再識“第三金屬”鎂：新材料大產(chǎn)業(yè)

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2012-05-07 00:00:00

2012-05-03 瞭望新聞周刊中國要不斷提升煉鎂裝備工藝，最終成為金屬鎂冶煉加工的強(qiáng)國?！　?amp;ldquo;十二五”時期是我國材料工業(yè)由大變強(qiáng)的關(guān)鍵

2012-05-03 瞭望新聞周刊

中國要不斷提升煉鎂裝備工藝，最終成為金屬鎂冶煉加工的強(qiáng)國。

　　“十二五”時期是我國材料工業(yè)由大變強(qiáng)的關(guān)鍵時期。以鎂為例，今年初公布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，明確提出加快鎂合金制備及深加工技術(shù)開發(fā)，推進(jìn)其在汽車零部件和軌道列車等領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計到2015年，中國將形成15萬噸高強(qiáng)鎂合金壓鑄及型材和板材的生產(chǎn)能力。

　　金屬鎂和鎂合金具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，吸收振動和噪聲，易于回收，對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在汽車等交通工具制造、機(jī)械電子、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色環(huán)保材料”。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，西方國家的幾個金屬鎂巨頭紛紛關(guān)門停產(chǎn)。例如挪威的海德魯曾經(jīng)是世界上首屈一指的金屬鎂龍頭企業(yè)，已在世紀(jì)之初停產(chǎn)。

　　另一方面，中國快速晉升為全球鎂產(chǎn)量第一大國。數(shù)據(jù)顯示，1995年之前，西方國家貢獻(xiàn)了全球80%的金屬鎂產(chǎn)量，而到了2007年，中國貢獻(xiàn)了全球80%的金屬鎂。2010年，中國原鎂產(chǎn)量超過65萬噸，同比增長超過30%；2011年，中國原鎂產(chǎn)量66.06萬噸，主要受歐債危機(jī)和全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度放緩影響，同比增長1%。

　　中國鎂冶煉前景廣闊

　　鎂合金和鋁合金并稱為輕合金，在很多方面具有相互替代的可能，其市場也有共享的特性。每噸金屬原鎂或者電解鋁，價格均在16000元左右，兩者能源消耗相當(dāng)，但每噸電解鋁在氧化鋁原料上要花費(fèi)5000元左右，而每噸金屬鎂所用到的白云巖礦石價值只有幾百元。鎂合金還能部分替代工程塑料。

　　從自然資源角度來看，一般認(rèn)為鋼鐵的礦產(chǎn)資源可供人類使用100年，鋁礦產(chǎn)可以使用300年，而金屬鎂礦產(chǎn)能供人類使用1000年以上，故金屬鎂被稱為“第三金屬”。中國金屬鎂的資源優(yōu)勢明顯。鎂礦資源異常豐富，可用鎂礦資源占到全球70%的比例，從陸地上隨處可見的白云石，到菱鎂礦、蛇紋石、滑石，到海水、鹽湖中豐富的鎂離子，未來再考慮廢鎂回收，我國鎂資源可以說取之不盡，用之不竭。

　　我國作為鋼冶金、鋁冶金大國，由于鐵礦石、鋁土礦這兩種資源賦存不足，長期依賴國外，在價值分配上處于不利地位。大力發(fā)展擁有資源優(yōu)勢的金屬鎂，作為主要金屬材料，可以對鋼鐵、鋁材、工程塑料等形成替代作用。

　　西方國家煉鎂采用電解法的工藝技術(shù)，生產(chǎn)過程產(chǎn)生有毒的氯氣，氯氣會腐蝕設(shè)備、毒害工人、污染環(huán)境，需要很大的代價去防范和治理，所以西方煉出來的鎂價格昂貴。而中國從1980年代開始，采用被稱為皮江法的硅熱煉鎂工藝，投資小、技術(shù)門檻低，因不能連續(xù)生產(chǎn)而產(chǎn)量不大，適合中國的民營企業(yè)。

　　但是，皮江法工藝卻只是二戰(zhàn)前的技術(shù)水平。形象地說，中國的煉鎂工業(yè)仍處于屬于小瓶小罐的水平。金屬鎂要在國民經(jīng)濟(jì)、居民生活中發(fā)揮更重要的作用，必須采用新的冶煉技術(shù)。

　　實(shí)際上，大型鋼鐵企業(yè)的裝備和技術(shù)非常適合進(jìn)行金屬鎂的連續(xù)生產(chǎn)，如果部分大型鋼企稍加改造，將煉鋼設(shè)備轉(zhuǎn)換為金屬鎂的冶煉裝備，還能副產(chǎn)高級合金鋼，就會提升整個鎂行業(yè)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備大型化、生產(chǎn)連續(xù)化，接下來還可以實(shí)現(xiàn)直接合金化，再經(jīng)過加工成形工序就可以制成不同合金牌號的鎂合金型材、板材、管材，類似于當(dāng)今生產(chǎn)不同牌號鋼材的方式直接生產(chǎn)鎂合金制品，避免了當(dāng)前金屬鎂到鎂合金制品的產(chǎn)業(yè)鏈流程長、反復(fù)加熱的弊端，鎂合金就可以成為了鋼鐵企業(yè)的第二“主業(yè)”。

　　冶金界公認(rèn)，如果鎂合金產(chǎn)品價格低于鋁合金，鎂就可以大量替代鋁。鋼鐵企業(yè)進(jìn)行連續(xù)煉鎂，熱裝熱送連續(xù)鑄軋的加工狀態(tài)使之具有了大生產(chǎn)的特征，再加上我國擁有鎂資源優(yōu)勢，在我國發(fā)展大規(guī)模連續(xù)煉鎂完全可以使得鎂合金制品的價格低于鋁合金，那么鎂合金的市場將達(dá)到數(shù)千萬噸級。再加上替代一部分工程塑料，鎂合金市場空間將進(jìn)一步加大。

　　據(jù)了解，目前一些鋼鐵工業(yè)中的重型裝備技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于金屬鎂工業(yè)，可以預(yù)期，在不久的將來，中國的鎂工業(yè)就會發(fā)生革命性的變化，躍升為現(xiàn)代大工業(yè)。

　　開發(fā)鎂冶煉的循環(huán)優(yōu)勢

　　提煉金屬鎂需要兩種原料，一個是含鎂的礦石，鎂礦石在中國分布很廣，儲量豐富。另外一個是還原劑，就是把鎂從礦石中置換出來，一般用硅、鋁或者硅鋁合金來充當(dāng)，常用硅鐵、硅鋁鐵等等，需要用電提煉出來。所以金屬鎂冶煉過程需要消耗較高的能源，從這個意義上來說，金屬鎂本身也是高載能、高儲能的產(chǎn)品。但是，鎂合金生產(chǎn)出來后，由于質(zhì)輕，使用過程可以節(jié)能，回收也很節(jié)能，并且沒有污染。

　　我國的電能一般都是燃煤發(fā)電生產(chǎn)的。在挖煤、燒煤發(fā)電過程中，會副產(chǎn)大量煤矸石和粉煤灰，是廢棄物，也是污染物。但是，對金屬鎂來說，粉煤灰和煤矸石可以作為煉制硅鋁還原劑的原料，可以實(shí)現(xiàn)廢物利用。

　　粉煤灰和煤矸石，在能源學(xué)家眼中，由于熱值很低甚至完全沒有燃燒發(fā)熱，價值很低，甚至是廢棄物，粉煤灰還需要花錢去處理。在建材學(xué)家眼中，粉煤灰價值也不過每噸幾十元，不會超過百元。而在冶金學(xué)者眼中，粉煤灰、煤矸石是硅和鋁兩種金屬的伴生礦，屬于城市礦山、再生資源，利用得好，可以成為每噸數(shù)萬元高值產(chǎn)品的原料，其價值達(dá)到近萬元。

　　粉煤灰、煤矸石可以用焦炭、煙煤等碳質(zhì)還原劑在高溫冶金爐中還原出來，生成硅鋁合金。硅鋁合金在市場上需求不大，但用在煉鎂中，卻是優(yōu)良的金屬還原劑，能很好地將白云石等含鎂礦產(chǎn)中的鎂置換還原出來。

　　煉鎂會副產(chǎn)一些還原渣，但這些還原渣由于經(jīng)過了高溫處理，可以作為人工土壤基質(zhì)使用，日本曾用煉鎂廢渣做化肥和人工土壤，效果很好。如果將之用于填補(bǔ)挖礦之后形成的坑，形成人工土壤，可以復(fù)墾用于農(nóng)業(yè)。

　　從產(chǎn)業(yè)鏈來看，煤炭采掘出來發(fā)電然后剩余煤矸石、粉煤灰，粉煤灰、煤矸石提煉成硅鋁合金，硅鋁合金將白云石還原成金屬鎂，剩余廢渣用作礦山人工土壤，這樣就形成了完整的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

　　經(jīng)濟(jì)學(xué)家普遍預(yù)測，企業(yè)的高成本時代已經(jīng)來臨，原材料的高成本首當(dāng)其沖。逆向思維一下，加工制造環(huán)節(jié)承受的原材料高成本恰恰是原材料行業(yè)的高利潤。在全國加工制造行業(yè)3%左右利潤率的大勢下，原材料行業(yè)的平均利潤率會高得多。

　　所以，在煤炭、電力、白云石比較豐富的地區(qū)，利用好粉煤、灰煤矸石，發(fā)展鎂合金的循環(huán)經(jīng)濟(jì)是多贏的產(chǎn)業(yè)選擇。如果投資280億元新建一個鎂制品的循環(huán)工業(yè)園區(qū)，每年消納300萬噸粉煤灰、煤矸石，使用數(shù)百萬噸白云石等鎂礦，可以制得100萬噸鎂合金制品，副產(chǎn)100萬噸不銹鋼，年營業(yè)收入達(dá)到500億元，稅前利潤將超過150億元。實(shí)施這樣的循環(huán)工業(yè)園區(qū)，鋼鐵企業(yè)具有非常優(yōu)越的條件。

　　煤炭產(chǎn)區(qū)的企業(yè)總感覺產(chǎn)業(yè)鏈不夠長、附加值不夠高，如果這樣打造鎂合金產(chǎn)業(yè)，將煤炭的化石能源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為獨(dú)具中國特色的鎂產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)原生礦產(chǎn)和城市礦產(chǎn)的高端利用，發(fā)展完整的煤電灰—硅鋁鐵—鎂材肥產(chǎn)業(yè)鏈，就可以實(shí)現(xiàn)從原來的“一煤獨(dú)大”變成“煤鎂雙美”。

　　推進(jìn)鎂合金廣泛運(yùn)用

　　鎂合金已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)、生活的方方面面，下一步的一個重要用途是生產(chǎn)汽車等交通工具。奧迪新推出的RSQ無輪概念車，采用的正是四個金屬鎂的滾球，可以在動作大片《我，機(jī)器人》中找到其影蹤。

　　無論是傳統(tǒng)燃油汽車，還是新能源汽車，汽車自重減輕，會帶來很大的節(jié)油減排的效果，汽車自重減輕10%，其燃油效率即可提高15%。鎂合金這一最輕金屬結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)勢可以充分發(fā)揮出來。

　　西方很多知名汽車公司都在積極應(yīng)用鎂合金作為車用零部件材料。例如，原來用在F1賽車上的鎂合金輪轂，近年來開始在家用轎車上出現(xiàn)。福特公司采用鑄鎂輪轂，每個重量3.1公斤，比鋼板沖壓件減少5公斤。許多車企提出若干年內(nèi)車用鎂合金突破100~200公斤的計劃。

　　我國鎂合金在汽車上的應(yīng)用主要有變速箱體及殼蓋、離合器外殼及殼蓋、泵體、方向盤、氣缸蓋罩、汽車輪轂、儀表盤、汽車座椅架和防護(hù)杠等零件。在一汽大眾公司引進(jìn)的奧迪A6高檔轎車中，整車采用了48公斤左右的鎂合金零部件，因?yàn)閲鴥?nèi)無配套產(chǎn)品供應(yīng)，不得不全部依賴進(jìn)口。一汽集團(tuán)的紅旗、捷達(dá)、寶來轎車，為提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和競爭力，正逐步使用鎂合金材料的零部件。

　　鎂合金以其顯著的減重效果、良好的鑄造和尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗震性及可回收再生等特性，已成為汽車制造業(yè)最具潛力的結(jié)構(gòu)材料。上汽和上海通用在開發(fā)新一代電動汽車的規(guī)劃中，提出盡可能多用鎂合金材料。長安汽車平均每輛用鎂合金材料20公斤。

　　除了在一些普通零部件上采用鎂合金，寶馬汽車公司近幾年更是推出了全鎂的直列六缸發(fā)動機(jī)，用在部分新5系轎車上。

　　過去鎂合金應(yīng)用于汽車零部件，往往是采用壓鑄件的形式，也就是一件一件地生產(chǎn)出來的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，鎂板規(guī)?；呦蚴袌?，今后汽車車身可以直接采用軋制鎂板，那將把鎂合金的應(yīng)用大大向前推進(jìn)了一步。原來汽車外板一般都是用鋼板，寬度要求為1600mm或更寬，厚度為0.7～1.2mm。近年來汽車外板的鎂合金化已提到汽車行業(yè)的議事日程上來。

　　如果用鎂合金打造出幾乎全鎂的中型轎車，其重量大約為500公斤，這樣重量的汽車，百公里油耗可以控制在3升，而如果是混合動力汽車，估計百公里1升燃料就可以了，如果作為電動車，那么當(dāng)前的動力電池性能完全能滿足驅(qū)動的要求。

　　除了在乘用車方面，商用載重汽車、摩托車、自行車也可以大量使用鎂合金，帶來效益提升或者是生活的便利。近年來軌道交通上也開始大量使用鎂合金型材、鑄件等，除了減輕整車重量降低能耗以外，還可以用于降噪減震。在高速列車、城市輕軌列車的車廂內(nèi)壁和地板上大量采用鎂合金蜂窩板已是大勢所趨。

　　而在航空航天領(lǐng)域，鎂合金的優(yōu)勢更自不待言。在B36重型轟炸機(jī)中，鎂合金用到了超過6噸。業(yè)界測算，在航空航天領(lǐng)域，每減少1磅重量帶來的經(jīng)濟(jì)效益是：商用飛機(jī)300美元，戰(zhàn)斗機(jī)3000美元，而航天器是30000美元。目前飛機(jī)蒙皮大量采用鎂合金材料已經(jīng)成為常態(tài)。