Il magnesio è il metallo strutturale più leggero utilizzato oggi, circa il 30% più leggero dell’alluminio, ed è generalmente utilizzato nelle leghe. Il magnesio puro brucia vigorosamente una volta fuso, ma le leghe di magnesio hanno punti di fusione più elevati e sono ampiamente utilizzate nell’industria automobilistica e aeronautica.
Utilizzo del magnesio
Il magnesio è il terzo metallo più utilizzato nella costruzione (dopo ferro e alluminio).
Quasi il 70% della produzione mondiale di magnesio viene utilizzato per produrre leghe che hanno una densità molto bassa, una resistenza relativamente elevata e un’eccellente lavorabilità. Queste leghe contengono uno o più degli elementi alluminio, zinco, manganese o silicio in quantità variabili, a seconda della destinazione d’uso della lega.
La metà di queste leghe viene utilizzata per realizzare pressofusioni con circa il 90% di magnesio. I componenti delle auto come i nuclei dei volanti, le scatole del cambio, le strutture del cruscotto e i supporti dei radiatori sono spesso realizzati con leghe di magnesio pressofuse ad alta pressione.
Zirconio e elementi di terre rare vengono aggiunti in alcune leghe per rendere la lega più forte. Questo gruppo di leghe viene normalmente lavorato con la tecnica della colata in sabbia per realizzare parti come scatole del cambio di elicotteri e scatole del cambio ausiliarie dei motori a reazione. Alcune auto ad alte prestazioni sono realizzate in lega di magnesio così come gli involucri delle fotocamere.
Un’altra metà del magnesio utilizzato nelle leghe serve come additivo legante, nell’industria dell’alluminio. Le leghe sono utilizzate negli imballaggi, in particolare nelle lattine per bevande e nella pellicola per proteggere gli alimenti.
La maggior parte delle lattine per bevande in metallo prodotte negli Stati Uniti sono realizzate in alluminio legato con circa il 5% di magnesio e una piccola quantità di altri elementi. In Europa e in Asia, la lattina di metallo contiene circa il 50% di acciaio e il 50% di lega di alluminio con la parte superiore in lega di alluminio.
Le leghe di magnesio sono anche usate come anodi sacrificali. Quando è collegato a un metallo meno reattivo, il magnesio diventa l’anodo di una cella elettrica e subisce corrosione preferenzialmente rispetto all’altro metallo. Il magnesio viene utilizzato per proteggere gli scafi delle navi in acciaio e la struttura sottomarina di piattaforme petrolifere e condutture dalla corrosione.
Un altro uso molto importante del magnesio è nella produzione del titanio. In questo modo viene utilizzato circa il 10% della produzione mondiale di magnesio.
Un altro 10% viene utilizzato nella produzione di acciaio di alta qualità per costruzioni, come grandi edifici e ponti. Viene aggiunto allo stato fuso al ferro fuso, per rimuovere lo zolfo mediante reazione chimica, scremando le scorie di solfuro di magnesio.
Forse uno degli usi più conosciuti ma più piccoli del magnesio è per la realizzazione di razzi di emergenza, fuochi d’artificio e altri dispositivi incendiari. Essi contengono piccolissimi pezzi di magnesio che possono infiammarsi.
Produzione annuale del magnesio
Queste cifre si riferiscono alla produzione primaria dal minerale e non includono la produzione secondaria da materiali riciclati.
| Mondo | 910000 1 |
| Cina | 800000 1 |
| Stati Uniti d’America | 70000 2 |
| Russia | 30000 1 |
| Israele | 25000 1 |
| Kazakhstan | 20000 1 |
1. U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016
2. Ultima figura disponibile nel 2012 (Minor Metals Trade Association, 2012)
Nel 1993, la quantità di magnesio prodotto in Cina era trascurabile (circa il 5%); vent’anni, dopo la Cina produce quasi il 90% del magnesio mondiale. Sebbene il Paese abbia ricchi giacimenti di minerali di magnesio appropriati, è stata la rapida crescita economica che ha portato a una maggiore domanda in Cina di prodotti che utilizzano leghe di magnesio. Ciò a sua volta ha comportato la chiusura di impianti in molti Paesi. I processi produttivi utilizzano quantità di energia molto elevate e per questo la produzione in molti paesi è antieconomica. Il magnesio non è attualmente prodotto in Europa occidentale.
Manifattura del magnesio
Il magnesio si trova in soluzione nell’acqua di mare (circa 1,3 kg per metro cubo di magnesio) e nelle salamoie naturali. Si trova anche ampiamente nei minerali magnesite (MgCO3) e dolomite (MgCO3· CaCO3).
Il magnesio è prodotto principalmente con due metodi:
- riduzione termica dell’ossido di magnesio;
- elettrolisi del cloruro di magnesio.
Prima dell’espansione della produzione in Cina, l’elettrolisi era il metodo di produzione più comune nei Paesi in cui l’energia elettrica è prodotta in modo relativamente economico. La maggior parte degli impianti cinesi, tuttavia, utilizza una versione aggiornata del processo di riduzione termica originariamente sviluppato in Canada negli anni ’40 per aumentare la produzione durante la Seconda Guerra Mondiale (il “Processo Pidgeon”).
(a) Processo di riduzione termica
Il minerale dolomitico viene frantumato e riscaldato in un forno per produrre una miscela di magnesio e ossidi di calcio, un processo noto come calcinazione:
Il passo successivo è la riduzione dell’ossido di magnesio. L’agente riducente è il ferrosilicio (una lega di ferro e silicio) che viene prodotto riscaldando la sabbia con coke e rottami di ferro e contiene tipicamente circa l’80% di silicio.
Gli ossidi vengono miscelati con ferrosilicio frantumato e trasformati in bricchette (mattonelle di materiale agglomerato) per il caricamento nel reattore. Si può anche aggiungere allumina per ridurre il punto di fusione delle scorie. La reazione viene condotta a 1500-1800 °K a bassissima pressione, prossima al vuoto. In queste condizioni il magnesio viene prodotto in forma di gas che viene condensato per raffreddamento fino a circa 1100 °K in condensatori rivestiti in acciaio, quindi rimosso e colato in lingotti:
La reazione diretta è endotermica e la posizione di equilibrio è a favore dell’ossido di magnesio. Tuttavia, rimuovendo il gas di magnesio man mano che viene prodotto, la reazione si completa. La silice si combina con l’ossido di calcio per formare la scoria fusa, silicato di calcio:
Il processo fornisce magnesio con una purezza fino al 99,99%, leggermente superiore a quella dei processi elettrolitici.
(b) Il processo elettrolitico
Con l’esclusione della Cina, il processo elettrolitico è solitamente la scelta preferita.
Il processo prevede due fasi:
- produzione di cloruro di magnesio puro dall’acqua di mare o dalla salamoia;
- elettrolisi del cloruro di magnesio fuso.
(i) Produzione di cloruro di magnesio puro dall’acqua di mare o dalla salamoia
Dove l’acqua di mare è la materia prima, essa viene trattata con dolomite che è stata convertita in ossidi misti riscaldando ad alta temperatura. L’idrossido di magnesio precipita, mentre l’idrossido di calcio rimane in soluzione. L’idrossido di magnesio viene filtrato e riscaldato formando subito l’ossido puro.
La conversione in cloruro di magnesio si ottiene riscaldando l’ossido, mescolato con carbonio, in un flusso di gas cloro ad alta temperatura in un forno elettrico (Figura 1).
Avvengono alcune reazioni:
Dove le salamoie ricche di cloruro di magnesio sono la fonte di magnesio, la soluzione viene trattata per la rimozione di varie impurità e la soluzione di cloruro di magnesio rimanente viene concentrata per evaporazione in più fasi.
L’ultima fase di disidratazione deve essere eseguita in presenza di acido cloridrico gassoso per evitare l’idrolisi del cloruro di magnesio:
È in fase di sviluppo un nuovo processo che utilizza la magnesite. Piccoli pezzi di minerale vengono convertiti direttamente in cloruro di magnesio fuso riscaldando con cloro in un forno elettrico in presenza di monossido di carbonio.
(ii) L’elettrolisi del cloruro di magnesio fuso
Il cloruro di magnesio anidro risultante viene alimentato continuamente in celle elettrolitiche (Figura 2) che sono abbastanza calde da fonderlo.
Con il procedere dell’elettrolisi si producono magnesio e cloro:
Il metallo fuso viene rimosso e colato in lingotti. Il cloro gassoso viene riciclato al forno di clorazione.
Produzione secondaria
Solo il 3% circa del magnesio totale utilizzato ogni anno proviene dal riciclaggio, circa 23.000 tonnellate.
Ultimo aggiornamento 2 ottobre 2016
Edizione italiana di Carmelo Parisi e Valter Ballantini, 29 novembre 2020
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