NO139005B - Fremgangsmaate til fremstilling av magnesium ved reduksjon av oksydisk magnesiumholdig materiale med karbon - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte til fremstilling av magnesium ved reduksjon av et oksydisk magnesiumholdig materiale ved høy temperatur ved hjelp av karbon.

En reaksjon av denne type, hvor temperaturen overstiger 2000°C, er kjent. Den antatte reaksjon, MgO + C ^ Mg + CO,

er reversibel, og det dannes samtidig to gassformige produkter (magnesiumdamp og karbonmonoksyd) som har en tendens til å omsettes under dannelse av utgangsmaterialene ved lavere temperatur, f.eks. ved temperaturer mellom 1120 og 2000°C. Det var derfor nødvendig å bruke bråkjøling ved reaksjonen. Reaksjonen har riktignok vært anvendt i teknisk målestokk på denne måte, men den er vanskelig og uøkonomisk i praksis.

Fra US-patent nr. 2.205.66o er det kjent å fremstille magnesium ved reduksjon av magnesiumoksydholdig materiale med karbon i nærvær av kromoksyd sammen med kalk og/eller silika. Kromoksydet anvendes vanligvis i mengder på 2-25, fortrinnsvis 4-10 vekt%

av den samlede charge, og temperaturen er 1400°C eller høyere og trykket under 25 mm Hg. I patentets tre eksempler var utbyttet 66,3%, 56,2% og 47,5% av den teoretiske mengde magnesiummetall.

Det ble nå funnet at reaksjonen mellom magnesiumoksyd og karbon kan utføres ved temperaturer vesentlig lavere enn 2000°C

under oppnåelse av et forbedret utbytte av magnesiummetall og uten at det er nødvendig å tilsette ytterligere oksyder så som kalk eller silika. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvor magnesium erholdes ved reduksjon av et oksydisk magnesiumholdig materiale ved hjelp av karbon ved en temperatur mellom 1000 og 2000°C og et

-5 4

trykk mellom 10 og 10 mm Hg i nærvær av et metall, er karakterisert ved at det som metall anvendes jern, kobolt eller nikkel i en mengde tilsvarende 0,5-25 ganger den vektmengde karbon som er påkrevet for reduksjon av MgO til Mg. Foretrukne utførelses-

former er presisert i kravene.

Det karbon som anvendes for reduksjonen, blir ganske enkelt blandet med metallet, eksempelvis jern, men kan også fore-ligge oppløst i metallet, eventuelt i fast oppløsning. Blandingens fysikalske tilstand kan finnes av de kjente fasediagrammer for karbon og jern (eller kobolt eller nikkel). Reduksjonen utføres fortrinnsvis mellom 1100°C og 1700°C, helst mellom 1200 og 1600°C, hvilket betyr en enklere prosessutførelse og en betydelig energi-besparelse.

Etter reduksjonsreaksjonen gjenvinnes tilsatsmetallet (jern, kobolt, nikkel). Tilsatsmetallets funksjon er ikke helt klarlagt, det kan eksempelvis beskrives som en katalysator. Det vil være klart at tilsatsmetallet kan bestå av en blanding av de tre metaller, eller to av disse.

Blandingens reaksjon kan enkelt skrives som følger:

MgO + C —> Mg + CO. Som denne reaksjonsligning viser, kreves ett atom karbon pr. molekyl magnesiumoksyd for fullstendig omdannelse. Det er imidlertid mulig å bruke et overskudd eller et underskudd av karbon i reaksjonsblandingen. Ved blanding av eksempelvis et overskudd av karbon med magnesiumoksyd og jern vil man få: et reaksjonsprodukt som består av Fe, C og Mg, hvis det anvendes et tilstrekkelig høyt trykk. Dette produkt kan eksempelvis anvendes ved avsvovling av stål eller støpejern.

Hvis det anvendes et underskudd av karbon ved subatmosfærisk trykk, fås et residuum som meget lett lar seg blande med magnesiumoksydet og karbon til det opprinnelige forhold, hvoretter blandingen kan opphetes påny. Følgelig blir tilsatsmetallet resirkulert. Residuets prosessegenskaper kan også forbedres ved at man ikke lar reaksjonen gå helt ut, hvorved sammensintring av metallpartiklene i residuet unngås.

Hvis det under reaksjonen stadig er tilstede tilstrekkelig karbon i forhold til metall, så vil dette ha en gunstig virkning på reaksjonstemperaturen, fordi metallene kan danne lavtsmeltende legeringer (eutektika) med karbon. Eksempelvis smelter den eutektiske blanding av jern og karbon ved ca. 1150°C.

Reaksjonen utføres ifølge oppfinnelsen ved et trykk mellom

-5 4 -3 2 10 og 10 mm Hg, fortrinnsvis mellom 10 og 10 mm Hg.

Ved fremstilling av magnesiummetall er det fordelaktig at dette metall utvinnes fra reaksjonsblandingen i gassformig tilstand.

Hvis reaksjonen utføres ved en forholdsvis lav temperatur, er det fordelaktig å anvende subatmosfærisk trykk, hvorved reaksjonshastig-heten økes. Eksempelvis finner man fremdeles en høy reaksjonshas-tighet ved 1200°C og et trykk på IO-"* mm Hg. ;Det ovenfor nevnte produkt, bestående av Fe, C og Mg, frem-stilles ved høyt trykk. ;Ettersom nå lave reaksjonstemperaturer kan anvendes, finner ;man at undertrykkelsen av den omvendte reaksjon Mg + CO—* MgO + C

ikke lenger avstedkommer noen problemer. I en enkel vannkjølt kondenser for eksempel ble magnesiummetall med en renhet over 95% av-

satt. Lett oksyderbart magnesiumpulver var ikke dannet; det avsatte materiale var lett å smelte.

EKSEMPEL I

Fe-pulver, MgO-pulver og C-pulver ble blandet og opphetet i

en digel av zirkoniumoksyd i en vakuumovn. Utgangsblandingen inneholdt 25 vekt% magnesiumoksyd, 4 vekt% karbon og 71 vekt% jern. Temperaturen var ca. 1500°C og trykket 10~<3> mm Hg. Etter forsøTcet fant man at residuet ikke lenger inneholdt karbon, og en mengde på 16,8% magnesiumoksyd var fremdeles tilstede.

EKSEMPEL II

52,4 g av en blanding inneholdende 35% MgO, 15% karbon og

50% Fe ble opphetet i 3 timer ved 1200°C under et trykk på 1,5 x 10~<3>

mm Hg. Det ble målt et vekttap på 46%. Residuet inneholdt fremdeles 3,9% magnesiumoksyd. Det dannede magnesium ble avsatt som et speil-belegg i apparatets kjøler.

EKSEMPEL III

23,8 g av en blanding av 35 vekt% MgO, 15 vekt% karbon og

50 vekt% jern ble opphetet i 3 timer ved ca. 1430°C i en zirkoniumoksyd -di gel i en ovn under et trykk på 3,5 mm Hg. Det magnesiummetall som var sublimert fra digelen, inneholdt 2,7% oksygen.

EKSEMPEL IV

24,83 g av en blanding av 50,5 vekt% MgO, 15,3 vekt% karbon

og 34,2 vekt% jern ble opphetet i en zirkoniumoksyd-digel i 2 timer ved ca. 1380°C og et trykk på 10 mm Hg. Ved hjelp av C-analyse av residuet (13,05 g) ble det beregnet at 4,57 g magnesium var sublimert.

EKSEMPEL V

19,8 g av en blanding av 35% MgO, 15% karbon og 50% nikkel

ble opphetet i 100 minutter ved 1390°C i en aluminiumoksyd-digel ved et trykk på ca. 3 mm Hg. På basis av reaksjonsblandingens vekttap

(35,5%) og residuets oksygeninnhold (5,0%) var det mulig å beregne at ca. 77% av magnesiumoksydet var omdannet.

EKSEMPEL VI

27,9 g av en blanding inneholdende 35% MgO, 15% karbon og 50% kobolt ble opphetet i 1,5 time ved 1380°C i en zirkoniumoksyd-digel ved et trykk på ca. 4 mm Hg. På basis av reduksjonsblandingens vekttap (39%) og residuets oksygeninnhold (3,3%) var det mulig å beregne at ca. 85% av magnesiumoksydet var omdannet.

EKSEMPEL VII

98,3 g av en blanding av 40% MgO, 18% karbon og 42% jern ble holdt ved en temperatur på ca. 1350°C i et gasstett keramisk rør ved et trykk på ca. 10 mm Hg. 19,7 g magnesium ble avsatt i en kondenser. Dette magnesium inneholdt 1,8 vekt% oksygen, 1,4 vekt% karbon og 0,1 vekt% jern. Beregnet Mg-utbytte: ca. 80 vekt%.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av magnesium ved reduksjon av et oksydisk magnesiumholdig materiale ved hjelp av karbon ved en o -5 4 temperatur mellom 1000 og 2000 C og et trykk mellom 10 og 10 mm Hg i nærvær av et metall, karakterisert ved at det som metall anvendes jern, kobolt eller nikkel i en mengde tilsvarende 0,5-25 ganger den vektmengde karbon som er påkrevet for reduksjon av MgO til Mg.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at magnesiumoksyd, karbon og metall i pulverform blandes godt, og at blandingen deretter opphetes.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, karakterisert ved at magnesiumoksyd blandes med et underskudd av karbon i nærvær av jern, nikkel eller kobolt, og at det ved reaksjonen erholdte magnesium avdampes, hvoretter karbon og magnesiumoksyd igjen tilsettes til residuet til det opprinnelige forhold, hvorved det nevnte jern, nikkel eller kobolt resirkuleres.