镁技术：镁冶炼技术的演变进程

来自: 天宇镁业收藏邀请

镁呈银白色，元素符号为Mg，在元素周期表中属ⅡA族，原子序数12，原子量24.305，化合价为+2，密集六方晶体，密度1.74g/cm³，约为铝密度的64.4%，铁密度的22.1%。由于它的密度小，故把它列为有色轻金属。

有色轻金属共有7种，按密度大小排列如下：

钡（Ba） 3.5g/cm³

铝（Al） 2.7g/cm³

锶（Sr） 2.6g/cm³

镁（Mg）1.74g/cm³

钙（Ca） 1.54g/cm³

钠（Na） 0.97g/cm³

钾（K） 0.86g/cm³

此外，还有4种稀有轻金属：

铯（Cs）1.87g/cm³

铍（Be）1.848g/cm³

铷（Rb）1.53g/cm³

锂（Li）0.534g/cm³。

由于镁的密度小，又可以与铝、锌、锰、锆、锂、钍、银、稀土等形成一系列的有工业使用价值的镁基合金，故镁又获得最轻的结构金属材料美誉，虽然还有一些金属的密度比镁的小，但它们不能形成有实用价值的结构材料或广为应用的功能性能。由于镁及镁合金密度小，用它们取代钢、铸铁、铝等制造交通运输装备零部件可大幅度减轻其自身质量，节能减排效果卓著。镁还有21世纪绿色金属的美称，用途会越来越广，大有用武之地。

一、镁冶炼的三个进程

从历史的角度来看，镁的冶炼方法可概略分成三个阶段：

第一阶段是采用化学法，亦称为金属热还原法，即利用比镁活性更大的金属之蒸气来还原氧化镁或氯化镁，以取得镁金属。在元素周期表上，原子序在镁之前的金属仅有锂、铍、钠三种，以这种方法来取得金属镁，需要耗用很多的金属锂或金属钠，并且产量少，生产成本高，目前仅有实验室制备少量镁金属会使用此方法。

第二阶段则是融熔电解法(简称电解法)，主要为电解融熔的无水氯化镁，这个方法获得了广泛的应用，但是耗电量大，成本较高。

第三阶段是热还原法，主要是将白云石加热分解为氧化镁，再用碳或硅铁还原镁。根据热还原的方法分成碳热法、硅热法等数种。热还原法的特点是不用电力做热源，原料来源广泛，工艺过程简单，投资少、建厂快。也因此近十年来全球主要炼镁方法主流从电解法转而变成热还原法。

二、时下炼镁技术之主流：热还原法

热还原法根据还原剂种类的不同，可分成三种，分别为：碳热法、碳化物法及硅热法。

碳热法在制程中会用到大量氢气，所以若稍有不慎会造成劳工安全问题；碳化物法使用的还原剂之一为碳化钙，其活性较低、容易水解且使用量大，所以以上两种在工业上已鲜少使用。

目前热还原法主流为硅热法，是用金属或其合金作为还原剂来还原氧化镁，得到镁蒸气后，再经由冷凝浓缩，即可得到镁金属。还原剂可以是硅、铝、钙、锰，锂等金属，就经济考虑，以含硅量75%的硅铁合金最常被使用，又因为其中铁不参与反应，故称为硅热法。

硅热法又可分成外热法以及内热法，目前主流的Pidgeon法/Bolzano法即属于外热法，Magnetherm法则属于内热法。以下分项说明。

(1)Pidgeon Process/Bolzano Process

1941年加拿大科学家皮江(Lloyd Montgomery Pidgeon)教授发明了一种硅铁热还原炼镁方法，称为皮江法(Pidgeon Process)。皮江法是以白云石、硅铁和氟石为原料，把锻烧后的白云石、硅和氟石制成粉末，再将粉末混合，制成球团，并在1170~1250°C的耐热还原罐中，在13.3Pa或更高真空条件下，保持10～12小时还原，镁蒸汽溢出后在500°C延伸端冷凝，得到冠状结晶镁。

加拿大于1942年第一个建立采用皮江法的镁厂，而目前中国约有95%以上的镁厂采用皮江法提炼镁金属。而Bolzano Process则是皮江法炼镁的改进方法。与皮江法炼镁的主要不同在于，Bolzano Process采用了竖式电内热还原炉。此法由于意大利的Bolzano镁厂试验成功而得名。20世纪80年代这种方法的镁最高年产量为1.2万吨。

(2) Magnetherm Process

Magnetherm法是法国Pechiney公司于60年代研究成功的一种新工艺，该法以铝土矿(Al₂O₃)和白云石做为原料，硅铁作为还原剂，在真空电炉中进行还原反应；加铝土矿的主要目的是降低渣的熔点，便于液态排渣。硅在硅铁中的活度随硅浓度的下降而下降，当硅浓度降到18～20%时，还原反应便会停止，因此装料中需配入过量的硅铁。反应温度为1600~1700°C，真空度为0.266~13.3kPa。该法的最大特点是炉内所有的物质都为液态。还原产生的镁蒸气在冷凝器（675℃）凝结成液态镁，流入收集罐中，经过精炼，然后铸锭。炉渣积聚到一定程度后，通入氩气破坏真空，拆卸收气罐排出炉渣。从炉渣分离出低品位硅铁（含Si量20%可用作炼钢的脱氧剂）后，以水急冷，直接制成水泥。尽管Magnetherm Process的产品纯度略低于皮江法，但该法具有生产半连续化、单体设备产能大（一台4,500KW的炉子，可日产7～9吨镁），除法国之外，70年代以来，美国、南斯拉夫和巴西等国，也先后采用过这一技术。

三、最新镁冶炼法

镁的发现至今也不过200年，而镁的冶炼法从化学法、电解法进入到热还原法之后，在1960年代Magnetherm法应用以来，似乎就无较大进展。所幸进入21世纪，又有两种新的冶炼法披露，以下分别说明。

(1) Mintek Thermal Magnesium Process (MTMP)

2004年，南非的MINTEk与Eskom公司共同发表了Mintek Thermal Magnesium Process(简称MTMP法)，又因为这个方法是由两家南非公司所共同开发的，所以又称为南非热法。这种技术可在常温下连续生产。MINTEK公司充分利用自身直流电弧炉熔炼技术的优势，锻烧白云石产生镁蒸汽，在冷凝器中形成液态镁，常压下可释放液态镁再次冷凝形成粗镁，并从炉中除渣，此法有劳动生产率高，生产成本较低等优点。MTMP法是Magnetherm法的改进，虽然使用电弧炉，但是主要反应还是热还原，因此可以归类为热还原法的一种。在使用35MW电弧炉的前提下，产量约为每天100公吨。

(2)Zuliani Process

Zuliani Process是由加拿大多伦多大学冶金工程学博士Douglas Zuliani成功开发出来的镁金属冶炼新技术，该技术号称可以从白云石原料直接生产镁金属。2007年3月加拿大Gossan Resource Limited公司宣布购买该项新技术，并在全球独家拥有这一新技术的100%的知识产权。新工艺技术采用了原来法国Pechiney公司和美国Alcoa公司的镁金属生产工艺技术(也就是Magnetherm法)来加以改良。

Zuliani Process降低了对能源和关键原材料的用量，通过对传统硅热技术的强化，在不采用真空状态就能改进镁回收率和硅还原频率。不过这一镁生产新技术在投入工业生产之前还需要验证，并将实施一个三阶段的评估过程。第一阶段是避免熔化固态镁，这对于皮江法和其他硅热法都是一个大问题；第二阶段包括最终标准率试验。第三阶段是中间试验厂，展示新工艺技术的服务年限。和传统的皮江法镁生产工艺技术相比，新工艺技术号称降低生产成本达到25%。

四、小结

镁金属的冶炼从最早的化学法(金属还原法)进步到电解法，又进步到热还原法。进入21世纪，又有科学家从原本的工艺中加以改良成为新的炼镁技术。新的技术环绕的仍然是生产效率，比如更快速的生产方法、降低原本的严苛条件需求等。

科家们对于金属镁制备的热衷显示了市场对于镁金属的高度关注，全球产量的上升、应用层面的日渐广泛更显示镁金属是一个非常有潜力的工业用金属，且与其他金属相比较，镁金属并且没有匮乏之虞。炼镁技术的不断演进造福了下游应用产业，假以时日镁金属的杀手级应用出现，相信又是一番不一样的荣景。

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