中國(guó)是全球鎂資源最豐富的國(guó)家，包括儲(chǔ)量驚人的礦石鎂和鹽湖鎂。其中，礦石鎂最集中的遼寧省營(yíng)口市下轄的大石橋市，被譽(yù)為“中國(guó)鎂都”。該市鎂礦資源的總探明儲(chǔ)量為44.56億噸。其中，菱鎂礦總探明儲(chǔ)量30.06億噸，保有儲(chǔ)量29.19億噸。2002年12月，大石橋市被國(guó)家科技部確立為國(guó)家鎂質(zhì)材料產(chǎn)業(yè)化基地，2005年4月，被中國(guó)耐火材料行業(yè)協(xié)會(huì)授予中國(guó)鎂都---大石橋“全國(guó)鎂質(zhì)耐火材料生產(chǎn)和出口基地”稱號(hào)。目前，全市擁有各類鎂產(chǎn)品企業(yè)570多家，年產(chǎn)各種鎂制品700多萬(wàn)噸，高品級(jí)鎂制品的種類、產(chǎn)量、出口以及鎂制品企業(yè)裝備水平、創(chuàng)新能力均居全國(guó)第一位。
我國(guó)鹽湖中的鎂資源豐富，但是由于受地區(qū)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的限制，鹽湖中資源綜合利用程度仍較低。例如青海鹽湖資源的開發(fā)主要以生產(chǎn)鉀肥為主，每產(chǎn)1噸氯化鉀副產(chǎn)8～10噸氯化鎂。幾十年來(lái)隨著氯化鉀生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生的氯化鎂鹵水也不斷增加。目前察爾汗鹽湖氯化鉀年生產(chǎn)規(guī)模約 300 萬(wàn)噸，副產(chǎn)氯化鎂約2400-3000萬(wàn)噸，作為氯化鎂初級(jí)產(chǎn)品年銷售約30-50萬(wàn)噸，大量的氯化鎂沒(méi)有利用，基本都是作為廢液，用管道和渠道排放返回到鹽湖中，導(dǎo)致鎂鹽的局部增濃，這不僅造成了資源浪費(fèi)，而且在一定程度上破壞了鹽湖的資源結(jié)構(gòu)，影響鹽湖鉀資源的持續(xù)開發(fā)利用。而青海鹽湖鎂資源品位高，儲(chǔ)量大，易于開采，是非常寶貴的資源，青海柴達(dá)木盆地鹽湖已探明氯化鎂儲(chǔ)量48.2億噸，其中察爾汗鹽湖氯化鎂儲(chǔ)量40.6億噸。但由于歷史原因和技術(shù)限制，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)鹽湖鎂資源的利用重視不夠，對(duì)鹽湖鎂資源的開發(fā)只停留在初級(jí)階段，因此，結(jié)合鎂資源的特點(diǎn)，開發(fā)新型的節(jié)能技術(shù)生產(chǎn)高附加值的鎂產(chǎn)品(包括但不限于：無(wú)水氯化鎂、金屬鎂等)，以滿足市場(chǎng)需求，促進(jìn)鎂資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)是我國(guó)鎂業(yè)的發(fā)展方向，同時(shí)也是可持續(xù)發(fā)展保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排的需要。
2008年，青海鹽湖工業(yè)股份有限公司引進(jìn)挪威海德魯公司技術(shù)，啟動(dòng)實(shí)施了以年產(chǎn)10萬(wàn)噸電解金屬鎂裝置為核心的金屬鎂一體化項(xiàng)目。項(xiàng)目建成后，金屬鎂裝置4個(gè)主生產(chǎn)單元中，除鹵水精制、電解、鑄造3個(gè)單元可穩(wěn)定運(yùn)行外，關(guān)鍵核心的氯化鎂脫水單元由于受氣候、海拔、原料來(lái)源、HCl循環(huán)途徑等諸多因素影響，裝置未能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，嚴(yán)重制約了后續(xù)金屬鎂裝置的穩(wěn)定運(yùn)行和達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。氯化鎂脫水這項(xiàng)“卡脖子”核心技術(shù)一直是世界性難題。
由于受限于電解鎂的原料供應(yīng)與質(zhì)量缺陷，中國(guó)目前仍依賴高耗能、高碳排放量的皮江法。該技術(shù)路線至今仍占據(jù)全球原鎂生產(chǎn)量的85%-90%。其中國(guó)內(nèi)金屬鎂將近50%產(chǎn)能，都來(lái)自陜西榆林的府谷縣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年陜西省榆林市府谷縣的原鎂產(chǎn)量約45萬(wàn)噸，占全國(guó)年產(chǎn)量的50%。2020年底由榆能集團(tuán)等牽頭組建的陜西榆林鎂業(yè)（集團(tuán)），旗下共有金屬鎂生產(chǎn)企業(yè)20家，金屬鎂總產(chǎn)能55萬(wàn)噸/年，蘭炭總產(chǎn)能1650萬(wàn)噸/年，硅鐵總產(chǎn)能55萬(wàn)噸/年。
采用電解法將無(wú)水氯化鎂電解生產(chǎn)金屬鎂的技術(shù)路線，是最有前途的氯化鎂資源加工利用的途徑。以青海省為代表的西部地區(qū)擁有豐富的光伏、光熱和風(fēng)能等可再生能源，能夠?yàn)殡娊怄V等高耗能產(chǎn)業(yè)提供大量廉價(jià)電力。實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電解鎂產(chǎn)業(yè)最關(guān)鍵的要點(diǎn)是將含有結(jié)晶水的氯化鎂原料，低成本制備成符合電解鎂產(chǎn)業(yè)需求的無(wú)水氯化鎂。但現(xiàn)有工藝技術(shù)路線，存在產(chǎn)線投資巨大、能耗高、生產(chǎn)成本高昂、無(wú)水氯化鎂的脫水不徹底，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差等問(wèn)題，導(dǎo)致高品質(zhì)無(wú)水氯化鎂的產(chǎn)能不足，嚴(yán)重制約了電解法金屬鎂的產(chǎn)能達(dá)成。也限制了青海鎂業(yè)年產(chǎn)十萬(wàn)噸電解鎂生產(chǎn)線的達(dá)產(chǎn)。
電解法與皮江法相比，具有能耗低、連續(xù)化生產(chǎn)、機(jī)械化和自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)對(duì)比如下表所示：
通過(guò)上述數(shù)據(jù)對(duì)比，與皮江法相比，電解法制備金屬鎂，產(chǎn)生的廢渣少而且可綜合利用，原料中鎂的回收率高達(dá)96%，副產(chǎn)的氯氣也可以用于PVC等行業(yè)，幾乎是物盡其用，而且溫室氣體CO2排放量低，極大地降低了生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。目前，國(guó)外80％以上的金屬鎂都是采用電解法生產(chǎn)的。因此，采用鹽湖鹵水中廉價(jià)的水氯鎂石(MgCl2·6H2O)或光鹵石（KCl·MgCl2·6H2O）為原料，經(jīng)脫水制備無(wú)水氯化鎂，然后采用電解法生產(chǎn)金屬鎂，將是我國(guó)鎂冶金發(fā)展的根本出路。
電解法制備金屬鎂的關(guān)鍵問(wèn)題之一是要有高效穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝提供優(yōu)質(zhì)的、低成本的無(wú)水氯化鎂原料。在無(wú)水氯化鎂的制備的現(xiàn)有技術(shù)路線中，有氣體保護(hù)加熱脫水法、有機(jī)溶劑蒸餾與分子篩脫水法、氯化鎂復(fù)鹽及絡(luò)合物分解脫水法和氧化鎂高溫碳還原氯化等工藝。其中，氣體保護(hù)脫水需要大量的氯化氫氣體，能耗大，高溫下設(shè)備腐蝕嚴(yán)重；有機(jī)溶劑蒸餾法則存在有機(jī)試劑和氯化鎂的分解，無(wú)水氯化鎂產(chǎn)品含有大量的碳和氧化鎂，無(wú)法作為電解原料；氯化鎂復(fù)鹽及絡(luò)合物分解脫水法，主要合成六氨氯化鎂，進(jìn)而分解制備無(wú)水氯化鎂。該方法若以水合氯化鎂為原料，則電解制鎂產(chǎn)生的氯無(wú)法循環(huán)使用。若以鎂的氫氧化物或氧化物為原料，在制備工藝中即要用到強(qiáng)腐蝕性的鹽酸又要用到氨，增大了對(duì)環(huán)境的危害性。這幾種工藝的技術(shù)要點(diǎn)和工藝缺陷如下表所示：
青海柴達(dá)木盆地，特別是察爾汗鹽湖蘊(yùn)含極為豐富的氯化鎂資源和光熱資源。據(jù)介紹，青海清潔能源資源優(yōu)勢(shì)顯著，光伏資源理論可開發(fā)量35億千瓦，位居中國(guó)第一，且光伏發(fā)電成本中國(guó)最低；風(fēng)能技術(shù)可開發(fā)量7555萬(wàn)千瓦，位居中國(guó)前列，尤其是低風(fēng)速風(fēng)電開發(fā)潛力巨大；可用于清潔能源開發(fā)的荒漠化土地資源達(dá)10萬(wàn)平方公里以上。
青海鹽湖工業(yè)股份有限公司（證券代碼SZ.000792）是青海省國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)管理的省屬大型上市國(guó)有企業(yè)，主要從事化學(xué)原料及化學(xué)制品制造。公司位于青海省格爾木市，系中國(guó)鉀肥制造行業(yè)排頭兵企業(yè)，擁有500萬(wàn)噸/年鉀肥生產(chǎn)能力，產(chǎn)能位列全球第四位。
過(guò)去幾年，國(guó)家工信部、科技部與青海省科技廳等聯(lián)合組織開展了技術(shù)攻關(guān)。先后于2019年組織行業(yè)協(xié)會(huì)、有關(guān)企業(yè)等專家對(duì)青海鹽湖股份無(wú)水氯化鎂脫水工藝開展了系統(tǒng)診斷，并進(jìn)行了驗(yàn)證性試車，根據(jù)試車結(jié)果研究制定了整改方案；2021年6月，青海省科技廳設(shè)立專項(xiàng)，實(shí)行“揭榜掛帥”，征集脫水線改造方案，對(duì)青海鹽湖鎂業(yè)有限公司一條脫水線（共有六條脫水線）進(jìn)行升級(jí)改造，計(jì)劃2022年改造完成并試生產(chǎn)。但從公告情況來(lái)看，現(xiàn)有工藝技術(shù)路線仍未跳出現(xiàn)有技術(shù)的框架，很難實(shí)現(xiàn)飛躍性的改進(jìn)與提升。
參考報(bào)道：《解決這一世界性難題 青海向全國(guó)“揭榜掛帥”》
青海鹽湖工業(yè)股份有限公司 關(guān)于“揭榜掛帥”技術(shù)解決方案首輪篩選結(jié)果的公示，網(wǎng)址：網(wǎng)頁(yè)鏈接
公示中列在第13排的“光鹵石經(jīng)甲酸鎂途徑制備電解用無(wú)水氯化鎂的中試工藝研究”是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）與深圳市美凱特科技有限公司聯(lián)合團(tuán)隊(duì)申報(bào)的，已經(jīng)通過(guò)兩輪專家評(píng)審與遠(yuǎn)程答辯。我是該工藝技術(shù)路線的主要發(fā)明人。
一旦鹽湖鹵水制備電解用無(wú)水氯化鎂的工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，必將推動(dòng)中國(guó)金屬鎂產(chǎn)業(yè)的新一輪快速發(fā)展。而金屬鎂的產(chǎn)能快速放大，又將進(jìn)一步推動(dòng)下游產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。包括但不限于：1、大規(guī)模量產(chǎn)鎂合金壓鑄類產(chǎn)品；2、用于生產(chǎn)稀土鎂合金；3、用于煉鋼環(huán)節(jié)的鐵水脫硫；4、促進(jìn)金屬鈦等高附加值金屬材料的規(guī)模化生產(chǎn)；5、促進(jìn)可循環(huán)使用的建筑用鎂合金模板的應(yīng)用普及。
鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、減震性高、易加工、易回收等優(yōu)點(diǎn)，加上其良好的電磁屏蔽能力,阻尼減震性好,易切削加工性和可再生利用性等優(yōu)異性能,在航空航天、軍工、電子通訊、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，特別是在全球鐵、鋁、鋅等金屬資源緊缺大背景下，鎂的資源優(yōu)勢(shì)、價(jià)格優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)必將得到充分發(fā)揮，使得鎂合金成為一種快速崛起的工程材料。
然而,鎂合金存在室溫強(qiáng)度不高,高溫強(qiáng)度低,抗蠕變性能差等缺點(diǎn),又嚴(yán)重阻礙了鎂合金的廣泛應(yīng)用。稀土鎂合金，泛指含有稀土元素（rare earth）的鎂合金，日益受到重視。研究表明：將稀土元素加入鎂合金中能夠提高其力學(xué)性能,抗蠕變性能及耐腐蝕性能，增強(qiáng)其耐熱性。其中，稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，稱為稀土元素(Rare Earth)，或簡(jiǎn)稱稀土(RE或R)。由于大部分稀土元素與鎂的原子尺寸半徑相差在±15%范圍內(nèi)，在鎂中有較大固溶度，具有良好的固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化作用；加入稀土元素可以有效地改善鎂合金組織和微觀結(jié)構(gòu)、提高合金室溫及高溫力學(xué)性能、增強(qiáng)合金耐蝕性和耐熱性等；稀土元素原子擴(kuò)散能力差，對(duì)提高鎂合金再結(jié)晶溫度和減緩再結(jié)晶過(guò)程有顯著作用；稀土元素還有很好的時(shí)效強(qiáng)化作用，可以析出非常穩(wěn)定的彌散相粒子，從而能大幅度提高鎂合金的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力。因此在鎂合金領(lǐng)域開發(fā)出一系列含稀土的鎂合金，使它們具有高強(qiáng)、耐熱、耐蝕等性能，將有效地拓展鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。
以軍工領(lǐng)域?yàn)槔?，以稀土釹為主要添加元素的ZM6鑄造鎂合金已用于直升機(jī)減速機(jī)匣、殲擊機(jī)翼肋及30kW發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子引線壓板等重要零件。QE22A合金廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈部件的生產(chǎn)，如美洲虎攻擊機(jī)的座艙蓋骨架，超黃蜂直升機(jī)的前起落架外筒和輪彀等。中航與有色金屬總公司聯(lián)合研制的稀土高強(qiáng)鎂合金B(yǎng)M25已代替部分中強(qiáng)鋁合金，在殲擊機(jī)上獲得應(yīng)用。長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研發(fā)成功的MB26富釔鎂合金已用于國(guó)產(chǎn)殲7和轟炸機(jī)飛機(jī)的受力構(gòu)件上。航空航天領(lǐng)域?qū)辖鸶邷亓W(xué)性能及合金高溫性能的要求使稀土鎂合金在此領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。WFM3、WE54廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱和直升機(jī)變速系統(tǒng)中。此外，EQ、Ez系列合金也廣泛應(yīng)用于飛機(jī)部件，如座椅、踏板、輪子等。
以高端鈦材為例：中國(guó)擁有儲(chǔ)量極為豐富的鈦鐵礦等礦產(chǎn)資源。而要把這些初級(jí)資源加工成高附加值的鈦材，至少需要經(jīng)過(guò)以下步驟。一、將鈦鐵礦中的生鐵分離后，鈦渣與氯反應(yīng)變成四氯化鈦；二、用鎂熱還原法生產(chǎn)海綿鈦。具體是將四氯化鈦提純后，加到密封的不銹鋼罐中，充以氬氣，使它們與金屬鎂反應(yīng)，就得到“海綿鈦”；三、將多孔的“海綿鈦”放在電爐中高溫熔化成液體，才能鑄成鈦錠，繼而加工成鈦材……
綜上所述，中國(guó)擁有全球最為豐富的鎂資源和稀土資源，既是鎂及鎂合金的生產(chǎn)大國(guó)，又是稀土的生產(chǎn)大國(guó)，在利用豐富的稀土資源，推動(dòng)稀土鎂合金的發(fā)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。充分利用稀土元素獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步提高和改善鎂合金的綜合性能，特別是耐高溫、高強(qiáng)度鎂合金的開發(fā)，使鎂合金的優(yōu)良性能得到充分發(fā)揮，以滿足汽車工業(yè)、通訊電子業(yè)、航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咂焚|(zhì)高性能鎂合金的需求，擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍，將是稀土鎂合金的重要研究方向和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。
上圖是我率先提出的，以青海、新疆和西藏等西部地區(qū)豐富的太陽(yáng)能與風(fēng)能等可再生電力資源，與當(dāng)?shù)佧}湖鹵水中分離出來(lái)的氯化鎂、氯化鈉的電解技術(shù)結(jié)合，通過(guò)對(duì)光熱風(fēng)能資源的開發(fā)和鹽湖資源深度加工利用，實(shí)現(xiàn)綠色電力與鹽湖資源全面開發(fā)的新藍(lán)圖。該藍(lán)圖暫未包括已經(jīng)成熟的氯化鉀生產(chǎn)工藝，也未包含以甲酸鎂和甲酸鋰高效分離為特征的鎂鋰分離新技術(shù)。僅供業(yè)界參考。
如果上述藍(lán)圖得以逐步達(dá)成，我國(guó)金屬鎂的年產(chǎn)量將有望從目前的100萬(wàn)噸，逐步提高到200萬(wàn)噸（2030年碳達(dá)峰）和500萬(wàn)噸（2060年碳中和）。并為下游的新能源汽車、航空航天等產(chǎn)業(yè)帶來(lái)每年數(shù)千億元的GDP增量。