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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(diǎn)。

金屬鎂再次引領(lǐng)趨勢(shì)。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(lái)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?dú)w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(jià)達(dá)到歷史新高，以及主要的供應(yīng)鏈中斷和對(duì)環(huán)境影響的敏感性，鎂市場(chǎng)出現(xiàn)了一個(gè)新的波動(dòng)周期。目前，鎂是美國(guó)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(guó)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(lái)，鎂的使用一直以平穩(wěn)的速度呈上升趨勢(shì)。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(duì)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(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)。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(duì)鈷等電池材料的依賴(lài)。

然而，生產(chǎn)金屬鎂的過(guò)程頗為困難，而且往往存在危險(xiǎn)。之前的很多項(xiàng)目，都因?yàn)槿狈?duì)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(dòng)密集型的技術(shù)。中國(guó)的皮江法是一種硅熱法，因其高勞動(dòng)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(diǎn)。

將一種新的金屬生產(chǎn)工藝推向市場(chǎng)的傳統(tǒng)方法是收購(gòu)礦產(chǎn)資源或海洋資產(chǎn)，然后選擇或委托一項(xiàng)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(kāi)發(fā)鎂礦床或副產(chǎn)品的直接和間接價(jià)值，卻發(fā)現(xiàn)不存在可以賺錢(qián)的有競(jìng)爭(zhēng)力的冶煉技術(shù)。由于沒(méi)有現(xiàn)成的途徑，這些企業(yè)發(fā)現(xiàn)每個(gè)設(shè)施都是獨(dú)一無(wú)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(guó)皮江法生產(chǎn)大不相同。因此，每個(gè)項(xiàng)目都有一組獨(dú)特的風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)只能通過(guò)強(qiáng)大的雄心和或許雄厚的財(cái)力來(lái)應(yīng)對(duì)。

在過(guò)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(huì)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要技術(shù)來(lái)推動(dòng)價(jià)格下降，同時(shí)保持有吸引力的利潤(rùn)率。新的供應(yīng)商也需要是具有可靠性和穩(wěn)定性的。恢復(fù)市場(chǎng)平衡和重構(gòu)生產(chǎn)布局，只能通過(guò)解決鎂的實(shí)質(zhì)性挑戰(zhàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這需要從核心冶煉單元操作開(kāi)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(duì)已經(jīng)把重點(diǎn)放在了提高成功幾率的冶煉方面。在這樣做的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)可以確認(rèn)一個(gè)永恒問(wèn)題的答案:這一次鎂會(huì)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(lái)，創(chuàng)始人一直在評(píng)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(yàn)，該團(tuán)隊(duì)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(xiàng)技術(shù)探索使該團(tuán)隊(duì)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(duì)目前在懷俄明州Cheyenne市外運(yùn)營(yíng)ATR試驗(yàn)設(shè)施(圖1)。在驗(yàn)證關(guān)鍵操作技術(shù)的同時(shí)，BBT已經(jīng)開(kāi)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(guò)渡。

鋁熱工藝在概念上很簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)化和控制，該過(guò)程可以在沒(méi)有人在場(chǎng)的情況下操作，減少了勞動(dòng)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(guò)程中的與勞動(dòng)強(qiáng)度和環(huán)境影響的相關(guān)的問(wèn)題。

從資源開(kāi)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(kāi)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(chǎng)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(shí)，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(kāi)始使用來(lái)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(shí)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(guò)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(tīng)起來(lái)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(shí)還產(chǎn)生了大量的殘?jiān)纬闪艘粋€(gè)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(lái)源，陸地還是海洋。消費(fèi)前廢鋁(工藝廢鋁)或消費(fèi)后廢鋁之間的排放差異也對(duì)總體碳足跡有所影響。在實(shí)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(guò)高，而B(niǎo)BT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(lái)自非碳酸鹽礦石，或者需要在煅燒窯中實(shí)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(gè)分類(lèi)類(lèi)別，有點(diǎn)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(duì)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(lái)自鋁(用于ATR)時(shí)，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(yùn)行參數(shù)(來(lái)源：Ehrenberger, S. “Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction,” German Aerospace Centre e.V., 2013)

* 根據(jù)美國(guó)電網(wǎng)電力平均排放值(0.418 kgCO2eq/kWh)估算(資料來(lái)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(guó)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(gè)類(lèi)別，但可以電氣化代替。前面提到的Permanente工廠就是一個(gè)例子。目前，巴西(RIMA)和塞爾維亞(Mg Serbien)的兩座熱法鎂廠仍在運(yùn)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(lái)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(guò)程比其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(shí)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(guò)近7年的熱還原系統(tǒng)研究，BBT團(tuán)隊(duì)找到了一種在全電氣化冶煉操作中精確控制冷凝過(guò)程的方法。

邁向更輕量化和輕松的未來(lái)

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(jià)格降低，其他行業(yè)也會(huì)選擇鎂。這就是鎂的真實(shí)情況：原鎂供應(yīng)行業(yè)的狀況阻礙了商品化和高價(jià)值應(yīng)用的增長(zhǎng)。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(xiàng)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(kāi)發(fā)和商業(yè)項(xiàng)目的歷史，伴隨了爆炸、設(shè)備損失、商業(yè)損失、地方和國(guó)家工業(yè)損失以及生命損失?，F(xiàn)在只是缺乏專(zhuān)業(yè)知識(shí)。誰(shuí)想在這個(gè)行業(yè)工作?

Bob Brown先生以前所寫(xiě)的關(guān)于澳大利亞鎂項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)。盡管有數(shù)千萬(wàn)美元的私人和公共投資，但它們都沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)全面商業(yè)化。

在上世紀(jì)90年代末開(kāi)始，皮江法工藝鎂產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，電解鎂的市場(chǎng)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(xiàng)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)力的方式生產(chǎn)，是真正支持客戶并實(shí)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(shí)交貨。

最后，讓我們?cè)倩仡櫹翬mley那本書(shū)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.