پیشرفت در منیزیم با خلوص بالا: حذف ناخالصی های آلومینیوم با استفاده از ترازو کوره - یک راه حل صنعتی کم هزینه

محققان دانشگاه شیوان ژیاوتونگ راهبرد تازه ای برای تصفیه منیزیم ایجاد کرده اند که به طور کارآمد و مقرون به صرفه ناخالصی های آلومینیوم را در شرایط صنعتی از بین می برد.امکان تولید در مقیاس بزرگ منیزیم کم آلومینیوم با خالصیت بالااین تکنولوژی در حال حاضر در خطوط تولید تجاری استفاده می شود.

منیزیم یک فلز استراتژیک حیاتی است که دارای کاربردهای گسترده در حمل و نقل سبک وزن، کاهش فلز بالا (به عنوان مثال تیتانیوم، زرکونیوم) و دستگاه های زیست پزشکی است.حدود ۸۰٪ از منیزیم اولیه جهان از طریق فرآیند سیلیکوترم تولید می شود، که مزایای هزینه و مقیاس را ارائه می دهد، اما از سطوح ناخالصی بالا و نوسان پذیر رنج می برد مخصوصا آلومینیوم. محتوای آلومینیوم می تواند بین 21 845 mg / kg در دسته های تولید متفاوت باشد،یک سوئیچ >32 برابر که شامل پنج درجه خلوص استاین عدم ثبات استفاده از منیزیم را در تیتانیوم درجه الکترونیک، زرکونیوم درجه هسته ای و ایمپلنت های پزشکی محدود می کند و در عین حال سودآوری تولید کنندگان را کاهش می دهد.

در سال 2023، این تیم علت اصلی را شناسایی کرد: در طول کاهش سیلیکوترم، آلومینیوم عمدتا به عنوان فلوراید آلومینیوم گازی (AlF3) وجود دارد که با منیزیم ترکیب می شود.بعد از تجزیه و تحلیل رسوبات مقیاس دیوار کوره، آنها فرض کردند که اکسید کلسیم (CaO) می تواند به طور موثر آلومینیوم را از بین ببرد.

نویسنده اول ژینگ روی (مقدم به دکترا در دانشگاه شیوان ژیاوتونگ) تایید کرد که اضافه کردن CaO سطح آلومینیوم را از ~ 109.5 میلی گرم / کیلوگرم به فقط 6.3 میلی گرم / کیلوگرم کاهش می دهد. کارایی حذف بیش از 90٪.همکاری با تولید کننده بزرگ منیزیم خام Teda Coal Chemical، و با استفاده از پایگاه آزمایشی مواد جدید مبتنی بر منیزیم استان شانسی، این تیم به سرعت روش را به صورت صنعتی تأیید کرد.آنها CaO را با dolomite calcined (یک مخلوط از CaO و MgO) جایگزین کردند، یک ماده بازیافتی ارزان قیمت که معمولاً در ذوب منیزیم استفاده می شود. نسبت منیزیم که با استاندارد خالصیت بالا Mg9998 (الومینیوم بسیار کم) مطابقت دارد از نزدیک به 0٪ به 83.3٪ افزایش یافت.تبدیل موفقیت تصادفی به تولید پایدار.

تجزیه و تحلیل هزینه ها نشان می دهد که این روش تصفیه هزینه ها را در مقایسه با ترشی خلاء معمولی تقریباً 96٪ کاهش می دهد، و یک مسیر عملی برای هزینه کم،تولید در مقیاس بزرگ منیزیم کم آلومینیوم با طهارت بالا.

"به دستاوردهای اقتصادی قابل توجه است، اما چیزی که ما را بیشتر هیجان زده می کند واکنش زنجیره ای در سراسر زنجیره ارزش است،" پروفسور شان ژوی می گوید،نویسنده مربوط به مطالعه منتشر شده در مواد طبیعتآلومینیوم در منیزیم همیشه فلزی نیست، برخی از آنها به عنوان ترکیبات مانند AlF3 وجود دارد. این مواد به عنوان "مشکل های نامرئی" عمل می کنند که به محصولات پایین جریان منتقل می شوند.

به عنوان مثال در تولید اسفنج تیتانیوم (مهم برای تیتانیوم درجه الکترونیک) ، منیزیم به عنوان یک عامل کاهش دهنده استفاده می شود.آلومینیوم به تیتانیوم تبدیل می شود و حذف آن بسیار دشوار است.در کاربردهای زیست پزشکی، آلومینیوم بالا در پیچ های استخوانی منیزیم قابل تجزیه ممکن است در بدن انسان تجمع یابد و خطر آلزایمر را افزایش دهد.کاهش آلومینیوم یک مزیت بزرگ برای دستگاه های پزشکی نیز است"شان" تأکید می کند.

برخلاف اعتقاد رایج که آلومینیوم در منیزیم خام برای آلیاژ های منیزیم حاوی آلومینیوم مهم نیست، آخرین آزمایشات منتشر نشده تیم نشان می دهد که حتی آلومینیوم (< 0.01 wt).شان می گوید: "ما در حال آماده سازی این یافته هستیم و معتقدیم که کل حوزه آلیاژ منیزیم از آن سود خواهد برد.اين تکنولوژي تايتانيوم رو بهبود ميده، الکترونیک و صنایع زیست پزشکی، احتمالا باعث تجدید نظر در استانداردهای صنعت می شود.

کلید حل این چالش صنعتی، ذهنیت درست بود. تیم یک ناهنجاری گیج کننده را متوجه شد: منیزیم تولید شده در همان روز میزان آلومینیوم را به شدت تغییر می داد.حتی اگر مواد اوليه"این کار منطقی نبود" شان خاطرنشان می کند.

که "چرا" آنها را به طبقه تولید هدایت کرد. یک ضرب المثل قدیمی می گوید: "برای مرگبارترین سم، پادزهر در هفت مرحله قرار دارد".خسته کننده ترین مشکلات صنعتی اغلب راه حل های خود را در جزئیاتی از تولید پنهان می کنند.کارگران هر روز با لایه ای از سنگ شکن سخت که در دهان راکتورهای کاهش منیزیم شکل می گرفت، مانند سنگ شکن در یک کتری مبارزه می کردند. این سنگ شکن آزاردهنده باید هر روز به صورت دستی برداشته شود.مصرف کننده نیروی کار و تاثیر گذار بر انتقال گرماوقتی تیم مقیاس را تجزیه و تحلیل کرد، آنها یک ترکیب پایدار کلسیم آلومینیوم فلورو اکسید پیدا کردند.

در ترکیب با دانش قبلی آنها که ناخالصی های آلومینیوم به عنوان AlF3 وارد می شوند، این بینش به چشم می خورد: اگر مقیاس در حال حاضر کلسیم، فلورین، آلومینیوم و اکسیژن را متمرکز کند،آیا می توانند عمداً از اکسید کلسیم برای "جذب" آلومینیوم از AlF3 استفاده کنند؟، تبدیل آن به یک ترکیب مقیاس پایدار و از این طریق جدا کردن آلومینیوم از منیزیم؟ مانند استفاده از یک آهنربا برای جذب فلش آهن، CaO تبدیل به کلید آلومینیوم جذب شد.به نظر می رسد که این اصل ساده است، اما فقط پس از یک دهه مطالعات مکانیستی و تجربه صنعتی تیم می تواند سرنخ پنهان در مقیاس کوره تحقیر شده را ببینید.

چیزی که بیشتر از همه آنها را هیجان زده کرد لحظه ی روشنایی بود: مقیاس که کارگران از آن متنفر بودند و ساعت ها در حال پاک کردن آن بودند در واقع راز اصلی حل نوسانات آلومینیوم را در خود داشتند.این تیم رویکرد را برای کنترل سایر ناخالصی های منیزیم گسترش داده است.، ارائه یک الگوی جدید برای تصفیه فلز.

پروفسور 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 itselfاین روش می تواند به چالش های مشابه فناوری صنعتی هدایت کند.