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鄭州大學“鎂基技術與材料”張少軍研發團隊，在全面深入研究硅熱法煉鎂有關工程熱物理及熱化學基礎理論的基礎上，通過大量應用基礎和關鍵技術研究發現，在硅熱法煉鎂還原過程中，通過抑制不利化學反應和有害元素生成，并且控制有害雜質的流動、結晶，外熱式硅熱法可以免除煅燒和精煉工序，只通過一道還原工序就可以產出各種有害雜質含量均低于50ppm的高純凈鎂，實現免煅燒、免精煉高純凈鎂短流程“一步法”綠色冶煉，并且工藝過程可全面實現機械化甚至自動化，沒有高溫高塵和有毒有害氣體生成，同時能耗顯著降低。這種新型技術實現了鎂冶煉工藝的一次變革性技術進步。

當前，“鎂基技術與材料”團隊運用復式豎罐“兩步法”工藝技術及全套工藝裝備，已建成一條年產1.25萬噸工業性試驗生產線并成功投產運行，主要經濟技術指標全面達到或超過了設計預期，充分驗證了該工藝技術的先進性。基于此，該團隊進一步研發高純凈鎂短流程“一步法”綠色冶煉技術新型工藝，以此為我國鎂冶煉工藝的提升作出更大的努力。

原鎂冶煉是鎂產業全鏈條的源頭和基礎，“高耗能、高污染、低產出、低品質”的原鎂生產現狀已嚴重制約我國鎂產業發展，亟待創新開發變革性的、可持續發展的短流程綠色鎂冶煉新技術、新工藝，開發機械化、自動化、規?；牡统杀尽⒏呒儍翩V綠色冶煉新裝備并推廣應用，走工業化綠色制造的道路。并在此基礎上，以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化，打造鎂產業“中國制造2025”，保障和促進鎂基材料發展成為可廣泛應用的基本金屬材料，是當前我國鎂工業發展的首要任務和重大科技需求。

什么是“一步法”綠色冶煉技術

鎂冶煉工藝一般可分為電解法、內熱法和外熱法三類，都是通過“煅燒(或脫水)、還原(或電解)、精煉”三步主要工序生產原鎂，稱為“三步法”工藝。電解法和內熱法具有機械化及自動化程度高等優點，但最大的缺點是產品成本太高，并且電解法產生的有毒副產品氯氣處理工藝復雜、冗長，從原料制備、電解到氯氣處理完整工藝流程總能耗一般都在8tce/tMg以上;內熱式硅熱法僅還原工序電耗就在10000kWh/tMg左右(折算約4tce/tMg)，內熱式碳熱法還原工序理論電耗為硅熱法的2.7倍，高達18658kWh/tMg(折算約7.5tce/tMg)。皮江法屬外熱法中硅熱法的一種，稱為橫罐外熱式硅熱法，其還原工序理論能耗僅850tce/tMg，目前實際能耗約3tce/tMg，有明顯節能潛力，冶煉成本明顯低于其他任何一種鎂冶煉工藝，具有顯著的市場競爭優勢。但皮江法的最大問題是生產工藝冗長、人工加料和出渣，機械化程度低、勞動強度大、生產效率低，并且車間內高溫高塵、存在有毒有害氣體和粉塵污染等。

“鎂基技術與材料”研發團隊針對原鎂冶煉工藝流程長、機械化程度低、能耗高、規模小、粗晶白云石不能用做原料等問題，根據“綠色化學12條原則”，開展了大量硅熱法煉鎂基礎理論和應用基礎研究，采用工程熱物理、熱化學和多相流理論和方法，系統深入的研究了硅熱法煉鎂固相反應、白云石煅燒分解反應的熱分析動力學、分形子動力學和非線性動力學機理，以及還原罐材料高溫力學性能和白云石煅燒及煅白失活、還原渣熔融粘結、鎂蒸氣流動及結晶、原鎂雜質形成等機理問題，完善了硅熱法煉鎂理論體系，填補了部分理論研究空白;解決了還原渣粘罐結釉、還原罐蠕變失穩壽命、還原爐溫度場均勻、還原渣余熱回收、結晶鎂雜質控制，以及還原罐和還原爐的大型化、規?；?，免精煉、免煅燒煉鎂等共性關鍵技術問題;創新開發了使用壽命半年以上、一次裝料量500公斤以上、日產鎂270公斤以上的新型大型復式反應器(還原罐)，可直接產出高純凈結晶鎂的大型復式結晶器，一個單元模塊日產鎂5噸以上、單臺年產量萬噸以上的新型大型復式反應爐(還原爐)，以及免煅燒、免精煉高純凈鎂短流程“一步法”綠色冶煉新型工藝及其裝備;與現有皮江法相比，實現了工藝流程縮短2/3，生產效率提高2倍，勞動生產率提高1倍，工廠用地節約80~90%，冶煉總能耗降低30~40%，噸鎂CO2減排5~8噸，原鎂成本降低20%，車間內無煙塵和有毒有害氣體，工藝過程全面實現機械化和自動化，系統、全面的解決了皮江法存在的上述問題。

“一步法”綠色冶煉技術預期達到的目標

高純凈鎂短流程“一步法”綠色冶煉技術新型工藝預期達到的目標(技術經濟指標)如下：

(1)機械化加料、機械化出渣，還原爐自動化運行，萬噸產能用工不超過150人，勞動生產率提高1倍以上;

(2)車間內無渣、無塵、無有毒有害氣體、無鎂液著火風險，工人勞動條件顯著改善;

(3)還原罐裝料500kg以上、日產量200kg以上，生產效率提高3倍左右，萬噸產能工廠占地不超過20畝，節約用地90%以上;

(4)還原罐材料的蠕變及失穩性能顯著改善，連續運行時間不低于0.5~1年，使用壽命提高1倍以上;

(5)冶煉廠噸鎂總能耗3tce/tMg左右(不含硅鐵冶煉)，節能30%以上;

(6)還原工序結晶鎂純度不低于99.98%，單個有害雜質含量低于30ppm，可直接產出不用精煉的高純凈“合金專用鎂”，實現免煅燒、免精煉“一步法”煉鎂;

(7)可用細晶(隱晶)白云石、粗晶(顯晶)白云石直接磨粉，與硅鐵、螢石混合壓球后加入還原罐進行冶煉，實現“免煅燒、免精煉一步法”煉鎂，工藝流程縮短2/3、原料利用率提高10%以上、還原時間縮短30%以上、產品成本降低20%以上;

(8)開發出整套標準化工藝以及包括新型壓球機、加料器、接渣機、還原渣余熱回收器、脫鎂機、熔鎂爐等附屬設備在內的整套標準化裝備，實現機械化、自動化和規?；V冶煉，可進行大規模、集約化生產。

“一步法”工藝實施后的預期經濟和社會效益

該工藝技術及其全套裝備推廣應用后，預計“十三五”末期全國原鎂產量的30~50%、“十四五”初期全國原鎂產量的80%以上，都將采用該技術生產。通過創新驅動實現鎂冶煉行業補短板、去產能、降成本，提升行業集中度，產生3~5家年產量5~10萬噸以上的大型鎂冶煉企業，我國鎂冶煉工業將全面實現機械化、自動化和規?；?，全面實現工藝技術的更新換代、轉型升級，產生一次革命性的技術進步，走上綠色可持續發展道路。同時，也為我國鎂冶煉工業在“十四五”期間，對該技術工藝進行進一步研究發展，實施“兩化融合”、實現智能化創造條件，如期打造出鎂冶煉工業的“中國制造2025”。

鎂冶煉是鎂合金等鎂基產品市場的“供給側”。還原工序直接用白云石與硅鐵、螢石一起磨粉、制球后，直接加入還原罐內進行冶煉，免去專門的煅燒工序，還原得率還可提高10%以上，而且細晶和粗晶白云石均可用于冶煉;還原工序還可直接產出Fe、Ni、Cl等有害雜質很低的免煅燒、免精煉高純凈“合金專用鎂”，將明顯提升鎂合金強度、韌性、塑性、耐蝕性以及性價比和安全可靠性，是一次成功的“供給側”改革。以AZ91等常用鎂合金為例，若以高純凈“合金專用鎂”為原料，其耐蝕性能可達到優于冷軋鋼板的水平，可免去表面防腐處理工藝，鎂合金成本明顯降低的同時各項性能將明顯提高。

該技術工藝及全套裝備在國內鎂冶煉行業全面推廣應用后，將促使我國鎂冶煉行業的發展，原鎂年產量在目前80萬噸的基礎上大幅提高。按年產100萬噸原鎂計算，每年可節約標準煤至少100萬噸以上，減排二氧化碳250萬噸以上，減少白云石消耗100萬噸以上，鎂冶煉行業降本增效至少20億元以上。

來源：中國有色網

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