鎂合金作為21世紀(jì)最具潛力的一種結(jié)構(gòu)材料，受到業(yè)界的高度關(guān)注，但其在冶煉、精煉以及合金化過程中的一系列關(guān)鍵問題嚴(yán)重制約了鎂行業(yè)的健康快速發(fā)展。基于此，西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王曉剛教授團(tuán)隊(duì)在理論計算與數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，開展了多層次多種規(guī)模的系列試驗(yàn)，研發(fā)成功了大型連續(xù)式電內(nèi)熱法豎式爐煉鎂及合金化新技術(shù)。半工業(yè)化試驗(yàn)取得了良好的效果，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)可靠，有望形成大型綠色高效短流程煉鎂及合金化新技術(shù)與新裝備，從而解決傳統(tǒng)鎂冶煉及合金化的根本性問題，為提升金屬鎂的冶煉及其合金化技術(shù)提供技術(shù)支撐。
鎂及其合金以其優(yōu)良的性能成為當(dāng)今世界最受關(guān)注的新型綠色工程材料之一。中國鎂產(chǎn)業(yè)具有良好的資源條件，已成為我國具有競爭力的可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一。隨著結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)及環(huán)保問題的需求，進(jìn)一步刺激了鎂及其合金工業(yè)的發(fā)展。但在鎂及其合金的冶煉、精煉以及合金化過程中，存在污染嚴(yán)重、資源消耗大、產(chǎn)品純度低、晶粒粗大以及深加工困難等一系列的問題，極大地限制了鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此要將我國鎂產(chǎn)業(yè)由生產(chǎn)大國提升為制造強(qiáng)國，必須解決產(chǎn)業(yè)鏈中的一系列關(guān)鍵問題。
鎂冶煉的關(guān)鍵問題
我國原鎂生產(chǎn)的98%以上采用皮江法，它是以煅燒白云石為原料，硅鐵為還原劑，在1200℃左右進(jìn)行真空熱還原產(chǎn)生鎂蒸氣，并冷凝結(jié)晶成粗鎂。近10余年，這種“真空還原罐間歇式”提取鎂的方法，經(jīng)過不斷創(chuàng)新實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了工藝和裝備方面諸多卓有成效的突破，但距離高效、高質(zhì)量、綠色冶金的差距還很大，仍有許多關(guān)鍵問題未能解決。主要表現(xiàn)在：環(huán)境污染嚴(yán)重，直接和間接排放33TCO2/TMg；還原周期過長，每個還原罐從裝料到提取粗鎂用時在8~10h；單罐生產(chǎn)能力低，平均單個還原罐的產(chǎn)量為20.5~22.8kg；能耗大，平均噸鎂耗能4.5t標(biāo)煤左右；熱效率低，還原爐中，用于加熱原料球團(tuán)和提供反應(yīng)熱的能量，僅分別還原爐總能耗的3.66%和19.83%，而無效熱損耗高達(dá)76.51%；還原罐體壽命短，長期處在高溫含氧的環(huán)境中的還原罐使用壽命短(僅60天)，不但影響生產(chǎn)，且成本加大；勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差，皮江法煉鎂需要人工扒渣和裝料，幾乎沒有機(jī)械化、自動化操作；粗鎂純度有待提高，所得粗鎂的主要雜質(zhì)是一些蒸氣壓較高的金屬雜質(zhì)以及少量來自爐料的非金屬雜質(zhì)，如MgO、CaO、SiO2和Fe2O3等。盡管粗鎂純度在98%以上，但在工業(yè)應(yīng)用前，仍需精煉工序。
因此，提升鎂的競爭力，首先需從根本上改變鎂冶煉的現(xiàn)狀，對“真空還原罐間歇式”還原工藝及其裝備進(jìn)行革命性的變革。
解決方案——具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的“連續(xù)式電內(nèi)熱法豎式大型煉鎂爐”裝備
針對“真空還原罐間歇式”煉鎂的實(shí)際情況，項(xiàng)目組成員經(jīng)過多年不斷的研究-計算-模擬-設(shè)計-實(shí)驗(yàn)-創(chuàng)制，形成了一套具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的“連續(xù)式電內(nèi)熱法豎式大型煉鎂爐”的解決方案和設(shè)備，并進(jìn)行了多次半工業(yè)化規(guī)模性試驗(yàn)，得到了較好的效果。
第一階段為理論計算和模擬：建立在溫度場疊加原理、動態(tài)表面負(fù)荷、短距離快速傳熱和熱能高效利用原理之上，首次提出了多熱源-內(nèi)熱式-電熱法豎式爐快速煉鎂方法，通過溫度場的計算模擬表明，電內(nèi)熱法可使?fàn)t內(nèi)溫度場三維均勻，大幅度提高能量利用率，明顯縮短還原時間。
第二階段進(jìn)行了不同反應(yīng)器設(shè)計及試驗(yàn)：在前期計算模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同規(guī)格的反應(yīng)器設(shè)計和試驗(yàn)。
第三、四階段的試驗(yàn)進(jìn)行了半連續(xù)性電內(nèi)熱法豎式爐試驗(yàn)、電內(nèi)熱法大型連續(xù)性豎式煉鎂爐設(shè)計及裝備設(shè)計。
“連續(xù)式電內(nèi)熱法豎式大型煉鎂爐”解決了鎂冶煉的關(guān)鍵問題，主要表現(xiàn)在爐式還原代替罐式還原，裝料量可根據(jù)供電容量。該工藝?yán)碚撋峡蔁o限大，結(jié)晶器可足夠長，將單罐鎂產(chǎn)量由20kg左右提高至單爐產(chǎn)量500kg以上，單爐產(chǎn)量大，實(shí)現(xiàn)了集約化生產(chǎn)。
其中，改外圍加熱為內(nèi)部加熱，實(shí)現(xiàn)了熱源與原料的直接接觸，增強(qiáng)了熱傳導(dǎo)效果，熱利用率提高至60%以上，還原時間縮短為3h~5h，能耗明顯降低。新工藝及裝備，將鎂冶煉的能耗由12900~13500kWh/TMg 降至 8000~10000kWh/TMg；改臥式還原系統(tǒng)為豎式還原結(jié)構(gòu)，在重力作用下，實(shí)現(xiàn)半連續(xù)—連續(xù)式進(jìn)出料，大幅提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度；用清潔的電能源加熱，摒棄污染嚴(yán)重的煤、氣加熱，控制了粉塵、煙塵及CO2、CO、SO2等溫室氣體和有害氣體的排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。
還原出粗鎂的組織致密、純度高、損耗小，為后續(xù)精煉奠定了基礎(chǔ)。為在距離擋火板50cm和75cm處，致密的冷凝產(chǎn)物層，且疏松層較薄，其純度均在99.32~99.91wt.%以上，遠(yuǎn)高于罐式間歇式還原的粗鎂純度(98wt.%)。
實(shí)施效果顯著
通過這些工作的開展，攻克傳統(tǒng)皮江法煉鎂能源消耗大、裝備水平差、自動化程度低、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、環(huán)境污染嚴(yán)重、資源浪費(fèi)大等共性技術(shù)難題。
半工業(yè)化試驗(yàn)取得了先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：大幅度提高冶煉爐熱效率，還原時間縮短為5～6小時；能耗降低30%以上；電耗 8000~10000kWh/TMg；實(shí)現(xiàn)半連續(xù)-連續(xù)性熱進(jìn)料、熱出渣、間歇式出鎂的生產(chǎn)作業(yè)形式；鎂還原率達(dá)到85%~93%，料鎂比≤6.0，還原渣中MgO殘余量平均在2%~5%之間，鎂純度在99.32~99.91wt.%以上；解決了煤、重油、煤氣和天然氣加熱生產(chǎn)所帶來的大量煙塵污染和溫室氣體排放問題，改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)還原工段的清潔生產(chǎn)。本技術(shù)冶煉粗鎂成本約12000元/噸，經(jīng)濟(jì)效益好。
大型連續(xù)式電內(nèi)熱法煉鎂發(fā)展規(guī)劃
預(yù)計2016年6月底前，建成單爐裝料量6噸年產(chǎn)1500噸鎂的生產(chǎn)示范線，完成技術(shù)-裝備-工藝-控制的全面定型。
2017年前，和國內(nèi)相關(guān)企業(yè)合作，建成單爐裝料12~18噸年產(chǎn)3萬噸鎂的大型示范生產(chǎn)線，該示范線將集新工藝、新技術(shù)與新裝備一起，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
2018年在全國推廣，創(chuàng)產(chǎn)值100億元以上。
該煉鎂與合金化新技術(shù)與新裝備集冶煉-精煉-合金化于一體，具有短流程、高效、節(jié)能、降耗、清潔生產(chǎn)等優(yōu)勢，有望徹底改變傳統(tǒng)煉鎂與合金化作業(yè)模式，真正使鎂產(chǎn)業(yè)成為為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)煉鎂技術(shù)升級換代，盡快促使我國由鎂“大國”到“強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變。