NO176972B - Fremgangsmåte for fremstilling av magnesium ved metallotermisk reduksjon av MgO - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av magnesium ved metallotermisk reduksjon av MgO.

Magnesium fremstilles industrielt ved både elektrolyttiske og pyrometallurgiske teknikker, idet den førstnevnte svarer for størstedelen av magnesiumfremstilling. Forsåvidt som de pyrometallurgiske teknikker angår så har disse blitt oppdelt i karbotermiske og metallotermiske reduksjonsteknikker. Den metallotermiske teknikken, som foreliggende oppfinnelse dreier seg om, innebærer reduksjon av MgO med et metall (denne betegnelse er heri benyttet for å innbefatte silisium). Av økonomiske årsaker er det reduserende metallet vanligvis silisium (tilveiebrakt i form av ferrosilisium) skjønt det er mulig å anvende aluminium, kalsium eller deres legeringer som reduserende metall.

Magnetherm-prosessen som innebærer den silisiumtermiske reduksjon av MgO svarer for ca. 20% av den aktuelle mag-nesiumproduksjonen i verden, og de andre 80% fremstilles ved elektrolyttiske teknikker. Mer spesielt innebærer Magnetherm-prosessen den silisiumtermiske reduksjon av MgO i form av kalsinert dolomitt (dolomitt = MgC03CaC03) fra et smeltet slaggbad ifølge den totale ligning:

Fremgangsmåten er imidlertid beheftet med en rekke ulemper, slik som angitt i det nedenstående.

Reaksjonen fremmes ved den lave silisiumdioksydaktiviteten i det resulterende slagget og ved operasjon under et vakuum på 0,05 atm. Sl aggsammensetningen holdes ved eller nær 55$ CaO, 25% Si02, 14Sé A1203og b% MgO (alt i vekt-#) og reaksjonen finner sted ved 1550°C. Nøyaktig regulering av slaggsammensetning er vesentlig. Ved operasjonstemperaturen på 1550°C er Magnetherm-slaggsysternet ikke fullstendig smeltet og inneholder 40Sé faststoffer som dekalsiumsilikat (2CaO.Si02), (Christin!, R.A. "Equilibria Among Metal, Slag, and Gas Phases in the Magnetherm Process" Light Metals, New York, 1980, sidene 981 - 995). Vellykket operasjon av prosessen baserer seg på det faktum at den gjenværende fullstendig flytende komponent har en sammensetning som befinner seg på grensen av dikalsiumsilikat- og periklas (MgO)-fasefeltene i det kvaternære Ca0-Al203-Si02-MgO-systemet. Den flytende komponenten er således mettet med hensyn til MgO, dvs. det har en termodynamisk MgO-aktivitet som er eller er nær 1.

Hovedformålet med fremgangsmåten er derfor opprettholdelsen av en nesten konstant slaggsammensetning. Bruken av dolomitt (inneholdende CaO) gjør det mulig å holde CaO:Si02-forholdet i slagget nær 2 idet S102utvikles fra reduksjonsreaksjonen. Regelmessige tilsetninger av Al203er også nødvendig for å holde sammensetningen av den flytende slaggkomponenten på periklas-fasegrensen. Publiserte data (Faure, C og Marchal, J "Magnesium By the Magnetherm Process", Journal of Metals, Sept. 1964, sidene 721-723), foreslår at ferrosilisium og bauksitt tilsettes i omtrentlig like vektmengder.

I øyeblikket utføres prosessen i en lysbueovn med en øvre (vannavkjølt) kobberelektrode. Den andre elektroden utgjøres av karbonherden i ovnen. Varme utvikles i det smeltede slagget og må overføres til slaggoverflaten ved hvilken reduksjonen foregår (ved konveksjon). Overflateenergien forbrukes av den endoterme reduksjonsreaksjonen og ved oppvarming av råmaterialene (inkludert slaggadditiver) til reaksj onstemperaturen.

Innledningsvis vil ferrosilisiumdråpene understøttes ved slaggoverflaten av de kombinerte kreftene som utøves av gass (Mg)-utvikling, konveksjon i slaggbadet og grenseflate- spenning. Etterhvert som Si forbrukes vil imidlertid densitetsforskjellen mellom slagg og FeSi begynne å dominere og etterhvert som metallet synker gjennom slagget blir den fortsatte reaksjon mellom FeSi og oppløst MgO termodynamisk mindre gunstig på grunn av det forøkede trykket som utøves av slagget.

Den totale reaksjonen kan representeres ved:

Den frie energiforandring for denne reaksjonen må være negativ for at reaksjonen skal forløpe i den ønskede retning, og er gitt ved Ved 1550°C for den fikserte og regulerte sammensetning av MagnethermT slaggsystemet

Fremgangsmåten opereres ved 0,05 atm. og således kan det vises at silisium-likevektsaktiviteten (aG = 0) er 0,011.

Fra basiske data på det binære Fe-Si-systemet, (Chart, TG "A Critical Assessment of the Thermodynamic Properties of the system Iron-Silicon", High Temperature High Pressures 1970, vol. 2, sidene 461-470)

Under rådende betingelser for Magnetherm-prosessen ville det således forventes 15% Si i resterende ferrosilisium etter reaksjon til likevekt. Anleggsdata viser 20% Si i rest. Feil som oppstår i beregningen vil skyldes unøyaktigheter med hensyn til grunnleggende termodynamiske data, spesielt slaggaktiviteter som er bestemt og tatt fra Magnetherm-publikasjoner (Christin!, R.A. loe elt). Ikke desto mindre er det ikke urimelig å spekulere at likevekt ikke oppnås.

Går man tilbake til spørsmålet om trykk hvorved prosessen opereres så er likevektskonstanten K:

For en konstant slaggsammensetning og temperatur er a^SiQ ) og a(røgo)2 fiksert. Følgelig vil ethvert forsøk på å benytte høytrykksoperasjon lede til en økning i ag-p Effektiviteten med hvilken Si utnyttes vil derfor reduseres.

Behovet for å operere ved lavt trykk for på effektiv måte å benytte Si er en hovedulempe ved prosessen. Ved de forhøyede temperaturer som er involvert er opprettholdelse av et vakuum på 0,05 atm. teknisk vanskelig. Inngang av luft i systemet er rapportert (Flemings, M.C. et al loe eit) å resultere i tap av ca. 2056 av det fremstilte magnesium. Kravet til vakuum gjør også prosessen til en satsvis prosess og en daglig stanstid på 12- 15% er nødvendig for å tappe ovnen, utvinne kondensert magnesium og fjerne MgO og Mg3N2fra kjølesys-temet .

Mange av disse problemene kunne elimineres ved operasjon ved høyere temperaturer. I den eksisterende versjon av Magnetherm-prosessen hindres oppnåelsen av høyere temperaturer og således høyere magnesiumtrykk ved begynnelsen av den karbotermiske reduksjon av slaggets MgO med karbon. Dette karbonet er tilstede i reaktorforingen og -elektroden samtidig som det er tilstede som oppløst karbon i ferro-silisiumet. Ved et totaltrykk på 1 atm. reverserer reaksjonen

med mindre gasstemperaturen holdes over 1780°C. Således vil eventuelt CO produsert som en sidereaksjon resultere i reoksydasjon av en del av Mg^^-produktet.

FR-A-2590593 (Council for Mineral Technology) beskriver en forbedring i Magnetherm-prosessen hvor overflaten av reaksjonssonen oppvarmes direkte ved hjelp av et termisk overført-lysbueplasma. Den foretrukne temperaturen i reaksjonssonen angis å være 1950K (1677"C) og tilførselsmate-rialene som er spesielt beskrevet er standard Magnetherm-prosesstilførselsmaterialer slik at slaggsammensetningene for prosessen i dette franske skriftet og den opprinnelige Magnetherm-prosessen er direkte sammenlignbare. Ved de høyere bearbeidelsestemperaturene som er beskrevet i FR-A-2590593 vil imidlertid den flytende komponenten i slagget ikke lenger ha en sammensetning som befinner seg på kalsiumsilikat-fasegrensen og vil faktisk ha en sammensetning i dikalsium-silikatområdet av fasediagrammet. Aktiviteten til MgO vil derfor være mindre enn 1, hvilket vil resultere i dårlig utnyttelse av silisiumreduksjonsmiddel fordi, ut fra den ovenfor angitte ligning for likevektskonstanten K, betyr minsking av under 1 at a§imå øke for enhver gitt slaggsammensetning og -temperatur.

Det foreslås i FR-A-2590593 at Al2C<3-tilsetningen kan reduseres eller elimineres, men dette antas ikke å være praktisk fordi den kreves av Magnetherm-prosessen for å bibeholde en høy^gø°S ikke som en modifikasjon til elektrisk resistivitet og viskositet som foreslått i FR-A-2590593.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å unngå eller minske de ovennevnte ulemper.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en fremgangsmåte for fremstilling av magnesium ved metallotermisk reduksjon av MgO hvorved reaksjonen bevirkes i et smeltet slaggbad omfattende MgO, AI2O3og CaO sammen med oksyd dannet fra det reduserende metall, tilsetning av reduserende metall og MgO eller MgO-holdig tilførselsmateri-ale til badet, og direkte oppvarming av overflaten av det smeltede slagg, og denne fremgangsmåten er kjennetegnet ved at det smeltede slagget i det minste i løpet av et første trinn av reduksjonen har en sammensetning fullstendig innenfor periklasområdet i dets fasediagram med en vesentlig konstant likvidustemperatur i det minste i overflateområdet, og ved at slaggets overflateområde ved den direkte oppvarming opprettholdes ved eller nær likvidustemperaturen, og eventuelt ved at slaggsammensetningen i et annet trinn i reduksjonen varieres slik at den nærmer seg 2Ca0.Si02-periklasfasegrensen.

Tilførselsmaterialet tilveiebringes fortrinnsvis i det minste delvis av kalsinert dolomitt. Videre er det reduserende metallet fortrinnsvis silisium (tilveiebrakt f.eks. som ferrosilisium). Kalsium, aluminium eller deres legeringer kan også benyttes som reduserende metall, men er mindre foretrukket av økonomiske grunner.

I løpet av i det minste en første del av reduksjonsprosessen tilfredsstilles således følgende betingelser:

(i) det smeltede slagget har en sammensetning som fullstendig befinner seg innen periklasområdet i dets fasediagram; (ii) slaggets sammensetning reguleres slik at det har en vesentlig konstant likvidustemperatur (fortrinnsvis 1700-2100°C, mer foretrukket 1800-2000"C, mest foretrukket 1900-1950°C; og (ili) i det minste slaggets overflateområde holdes ved 1ikvidustemperaturen.

Henvisningen til periklasområdet i fasediagrammet betyr at smeltet fase fra hvilken det første faste stoffet som avsettes ved avkjøling er MgO.

Likvidustemperaturen har den temperatur ved hvilken fast stoff (i tilfelle MgO) først ville begynne å vise seg ved koking av det smeltede slagget. I det første trinnet av reduksjonsreaksjonen kan slaggsammensetningen variere etterhvert som ekstraksjonen forløper, men denne variasjon reguleres slik at slagget har en sammensetning innen periklasområdet av dets fasediagram og har en vesentlig konstant likvidustemperatur. Den direkte oppvarming av slaggets overflateområde, som er der reduksjonen finner sted, opprettholdes så nær likvidustemperaturen som mulig. Dette sikrer at aktiviteten til MgO (dvs. ^^ q) * dette overflateområdet er ved eller nær 1 gjennom hele det første trinnet i reaksjonen og overflateområdet er således mettet med MgO. Verdien 1 for a^gg tillater optimal effektivitet for metallreduksjonsmiddelet. Oppvarming av overflateområdet vesentlig over likvidustemperaturen betyr at dette området ikke lenger er mettet med MgO. Slagget under overflateområdet vil befinne seg ved en temperatur under likvidustemperaturen på grunn av temperaturgradienter i slaggbadet. Slike temperaturgradienter kan faktisk resultere i en viss størkning av MgO i smeiten og resulterende lokale variasjoner i likvidustemperaturen til det smeltede slagget hvor det er underskudd på MgO. Ikke desto mindre vil slaggets over flateområde som vil være fullstendig smeltet, ha den vesentlig konstante likvidustemperaturen gjennom hele den første delen av reduksjonen. Henvisningen til likvidustemperaturen som vesentlig konstant betyr naturligvis ikke at den må holdes nøyaktig konstant, men bare så konstant som mulig innen praktiske grenser, si 50°C hver vei. Likeledes bør temperaturen i slaggets overflateområde holdes så nær likvidustemperaturen som praktisk mulig.

Dybden av overflateområdet som holdes ved eller nær likvidustemperaturen bør være så stor som mulig, men vil avhenge av faktorer slik som de metoder som er benyttet for direkte oppvarming av smeltens overflate og de metoder som er benyttet for avkjøling av ovnen. Det forventes f.eks. at bruken av luftavkjøling tillater at en større dybde av overflateområdet kan holdes ved likvidustemperaturen enn tilfellet er for bruken av vannavkjøling, hvor ellers alle andre kjensgjerninger er like.

Den foretrukne, vesentlig konstante likvidustemperaturen for slaggets overflateområde er 1800-2000°C, mer foretrukket 1900-1950°C. Anvendelsen av slike temperaturer tillater at reduksjonen kan utføres ved atmosfærisk trykk, hvilket er en betydelig fordel ved oppfinnelsen. Under denne temperaturen kan den termodynamiske drivkraft for reaksjonen bli for lav ved atmosfærisk trykk, hvilket gir lavere silisium (eller annet metallreduksjonsmiddel)-effektiviteter, mens ved temperaturer over 2000°C kan prosessen bli vanskelig å operere særlig fordi andre substanser kan delta i reaksjonen. En metode for oppnåelse av en vesentlig konstant likvidustemperatur er å gi adgang for endring i slagget på en slik måte at det holdes en nær konstant "overskuddsbasis" som definert ved:

hvor n = antall mol av det aktuelle oksydet (og kan ha en forskjellig verdi for hvert oksyd).

Dette vil bli vist under henvisning til de medfølgende fasediagrammer som er reprodusert på fig. 1-6 (se det nedenstående).

I motsetning til Magnetherm-prosessen som opereres som tidligere beskrevet, er det betydelig lettere å opprettholde en slaggsammensetning som ligger innen grensene for periklasområdet i systemet (skjønt med en vesentlig konstant likvidustemperatur) enn en som må holdes på 2CaO.Si02~periklasfasegrensen.

Videre, den høyere likvidustemperaturen til slagg i periklasområdet (sammenlignet med de ved 2CaO.SiC<2-periklas-fasegrensen) betyr at en høyere reaksjonstemperatur kan benyttes enn i nevnte Magnetherm-prosess, hvorved magnesiumfremstilling begunstiges.

Betingelsene (i)-(iii) ovenfor gjelder det som har blitt betegnet "i det minste den første delen av reaksjonen". Slike betingelser kan faktisk opprettholdes gjennom hele reaksjons-prosessen. Som et alternativ ved foreliggende fremgangsmåte er det imidlertid mulig å la den første delen av reaksjonen forløpe i en bestemt tidsperiode og deretter justere reaksjonsparametrene slik at slaggets sammensetning beveger seg mot 2CaO.S102-periklasgrensen hvilket betyr at en vesentlig konstant likvidustemperatur i slaggets overflateområde ikke lenger opprettholdes. I den "andre delen" av reaksjonen kan slaggets sammensetning varieres slik at den beveger seg mot 2CaO.S102-periklasfasegrensen langs en linje med konstant CaO:Al203-masseforhold. En slik variasjon kan oppnås ved å avbryte tilsetning av ytterligere MgO (eller MgO-holdig)-tilførselsmateriale til slagget. I det begrens-ende tilfellet blir den andre delen av reaksjonen fortsatt inntil nevnte fasegrense er nådd. Etterhvert som slaggsammen setningen beveger seg mot fasegrensen blir MgO-aktiviteten (aMgO) mindre enn 1 dersom behandlingstemperaturen ikke gradvis nedsettes og effektiviteten med hvilken metallreduksjonsmiddelet (f.eks. Si) anvendes, avtar. Det er imidlertid en økning i Mg-utbyttet (slik det vil bli vist nedenfor) som kan kompensere for denne reduksjon i effektivitet. Den utstrekning til hvilken den andre delen av reaksjonen utføres (om i det hele tatt) er således et forhold som gjelder økonomiske betraktninger.

Slaggets overflate oppvarmes direkte (fortrinnsvis ved hjelp av et plasma eller en DC-lysbue. Bruken av slike opp-varmingssystemer gir lett de relativt høye temperaturer som er nødvendige for å bevirke reaksjonen samtidig som behovet for en neddykket karbonelektrode slik det benyttes i nevnte standard Magnetherm-prosess unngås. Elimineringen av en karbonanode er nødvendig dersom man skal operere i det foretrukne temperaturområdet som er høyere enn det som foreslås i FR-A-2590593 siden dette vil hjelpe å hindre uønsket dannelse av CO. Følgelig unngås uønsket dannelse av karbonmonoksyd (hvilket kunne resultere i reoksydasjon av magnesiumet). Eventuelt CO som dannes som et resultat av karbonholdige urenheter vil stort sett fortynnes av lys-buegassene og derfor vil graden av reaksjon av Mg og CO bli redusert til akseptable nivåer. Dette muliggjør operasjon av prosessen ved atmosfærisk trykk og således forbedre utbyttet, i det minste delvis på grunn av at reaksjonen ikke vil være så følsom overfor overflateregulering ved disse høyere trykk som tilfellet er med de som benyttes i Magnetherm-prosessen. Prosess-stengetid på grunn av kjølervedlikehold vil ikke bli betydelig redusert og slaggtapping uten avbrytelse av produksjonssyklen vil være mulig. Totale cykeltider har potensiale til å bli betydelig lengre enn i Magnetherm-prosessen .

En ytterligere fordel med plasmasystemer eller D.C.-lysbuesystemer er overføringen av kraft direkte til slagg overflaten fra gassen. I tillegg kan utgangsmaterialene for reaksjonen forvarmes i plasmaet (eller lysbuen) som sammen med de høye overflatetemperaturene resulterer i hurtige reaksjoner hvilket sikrer oppnåelsen av likevekt.

Som angitt blir smeltens overflate fortrinnsvis oppvarmet av et plasma eller en D.C.-lysbue.

Plasmareaktorer hvori en plasmabrenner anvendes klassifiseres vanligvis som overførte eller ikke-overførte lysbuesystemer. Plasmaer kan også utvikles ved bruk av hule grafittelek-troder. Hvert av disse systemene ville være egnet for fremgangsmåten forutsatt at det ikke er noe behov for en neddykket grafittelektrode.

Ikke-overførte plasma-lysbuebrennere inneholder begge elektroder i en enkelt enhet. Brenneren er beliggende over smeiten og innføres vanligvis i ovnen via taket eller sideveggen. Gassforbruk er høyere enn overførte lysbuesystemer. Høy gasstrøm resulterer i at en flamme av delvis ionisert gass blåses mot smeiten.

I overførte lysbuesystemer er anoden beliggende ved bunnen av ovnen. Hoveddrivkraften for plasmaflammen er ikke lenger gasshastighet, men det elektriske feltet mellom elektrodene. Gassforbruk er lavere enn N.T.A.-systemer. Anoden er vanligvis grafitt, men kan være metallstaver eller -plater anbrakt mellom den ildfaste foringen i ovnen. En slik operasjonsmåte anvendes i D.C.-lysbueovner.

Alternativt kan anoden plasseres over smeiten til dannelse av en ring rundt ovnssideveggene.

Vekselstrøm-plasmabrennere har blitt demonstrert i forsøks-målestokk. Ingen returelektrode er nødvendig. Kraftnivåer er allerede riktig for den foreslåtte fremgangsmåte. Utvidede lysbueovner er "pseudo"-plasmaovner. De er vesentlig modifiserte lysbueovner hvori gass blåses gjennom hule elektroder anordnet over smeiten.

Likestrøm-lysbueovner ligner plasmasystemene med overført lysbue, men katoden består av en hul grafittelektrode gjennom hvilken plasmadannende gass blåses. Tilførselsmaterialer kan også tilføres gjennom elektroden. Returelektroden består av metallplater beliggende mellom de ildfaste stenene i bunnen av ovnen.

Oppfinnelsen vil bli illustrert ved følgende eksempler og under henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Fig. 1 viser en forenklet utgave av CaO-Al203-MgO-fasediagrammet; og

fig. 2-6 forenklede utgaver av Ca0-Al203-SiO2-MgO-fasediagrammet ved 3556, 3056, 2556, 2056 og 1556 nivåer for aluminiumoksyd, respektivt.

På fig. 2-6 er 2CaO.Si02-periklas-fasegrensen angitt med en heltrukket sort linje.

Eksempel 1

Formålet med dette eksempelet er å illustrere fremstillingen av magnesium fra kalsinert dolomitt ved anvendelse av et slagg omfattende MgO, CaO og AI2O3med en sammensetning i periklasområdet i fasediagrammet og en likvidustemperatur i slaggets overflateområde på ca. 1950°C som opprettholdes gjennom hele reaksjonen. Tilførselsmaterialet for prosessen antas å være et kalsinert dolomitt inneholdende 4756 MgO og 5356 CaO. Ytterligere MgO anvendes også som omtalt i detalj nedenfor.

Det reduserende metallet er silisium (tilveiebrakt som ferrosilisium). Varme for reduksjonen vil bli tilveiebrakt f.eks. ved hjelp av et plasma som opprettholder slaggets overflateområde ved likvidustemperaturen.

Slagget omfatter MgO, CaO og ÅI2O3og har en likvidustemperatur på ca. 1900° C. Henvisning til fig. 1 (MgO-CaO-Ål203-fasediagram) viser at et slikt slagg kan omfatte 2556 MgO, 3356 CaO og 4256 A1203, som avmerket med nX" i diagrammet.

Et egnet slagg kan lett prepareres og smeltes i en egnet ovn, dvs. en uten en karbonforing.

Den totale reduksjonsreaksjonen kan representeres ved følgende ligning:

For hver kg fremstilt magnesium vil følgelig 1,24 kg Si02også oppnås og 1,65 kg MgO vil bli forbrukt.

Tilsetningen av en mengde dolomitt til slagget som gir 1,65 kg MgO vil introdusere 1,86 kg CaO i smeiten. Den enkle tilsetning av den kalsinerte dolomitt ville endre slaggets likvidustemperatur. Som vist nedenfor kan tilsetningen av en egnet mengde av MgO (i tillegg til den som tilveiebringes av dolomitten) anvendes for å opprettholde likvidustemperaturen vesentlig konstant.

Ved å betrakte en fremgangsmåte som starter med 200 kg smeltet slagg omfattende 50 kg MgO (2556), 66 kg CaO (3356 ) og 84 kg AI2O3(4256), og ved også å anta at for hver 10 kg fremstilt magnesium så tilsettes også 35,1 kg kalsinert dolomitt (omfattende 16.5 kg MgO og 18,6 kg CaO) og 10 kg MgO, da resulterer hver 10 kg av fremstilt magnesium i 12,4 kg Si02og et forbruk av MgO på 16,5 kg.

Etter at 10 kg magnesium har blitt fremstilt vil således slagget omfatte (etter de ovennevnte tilsetninger)

MgO = 60 kg (dvs. 50-16,5 + 16,5 + 10)

CaO = 84,6 kg (dvs. 66 + 18,6)

A1203= 84 kg

S102= 12,4 kg

Total = 241 kg

Etterhvert som magnesiumekstraksjon fortsetter vil slagg-s ammen setn i ngen (vekt-56) følgelig variere som følger:

Man betrakter nå slaggsammensetningen når 10 kg magnesium har blitt ekstrahert. Slagget inneholder 24,996 MgO, 35,156 CaO, 34,856 A1203, og 5,156 Si02. Under henvisning til fig. 2 (som er fasediagrammet for Mg0-Ca0-Al203-Si02-systemet ved 3556 A1203) så fremgår det at dette slagget har en likvidustemperatur på ca. 1950"C. Slagg-likvidustemperaturen etter at 20 kg, 30 kg, 50 kg og 90 kg magnesium har blitt ekstrahert kan likeledes oppnås fra fig. 3, 4, 5 og 6, respektivt (disse figurene er fasediagrammet for Mg0-Ca0-Al203-S102-systemet ved 3056, 2556, 2056 og 1556 Al203-nivåer). Disse likvidus-temperaturene vil alle sees å være ca. 1950°C. Videre er alle s1aggsammensetningene i fasedlagrammets periklasområde. Likvidustemperaturen for slaggene er konstant ved ca. 1950°C. Hvis det derfor antas at reaksjonene foregår ved slagg-overf laten ved en temperatur på ca. 1950°C så kan man gå ut fra at magnesiumoksydaktiviteten har en konstant verdi på 1. CaO, Al203-aktiviteter kan bestemmes fra publiserte data for de ternære bestanddelene.

Betrakt reaksjonen:

For de betraktede prosessbetingelser P^g = 1 og a^gø = 1.

Verdien for ag10 vil gradvis øke fra ubetydelige nivåer til en verdi lik den bestemt for Magnetherm-slagget på 0,001. Dette overslag tillater at agji det resterende ferrosilisium kan beregnes for de senere trinn i prosessen og for reaksjonen ved 2173K (1900°C). Det kan vises at asl(rest) kan forventes å være 0,02 for de øvre nivåer av Si02-innhold som forutses i prosessen. Dette er ekvivalent med 16 vekt-56 Si i resten. Ved tidligere trinn i prosessen vil Si-effektiviteten være betydelig høyere på grunn av den lave aktiviteten til Si02i slagget. Den totale effekten vil bli betydelig reduserte silisiuminnhold i det brukte ferrosilisium sammenlignet med eksisterende prosesser.

Dersom slagget avtappes når 100 kg Mg har blitt produsert så vil omkring 610 kg slagg ha blitt behandlet. Dette er sammenlignbart med den relative mengde behandlet i Magnetherm-prosessen .

Eksempel 2

Dette eksempelet er gitt for å illustrere en fremgangsmåte hvori en vesentlig konstant likvidustemperatur opprettholdes i slaggets overflateområde under et første trinn i reaksjonen, og deretter varieres reaksjonsparametrene i et annet trinn i reaksjonen for å bevege slaggsammensetningen mot 2CaO.SiC^-periklasfasegrensen.

Betrakt en fremgangsmåte som starter med 205 kg smeltet slagg omfattende 55 kg MgO (26,8*), 66 kg CaO (32%) og 84 kg A1203(41*). Anta i dette tilfellet at magnesiumoksyd og/eller dolomitt tilsettes slik at for hver 10 kg fremstilt magnesium så tilsettes et totale av 26,5 kg MgO (47* tilsetning) og 29,8 kg CaO (53* tilsetning). For hver 10 kg fremstilt magnesium så øker slaggmassen således med 10 kg MgO, 12,4 kg Si02og 29,8 kg CaO. Etterhvert som magnesium ekstraksjon fortsetter vil følgelig slaggsammensetningen (vekt-*) endres som følger:

I dette tilfellet opprettholdes en nesten konstant likvidustemperatur på ca. 1950"C slik det kan bestemmes fra fig. 1-6. Nok en gang er forholdet for behandlet slagg til fremstilt magnesium sammenlignbart med Magnetherm-prosessen. Dette magnesiumutbyttet kan forbedres ved å benytte følgende metode. Betrakt slaggsammensetningen oppnådd etter fremstilling av 150 kg Mg ifølge dette eksempelet. Dersom CaOrAlgC^-masseforholdet holdes konstant ved etterfølgende tilførsel kun av silisiumholdig reduksjonsmiddel så vil slaggsammensetningen endres som følger:

Dette ville i betydelig grad øke magnesiumutbyttet uttrykt i kg fremstilt magnesium pr. kg behandlet slagg. Det skal påpekes at dette trinnet ville nødvendiggjøre en gradvis reduksjon i temperaturen fra 1950°C til 1700°C for å opprettholde gunstige betingelser for høy magnesiumoksyd-aktivitet. Straffen ville være at en gradvis økning i silisiuminnhold i det resterende reduksjonsmiddel ville være forbundet med nedsettelse av temperaturen. Siden de slut-telige temperatur- og sammensetningsbetingelser er sammenlignbare med de som foreslås i FR-A-2590593 så ville ikke desto mindre den totale effektiviteten med hvilken silisiumet forbrukes fremdeles være høyere enn i de alternative prosessene.

Ønskeligheten av dette andre eventuelle trinnet vil være avhengig av prosessøkonomien. Nyttevirkningen av høyere magnesiumutbytte ville bli oppveiet av lavere silisium-utnyttelse og den optimale situasjonen vil sannsynligvis reflektere et kompromiss mellom disse.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av magnesium ved metallotermisk reduksjon av MgO hvorved reaksjonen bevirkes i et smeltet slaggbad omfattende MgO, AI2O3og CaO sammen med oksyd dannet fra det reduserende metall, tilsetning av reduserende metall og MgO eller MgO-holdig tilførselsmateri-ale til badet, og direkte oppvarming av overflaten av det smeltede slagg,karakterisert vedat det smeltede slagget i det minste i løpet av et første trinn av reduksjonen har en sammensetning fullstendig innenfor periklasområdet i dets fasediagram med en vesentlig konstant likvidustemperatur i det minste i overflateområdet, og ved at slaggets overflateområde ved den direkte oppvarming opprettholdes ved eller nær likvidustemperaturen, og eventuelt ved at slaggsammensetningen i et annet trinn i reduksjonen varieres slik at den nærmer seg 2CaO.Si02-periklasfasegrensen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at det som reduserende metall anvendes silisium.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisertved at silisiumet tilsettes til det smeltede slagget som ferrosilisium.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat kalsinert dolomitt tilsettes som tilførselsmateriale inneholdende MgO.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4,karakterisertved at magnesiumoksyd ytterligere tilsettes.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-5,karakterisert vedat den vesentlige konstante likvidustemperaturen holdes i området 1800-2000°C.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6,karakterisertved at den vesentlige konstante likvidustemperaturen holdes i området 1900-1950°C.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at variasjonen av slaggsammensetningen "bevirkes under opprettholdelse av et konstant CaO:A^Os-masseforhold.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 8,karakterisert vedat det ikke foretas noen tilsetning av MgO eller MgO-holdig materiale under det andre trinnet i reduksjonen.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-9,karakterisert vedat den direkte oppvarming av slaggets overflate bevirkes ved hjelp av et plasma eller en likestrømslysbue.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisertved at tilførselsmaterialet som tilsettes til slagget forvarmes i lysbuen eller plasmaet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11,karakterisert vedat den direkte oppvarmingen bevirkes med en plasmabrenner og at returelektroden er av metall.

13. Fremgangsmåte Ifølge et hvilket som helst av kravene 1-12,karakterisert vedat reduksjonen bevirkes ved atmosfærisk trykk.