, звідки відкачуються насосом. На дні ванни утворюється шлак 3.
