Magnez jest najlżejszym metalem konstrukcyjnym stosowanym obecnie, około 30% lżejszym od aluminium, i jest zazwyczaj stosowany w stopach. Czysty magnez pali się energicznie po stopieniu, ale stopy magnezu mają wyższe temperatury topnienia i są szeroko stosowane w przemyśle samochodowym i lotniczym.

Zastosowanie magnezu

Magnez jest trzecim najczęściej stosowanym metalem w budownictwie (po żelazie i aluminium).

Połowa tych stopów jest używana do produkcji odlewów ciśnieniowych z około 90% magnezu. Części samochodowe, takie jak rdzenie kierownic, obudowy skrzyń biegów, struktury desek rozdzielczych i wsporniki chłodnic są często wykonane z wysokociśnieniowych odlewów ciśnieniowych ze stopów magnezu.

Do niektórych stopów dodaje się cyrkon i pierwiastki ziem rzadkich, aby stop był mocniejszy. Ta grupa stopów jest zwykle odlewana piaskowo w częściach takich jak skrzynie biegów helikopterów i pomocnicze skrzynie biegów silników odrzutowych. Niektóre samochody o wysokiej wydajności są wykonane ze stopu magnezu, podobnie jak obudowy kamer.

Inna połowa magnezu używanego w stopach jest jako dodatek stopowy, w przemyśle aluminiowym. Stopy te są stosowane w opakowaniach, szczególnie w puszkach do napojów i w folii do ochrony żywności.

Większość metalowych puszek do napojów produkowanych w Stanach Zjednoczonych jest wykonana z aluminium stopowego z około 5% magnezu i niewielką ilością innych pierwiastków. W Europie i Azji metalowa puszka zawiera około 50% stali i 50% stopu aluminium, przy czym górna część jest stopem aluminium.

Stopy magnezu są również używane jako anody protektorowe. W połączeniu z mniej reaktywnym metalem, magnez staje się anodą ogniwa elektrycznego i koroduje w przeciwieństwie do innego metalu. Jest to wykorzystywane do ochrony kadłubów statków stalowych i podwodnej struktury platform wiertniczych i rurociągów przed korozją.

Innym bardzo ważnym zastosowaniem magnezu jest produkcja tytanu. Około 10% światowej produkcji magnezu jest wykorzystywane w ten sposób.

Inne 10% jest wykorzystywane w produkcji wysokogatunkowej stali do konstrukcji, takich jak duże budynki i mosty. Jest on dodawany w stanie stopionym do stopionego żelaza, w celu usunięcia siarki poprzez reakcję chemiczną, przy czym żużel siarczku magnezu jest odtłuszczany.

Prawdopodobnie jednym z najbardziej znanych, ale najmniejszych zastosowań magnezu są race, fajerwerki i inne urządzenia zapalające. Zawierają one bardzo małe kawałki magnezu, które mogą ulec zapaleniu.

Roczna produkcja magnezu

Powyższe dane dotyczą produkcji pierwotnej z rudy i nie obejmują produkcji wtórnej z materiałów przetworzonych.

Świat	910 000 ton1
Chiny	800 000 ton1
USA.	70 000 ton2
Rosja	30 000 ton1
Izrael	25 000 ton1
Kazachstan	20 000 ton1

Dane z:
1 U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
2 Ostatnia dostępna liczba to rok 2012 (Minor Metals Trade Association, 2012)

W 1993 roku ilość magnezu produkowanego w Chinach była znikoma (ok. 5%), dwadzieścia lat później Chiny produkują obecnie prawie 90% światowego magnezu. Chociaż kraj ten posiada bogate złoża odpowiednich rud magnezu, to właśnie szybki rozwój gospodarczy doprowadził do wzrostu popytu w kraju na produkty wykorzystujące stopy magnezu. To z kolei spowodowało zamknięcie zakładów w wielu krajach. Procesy produkcyjne zużywają bardzo duże ilości energii i z tego powodu produkcja w wielu krajach jest nieopłacalna. Magnez nie jest obecnie produkowany w Europie Zachodniej.

Produkcja magnezu

Magnez występuje w postaci roztworu w wodzie morskiej (około 1,3 kg m-3 magnezu) oraz w naturalnych solankach. Występuje również w dużych ilościach w rudach magnezytu (MgCO3) i dolomitu (MgCO3.CaCO3).

Magnez jest zasadniczo produkowany dwiema metodami:
a) termiczna redukcja tlenku magnezu
b) elektroliza chlorku magnezu

Przed rozszerzeniem produkcji w Chinach, elektroliza była bardziej powszechną metodą produkcji w krajach, gdzie energia elektryczna jest produkowana stosunkowo tanio. Większość chińskich zakładów stosuje jednak unowocześnioną wersję procesu redukcji termicznej, opracowanego pierwotnie w Kanadzie w latach 40. w celu zwiększenia produkcji podczas II wojny światowej („proces Pidgeona”).

(a) Proces redukcji termicznej

Ruda dolomitowa jest kruszona i ogrzewana w piecu w celu wytworzenia mieszaniny tlenków magnezu i wapnia, proces znany jako kalcynacja:

Następnym etapem jest redukcja tlenku magnezu. Czynnikiem redukującym jest żelazokrzem (stop żelaza i krzemu), który jest wytwarzany przez ogrzewanie piasku koksem i złomem żelaza, i zwykle zawiera około 80% krzemu.

Tlenki są mieszane z kruszonym żelazokrzemem i formowane w brykiety do załadowania do reaktora. Można również dodać tlenek glinu, aby obniżyć temperaturę topnienia żużla. Reakcja przebiega w temperaturze 1500 – 1800 K pod bardzo niskim ciśnieniem, zbliżonym do próżni. W tych warunkach magnez jest wytwarzany w postaci pary, która jest skraplana przez chłodzenie do temperatury około 1100 K w kondensatorach wyłożonych stalą, a następnie usuwana i odlewana we wlewki:

Reakcja postępowa jest endotermiczna, a stan równowagi jest korzystny dla tlenku magnezu. Jednakże, poprzez usuwanie oparów magnezu w miarę ich powstawania, reakcja zostaje doprowadzona do końca. Krzemionka łączy się z tlenkiem wapnia, tworząc stopiony żużel, krzemian wapnia:

Proces ten daje magnez o czystości do 99,99%, nieco wyższej niż w przypadku procesów elektrolitycznych.

(b) Proces elektrolityczny

Poza Chinami zwykle preferowany jest proces elektrolityczny.

Proces obejmuje dwa etapy:
i) produkcja czystego chlorku magnezu z wody morskiej lub solanki
ii) elektroliza stopionego chlorku magnezu

(i) Produkcja czystego chlorku magnezu z wody morskiej lub solanki

Gdy surowcem jest woda morska, jest ona traktowana dolomitem, który został przekształcony w mieszane tlenki przez podgrzanie do wysokiej temperatury. Wytrąca się wodorotlenek magnezu, podczas gdy wodorotlenek wapnia pozostaje w roztworze. Wodorotlenek magnezu odfiltrowuje się, a po ogrzaniu łatwo tworzy czysty tlenek.
Konwersję do chlorku magnezu uzyskuje się przez ogrzewanie tlenku, zmieszanego z węglem, w strumieniu chloru w wysokiej temperaturze w piecu elektrycznym (rysunek 1).

Rysunek 1 Ilustracja przedstawiająca produkcję chlorku magnezu z tlenku magnezu.

Występuje kilka reakcji:

Gdy źródłem magnezu są solanki bogate w chlorek magnezu, roztwór poddaje się obróbce w celu usunięcia różnych zanieczyszczeń, a pozostały roztwór chlorku magnezu zagęszcza się przez odparowanie w kilku etapach.

Ostatni etap odwadniania musi być przeprowadzony w obecności gazowego chlorowodoru, aby uniknąć hydrolizy chlorku magnezu:

Obecnie opracowywany jest nowy proces z wykorzystaniem magnezytu. Małe kawałki rudy są przekształcane bezpośrednio w stopiony chlorek magnezu przez ogrzewanie chlorem w piecu elektrycznym w obecności tlenku węgla.

(ii) Elektroliza stopionego chlorku magnezu

Wytworzony bezwodny chlorek magnezu jest podawany w sposób ciągły do ogniw elektrolitycznych (rysunek 2), które są wystarczająco gorące, aby go stopić.

W procesie elektrolizy powstaje magnez i chlor:

Rysunek 2 ilustrujący elektrolizę chlorku magnezu.

Stopiony metal jest usuwany i odlewany we wlewki. Chlor gazowy jest zawracany do pieca chlorującego.

Produkcja wtórna

Tylko około 3% całkowitej ilości magnezu zużywanego rocznie pochodzi z recyklingu, szacunkowo 23 000 ton.

.