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本文作者為大藍(lán)技術(shù)公司Aaron Palumbo，原文發(fā)表于Light metal Age (October 2023)。在此編譯發(fā)表，僅為業(yè)內(nèi)交流，不代表我們認(rèn)同本文的觀點。

金屬鎂再次引領(lǐng)趨勢。鎂在20世紀(jì)30年代和40年代最初的繁榮周期，是由第二次世界大戰(zhàn)引發(fā)的，并帶來了一系列基礎(chǔ)性的生產(chǎn)技術(shù)，而今天的生產(chǎn)工藝，在很大程度上要歸功于這些技術(shù)。隨著便攜式電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，在20世紀(jì)80年代和90年代，鎂的最終用途迅速擴(kuò)大。2021年，隨著鎂價達(dá)到歷史新高，以及主要的供應(yīng)鏈中斷和對環(huán)境影響的敏感性，鎂市場出現(xiàn)了一個新的波動周期。目前，鎂是美國能源部和歐盟關(guān)鍵原材料聯(lián)盟認(rèn)定的關(guān)鍵材料，西方世界指責(zé)全球供應(yīng)的地域不平衡。在氣候技術(shù)基金和行業(yè)領(lǐng)袖的參與下，各國政府準(zhǔn)備為其中許多努力提供支持。

自20世紀(jì)初首次商業(yè)化生產(chǎn)以來，鎂的使用一直以平穩(wěn)的速度呈上升趨勢。作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬，鎂的應(yīng)用在各種相關(guān)行業(yè)普及，鞏固了它對更廣泛的制造業(yè)的基礎(chǔ)性支持并展現(xiàn)其重要性。最新的例子是將鎂用于輕型電池驅(qū)動的電動汽車。更輕的重量，意味著更大的續(xù)航里程和/或更小的電池組，這減少了對鈷等電池材料的依賴。

然而，生產(chǎn)金屬鎂的過程頗為困難，而且往往存在危險。之前的很多項目，都因為缺乏對核心冶煉技術(shù)的重視而失敗。也許這就是為什么占主導(dǎo)地位的技術(shù)是一種勞動密集型的技術(shù)。中國的皮江法是一種硅熱法，因其高勞動強(qiáng)度和能源強(qiáng)度而受詬病。并不先進(jìn)的技術(shù)所形成的目前全球原鎂生產(chǎn)格局，加劇了客戶的許多供應(yīng)鏈痛點。

將一種新的金屬生產(chǎn)工藝推向市場的傳統(tǒng)方法是收購礦產(chǎn)資源或海洋資產(chǎn)，然后選擇或委托一項冶煉技術(shù)。這種商業(yè)模式并不適用于鎂。作為地殼中豐度第八的元素，眾所周知，鎂不受資源限制，“幾乎取之不盡，用之不竭(Merrill, A.M., “Magnesium Compounds,” Mineral Commodity Summaries, USGS.gov, January 2023)”?？碧胶图庸て髽I(yè)正尋求開發(fā)鎂礦床或副產(chǎn)品的直接和間接價值，卻發(fā)現(xiàn)不存在可以賺錢的有競爭力的冶煉技術(shù)。由于沒有現(xiàn)成的途徑，這些企業(yè)發(fā)現(xiàn)每個設(shè)施都是獨一無二的，即使是那些采用相同技術(shù)工藝的設(shè)施。即使是硅熱還原法，巴西RIMA工業(yè)公司的工藝也與中國皮江法生產(chǎn)大不相同。因此，每個項目都有一組獨特的風(fēng)險，這些風(fēng)險只能通過強(qiáng)大的雄心和或許雄厚的財力來應(yīng)對。

在過去和當(dāng)前的周期中，有許多利益相關(guān)者希望看到這種“小金屬”蓬勃發(fā)展，成為一種具有重要社會經(jīng)濟(jì)意義的材料，接近甚至達(dá)到其輕金屬姐妹鋁的水平。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要技術(shù)來推動價格下降，同時保持有吸引力的利潤率。新的供應(yīng)商也需要是具有可靠性和穩(wěn)定性的?；謴?fù)市場平衡和重構(gòu)生產(chǎn)布局，只能通過解決鎂的實質(zhì)性挑戰(zhàn)來實現(xiàn)，這需要從核心冶煉單元操作開始。如果要從歷史中吸取教訓(xùn)以避免重復(fù)失敗，大藍(lán)技術(shù)公司(BBT)團(tuán)隊已經(jīng)把重點放在了提高成功幾率的冶煉方面。在這樣做的過程中，團(tuán)隊可以確認(rèn)一個永恒問題的答案:這一次鎂會成熟嗎?

推進(jìn)鋁熱還原工藝

BBT起源于科羅拉多大學(xué)博爾德分校。十年來，創(chuàng)始人一直在評估和創(chuàng)新各種熱能或熱法冶金工藝方案。從基礎(chǔ)研究到試驗，該團(tuán)隊已經(jīng)研究了幾乎所有可行的金屬鎂生產(chǎn)原料和工藝配置。這項技術(shù)探索使該團(tuán)隊在鋁熱還原(ATR)上取得進(jìn)展。為了提高安全性和可擴(kuò)展性，該團(tuán)隊目前在懷俄明州Cheyenne市外運營ATR試驗設(shè)施(圖1)。在驗證關(guān)鍵操作技術(shù)的同時，BBT已經(jīng)開始與工業(yè)合作伙伴一起向年產(chǎn)2000噸的商業(yè)示范工廠過渡。

鋁熱工藝在概念上很簡單:將鋁金屬和鎂礦石加熱到1000°C左右，從爐料中提取金屬鎂，并同生產(chǎn)增值耐火材料。使用熔鹽冷卻來嚴(yán)格控制冷凝條件(圖2)，可以連續(xù)生產(chǎn)高質(zhì)量的金屬鎂。采用最先進(jìn)的自動化和控制，該過程可以在沒有人在場的情況下操作，減少了勞動力并設(shè)定了安全標(biāo)準(zhǔn)。使用廢鋁可以降低成本和排放。在這種配置中，鋁熱還原ATR代表了所有生產(chǎn)技術(shù)中最低的能源需求，并解決了與熱加工生產(chǎn)工藝過程中的與勞動強(qiáng)度和環(huán)境影響的相關(guān)的問題。

從資源開始

值得指出的是，任何鎂金屬生產(chǎn)路徑幾乎都可以使用任何含鎂資源。Emley在他的開創(chuàng)性著作中闡述了這些基礎(chǔ)化學(xué)(Emley, Edward F., Principles of Magnesium Technology, Pergamon Press, 1966)。天然存在的氯化鎂，比如在大鹽湖和死海高濃度存在的氯化鎂，可以很容易地轉(zhuǎn)化為氧化物。同樣，菱鎂礦、蛇紋石和任何其他陸基礦石都可以轉(zhuǎn)化為氯化物。這些都是每天由各種工業(yè)參與者和各種市場進(jìn)行的大規(guī)模生產(chǎn)所完成的，而金屬鎂生產(chǎn)只是其中之一。

例如，20世紀(jì)40年代初，加州Permanente的碳熱金屬鎂生產(chǎn)廠使用海水作為其資源(Elkins, D.A., Placek, P.L., and K.C. Dean, “An economic and technical evaluation of magnesium production methods (in three parts): 2. Carbothermic,” U.S. Department of the Interior, Bureau of Mines, 1967)。與此同時，陶氏化學(xué)公司(Dow Chemical)在其位于德克薩斯州自由港(Freeport)附近的電解生產(chǎn)廠開始使用來自墨西哥灣沿岸的海水(Ball, C.J.P., “The History of Magnesium,” The Journal of the Institute of Metals, February 1956)。因此，使用海水并不局限于任何特定的冶煉技術(shù)。事實甚至更加微妙。Permanente和陶氏化學(xué)的歷史工藝都使用石灰(煅燒碳酸鈣)和海水作為主要原料。石灰經(jīng)過高溫煅燒，化石燃料的燃燒和礦石本身的分解直接釋放出二氧化碳。

聽起來是不是很熟悉?皮江法還必須煅燒白云石原料。此外，陶氏鎂廠同時還產(chǎn)生了大量的殘渣，形成了一個大的廢物堆，這就是著名的鎂山(Brandt, E.N., We Called it MAG-nificent: Dow Chemical and Magnesium 1916 – 1998, Michigan State University Press, 2013)

ATR工藝的排放影響主要取決于氧化鎂的來源，陸地還是海洋。消費前廢鋁(工藝廢鋁)或消費后廢鋁之間的排放差異也對總體碳足跡有所影響。在實踐中，需要在產(chǎn)品成本和與產(chǎn)品相隨的環(huán)境影響之間做出認(rèn)真的權(quán)衡。不管怎樣，現(xiàn)有的皮江工藝的碳排放量過高，而BBT工藝顯示至少減少了60%的碳排放。為了達(dá)到95%的減排，甚至是零排放，氧化鎂需要來自非碳酸鹽礦石，或者需要在煅燒窯中實施碳捕獲解決方案。許多參與方正在研究這些技術(shù)。

電解與熱還原

熱工藝作為一個分類類別，有點用詞不當(dāng)。電解槽的工作溫度高達(dá)750°C，其中熱工藝溫度可低至1000°C。對于這兩種工藝路徑，與生產(chǎn)金屬的化學(xué)反應(yīng)熱相比，加熱系統(tǒng)所消耗的能量很小。當(dāng)電子來自鋁(用于ATR)時，與電解和硅熱相比，所需的總理論能量最低(表I)。

表1 金屬鎂生產(chǎn)路線中原鎂冶煉裝置運行參數(shù)(來源：Ehrenberger, S. “Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction,” German Aerospace Centre e.V., 2013)

* 根據(jù)美國電網(wǎng)電力平均排放值(0.418 kgCO2eq/kWh)估算(資料來源：“How much of U.S. carbon dioxide emissions are associated with electricity generation?” U.S. Energy Information Administration, www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=77&t=11, site visited August 11, 2023)

中國的皮江工藝在核心冶煉步驟中直接燃燒化石燃料。盡管熱法工藝與皮江法同屬一個類別，但可以電氣化代替。前面提到的Permanente工廠就是一個例子。目前，巴西(RIMA)和塞爾維亞(Mg Serbien)的兩座熱法鎂廠仍在運行。高溫爐通常是消耗能量最多的步驟。電氣化是鎂工業(yè)未來發(fā)展的一種方式，可以避免直接排放，并結(jié)合可再生能源。由于ATR過程比其競爭對手需要更少的能源，因此即使使用當(dāng)今發(fā)電廠的電網(wǎng)供電，它也可以實現(xiàn)低排放影響。

每種技術(shù)途徑的挑戰(zhàn)是截然相反的。電解工廠面臨上游原料脫水的挑戰(zhàn);熱法鎂廠需要在鎂蒸汽的下游冷凝和回收方面進(jìn)行創(chuàng)新。經(jīng)過近7年的熱還原系統(tǒng)研究，BBT團(tuán)隊找到了一種在全電氣化冶煉操作中精確控制冷凝過程的方法。

邁向更輕量化和輕松的未來

鎂的好處已經(jīng)不是秘密了。在眾多行業(yè)中，鎂是首選材料，如果價格降低，其他行業(yè)也會選擇鎂。這就是鎂的真實情況：原鎂供應(yīng)行業(yè)的狀況阻礙了商品化和高價值應(yīng)用的增長。限量的標(biāo)準(zhǔn)化鎂合金，可能直接與缺乏下游應(yīng)用供應(yīng)商參與有關(guān)。原鎂項目一直并將繼續(xù)充滿失敗和失望。數(shù)十億美元已經(jīng)損失。開發(fā)和商業(yè)項目的歷史，伴隨了爆炸、設(shè)備損失、商業(yè)損失、地方和國家工業(yè)損失以及生命損失?，F(xiàn)在只是缺乏專業(yè)知識。誰想在這個行業(yè)工作?

Bob Brown先生以前所寫的關(guān)于澳大利亞鎂項目的文章仍然可查閱。澳大利亞擁有一些世界上最好的鎂礦床，在20世紀(jì)90年代有十幾個項目啟動。盡管有數(shù)千萬美元的私人和公共投資，但它們都沒有成功實現(xiàn)全面商業(yè)化。

在上世紀(jì)90年代末開始，皮江法工藝鎂產(chǎn)量迅速增長，電解鎂的市場份額突然發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，從大約10年前的70%以上下降到今天的不到20%?？紤]到一些引人注目的失敗項目、公司虧損和令人不安的資本密集度，BBT相信，原鎂供應(yīng)的未來掌握在任何能夠平衡成本、可持續(xù)性和安全性的人手中——這似乎是只有選擇熱法工藝路線才具備的特征。

擴(kuò)展可行的金屬鎂生產(chǎn)概念并以具有成本競爭力的方式生產(chǎn)，是真正支持客戶并實現(xiàn)新的最終用途的唯一途徑?？蛻舻闹饕V求，是質(zhì)量一致且能夠準(zhǔn)時交貨。

最后，讓我們再回顧下Emley那本書中的獻(xiàn)詞:“獻(xiàn)給所有努力建設(shè)鎂工業(yè)的人們;也感謝那些以耐心和理解支持他們努力的伙伴?！?

參考資料：

Merrill, A.M., “Magnesium Compounds,” Mineral Commodity Summaries, USGS.gov, January 2023.

Emley, Edward F., Principles of Magnesium Technology, Pergamon Press, 1966.

Elkins, D.A., Placek, P.L., and K.C. Dean, “An economic and technical evaluation of magnesium production methods (in three parts): 2. Carbothermic,” U.S. Department of the Interior, Bureau of Mines, 1967.

Ball, C.J.P., “The History of Magnesium,” The Journal of the Institute of Metals, February 1956.

Brandt, E.N., We Called it MAG-nificent: Dow Chemical and Magnesium 1916 – 1998, Michigan State University Press, 2013.

Ehrenberger, S. “Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction,” German Aerospace Centre e.V., 2013.

“How much of U.S. carbon dioxide emissions are associated with electricity generation?” U.S. Energy Information Administration, www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=77&t=11, site visited August 11, 2023.

Brown, R., “Magnesium Summary 2011,” Australian Journal of Mining, August 2011.