Produzione e caratteristiche dei refrattari magnesiaci: metodi e sfide

Produzione e caratteristiche dei refrattari magnesiaci

I refrattari magnesiaci hanno come costituente principale ossido di magnesio. Essi vengono creati a partire da una materia prima detta magnesite, quindi molto economici. Si parte dalla cottura della magnesite, dall'ossido di magnesio, in particolare dalla sua cottura a circa 500 gradi. Questa reazione ha tra i prodotti anidride carbonica. Utilizzando l'ossido di magnesio ottengo dei ceramici con refrattarietà libera più alta di qualsiasi altro refrattario siliceo e silico-alluminoso, con temperatura di fusione molto alta. La refrattarietà libera permette di dare un valore al materiale perché è prossima alla temperatura di fusione.

Problemi di compattazione e soluzioni

La compattazione rappresenta un problema in quanto l'ossido di magnesio che si forma in questa reazione presenta dei piccoli cristalli rendendo il materiale molto reattivo con l'atmosfera e soprattutto con l'anidride carbonica.

L'ossido di magnesio in atmosfera tende al carbonato, la fase più stabile, e con l'umidità passa da ossido di magnesio a diossido di magnesio. Per limitare la reattività è necessario aumentare la densità e la superficie dei grani, per poi compattare tutto con un processo di sinterizzazione.

Processo di formazione e costi

Il processo di formazione di un refrattario magnesiaco consta di tre fasi: ricerca della magnesite; calcinazione, in cui la magnesite si divide in ossido di magnesio e anidride carbonica, con formazione di cristalli piccoli e reattivi, e infine successivamente si cuoce il composto a 2000 gradi, processo che serve per innescare la fusione dei cristalli formando cristalli più grandi e scaturisce la sintetizzazione.

Chiaramente il costo di produzione è molto più elevato rispetto a refrattario siliceo a causa delle alte temperature.

Ma il refrattario che ottengo presenta delle ottime proprietà meccaniche, oltre a resistenza fino al 2800 gradi.

Alternative economiche e loro caratteristiche

Se si vuole ottenere un materiale più economico ma meno resistente scelgo delle materie che siano più impure e che possono diminuire la temperatura di sinterizzazione.

Una di queste materie è la breunnerite, formata da carbonato di magnesio, carbonato di ferro e carbonato di calcio.

Il magnesio è chiaramente il maggiore costituente, mentre gli altri due possono diminuire la temperatura necessaria al processo. Intorno ai 600 gradi questi carbonati si trasformano negli ossidi: ossido di magnesio e ossido di calcio solo basici, l'ossido di ferro presenta carattere acido. A circa 1000 gradi gli ossidi basici reagiscono con gli ossidi acidi. Essendo presente la silice come impurezza, ed essendo molto reattiva, reagisce con l'ossido di calcio. I due ossidi a base di calcio presentano una temperatura di fusione minore e si comportano come dei fondenti: a 1400°c questo facilita la precipitazione dell'ossido di magnesio in eccesso, in quanto sono una parte reagisce col ferro; la restante parte si scioglie nella fase liquida e precipita con dimensioni maggiori. Le purezze determinano la formazione di un fuso intorno a 1400 gradi, cosa che permette l'accrescimento dei cristalli di magnesio. La sintesi di magnesia è il processo che porta all'aumento della superficie dei grani, ed è simile a un processo di sinterizzazione. Questo viene poi preparato alla formatura e alla pressatura. Il materiale finito, presentando impurezze, non è di ottima qualità e avrà refrattarietà libera intorno ai 2000 gradi, minore ai 2800 gradi del prodotto finito illustrato in precedenza.

Produzione da acqua di mare

Esiste un terzo metodo per produrre refrattarie magnesiaci, partendo dall'acqua di mare, la quale presenta un tenore di magnesio sotto forma di ossido di magnesio pari a 2,5 g/l. Si induce la precipitazione del magnesio e dall'acqua formando l'idrossido. Facciamo poi decomporre l'idrossido di calce in acqua. Si generano quindi ioni OH-, i quali determinano un processo di precipitazione del magnesio come ossido. Tale processo, però, non è auspicabile in quanto sposta l'equilibrio verso destra e aumenta la concentrazione di ione carbonato, che facilita la precipitazione del carbonato di calcio. A fine processo avremo una miscela di ossido di magnesio e carbonato di calcio, quindi otterrò refrattario fatto da ossido di magnesio e ossido di calcio, più vicino a un refrattario dolomitico. L'ossido di calcio è negativo poiché fonde a temperature più basse diminuendo la refrattarietà libera. Bisogna quindi evitare le reazioni che spostano l'equilibrio a destra, e si è pensato di aggiungere l'acido solfidrico, lo ione H+ va ad abbassare il pH liberando anidride carbonica. Resta quindi solo l'idrossido di magnesio e si torna a parlare di refrattario magnesiaco.