鎂的冶煉方法及應(yīng)用領(lǐng)域

一、鎂的冶煉

金屬鎂的冶煉方法主要有電解法和熱還原法，以下是具體介紹：

（一）電解法煉鎂

1、工藝方法

電解鎂冶煉的原料路線(xiàn)主要可分為兩種基本類(lèi)型：其一以菱鎂礦（MgCO3）為原料，經(jīng)多步化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝制備高純度無(wú)水氯化鎂（MgCl2）作為電解前驅(qū)體；其二則基于海水資源，通過(guò)復(fù)雜的水相萃取與純化流程獲取氯化鎂水合物。在海水原料路線(xiàn)中，關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸在于六水氯化鎂（MgCl2·6H2O）結(jié)晶水的深度脫除，該脫水過(guò)程的能效控制與工程實(shí)現(xiàn)直接制約著整體工藝的經(jīng)濟(jì)性與工業(yè)化可行性。當(dāng)前主流的電解鎂工業(yè)化體系包含三大典型工藝：DOW工藝、I.G.Farben工藝及Magnola工藝，這些體系通過(guò)獨(dú)特的電解質(zhì)組成與電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)成了具有顯著工業(yè)代表性和學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值的典型工藝體系。

2、生產(chǎn)過(guò)程

在鎂電解生產(chǎn)工藝中，采用多元氯鹽體系作為電解質(zhì)屬于核心工藝優(yōu)化措施。向MgCl?基電解質(zhì)中引入輔助組分的配方設(shè)計(jì)主要基于以下物理化學(xué)優(yōu)化目標(biāo)：首先，通過(guò)形成低共熔體系顯著降低熔鹽初晶溫度，使電解反應(yīng)能在650-720℃的亞高溫區(qū)間穩(wěn)定進(jìn)行，從而有效降低熱能消耗；其次，優(yōu)化熔鹽流變特性以降低動(dòng)態(tài)粘度系數(shù)（η值），確保電解質(zhì)具備良好的流變特性，促進(jìn)電極界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程的均勻性；第三，通過(guò)引入導(dǎo)電增強(qiáng)組分（如KCl、NaCl），使熔體電導(dǎo)率提升至1.8-2.2 S/cm范圍，實(shí)現(xiàn)電流效率由75%提升至88%以上；第四，構(gòu)建Cl?活度調(diào)節(jié)體系，將MgCl?揮發(fā)速率控制在<0.5 g/(cm2·h)，既降低原料損耗又減少Cl?逸散風(fēng)險(xiǎn)；最后，建立水解抑制體系，通過(guò)AlF?等添加劑將水解率從5.2%降至0.8%以下，維持電解質(zhì)組成穩(wěn)定性。電解過(guò)程中，陰極析出的液態(tài)金屬鎂（密度1.58 g/cm3）基于密度差異產(chǎn)生的氣液分離效應(yīng)，自下而上富集于電解質(zhì)表面（密度1.67 g/cm3），形成連續(xù)相鎂層便于機(jī)械化撈?。魂?yáng)極生成的Cl?氣體則通過(guò)密閉式集氣罩（收集效率≥98%）導(dǎo)入凈化系統(tǒng)，經(jīng)三級(jí)堿液噴淋后實(shí)現(xiàn)尾氣達(dá)標(biāo)排放（Cl?殘留濃度<1 mg/m3）。

二、熱還原法煉鎂

熱還原法煉鎂的工藝原理：在高溫及真空環(huán)境下，以硅或鋁作為還原劑，在氧化鈣的參與下，對(duì)氧化鎂進(jìn)行固態(tài)熱還原反應(yīng)。該過(guò)程主要發(fā)生如下氣-固相反應(yīng)：MgO(s) + 2CaO(s) + Si(s) → 2Mg(g) + 2CaO·SiO2(s)，反應(yīng)生成的鎂蒸氣與固態(tài)硅酸二鈣（2CaO·SiO2）通過(guò)相分離機(jī)制實(shí)現(xiàn)有效分離，隨后鎂蒸氣經(jīng)梯度冷凝工藝結(jié)晶為鎂金屬單質(zhì)。鑒于鋁熱還原法存在顯著經(jīng)濟(jì)性缺陷，該工藝在現(xiàn)行工業(yè)生產(chǎn)中尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的主流工藝為硅熱還原法，其技術(shù)成熟性及經(jīng)濟(jì)合理性已在長(zhǎng)期工業(yè)化實(shí)踐中得到充分驗(yàn)證。本文將重點(diǎn)闡述硅熱還原法鎂冶煉工藝（皮江法）。

1、硅熱還原法煉鎂工藝原理

硅熱法金屬鎂生產(chǎn)工藝以煅燒白云石(CaMg(CO3)2)為主要原料，硅鐵(FeSi75)為還原劑，螢石(CaF2)為礦化劑，按特定化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行精確配料。配料經(jīng)球磨制粉后冷壓成型為致密球團(tuán)，置于耐熱合金還原罐內(nèi)，在1250°C高溫及13.3 Pa以下真空條件下進(jìn)行還原反應(yīng)，促使氧化鎂的固態(tài)擴(kuò)散還原，生成鎂蒸氣。鎂蒸氣在還原罐前端的多級(jí)冷凝系統(tǒng)中定向凝結(jié)，形成枝晶狀結(jié)晶鎂（俗稱(chēng)粗鎂）。粗鎂經(jīng)熔劑保護(hù)精煉工藝去除雜質(zhì)，最終澆鑄成符合標(biāo)準(zhǔn)的商品鎂錠（精鎂）。

2、生產(chǎn)工序

?  煅燒工序：

白云石原料經(jīng)破碎處理后，將合適粒度的石料在回轉(zhuǎn)窯或豎窯中實(shí)施高溫煅燒。熱力學(xué)分析表明，當(dāng)煅燒溫度控制在1250～1350℃區(qū)間時(shí)，白云石（CaMg(CO3)2）的熱分解反應(yīng)生成煅白（化學(xué)式：MgO·CaO），符合硅熱法煉鎂要求。本工藝需控制溫度參數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)高溫煅燒帶溫度超過(guò)1400℃時(shí)，將引發(fā)以下三方面問(wèn)題：①氮氧化物（NOx）排放量顯著增加，符合Arrhenius方程的溫度敏感性特征；②能源消耗量上升，統(tǒng)計(jì)表明燃料（煤氣/煤粉）單耗增幅可達(dá)12%-15%；③物料出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，XRD表征顯示過(guò)燒產(chǎn)物晶粒異常長(zhǎng)大，導(dǎo)致比表面積下降38%-42%，在后續(xù)還原工序中表現(xiàn)出明顯的活性衰減。因此，工業(yè)化生產(chǎn)中需控制煅燒溫度在合理范圍內(nèi)。

?  制球工序：

將煅白、硅鐵粉和螢石粉按既定化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行精確配料混合后，經(jīng)粉體細(xì)磨加工系統(tǒng)（球磨機(jī)+）處理，再通過(guò)壓球機(jī)成型為符合工藝要求的球團(tuán)狀物料（俗稱(chēng)“球團(tuán)料”），最終輸送至還原工序進(jìn)行后續(xù)處理。

?  還原工序：

將球團(tuán)原料裝入耐高溫合金還原罐內(nèi)，于1250±10℃及13.3 Pa以上的真空條件下保持10至12小時(shí)，促使氧化鎂發(fā)生還原反應(yīng)生成鎂蒸氣，經(jīng)冷凝后獲得粗鎂產(chǎn)物。該還原工藝系統(tǒng)主要由真空維持系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、還原爐本體、煙氣凈化系統(tǒng)、粉塵收集系統(tǒng)以及智能配電控制系統(tǒng)等核心單元構(gòu)成。根據(jù)還原爐中還原罐的放置方式，可分為豎式還原罐煉鎂和橫式還原罐煉鎂。

①豎罐還原爐的還原罐內(nèi)徑有 600㎜、720㎜、810㎜、900㎜，甚至超過(guò) 1000㎜的規(guī)格。由于罐徑較粗，球團(tuán)料在熱還原反應(yīng)時(shí)熱量主要依靠球團(tuán)之間的熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致還原周期較長(zhǎng)，通常小罐徑的還原周期為 18 小時(shí)，較粗罐徑的還原周期甚至可達(dá) 22 小時(shí)或24 小時(shí)。其噸鎂約需球團(tuán) 6.3 噸（即：料鎂比 6.3），目前國(guó)內(nèi)僅有的幾戶(hù)豎罐工廠(chǎng)中，全年平均料鎂比低于 6.3 的較少，能達(dá)到 6.0 的更是罕見(jiàn)。不過(guò)，豎罐還原爐采用頂部裝料，裝料時(shí)自動(dòng)化程度較高，減少了部分人工操作。但大量使用起重設(shè)備，增加了用電量及配套用電設(shè)備。此外，豎罐還原爐近五六年才被幾戶(hù)企業(yè)投入工業(yè)化應(yīng)用，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了爐體散熱，保溫水平較高；

②橫罐還原爐的還原罐內(nèi)徑則相對(duì)較小，有 350㎜、370㎜、380㎜、390㎜，甚至 400㎜的規(guī)格。罐徑較小導(dǎo)致還原周期通常12小時(shí)，其中370㎜還原罐平均周期為11小時(shí)，350㎜還原罐周期更短，可達(dá)10.5小時(shí)，而400㎜還原罐則長(zhǎng)達(dá)14小時(shí)。其噸鎂約需球團(tuán) 6.3 噸以下，管理水平較好工廠(chǎng)的料鎂比甚至能達(dá)到 5.8，噸鎂熱效率相對(duì)較高。但由于還原罐水平擺放，裝料和出料需滑軌車(chē)和叉車(chē)配合，半人工操作。且橫罐還原爐的設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)，盡管近 10 多年來(lái)采用了蓄熱體技術(shù)并進(jìn)行了多代改良，但在爐體散熱保溫方面的設(shè)計(jì)仍不夠理想。

③豎罐與橫罐在環(huán)保治理、安全水平、能耗水平方面的差距不大，各有優(yōu)勢(shì)；2025年第一季度，當(dāng)鎂金屬現(xiàn)貨價(jià)格下探至15000元/噸關(guān)鍵位時(shí)，行業(yè)成本倒掛現(xiàn)象加劇，國(guó)內(nèi)鎂冶煉企業(yè)普遍采取提前停產(chǎn)檢修措施規(guī)避經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)數(shù)據(jù)顯示：陜西府谷兩家豎罐冶煉裝置、山西兩家豎罐生產(chǎn)線(xiàn)、安徽豎罐生產(chǎn)線(xiàn)及新疆某豎罐生產(chǎn)線(xiàn)均進(jìn)入檢修序列。值得注意的是，當(dāng)時(shí)維持生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)鎂冶煉工廠(chǎng)均為橫罐生產(chǎn)線(xiàn)，充分印證了橫罐工藝在成本控制方面具備更優(yōu)的抗壓韌性。

④建議：采用橫罐還原生產(chǎn)線(xiàn)的企業(yè)要將還原爐的技術(shù)改造列為優(yōu)先事項(xiàng)，重點(diǎn)圍繞爐膛恒溫控制、燃燒系統(tǒng)優(yōu)化、配風(fēng)裝置升級(jí)、爐體散熱與保溫、物料輸送自動(dòng)化、裝料出料機(jī)械化、中央集控系統(tǒng)建設(shè)、爐體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)制定實(shí)施規(guī)劃。通過(guò)推進(jìn)數(shù)字化、智能化升級(jí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，依托技術(shù)創(chuàng)新構(gòu)建成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，避免盲目參與同質(zhì)化價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)損害行業(yè)可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)。

?  精煉工序：

鎂金屬的精煉采用梯度控溫的熔劑凈化法。首先將原料粗鎂置于精煉坩堝內(nèi)，鎂液于710±10℃的溫度范圍進(jìn)行熔融處理，同時(shí)加入復(fù)合型精煉溶劑。隨后將熔化后的鎂液在精煉鍋恒溫靜置，在680±10℃的溫度區(qū)間內(nèi)保持特定時(shí)間，利用熔劑與金屬熔體的密度差實(shí)現(xiàn)物相分離：金屬雜質(zhì)在重力作用下沉降至溶劑底層，而高純度鎂液則富集于溶劑層上部。最終將凈化后的鎂液導(dǎo)入保溫鍋澆鑄系統(tǒng)，通過(guò)連續(xù)鑄造工藝制備出符合GB/T 3499標(biāo)準(zhǔn)的系列鎂錠產(chǎn)品。

?  配氣工序：

通過(guò)配套制氣裝置對(duì)原煤實(shí)施干餾處理，實(shí)現(xiàn)其向半焦（蘭炭）、煤焦油及半焦煤氣的轉(zhuǎn)化過(guò)程。其中半焦煤氣作為鎂冶煉工藝的燃料氣源參與生產(chǎn)流程。常規(guī)制氣裝置通常由中低溫?zé)峤獍虢範(fàn)t、高溫?zé)峤獍虢範(fàn)t及煤氣發(fā)生爐等設(shè)備構(gòu)成。針對(duì)采用外購(gòu)燃料氣源（包括但不限于天然氣、煤層氣、冶金焦?fàn)t煤氣等）的鎂冶煉企業(yè)，其生產(chǎn)工藝中則無(wú)需設(shè)立配氣工序。

三、鎂金屬的應(yīng)用

（一）鎂合金生產(chǎn)

根據(jù)最新分析，2024年全球鎂消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，鎂合金生產(chǎn)占據(jù)主導(dǎo)地位，其在全球鎂消費(fèi)中的占比約為50%，預(yù)計(jì)該年度全球消費(fèi)量達(dá)到約55萬(wàn)噸。該領(lǐng)域的增長(zhǎng)主要得益于新能源汽車(chē)輕量化需求的顯著提升，以及鎂合金在機(jī)器人、低空經(jīng)濟(jì)等高端制造領(lǐng)域的持續(xù)拓展。在汽車(chē)行業(yè)，單車(chē)用鎂量方面，北美為18 千克，歐洲為 15 千克，而我國(guó)為 10 千克，但我國(guó)的單車(chē)用鎂量正在逐步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年將提升至25千克。根據(jù)最新分析，2024年全球汽車(chē)用鎂合金的消費(fèi)量預(yù)計(jì)將達(dá)到38萬(wàn)噸，占整體鎂合金消費(fèi)量的70%左右；3C電子產(chǎn)品中鎂合金的使用量占比約為20%；而航空航天、醫(yī)療、機(jī)器人、eVTOL飛行器、建筑、國(guó)防等其他行業(yè)對(duì)鎂合金的需求則占剩余的10%。在眾多影響鎂合金消費(fèi)規(guī)模的因素中，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展尤為關(guān)鍵。隨著全球節(jié)能減排需求的迫切增加，特別是在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，鎂合金的應(yīng)用前景十分廣闊。研究指出，通過(guò)優(yōu)化鎂合金的成分和加工工藝，能夠顯著提升其力學(xué)性能和耐腐蝕性能，從而滿(mǎn)足新能源汽車(chē)對(duì)輕量化、高性能材料的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去 10 年里，鎂合金壓鑄件在汽車(chē)上的使用量上升了 15% 左右，且這種增長(zhǎng)趨勢(shì)仍在延續(xù)。

（二）鋁合金添加

由于鎂具有密度小、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，并且能夠與鋁、銅、鋅等金屬構(gòu)成高強(qiáng)度合金，所以鎂是重要的合金元素。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)不同的材質(zhì)要求，在系列鋁合金中，原鎂的添加比率約為 0.4%～3%。在全球鎂消費(fèi)中，鋁合金添加領(lǐng)域占據(jù)了約25%的份額，預(yù)計(jì)2024年該領(lǐng)域的全球鎂消費(fèi)量將達(dá)到約29.5萬(wàn)噸。中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)量占全球的60%，這一規(guī)模優(yōu)勢(shì)為鋁合金材料的需求提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。

（三）煉鋼脫硫

鋼鐵脫硫領(lǐng)域占全球鎂消費(fèi)的 11%，2024 年全球消費(fèi)量約為 13 萬(wàn)噸。全球 19 億噸的粗鋼產(chǎn)量為該領(lǐng)域需求奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。歐美、俄羅斯等地區(qū)和國(guó)家的不少鋼廠(chǎng)都采用鎂脫硫。鎂粒在煉鋼脫硫中的應(yīng)用效果優(yōu)于碳化鈣，其用量?jī)H為碳化鈣的1/6～1/7，且鎂脫硫總費(fèi)用較碳化鈣更具經(jīng)濟(jì)性。通常情況下，噸鋼消耗鎂粒 0.4～0.5 公斤，脫硫后含硫量可降至 0.001％～0.005％。

（四）海綿鈦等金屬還原

金屬還原領(lǐng)域占比 8%，2024 年全球消費(fèi)量約為 8.5 萬(wàn)噸。其中，由于大量采用全流程（含自產(chǎn)氯化鎂電解鎂工序）工藝，中國(guó)在海綿鈦生產(chǎn)方面已大幅降低了對(duì)外購(gòu)原料鎂的依賴(lài)度。噸鈦還原用鎂約 1.1 噸。此外，鋯、鈾、鉿也是鎂還原工藝的重要應(yīng)用領(lǐng)域，不過(guò)其消費(fèi)量遠(yuǎn)低于鈦（鈦金屬還原占比 82%）。隨著核能和航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，釷、鈹?shù)忍胤N金屬的需求有望逐步增長(zhǎng)，但在短期內(nèi)，其對(duì)鎂消費(fèi)的拉動(dòng)作用仍較為有限。

（五）鎂犧牲陽(yáng)極

鎂犧牲陽(yáng)極具備諸多顯著優(yōu)點(diǎn)：卓越的防腐性能、無(wú)需依賴(lài)外加直流電源、安裝后即刻自動(dòng)運(yùn)行、免維護(hù)、占地面積小、工程費(fèi)用低廉，且對(duì)環(huán)境無(wú)干擾。因此，鎂犧牲陽(yáng)極被廣泛應(yīng)用于石油管道、天然氣、煤氣管道和儲(chǔ)罐；港口、船舶、海底管線(xiàn)、鉆井平臺(tái)；機(jī)場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、橋梁、發(fā)電廠(chǎng)、市政建設(shè)、水處理廠(chǎng)、石化工廠(chǎng)、冶煉廠(chǎng)、加油站的腐蝕防護(hù)，以及熱水器、換熱器、蒸發(fā)器、鍋爐等設(shè)備。

四、鎂與人體健康

于人體細(xì)胞中，鎂位居陽(yáng)離子重要性次席，它不僅能夠激活體內(nèi)諸多酶類(lèi)，抑制神經(jīng)異常興奮，確保核酸結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，還廣泛參與蛋白質(zhì)合成、肌肉收縮調(diào)控及體溫平衡等關(guān)鍵生理環(huán)節(jié)。近代研究證實(shí)，動(dòng)脈硬化、心腦血管病、高血壓、糖尿病、白內(nèi)障、骨質(zhì)疏松、抑郁癥等多種疾病均與缺鎂有關(guān)。基于此，鎂在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)受到重視。（府谷鎂）