اختراق في مجال المغنيسيوم عالي النقاء: إزالة شوائب الألومنيوم باستخدام مقياس الفرن

قام باحثون في جامعة شيشان جياتوتونغ بتطوير استراتيجية جديدة لتنقية المغنيسيوم التي تزيل بصورة فعالة وبأسعار معقولة شوائب الألومنيوم في ظل الظروف الصناعية،تمكين الإنتاج على نطاق واسع من المغنيسيوم ذو النقاء العالي منخفض الألومنيومهذه التكنولوجيا مستخدمة بالفعل في خطوط الإنتاج التجارية.

المغنيسيوم هو معدن استراتيجي حاسم له تطبيقات واسعة في النقل الخفيف، وتقليل المعادن الراقية (مثل التيتانيوم والزيركونيوم) ، والأجهزة الطبية الحيوية.يتم إنتاج حوالي 80% من المغنيسيوم الأساسي في العالم عن طريق العملية السيليكوتيرمي، والتي توفر مزايا في التكلفة والحجم ولكنها تعاني من مستويات شوائب عالية ومتقلبة ، وخاصة الألومنيوم. يمكن أن يختلف محتوى الألومنيوم بين 21-845 ملغ / كجم على أساس دفعات الإنتاج ،عجلة أكثر من 32 مرة تغطي خمس درجات نقاءهذا عدم الاستقرار يحد من استخدام المغنيسيوم في التيتانيوم من الدرجة الإلكترونية، الزركونيوم من الدرجة النووية، والزرع الطبي، مع تآكل ربحية المنتجين.

في عام 2023، حدد الفريق السبب الجذري: خلال التخفيض السيليكوتيرمي، يوجد الألومنيوم بشكل رئيسي كفلوريد الألومنيوم الغازي (AlF3) ، الذي يتكثف مع المغنيسيوم.بعد تحليل رواسب الحجم في جدران الفرن، افترضوا أن أكسيد الكالسيوم (CaO) يمكن أن يزيل الألومنيوم بفعالية.

أكد المؤلف الأول تشنغ ريوي (مرشح الدكتوراه في جامعة شيشان جياوتونغ) أن إضافة CaO خفضت مستويات الألومنيوم من ~ 109.5 ملغ / كجم إلى 6.3 ملغ / كجم فقط. فعالية إزالة تتجاوز 90٪.العمل مع منتج المغنيسيوم الخام الكبير " تيدا كول كيمياكال "، واستفادة من قاعدة تجربة المواد الجديدة القائمة على المغنيسيوم في مقاطعة شانشي، قام الفريق بسرعة بتحقق من صحة الطريقة بصورة صناعية. بعد التحسين التكراري،لقد استبدلوا CaO بالدولوميت المكثف (مزيج من CaO و MgO)، وهي مادة أقل تكلفة وقابلة لإعادة التدوير تستخدم عادة في صهر المغنيسيوم. قفزت نسبة المغنيسيوم التي تلبي معيار Mg9998 عالي النقاء (الألومنيوم المنخفض للغاية) من حوالي 0٪ إلى 83.3٪ ،تحويل النجاح العرضي إلى إنتاج مستقر.

يظهر تحليل التكاليف أن طريقة التطهير هذه تقلل من التكاليف بنحو 96% مقارنةً بتقطير الفراغ السائد، مما يوفر مساراً عمليًا لتطهيرإنتاج واسع النطاق للمغنيسيوم منخفض الألومنيوم عالي النقاء.

"المكاسب الاقتصادية كبيرة، لكن ما يثير اهتمامنا أكثر هو التفاعل السلسلة عبر سلسلة القيمة بأكملها"، كما يقول البروفيسور شان تشيوي.المؤلف المراسل للدراسة المنشورة في Nature Materials.المغنيسيوم في المغنيسيوم ليس دائماً معدنيًا.بعضها موجود كمركبات مثل AlF3.تعمل هذه المواد على أنها "مخلقات مشاكل غير مرئية" والتي تنتقل إلى المنتجات التالية.

على سبيل المثال ، في إنتاج اسفنج التيتانيوم (الحاسم للتيتانيوم من الدرجة الإلكترونية) ، يستخدم المغنيسيوم كعامل تخفيضي. إذا كان المغنيسيوم الخام يحتوي على الألومنيوم غير المتحكم فيه ، فمن المحتمل أن يستخدم في جميع أنحاء العالم.الألومنيوم ينتقل إلى التيتانيوم ويصعب إزالتهفي التطبيقات الطبية الحيوية، قد يتراكم الألومنيوم المرتفع في المونغنيزيوم القابل للتحلل في المسامير العظمية في جسم الإنسان ويزيد من خطر الزهايمر.تقليل الألومنيوم هو فائدة كبيرة للأجهزة الطبية أيضا(شان) يؤكد

على عكس الاعتقاد الشائع بأن الألومنيوم في المغنيسيوم الخام لا يهم في سبائك المغنيسيوم التي تحتوي على الألومنيوم، أظهرت أحدث التجارب غير المنشورة.ويقول شان: "نحن نستعد لهذه النتيجة، ونعتقد أن مجال سبائك المغنيسيوم بأكمله سيستفيد منها".التكنولوجيا تحسن التيتانيوم في الأسفل، والإلكترونيات، والصناعات الطبية الحيوية، من المرجح أن تؤدي إلى مراجعة المعايير الصناعية.

كان المفتاح لتحل هذا التحدي الصناعي هو العقلية الصحيحة. لاحظ الفريق شذوذا محيرا:حتى لو كانت المواد الخام"هذا لم يكن منطقيًا"، تذكر شان.

هذا "لماذا" دفعهم إلى الطابق الإنتاج. يقول المثل القديم:المشاكل الصناعية الأكثر إحباطاً غالباً ما تخفي حلولها في تفاصيل الإنتاج الأدنىكان العمال يكافحون يومياً مع طبقة من القوالب الصلبة التي تتشكل في فم مفاعلات تخفيض المغنيسيوميستهلك العمل ويؤثر على نقل الحرارةعندما قام الفريق بتحليل المقياس وجدوا مركب ثابت من أكسيد الكالسيوم والألومنيوم والفلور

جنبا إلى جنب مع معرفتهم السابقة أن شوائب الألومنيوم تصل كـ AlF3، الأفكار ضربت: إذا كان المقياس يتركز بالفعل الكالسيوم، الفلور، الألومنيوم، والأكسجين،هل يمكن أن يستخدموا عمداً أكسيد الكالسيوم لـ"التقاط" الألومنيوم من الألف3مثل استخدام مغناطيس لجذب الصفائح الحديدية، أصبح CaO المفتاح المسمم الألومنيوم.يبدو المبدأ بسيطاًلكن بعد عقد من الدراسات الميكانيكية والخبرات الصناعية استطاع الفريق رؤية الدليل المخفي في مقياس الفرن المحتقر

ما أبهرهم أكثر كان لحظة الوضوح: المقياس الذي كرهه العمال وقضوا ساعات في كشفه كان يحتوي في الواقع على السر الأساسي لحل تقلبات الألومنيوم.قام الفريق بتوسيع نهج السيطرة على الشوائب الأخرى في المغنيسيومتقدم نموذجا جديدا لتنقية المعادن.

البروفيسور Shan emphasizes that the most impressive outcome of this research is not a single technical breakthrough but the “antidote within seven steps” mindset — finding answers on the factory floor and seeking solutions from the problem itselfيمكن لهذه المنهجية أن تقود تحديات تكنولوجيا صناعية مماثلة.