鄭州大學(xué)“鎂基技術(shù)與材料”張少軍研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在全面深入研究硅熱法煉鎂有關(guān)工程熱物理及熱化學(xué)基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量應(yīng)用基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在硅熱法煉鎂還原過(guò)程中，通過(guò)抑制不利化學(xué)反應(yīng)和有害元素生成，并且控制有害雜質(zhì)的流動(dòng)、結(jié)晶，外熱式硅熱法可以免除煅燒和精煉工序，只通過(guò)一道還原工序就可以產(chǎn)出各種有害雜質(zhì)含量均低于50ppm的高純凈鎂，實(shí)現(xiàn)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(guò)程可全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化甚至自動(dòng)化，沒(méi)有高溫高塵和有毒有害氣體生成，同時(shí)能耗顯著降低。這種新型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鎂冶煉工藝的一次變革性技術(shù)進(jìn)步。
當(dāng)前，“鎂基技術(shù)與材料”團(tuán)隊(duì)運(yùn)用復(fù)式豎罐“兩步法”工藝技術(shù)及全套工藝裝備，已建成一條年產(chǎn)1.25萬(wàn)噸工業(yè)性試驗(yàn)生產(chǎn)線并成功投產(chǎn)運(yùn)行，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)全面達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)預(yù)期，充分驗(yàn)證了該工藝技術(shù)的先進(jìn)性?；诖?，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)高純凈鎂短流程“一步法”綠色冶煉技術(shù)新型工藝，以此為我國(guó)鎂冶煉工藝的提升作出更大的努力。
原鎂冶煉是鎂產(chǎn)業(yè)全鏈條的源頭和基礎(chǔ)，“高耗能、高污染、低產(chǎn)出、低品質(zhì)”的原鎂生產(chǎn)現(xiàn)狀已嚴(yán)重制約我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展，亟待創(chuàng)新開(kāi)發(fā)變革性的、可持續(xù)發(fā)展的短流程綠色鎂冶煉新技術(shù)、新工藝，開(kāi)發(fā)機(jī)械化、自動(dòng)化、規(guī)?；牡统杀?、高純凈鎂綠色冶煉新裝備并推廣應(yīng)用，走工業(yè)化綠色制造的道路。并在此基礎(chǔ)上，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化，打造鎂產(chǎn)業(yè)“中國(guó)制造2025”，保障和促進(jìn)鎂基材料發(fā)展成為可廣泛應(yīng)用的基本金屬材料，是當(dāng)前我國(guó)鎂工業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)和重大科技需求。
什么是“一步法”綠色冶煉技術(shù)
鎂冶煉工藝一般可分為電解法、內(nèi)熱法和外熱法三類，都是通過(guò)“煅燒（或脫水）、還原（或電解）、精煉”三步主要工序生產(chǎn)原鎂，稱為“三步法”工藝。電解法和內(nèi)熱法具有機(jī)械化及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但最大的缺點(diǎn)是產(chǎn)品成本太高，并且電解法產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)品氯氣處理工藝復(fù)雜、冗長(zhǎng)，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(nèi)熱式硅熱法僅還原工序電耗就在10000kWh/tMg左右（折算約4tce/tMg），內(nèi)熱式碳熱法還原工序理論電耗為硅熱法的2.7倍，高達(dá)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850 tce/tMg，目前實(shí)際能耗約3tce/tMg，有明顯節(jié)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但皮江法的最大問(wèn)題是生產(chǎn)工藝冗長(zhǎng)、人工加料和出渣，機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，并且車間內(nèi)高溫高塵、存在有毒有害氣體和粉塵污染等。
“鎂基技術(shù)與材料”研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)原鎂冶煉工藝流程長(zhǎng)、機(jī)械化程度低、能耗高、規(guī)模小、粗晶白云石不能用做原料等問(wèn)題，根據(jù)“綠色化學(xué)12條原則”，開(kāi)展了大量硅熱法煉鎂基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，采用工程熱物理、熱化學(xué)和多相流理論和方法，系統(tǒng)深入的研究了硅熱法煉鎂固相反應(yīng)、白云石煅燒分解反應(yīng)的熱分析動(dòng)力學(xué)、分形子動(dòng)力學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)理，以及還原罐材料高溫力學(xué)性能和白云石煅燒及煅白失活、還原渣熔融粘結(jié)、鎂蒸氣流動(dòng)及結(jié)晶、原鎂雜質(zhì)形成等機(jī)理問(wèn)題，完善了硅熱法煉鎂理論體系，填補(bǔ)了部分理論研究空白；解決了還原渣粘罐結(jié)釉、還原罐蠕變失穩(wěn)壽命、還原爐溫度場(chǎng)均勻、還原渣余熱回收、結(jié)晶鎂雜質(zhì)控制，以及還原罐和還原爐的大型化、規(guī)?；?，免精煉、免煅燒煉鎂等共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了使用壽命半年以上、一次裝料量500公斤以上、日產(chǎn)鎂270公斤以上的新型大型復(fù)式反應(yīng)器（還原罐），可直接產(chǎn)出高純凈結(jié)晶鎂的大型復(fù)式結(jié)晶器，一個(gè)單元模塊日產(chǎn)鎂5噸以上、單臺(tái)年產(chǎn)量萬(wàn)噸以上的新型大型復(fù)式反應(yīng)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(xiàn)有皮江法相比，實(shí)現(xiàn)了工藝流程縮短2/3，生產(chǎn)效率提高2倍，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高1倍，工廠用地節(jié)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(nèi)無(wú)煙塵和有毒有害氣體，工藝過(guò)程全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，系統(tǒng)、全面的解決了皮江法存在的上述問(wèn)題。
“一步法”綠色冶煉技術(shù)預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)
高純凈鎂短流程“一步法”綠色冶煉技術(shù)新型工藝預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)（技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）如下：
（1）機(jī)械化加料、機(jī)械化出渣，還原爐自動(dòng)化運(yùn)行，萬(wàn)噸產(chǎn)能用工不超過(guò)150人，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高1倍以上；
（2）車間內(nèi)無(wú)渣、無(wú)塵、無(wú)有毒有害氣體、無(wú)鎂液著火風(fēng)險(xiǎn)，工人勞動(dòng)條件顯著改善；
（3）還原罐裝料500kg以上、日產(chǎn)量200kg以上，生產(chǎn)效率提高3倍左右，萬(wàn)噸產(chǎn)能工廠占地不超過(guò)20畝，節(jié)約用地90%以上；
（4）還原罐材料的蠕變及失穩(wěn)性能顯著改善，連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(jié)能30%以上；
（6）還原工序結(jié)晶鎂純度不低于99.98%，單個(gè)有害雜質(zhì)含量低于30ppm，可直接產(chǎn)出不用精煉的高純凈“合金專用鎂”，實(shí)現(xiàn)免煅燒、免精煉“一步法”煉鎂；
（7）可用細(xì)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(jìn)行冶煉，實(shí)現(xiàn)“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(shí)間縮短30%以上、產(chǎn)品成本降低20%以上；
（8）開(kāi)發(fā)出整套標(biāo)準(zhǔn)化工藝以及包括新型壓球機(jī)、加料器、接渣機(jī)、還原渣余熱回收器、脫鎂機(jī)、熔鎂爐等附屬設(shè)備在內(nèi)的整套標(biāo)準(zhǔn)化裝備，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和規(guī)?；V冶煉，可進(jìn)行大規(guī)模、集約化生產(chǎn)。
“一步法”工藝實(shí)施后的預(yù)期經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益
該工藝技術(shù)及其全套裝備推廣應(yīng)用后，預(yù)計(jì)“十三五”末期全國(guó)原鎂產(chǎn)量的30~50%、“十四五”初期全國(guó)原鎂產(chǎn)量的80%以上，都將采用該技術(shù)生產(chǎn)。通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎂冶煉行業(yè)補(bǔ)短板、去產(chǎn)能、降成本，提升行業(yè)集中度，產(chǎn)生3~5家年產(chǎn)量5~10萬(wàn)噸以上的大型鎂冶煉企業(yè)，我國(guó)鎂冶煉工業(yè)將全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和規(guī)?；?，全面實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)的更新?lián)Q代、轉(zhuǎn)型升級(jí)，產(chǎn)生一次革命性的技術(shù)進(jìn)步，走上綠色可持續(xù)發(fā)展道路。同時(shí)，也為我國(guó)鎂冶煉工業(yè)在“十四五”期間，對(duì)該技術(shù)工藝進(jìn)行進(jìn)一步研究發(fā)展，實(shí)施“兩化融合”、實(shí)現(xiàn)智能化創(chuàng)造條件，如期打造出鎂冶煉工業(yè)的“中國(guó)制造2025”。
鎂冶煉是鎂合金等鎂基產(chǎn)品市場(chǎng)的“供給側(cè)”。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(nèi)進(jìn)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(xì)晶和粗晶白云石均可用于冶煉；還原工序還可直接產(chǎn)出Fe、Ni、Cl等有害雜質(zhì)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(qiáng)度、韌性、塑性、耐蝕性以及性價(jià)比和安全可靠性，是一次成功的“供給側(cè)”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(dá)到優(yōu)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(shí)各項(xiàng)性能將明顯提高。
該技術(shù)工藝及全套裝備在國(guó)內(nèi)鎂冶煉行業(yè)全面推廣應(yīng)用后，將促使我國(guó)鎂冶煉行業(yè)的發(fā)展，原鎂年產(chǎn)量在目前80萬(wàn)噸的基礎(chǔ)上大幅提高。按年產(chǎn)100萬(wàn)噸原鎂計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤至少100萬(wàn)噸以上，減排二氧化碳250萬(wàn)噸以上，減少白云石消耗100萬(wàn)噸以上，鎂冶煉行業(yè)降本增效至少20億元以上。