A magnézium a ma használt legkönnyebb szerkezeti fém, mintegy 30%-kal könnyebb, mint az alumínium, és általában ötvözetekben használják. A tiszta magnézium erősen ég, ha megolvadt, de a magnéziumötvözetek olvadáspontja magasabb, és széles körben használják az autó- és repülőgépiparban.

A magnézium felhasználása

A magnézium a harmadik leggyakrabban használt fém az építőiparban (a vas és az alumínium után).

A világ magnéziumtermelésének közel 70%-át ötvözetek előállítására használják, amelyeknek nagyon alacsony a sűrűsége, viszonylag nagy a szilárdsága és kiváló a megmunkálhatósága. Ezek az ötvözetek az alumínium, cink, mangán vagy szilícium egy vagy több elemét tartalmazzák különböző mennyiségben, attól függően, hogy az ötvözetet hogyan kívánják feldolgozni.

Az ötvözetek feléből körülbelül 90%-ban magnéziumot tartalmazó öntvényeket készítenek. Az olyan autóalkatrészek, mint a kormánykerékmagok, sebességváltóházak, műszerfalszerkezetek és hűtőtartók gyakran készülnek nagynyomású nyomással öntött magnéziumötvözetekből.

A cirkóniumot és a ritkaföldfémeket egyes ötvözetekhez hozzáadják, hogy az ötvözetet erősebbé tegyék. Ezt az ötvözetcsoportot általában homoköntéssel öntik olyan alkatrészekbe, mint a helikopterek hajtóművei és a sugárhajtóművek segédhajtóművei. Néhány nagyteljesítményű autó magnéziumötvözetből készül, akárcsak a fényképezőgépek burkolata.

Az ötvözetekben használt magnézium másik felét ötvözési adalékanyagként használják az alumíniumiparban. Az ötvözeteket a csomagolásban használják, különösen az italos (italos) dobozokban és az élelmiszerek védelmére szolgáló fóliában.

A legtöbb, az Egyesült Államokban gyártott fém italos doboz az alumíniumból készül, amelyet körülbelül 5% magnéziummal és kis mennyiségű más elemmel ötvöznek. Európában és Ázsiában a fémdobozok körülbelül 50% acél és 50% alumíniumötvözetet tartalmaznak, a felső rész alumíniumötvözet.

A magnéziumötvözeteket áldozati anódként is használják. Egy kevésbé reaktív fémhez csatlakoztatva a magnézium egy elektromos cella anódjává válik, és a másik fém helyett inkább korrodálódik. Ezt használják az acélhajók hajótestének, valamint az olajfúró platformok és csővezetékek víz alatti szerkezetének korrózió elleni védelmére.

A magnézium másik nagyon fontos felhasználási területe a titán előállítása. A világ magnéziumtermelésének mintegy 10%-át használják fel erre a célra.

Másik 10%-át az építkezésekhez, például nagy épületekhez és hidakhoz használt kiváló minőségű acél gyártásához használják. Olvadt állapotban adják az olvadt vashoz, hogy kémiai reakcióval eltávolítsák a ként, a magnézium-szulfidot tartalmazó salakot pedig lefölözik.

A magnézium talán egyik legismertebb, de legkisebb felhasználási területe a vészjelző fáklyák, tűzijátékok és más gyújtószerkezetek. Ezek nagyon apró magnéziumdarabokat tartalmaznak, amelyek meggyújthatók.

Magnézium éves termelése

Az adatok az ércből történő elsődleges termelésre vonatkoznak, és nem tartalmazzák az újrahasznosított anyagokból történő másodlagos termelést.

Világ	910 000 tonna1
Kína	800 000 tonna1
USA.	70 000 tonna2
Oroszország	30 000 tonna1
Izrael	25 000 tonna1
Kazahsztán	20 000 tonna1

Az adatok a következőkből származnak:
1 U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
2 Az utolsó elérhető adat 2012 (Minor Metals Trade Association, 2012)

1993-ban a Kínában előállított magnézium mennyisége elhanyagolható volt (kb. 5%), húsz évvel később Kína ma már a világ magnéziumtermelésének közel 90%-át állítja elő. Bár az ország gazdag lelőhelyekkel rendelkezik megfelelő magnéziumércekből, a gyors gazdasági növekedés volt az, ami miatt az országban megnőtt a kereslet a magnéziumötvözeteket felhasználó termékek iránt. Ez viszont számos országban üzemek bezárását eredményezte. A gyártási folyamatok nagyon nagy mennyiségű energiát használnak fel, és emiatt a termelés sok országban gazdaságtalan. Nyugat-Európában ma már nem gyártanak magnéziumot.

Magnéziumgyártás

A magnézium oldott formában megtalálható a tengervízben (kb. 1,3 kg m-3 magnézium) és a természetes sóoldatokban. Nagy mennyiségben megtalálható a magnezit (MgCO3) és a dolomit (MgCO3.CaCO3) ércekben is.

A magnéziumot alapvetően két módszerrel állítják elő:
a) magnézium-oxid termikus redukciója
b) magnézium-klorid elektrolízise

A termelés kínai elterjedése előtt az elektrolízis volt az elterjedtebb termelési módszer azokban az országokban, ahol viszonylag olcsón lehet elektromos energiát előállítani. A legtöbb kínai üzem azonban a termikus redukciós eljárás korszerűsített változatát alkalmazza, amelyet eredetileg Kanadában fejlesztettek ki az 1940-es években a termelés fellendítésére a második világháború alatt (“Pidgeon-eljárás”).

(a) termikus redukciós eljárás

A dolomitércet összetörik és egy kemencében felmelegítik, hogy magnézium- és kalcium-oxidok keveréke keletkezzen, ezt az eljárást kalcinálásnak nevezik:

A következő lépés a magnézium-oxid redukciója. A redukálószer a ferroszilícium (vas és szilícium ötvözete), amelyet homok koksszal és vashulladékkal való hevítésével állítanak elő, és jellemzően kb. 80% szilíciumot tartalmaz.

Az oxidokat összekeverik a zúzott ferroszilíciummal, és briketteket készítenek belőle a reaktorba töltéshez. A salak olvadáspontjának csökkentése érdekében timföldet is hozzáadhatnak. A reakciót 1500-1800 K-en, nagyon alacsony nyomáson, közel vákuumban végzik. Ilyen körülmények között a magnézium gőz formájában keletkezik, amelyet acélbetétes kondenzátorokban kb. 1100 K-ra hűtve kondenzálnak, majd eltávolítják és ingotokká öntik:

Az előremenő reakció endoterm, és az egyensúlyi helyzet a magnézium-oxid javára alakul ki. A keletkező magnéziumgőz eltávolításával azonban a reakció befejeződik. A szilícium-dioxid kalcium-oxiddal egyesülve olvadt salakot, kalcium-szilikátot képez:

Az eljárás akár 99,99%-os tisztaságú magnéziumot ad, ami valamivel magasabb, mint az elektrolitikus eljárásoknál.

b) Az elektrolitikus eljárás

Kínán kívül általában az elektrolitikus eljárást részesítik előnyben.

Az eljárás két szakaszból áll:
i) tiszta magnézium-klorid előállítása tengervízből vagy sós léből
ii) olvasztott magnézium-klorid elektrolízise

(i) Tiszta magnézium-klorid előállítása tengervízből vagy sós léből

Ahol a tengervíz a nyersanyag, azt dolomittal kezelik, amelyet magas hőmérsékletre való hevítéssel vegyes oxidokká alakítottak. A magnézium-hidroxid kicsapódik, míg a kalcium-hidroxid oldatban marad. A magnézium-hidroxidot leszűrik, és hevítés hatására könnyen képződik a tiszta oxid.
A magnézium-kloriddá alakítást úgy érik el, hogy az oxidot szénnel keverve klóráramban, magas hőmérsékleten, elektromos kemencében hevítik (1. ábra).

1. ábra A magnézium-klorid előállítását szemlélteti magnézium-oxidból.

Egyszerre több reakció is lejátszódik:

Ahol magnézium-kloridban gazdag sóoldat a magnézium forrása, az oldatot a különböző szennyeződések eltávolítása céljából kezelik, és a visszamaradó magnézium-klorid oldatot több lépésben, bepárlással sűrítik.

A víztelenítés utolsó szakaszát hidrogén-klorid gáz jelenlétében kell elvégezni, hogy elkerüljék a magnézium-klorid hidrolízisét:

A magnezit felhasználásával új eljárás van fejlesztés alatt. Az érc kis darabjait közvetlenül olvadt magnézium-kloriddá alakítják át klórral történő hevítéssel egy elektromos kemencében, szén-monoxid jelenlétében.

(ii) Az olvasztott magnézium-klorid elektrolízise

A keletkező vízmentes magnézium-kloridot folyamatosan elektrolitikus cellákba (2. ábra) vezetik, amelyek elég forrók ahhoz, hogy megolvadjon.

Az elektrolízis során magnézium és klór keletkezik:

2. ábra A magnézium-klorid elektrolízisét szemlélteti.

A megolvadt fémet eltávolítják és ingotba öntik. A klórgázt visszavezetik a klórozó kemencébe.

Másodlagos termelés

A teljes évi magnéziumfelhasználásnak csak mintegy 3%-a származik újrahasznosításból, becslések szerint 23 000 tonna.