Dolomitten magnezyum üretiminde proses parametrelerinin araştırılması ve termodinamik modellenmesi
Investigation and thermodynamic modeling of process parameters in magnesium production from dolomite
Yazar: YAHYA BAYRAK
Danışman: PROF. DR. AHMET EKERİM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Magnezyum oksit = Magnesium oxide

Özet:
Sıkı paket hekzagonal kristal yapısına sahip olan ve iki valans elektronu bulunan Magnezyum 650 ± 2 ºC ergime noktasına ve 1107 ±10 ºC kaynama noktasına sahiptir.  Yapısal metaller arasında en hafif olan magnezyum metali dünya genelinde yaygın olarak manyezit cevherinden, dolomit cevherinden ve deniz suyundan üretilmektedir. İki tip üretim yöntemi mevcuttur. Bunlar elektroliz ve termal redüksiyon yöntemi olarak bilinir. Dünya genelinde yaygın olarak termal redüksiyon yöntemi kullanılmaktadır. Termal redüksiyon yöntemleri de kendi aralarında üçe ayrılmaktadır. Bunlar Bolzano prosesi, Pidgeon prosesi ve Magnetherm prosesidir. Bu proseslerde redükleyici ajan olarak genellikle silisyum veya ferrosilisyum, alüminyum, karbon ve kalsiyum karbür kullanılmaktadır.  
Bu çalışma için termal redüksiyon proseslerinden Magnetherm prosesi seçilmiş ve redükleyici ajan olarak da alüminyum, ferrosilisyum ve kalsiyum karbür kullanılmıştır. Deneyler atmosfer kontrollü elektrik ark ocağında argon atmosferinde gerçekleştirilmiş olup hammadde olarak MgO ve kalsine edilmiş dolomit cevheri kullanılmıştır. Başlangıçta öncelikle deney sisteminin kalibrasyonu çalışmaları yapılmıştır. Bu kapsamda MgO ve alüminyum kullanılarak cüruf yapıcı katkılı ve sentetik cüruf katkılı olmak üzere iki farklı grupta deneyler yapılmıştır. Bu iki gurupta da 1 ve 1,5 dakikalarda 400, 500 ve 600 amper değerlerinde deneyler yapılmıştır. Deneyler sonunda 1,5 dakika ve 600 amperde yapılan deneylerde sırası ile %90,59 ve %97,57'lik en yüksek redüksiyon verimine ulaşılmıştır. Bir sonraki adım olan karşılaştırma deneylerinin ilkinde Al-Dolomit redüksiyonunda 1,5 dakika ve 400, 500 ve 600 amper değerlerinde 3 adet deney yapılmış ve 600 amperde %97,35 ile en yüksek redüksiyon değerine ulaşılmıştır. Daha sonra karşılaştırma deneylerinin ikinci ve üçüncü aşamalarında MgO ve dolomit ile ferrosilisyum ve kalsiyum karbür redüksiyonları kapsamında 4 adet deney yapılmıştır. Deneyler sonunda ferrosilisyum redüksiyonunda dolomitle %98,17'lik redüksiyon verimine ulaşılırken kalsiyum karbür redüksiyonunda MgO ile %97,82 ile en yüksek redüksiyon verimi elde edilmiştir. 
Deneyler esnasında deney düzeneğinin iki farklı bölgesinden sıcaklık ölçümleri yapılmış ve deney esnasında anlık olarak harcanan akım ve gerilim değerleri kaydedilerek harcanan enerji miktarları belirlenmiştir. Deney sonunda toz halinde magnezyum elde edilmiştir. Magnezyum tozlarına ve cüruflara karbon tayini testi yapılarak içerdikleri karbon miktarları belirlenmiş, XRD analizi yapılarak sahip oldukları fazlar belirlenmiştir. Daha sonra magnezyum tozlarına atomik absorpsiyon spektrometresinde analiz yapılmıştır. Cüruflara da XRF analizi yapılarak sahip oldukları bileşikler bulunmuştur.  Deneyler ve yapılan testler sonucunda redüsiyon verimi, geri kazanım verimi, üretim verim ve üretilen magnezyum başına tüketilen enerji miktarları hesaplanıp tasarlanan bu sistem için optimum deney şartları belirlenmiştir.

Abstract:
Magnesium with a hexagonal close packed crystal structure and two valence electrons has a melting point of 650 ± 2 ºC and a boiling point of 1107 ± 10 ºC.  Magnesium metal, which is among the lightest of structural metals, is widely produced from magnesite ore, dolomite ore and sea water. There are two types of production methods. These are known as electrolysis and thermal reduction methods. Thermal reduction is widely used worldwide. Thermal reduction methods are also divided into three. These are the Bolzano process, the Pidgeon process and the Magnetherm process. Silicon or ferrosilicon, aluminum, carbon and carbide are generally used as reducing agents in these processes.  
For this study, Magnetherm process was selected from thermal reduction processes and aluminum, ferrosilicon and carbide were used as reducing agent. The experiments were carried out in argon atmosphere in an atmosphere controlled electric arc furnace and magnesite and dolomite ores were used as raw materials. Initially, the calibration of the experimental system was carried out. In this context, experiments were carried out in two different groups as slag maker and synthetic slag added using magnesite ore and aluminum. Experiments were carried out at 400, 500 and 600 amperes for 1 and 1.5 minutes in both groups. At the end of the experiments, the highest reduction efficiency of 90.59% and 97.57% was achieved in the experiments performed at 1.5 minutes and 600 amperes respectively. The next step was the comparative experiments, 3 experiments were performed at Al-Dolomite reduction for 1.5 minutes and 400, 500 and 600 amperes and the highest reduction value was reached with 97.35% at 600 amperes. Then, in the second and third stages of the comparison experiments, four experiments were carried out with magnesite and dolomite ores within the scope of ferrosilicon and carbide reductions. At the end of the experiments, a reduction efficiency of 98.17% was achieved with dolomite ore in ferrosilicon reduction, while the highest reduction efficiency was obtained with magnesite ore at carbide reduction with 97.82%. 
During the experiments, temperature measurements were made from two different regions of the test apparatus and the current and voltage values were instantly recorded and the amount of energy consumed was determined. Magnesium was obtained in powder form at the end of the experiment. The carbon content of magnesium powders and slag was determined by carbon determination test, and their phases were determined by XRD analysis. Magnesium powders were then analyzed by atomic absorption spectrometry. XRF analysis were made to the slags and the compounds they have were found. As a result of the experiments and tests, reduction efficiency, recovery efficiency, production efficiency and energy consumed per magnesium produced were calculated and optimum test conditions were determined for this system.