Kovový horčík je najľahším konštrukčným kovom bežne používaným v priemysle a ôsmym najrozšírenejším prvkom v zemskej kôre. Jeho kombinácia nízkej hustoty, priaznivého pomeru pevnosti k hmotnosti, dobrej tepelnej a elektrickej vodivosti a užitočnej odolnosti voči napadnutiu slanou vodou vysvetľuje, prečo dopyt neustále rastie v doprave, letectve, zdravotníctve a elektronických aplikáciách. Obchodnou otázkou zvyčajne nie je, či je možné získať horčík, ale ktorá zo zavedených ciest ťažby vyhovuje dostupným surovinám, cene energie a požiadavkám na čistotu.
Suroviny a zdroje horčíka
Horčík sa nikdy nenachádza v kovovom stave, takže každá cesta začína zlúčeninou. Tri hlavné suroviny sú dolomit, magnezit a soľanky s obsahom horčíka alebo morská voda. Dolomit dodáva horčík ako zmesový uhličitan horečnato-vápenatý a je klasickým krmivom pre silikotermickú redukciu. Magnezit sa kalcinuje na magnézium na redukciu alebo chlórovanie. Morská voda a soľné soľné roztoky z jazier spolu so soľankami zo studne a potaše obsahujú chlorid horečnatý a sú preferovaným krmivom tam, kde už existuje chemický komplex chlóru, alkálie alebo soli, pretože krok koncentrácie môže zdieľať infraštruktúru s existujúcim zariadením.
| Surovina | Horčíková ložisková zmes | Preferovaná trasa |
|---|---|---|
| Dolomit | Uhličitan horečnato-vápenatý, kalcinovaný na oxid | Silikotermická tepelná redukcia |
| Magnezit | Oxid horečnatý po kalcinácii | Tepelná redukcia alebo chlórovanie |
| Morská voda a soľanka zo slaného jazera | Chlorid horečnatý | Elektrolýza roztavenej soli |
Prvá cesta: Elektrolýza roztavenej soli
Elektrolýza chloridu horečnatého je štandardnou cestou k vysoko čistému kovu, kde je k dispozícii chloridový prívod. Bezvodý chlorid horečnatý sa roztaví s nosnými soľami a kúpeľom prechádza elektrický prúd. Ióny horčíka migrujú na katódu, kde sa redukujú na roztavený kov, ktorý pláva na elektrolyte kvôli jeho nižšej hustote a na anóde sa uvoľňuje chlór. Kov je periodicky odpichovaný alebo vyťahovaný z článku a chlór ako vedľajší produkt sa normálne recykluje na chloráciu alebo do soľankového okruhu. Cesta poskytuje čisté oddelenie kovu a plynu a vyhovuje veľkej kontinuálnej výrobe, ale je citlivá na vodu a oxidy v surovine, a preto sú sušenie suroviny a čistenie taveniny kritickými kontrolnými bodmi.
Druhá cesta: Tepelná redukcia
Tepelná redukcia zabraňuje elektrickej energii elektrolýzy a namiesto toho využíva chemickú redukčnú energiu. V silikotermickom procese sa kalcinovaný dolomit zmieša s ferosiliciom a malým množstvom fluoritu, briketuje a naplní do retort. Retorty sa zahrievajú na asi 1150 až 1200 °C a udržiavajú sa vo vákuu približne 10 až 100 Pa, čo posúva reakciu smerom ku kovovému horčíku. Pary horčíka opúšťajú vsádzku a kondenzujú ako kryštály v chladnejšej časti retorty a zvyšok sa vypúšťa ako kalciumsilikátová troska. Aluminotermické a karbotermické varianty využívajú hliník alebo uhlík ako redukčné činidlo a dosahujú vyššie teploty; môžu poskytnúť veľmi vysoký výkon, ale sú náročnejšie na konštrukciu pece a kontrolu kondenzácie.
Rafinácia, odlievanie a dodávky akosti
Surový horčík z retorty alebo článku obsahuje soli, oxidy a kovové nečistoty, preto sa pred odlievaním ingotov pretavuje v ochrannej atmosfére a rafinuje tavivom alebo prebublávaním plynom. Ingoty sa odlievajú do štandardných tvarov na pretavenie a čistota sa uvádza podľa národnej špecifikácie pre ingot primárneho horčíka, GB/T 3499, ktorá definuje akosti ako Mg9999 s minimom 99,99 % horčíka až po Mg9995 pri 99,95 % a Mg9990 pri 99,90 %. Kupujúci si vyberajú triedu podľa limitov zvyškových nečistôt, ktoré sú dôležité pre ich zliatinu alebo pre odsírovacie činidlo, a dodávatelia bežne pridávajú certifikát o analýze obsahu železa, kremíka, niklu, medi a chloridov.
Hlavné aplikácie a bezpečnosť pri manipulácii
Zliatiny hliníka: horčík je štandardné tvrdidlo a posilňuje rodiny 5xxx a 7xxx.
Tlakové liatie a konštrukčné diely: zliatiny horčíka poskytujú tenkostenné, ľahké komponenty pre vozidlá a prenosné zariadenia.
Letectvo a doprava: Zníženie hmotnosti zlepšuje užitočné zaťaženie a palivovú účinnosť v drakoch lietadiel a vnútorných konštrukciách.
Zdravotnícke pomôcky: zliatiny horčíka sú biokompatibilné a bioabsorbovateľné, preto sa používajú pri ortopedickej fixácii.
Elektronika: chladiče a ľahké kryty ťažia z dobrej tepelnej a elektrickej vodivosti.
Úprava ocele a železa: horčík sa používa na odsírenie horúceho kovu pred výrobou ocele.
Katódová ochrana: horčíkové anódy chránia zakopané potrubia a nádrže obetavou činnosťou.
Horčík je horľavý ako jemné triesky a prášok, reaguje s vodou a kyselinami a horí veľmi jasným plameňom, takže skladovanie a tavenie sa musia uchovávať v suchu a mimo zdrojov vznietenia. Dobré vetranie, ochranný odev, suché hasiace prostriedky a vyhradené skladovanie so správnou klasifikáciou výbušnej atmosféry sú súčasťou bežnej praxe v závode a manipulácia s roztaveným kovom si vždy vyžaduje tavivo alebo ochranný plynový kryt.
Často kladené otázky
Otázka: Dá sa kovový horčík získať z morskej vody?
áno. Morská voda a soľanky zo soľného jazera sa skoncentrujú na chlorid horečnatý, voda sa odstráni a bezvodá soľ sa privedie do elektrolyzéra.
Otázka: Aký je najbežnejší spôsob tepelnej redukcie?
Silikotermický proces, pri ktorom sa kalcinovaný dolomit redukuje ferosilíciom vo vákuu v externe vyhrievaných retortách, pričom horčík kondenzuje ako kryštály.
Otázka: Prečo sa pri redukcii používa vákuum?
Zníženie tlaku odstraňuje horčíkové pary z reakčnej zóny, čo poháňa redukciu dopredu a zabraňuje reoxidácii kovu.
Otázka: Ako je špecifikovaná čistota?
Primárny ingot horčíka je klasifikovaný podľa GB/T 3499, so stupňami od Mg9999 s 99,99 % horčíka až po štandardný stupeň Mg9990 s 99,90 %.
Otázka: Je bezpečné skladovanie kovového horčíka?
Pevné ingoty sú stabilné, keď sa uchovávajú v suchu, ale triesky a prášok sú horľavé a musia byť izolované od vody, kyselín a zdrojov vznietenia.
Otázka: Na čo sa okrem zliatin používa horčík?
Používa sa ako obetná anóda na katódovú ochranu, ako odsírovacie činidlo pri výrobe železa a ocele a ako redukčné činidlo pre iné kovy.
