高纯净镁短流程“一步法”绿色冶炼技术有望实现

当前，“镁基技术与材料”团队运用复式竖罐“两步法”工艺技术及全套工艺装备，已建成一条年产1.25万吨工业性试验生产线并成功投产运行，主要经济技术指标全面达到或超过了设计预期，充分验证了该工艺技术的先进性。基于此，该团队进一步研发高纯净镁短流程“一步法”绿色冶炼技术新型工艺，以此为我国镁冶炼工艺的提升作出更大的努力。

郑州大学“镁基技术与材料”张少军研发团队，在全面深入研究硅热法炼镁有关工程热物理及热化学基础理论的基础上，通过大量应用基础和关键技术研究发现，在硅热法炼镁还原过程中，通过抑制不利化学反应和有害元素生成，并且控制有害杂质的流动、结晶，外热式硅热法可以免除煅烧和精炼工序，只通过一道还原工序就可以产出各种有害杂质含量均低于50ppm的高纯净镁，实现免煅烧、免精炼高纯净镁短流程“一步法”绿色冶炼，并且工艺过程可全面实现机械化甚至自动化，没有高温高尘和有毒有害气体生成，同时能耗显著降低。这种新型技术实现了镁冶炼工艺的一次变革性技术进步。

当前，“镁基技术与材料”团队运用复式竖罐“两步法”工艺技术及全套工艺装备，已建成一条年产1.25万吨工业性试验生产线并成功投产运行，主要经济技术指标全面达到或超过了设计预期，充分验证了该工艺技术的先进性。基于此，该团队进一步研发高纯净镁短流程“一步法”绿色冶炼技术新型工艺，以此为我国镁冶炼工艺的提升作出更大的努力。

原镁冶炼是镁产业全链条的源头和基础，“高耗能、高污染、低产出、低品质”的原镁生产现状已严重制约我国镁产业发展，亟待创新开发变革性的、可持续发展的短流程绿色镁冶炼新技术、新工艺，开发机械化、自动化、规模化的低成本、高纯净镁绿色冶炼新装备并推广应用，走工业化绿色制造的道路。并在此基础上，以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，打造镁产业“中国制造2025”，保障和促进镁基材料发展成为可广泛应用的基本金属材料，是当前我国镁工业发展的首要任务和重大科技需求。

什么是“一步法”绿色冶炼技术

镁冶炼工艺一般可分为电解法、内热法和外热法三类，都是通过“煅烧(或脱水)、还原(或电解)、精炼”三步主要工序生产原镁，称为“三步法”工艺。电解法和内热法具有机械化及自动化程度高等优点，但最大的缺点是产品成本太高，并且电解法产生的有毒副产品氯气处理工艺复杂、冗长，从原料制备、电解到氯气处理完整工艺流程总能耗一般都在8tce/tMg以上;内热式硅热法仅还原工序电耗就在10000kWh/tMg左右(折算约4tce/tMg)，内热式碳热法还原工序理论电耗为硅热法的2.7倍，高达18658kWh/tMg(折算约7.5tce/tMg)。皮江法属外热法中硅热法的一种，称为横罐外热式硅热法，其还原工序理论能耗仅850 tce/tMg，目前实际能耗约3tce/tMg，有明显节能潜力，冶炼成本明显低于其他任何一种镁冶炼工艺，具有显著的市场竞争优势。但皮江法的最大问题是生产工艺冗长、人工加料和出渣，机械化程度低、劳动强度大、生产效率低，并且车间内高温高尘、存在有毒有害气体和粉尘污染等。

“镁基技术与材料”研发团队针对原镁冶炼工艺流程长、机械化程度低、能耗高、规模小、粗晶白云石不能用做原料等问题，根据“绿色化学12条原则”，开展了大量硅热法炼镁基础理论和应用基础研究，采用工程热物理、热化学和多相流理论和方法，系统深入的研究了硅热法炼镁固相反应、白云石煅烧分解反应的热分析动力学、分形子动力学和非线性动力学机理，以及还原罐材料高温力学性能和白云石煅烧及煅白失活、还原渣熔融粘结、镁蒸气流动及结晶、原镁杂质形成等机理问题，完善了硅热法炼镁理论体系，填补了部分理论研究空白;解决了还原渣粘罐结釉、还原罐蠕变失稳寿命、还原炉温度场均匀、还原渣余热回收、结晶镁杂质控制，以及还原罐和还原炉的大型化、规模化，免精炼、免煅烧炼镁等共性关键技术问题;创新开发了使用寿命半年以上、一次装料量500公斤以上、日产镁270公斤以上的新型大型复式反应器(还原罐)，可直接产出高纯净结晶镁的大型复式结晶器，一个单元模块日产镁5吨以上、单台年产量万吨以上的新型大型复式反应炉(还原炉)，以及免煅烧、免精炼 高纯净镁短流程“一步法”绿色冶炼新型工艺及其装备;与现有皮江法相比，实现了工艺流程缩短2/3，生产效率提高2倍，劳动生产率提高1倍，工厂用地节约80~90%，冶炼总能耗降低30~40%，吨镁CO2减排5~8吨，原镁成本降低20%，车间内无烟尘和有毒有害气体，工艺过程全面实现机械化和自动化，系统、全面的解决了皮江法存在的上述问题。

“一步法”绿色冶炼技术预期达到的目标

高纯净镁短流程“一步法”绿色冶炼技术新型工艺预期达到的目标(技术经济指标)如下：

(1)机械化加料、机械化出渣，还原炉自动化运行，万吨产能用工不超过150人，劳动生产率提高1倍以上;

(2)车间内无渣、无尘、无有毒有害气体、无镁液着火风险，工人劳动条件显著改善;

(3)还原罐装料500kg以上、日产量200kg以上，生产效率提高3倍左右，万吨产能工厂占地不超过20亩，节约用地90%以上;

(4)还原罐材料的蠕变及失稳性能显著改善，连续运行时间不低于0.5~1年，使用寿命提高1倍以上;

(5)冶炼厂吨镁总能耗3tce/tMg左右(不含硅铁冶炼)，节能30%以上;

(6)还原工序结晶镁纯度不低于99.98%，单个有害杂质含量低于30ppm，可直接产出不用精炼的高纯净“合金专用镁”，实现免煅烧、免精炼“一步法”炼镁;

(7)可用细晶(隐晶)白云石、粗晶(显晶)白云石直接磨粉，与硅铁、萤石混合压球后加入还原罐进行冶炼，实现“免煅烧、免精炼一步法”炼镁，工艺流程缩短2/3、原料利用率提高10%以上、还原时间缩短30%以上、产品成本降低20%以上;

(8)开发出整套标准化工艺以及包括新型压球机、加料器、接渣机、还原渣余热回收器、脱镁机、熔镁炉等附属设备在内的整套标准化装备，实现机械化、自动化和规模化镁冶炼，可进行大规模、集约化生产。

“一步法”工艺实施后的预期经济和社会效益

该工艺技术及其全套装备推广应用后，预计“十三五”末期全国原镁产量的30~50%、“十四五”初期全国原镁产量的80%以上，都将采用该技术生产。通过创新驱动实现镁冶炼行业补短板、去产能、降成本，提升行业集中度，产生3~5家年产量5~10万吨以上的大型镁冶炼企业，我国镁冶炼工业将全面实现机械化、自动化和规模化，全面实现工艺技术的更新换代、转型升级，产生一次革命性的技术进步，走上绿色可持续发展道路。同时，也为我国镁冶炼工业在“十四五”期间，对该技术工艺进行进一步研究发展，实施“两化融合”、实现智能化创造条件，如期打造出镁冶炼工业的“中国制造2025”。

镁冶炼是镁合金等镁基产品市场的“供给侧”。还原工序直接用白云石与硅铁、萤石一起磨粉、制球后，直接加入还原罐内进行冶炼，免去专门的煅烧工序，还原得率还可提高10%以上，而且细晶和粗晶白云石均可用于冶炼;还原工序还可直接产出Fe、Ni、Cl等有害杂质很低的免煅烧、免精炼高纯净“合金专用镁”，将明显提升镁合金强度、韧性、塑性、耐蚀性以及性价比和安全可靠性，是一次成功的“供给侧”改革。以AZ91等常用镁合金为例，若以高纯净“合金专用镁”为原料，其耐蚀性能可达到优于冷轧钢板的水平，可免去表面防腐处理工艺，镁合金成本明显降低的同时各项性能将明显提高。

该技术工艺及全套装备在国内镁冶炼行业全面推广应用后，将促使我国镁冶炼行业的发展，原镁年产量在目前80万吨的基础上大幅提高。按年产100万吨原镁计算，每年可节约标准煤至少100万吨以上，减排二氧化碳250万吨以上，减少白云石消耗100万吨以上，镁冶炼行业降本增效至少20亿元以上。