Magnesium is het lichtste constructiemetaal dat tegenwoordig wordt gebruikt, zo’n 30% lichter dan aluminium, en wordt over het algemeen in legeringen gebruikt. Zuiver magnesium brandt sterk zodra het gesmolten is, maar magnesiumlegeringen hebben een hoger smeltpunt en worden veel gebruikt in de auto- en vliegtuigindustrie.

Toepassingen van magnesium

Magnesium is het op twee na meest gebruikte metaal in de bouw (na ijzer en aluminium).

Nagenoeg 70% van de wereldproductie van magnesium wordt gebruikt voor de vervaardiging van legeringen, die een zeer lage dichtheid, een betrekkelijk hoge sterkte en een uitstekende bewerkbaarheid hebben. Deze legeringen bevatten een of meer van de elementen aluminium, zink, mangaan of silicium in verschillende hoeveelheden, afhankelijk van de wijze waarop de legering moet worden verwerkt.

De helft van deze legeringen wordt gebruikt voor het maken van spuitgietstukken met ongeveer 90% magnesium. Autocomponenten zoals stuurwielkernen, versnellingsbakbehuizingen, dashboardstructuren en radiatorsteunen worden vaak gemaakt van onder hoge druk gegoten magnesiumlegeringen.

Zirkonium en zeldzame aardelementen worden in sommige legeringen toegevoegd om de legering sterker te maken. Deze groep legeringen wordt gewoonlijk zandgegoten in onderdelen zoals versnellingsbakken voor helikopters en hulpversnellingsbakken voor straalmotoren. Sommige auto’s met hoge prestaties zijn gemaakt van een magnesiumlegering, evenals behuizingen voor camera’s.

Een andere helft van het magnesium dat in legeringen wordt gebruikt, is als legeringsadditief, in de aluminiumindustrie. De legeringen worden gebruikt in verpakkingen, met name in drankblikjes en in folie ter bescherming van levensmiddelen.

De meeste metalen drankblikjes die in de Verenigde Staten worden vervaardigd, zijn gemaakt van aluminium dat is gelegeerd met ongeveer 5% magnesium en een kleine hoeveelheid andere elementen. In Europa en Azië bevat het metalen blikje ongeveer 50% staal en 50% aluminiumlegering, waarbij de bovenkant aluminiumlegering is.

Magnesiumlegeringen worden ook gebruikt als opofferingsanoden. Wanneer verbonden met een minder reactief metaal, wordt het magnesium de anode van een elektrocel, en corrodeert bij voorkeur ten opzichte van het andere metaal. Dit wordt gebruikt om de romp van stalen schepen en de onderwaterstructuur van olieplatforms en pijpleidingen tegen corrosie te beschermen.

Een ander zeer belangrijk gebruik van magnesium is bij de vervaardiging van titanium. Ongeveer 10% van de wereldproduktie van magnesium wordt op deze wijze gebruikt.

Andere 10% wordt gebruikt bij de vervaardiging van hoogwaardig staal voor constructies, zoals grote gebouwen en bruggen. Het wordt in gesmolten toestand toegevoegd aan gesmolten ijzer, om zwavel te verwijderen door een chemische reactie, waarbij de magnesiumsulfideslakken worden afgeschuimd.

Een van de bekendste maar kleinste toepassingen van magnesium is misschien wel in noodsignalen, vuurwerk en andere brandgevaarlijke apparaten. Deze bevatten zeer kleine stukjes magnesium die tot ontbranding kunnen worden gebracht.

De jaarlijkse produktie van magnesium

Deze cijfers hebben betrekking op de primaire produktie uit het erts en omvatten niet de secundaire produktie uit gerecycleerde materialen.

Wereld	910 000 ton1
China	800 000 ton1
V.S.	70 000 ton2
Rusland	30 000 ton1
Israël	25 000 ton1
Kazachstan	20 000 ton1

Gegevens van:
1 U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
2 Laatst beschikbare cijfer is 2012 (Minor Metals Trade Association, 2012)

In 1993 was de hoeveelheid magnesium die in China werd geproduceerd verwaarloosbaar (ca 5%), twintig jaar later produceert China nu bijna 90% van het magnesium in de wereld. Hoewel het land over rijke afzettingen van geschikte magnesiumertsen beschikt, was het de snelle economische groei die leidde tot een grotere vraag in het land naar produkten die magnesiumlegeringen gebruiken. Dit heeft op zijn beurt geleid tot de sluiting van fabrieken in vele landen. De fabricageprocessen vergen zeer grote hoeveelheden energie, en om die reden is de produktie in vele landen oneconomisch. Magnesium wordt in West-Europa niet meer geproduceerd.

De produktie van magnesium

Magnesium komt in oplossing voor in zeewater (ongeveer 1,3 kg m-3 magnesium) en in natuurlijke pekel. Het wordt ook op grote schaal aangetroffen in de ertsen magnesiet (MgCO3) en dolomiet (MgCO3.CaCO3).

Magnesium wordt hoofdzakelijk geproduceerd volgens twee methoden:
a) thermische reductie van magnesiumoxide
b) elektrolyse van magnesiumchloride

Vóór de uitbreiding van de productie in China was elektrolyse de meer gebruikelijke productiemethode in landen waar elektrische energie betrekkelijk goedkoop wordt geproduceerd. De meeste Chinese fabrieken gebruiken echter een bijgewerkte versie van het thermische reductieproces dat oorspronkelijk in de jaren veertig in Canada werd ontwikkeld om de productie tijdens de Tweede Wereldoorlog op te voeren (het “Pidgeon-proces”).

(a) Thermisch reductieproces

Dolomieterts wordt gebroken en in een oven verhit tot een mengsel van magnesium- en calciumoxiden, een proces dat bekend staat als calcineren:

De volgende stap is de reductie van het magnesiumoxide. Het reductiemiddel is ferrosilicium (een legering van ijzer en silicium), dat wordt gemaakt door zand te verhitten met cokes en ijzerschroot, en gewoonlijk ongeveer 80% silicium bevat.

De oxiden worden gemengd met gemalen ferrosilicium, en tot briketten gemaakt om in de reactor te worden geladen. Alumina kan ook worden toegevoegd om het smeltpunt van de slak te verlagen. De reactie vindt plaats bij 1500 – 1800 K onder zeer lage druk, dicht bij vacuüm. Onder deze omstandigheden ontstaat magnesium in dampvorm, die door afkoeling tot ongeveer 1100 K in met staal beklede condensors wordt gecondenseerd, afgevoerd en tot blokken gegoten:

De voorwaartse reactie is endotherm en de evenwichtspositie is ten gunste van magnesiumoxide. Door echter de magnesiumdamp die ontstaat af te voeren, wordt de reactie voltooid. Het kiezelzuur verbindt zich met calciumoxide tot de gesmolten slak, calciumsilicaat:

Het proces levert magnesium op met een zuiverheid tot 99,99%, iets hoger dan bij de elektrolytische processen.

(b) Het elektrolytische proces

Buiten China wordt gewoonlijk de voorkeur gegeven aan het elektrolytische proces.

Het proces omvat twee fasen:
i) produktie van zuiver magnesiumchloride uit zeewater of pekel
ii) elektrolyse van gesmolten magnesiumchloride

(i) Produktie van zuiver magnesiumchloride uit zeewater of pekel

Wanneer zeewater de grondstof is, wordt het behandeld met dolomiet dat door verhitting tot een hoge temperatuur is omgezet in gemengde oxiden. Magnesiumhydroxide slaat neer, terwijl calciumhydroxide in oplossing blijft. Het magnesiumhydroxide wordt afgefiltreerd en vormt bij verhitting gemakkelijk het zuivere oxide.
De omzetting in magnesiumchloride geschiedt door het oxide, gemengd met koolstof, in een stroom chloor bij hoge temperatuur in een elektrische oven te verhitten (figuur 1).

Figuur 1 ter illustratie van de productie van magnesiumchloride uit magnesiumoxide.

Er treden verschillende reacties op:

Wanneer magnesiumchloride-rijke pekels de bron van magnesium zijn, wordt de oplossing behandeld voor verwijdering van verschillende onzuiverheden en wordt de overblijvende magnesiumchloride-oplossing geconcentreerd door verdamping in verschillende fasen.

De laatste fase van dehydratie moet worden uitgevoerd in aanwezigheid van waterstofchloridegas om hydrolyse van het magnesiumchloride te voorkomen:

Een nieuw proces waarbij magnesiet wordt gebruikt, is in ontwikkeling. Kleine stukjes van het erts worden rechtstreeks omgezet in gesmolten magnesiumchloride door verhitting met chloor in een elektrische oven in aanwezigheid van koolmonoxide.

ii) De elektrolyse van gesmolten magnesiumchloride

Het resulterende watervrije magnesiumchloride wordt continu toegevoerd aan elektrolytische cellen (figuur 2) die heet genoeg zijn om het te smelten.

Bij de elektrolyse ontstaan magnesium en chloor:

Figuur 2 illustreert de elektrolyse van magnesiumchloride.

Het gesmolten metaal wordt verwijderd en in blokken gegoten. Het chloorgas wordt gerecycleerd naar de chloreringsoven.

Secundaire produktie

Nauwelijks 3% van het totale jaarlijks gebruikte magnesium is afkomstig van recycling, naar schatting 23.000 ton.