青海盐湖金属镁新材料产业

发展现状及展望

王石军1,靳玉倩1,杨晓东1,谢建明2,韩永福2

(1.青海汇信资产管理有限责任公司,青海 德令哈 817000;2.青海盐湖镁业有限公司,

青海 格尔木 816099)

摘要：镁是继钢铁、铝之后的第三大结构金属,具有质量轻、抗震性好、环境友好等优异性能,可广泛应用于航空航天、现代汽车、轨道交通、国防军工等领域。本文概述了我国镁资源及金属镁产业的发展现状,总结了青海盐湖金属镁产业重点项目进展和优势,展望了青海盐湖金属镁产业的发展前景,指出了发展中存在的主要问题,并提出了相应的对策措施。发展好青海盐湖镁产业,对于推进我国由镁材料生产大国向镁业强国迈进具有重大战略意义,镁有望成为我国制造业振兴和创新的重要战略性新材料支撑。

关键词：青海盐湖;金属镁产业;新材料;轻量化;清洁能源;结构金属;新材料

0 引言

镁是目前地球上资源储量最丰富的轻金属元素之一,密度为1.74 g/cm3,仅为钢的1/4、铝的2/3;同时镁金属具有比强度高、弹性模量大、散热快、消震性能好、易于二次回收等特点,被誉为“21世纪的绿色工程材料”[1],可以满足航空航天、现代汽车、轨道交通、国防军工等领域对于轻质、节能的性能要求,是世界公认的继钢铁和铝之后的第三大金属结构材料。镁资源的来源主要有矿石镁和液态镁(如海水、盐湖卤水)。

我国青海察尔汗盐湖镁资源得天独厚,可利用当地丰富的太阳能、风能,直接蒸发结晶析出优质水氯镁石,质量优良,成本较低,绿色环保,是发展绿色镁产业的潜在重要基地。本文总结了我国金属镁产业发展现状,分析了青海盐湖金属镁产业重点项目进展和优势,展望了青海盐湖金属镁产业发展前景,以期为我国盐湖镁资源的高效高值利用提供参考。

1 我国金属镁产业概况

我国是镁资源大国,金属镁原镁产量、镁产品出口量均居全球第一。开发利用好盐湖镁资源,对于缓解我国铁铝等金属矿产资源紧缺,促进我国材料升级,推进碳达峰碳中和及节能减排,深入推动新一轮西部大开发和区域协同发展,具有十分重要的战略意义[2]。

1.1 镁资源概况

镁资源是我国的优势战略资源,资源量位居世界第一[3],已探明资源储量超过130亿t,约占世界总储量的22.5%。其中菱镁矿资源总量为31.45亿t,白云石资源已探明储量在 40亿t以上;青海盐湖氯化镁资源量超过40亿t,硫酸镁资源量为16亿t,盐湖镁资源储量大,而且较矿石镁更加绿色环保,是发展镁产业的优势资源[4]。

位于柴达木盆地中东部的察尔汗盐湖,总面积为5 856 km2,是我国最大的可溶性钾镁盐矿床。湖内蕴藏着极为丰富的钾、钠、镁、硼、锂、溴等自然资源,盐类资源储量超过600亿t,其中氯化镁资源储量为40.59亿t[5],储采比按年产金属镁100万t计,服务年限可达1 000 a,资源保障程度高,镁资源开发与钾肥生产具有良好的互补性[6]。经盐田蒸发结晶析出的水氯镁石中硼、硫等杂质含量低,是制造金属镁新材料极具优势的特色资源[7],且具有“绿色开采、尾液利用、资源丰富、持续保障”的特性,无开山炸石、无尾矿堆存、无三废外排。经过多年探索与实践,察尔汗盐湖已形成符合新发展理念的“资源—产品—再生资源”生态绿色循环模式[8]。

1.2 金属镁产业发展现状

当前,我国多采用矿石皮江法炼镁工艺。据中国有色金属工业协会镁业分会统计,2023年我国原镁产量达82.24万t[9],占全球原镁产量82.24%,较2022年同比减少11.9%。2023年,我国共出口各类镁产品40.47万t,占原镁产量的49%。

金属镁新材料产业存在的潜在问题是:①资源、能源消耗大,每吨原镁需要消耗11 t白云石,1 t硅铁、12 t标煤,也就是说生产1 t原镁需要开采24 t矿产资源;②环境影响大,吨原镁需要排放6 t镁渣及25～26 t CO2[10-12];③规模化程度低[13],一般小于5×104 t/a。

青海盐湖金属镁一体化项目采用的电解金属镁生产工艺,是利用卤水脱水电解金属镁的最先进技术[14],尤其是察尔汗利用水电、光伏发电进行镁及镁合金批量生产,有效解决了 “矿石法”存在的上述问题。1 t原镁产生的CO2为矿石法炼镁的1/4,青海盐湖镁业电解镁总温室气体排放量为8.5 t CO2。由于可以进一步使用电解镁生产过程中的副产品氯气,考虑由此产生的碳信用,电解镁的总排放量可降至5.3 t CO2[15],远低于世界上其他金属镁装置的碳排放量,如:以色列死海镁业为14 t CO2,巴西利马镁业为10.1 t CO2。

1.3 金属镁产业发展前景

由于镁的卓越性能,未来在航空航天、轨道交通、汽车运输、3C电子、新能源等领域的应用潜力巨大[16-17],镁合金的市场需求将迎来爆发式增长。中国工程院潘复生院士在“2023世界钾盐钾肥大会暨格尔木盐湖论坛”上作了《双碳背景下镁产业的发展前景》专题报告[18],报告指出:未来5～10 a汽车轻量化镁的需求量将达300万t,建筑模板领域需求量将达100万t,储氢材料需求量为200万～300万t,镁家具材料年需求量在50万～100万t,航空航天以及轨道交通、医疗、电池等领域年需求量在100万～200万t,总需求量为700万～1 000万t;而当前全球金属镁产量仅为100万 t,供需矛盾将加速显现,金属镁产业发展前景十分广阔。

2 青海盐湖金属镁产业现状

2.1 青海盐湖金属镁一体化项目进展

地处察尔汗盐湖地区的年产金属镁10万t电解镁装置于2016年建成投产,已打通全部工艺流程并生产出合格的镁锭、镁合金。盐湖老卤制取无水氯化镁关键技术(脱水工序,见图1)于2023年底取得了重大突破,经过60多天的连续稳定运行,共生产超过1.2万 t无水氯化镁产品,产品平均组成为ω(MgCl2)=97.28%、ω(MgOHCl)=0.29%、ω(H2O)=0.06%。

图1 盐湖老卤制取无水氯化镁工艺流程示意图

盐湖无水氯化镁制取金属镁的关键技术(电解工序,见图2)正在全面推动产业化技术优化攻关,预计2024年下半年将实现全面突破,吨产品能耗将在现有基础上降低20%以上。通过引进国际先进技术,对其进行“掐头去尾”式的工艺优化,由此产生的氯气可作为下道工序的原料。生产原料采用卤水提钾后的“富镁老卤”,无需地质勘探、矿山建设以及开山炸石,生产过程中不产生废渣、粉尘,且实现了全过程自动化控制。关键工序采用先进的气体保护系统,使生产环境得到极大改善。至“十四五”末,有望通过技术升级改造,形成年产10万t原镁及镁合金生产能力。

图2 盐湖无水氯化镁电解法制取金属镁工艺流程图

2.2 青海金属镁产业链配套建设现状

察尔汗盐湖作为未来全球金属镁产业的重要基地,立足原镁生产,产业链不断延伸。在西宁地区,青海盐湖特立镁有限公司年产4 000 t/a镁合金压铸件的深加工项目已全面运行,该公司已通过汽车产业质量管理体系TS16949认证,并于2017年初进入汽车用转向柱支架产品批量生产阶段。

镁产业的下游还建成了青海三工镁业有限公司镁合金新材料6.3万 t/a产能,该公司镁合金原材料产品已出口至加拿大马瑞丁公司等北美镁合金深加工企业。另有青海柴达木青元泛镁科技有限公司建设的1万t/a高强高韧镁合金材料项目,已生产出AZ33M系列φ340 mm,长达5 m的高强高韧镁合金铸棒,为镁合金轻量化应用战略的顺利实施打下了良好基础。

2.3 青海金属镁产业优势

盐湖金属镁产业具有“天时、地利、人和”的优势。《中国制造2025》提出全面推进新能源汽车的发展,加快汽车行业轻量化,这是青海盐湖“绿色镁”生产的“天时”。青海盐湖具有得天独厚的氯化镁资源优势和清洁能源优势,青海又是三江源头,号称“中华水塔”,在青海东南部蕴藏着丰富的水电资源;青海西部的柴达木盆地具有丰富的太阳能资源,目前已在格尔木至德令哈一线建设了数百万千瓦的光伏电实验基地,不久的将来将建成更为强大的光伏电、光热电基地;在干燥缺氧环境下可得到质量优良的电解产品,加之先进的低碳排放脱水电解工艺,是“绿色镁”生产的“地利”。青海盐湖拟与国内外知名单位以多种方式合作,努力提升金属镁、镁合金的生产水平及拓展应用领域,共同打造青海盐湖“盐湖镁产业技术协同创新平台”,努力营造“绿色镁”生产的“人和”氛围。

青海盐湖资源的开发得到了党和国家的高度重视。2016年8月22日,习近平总书记来到察尔汗盐湖调研考察,在听取企业关于盐湖产业发展、综合利用和百年盐湖生态镁锂钾园战略介绍后指出,盐湖是青海最重要的资源,也是国家的战略性资源,要制定正确的资源战略,加强顶层设计,搞好开发利用;循环利用是转变经济发展模式的要求,全国都应该走这样的路;并殷殷嘱托要把金属镁项目办好,按照“走出钾、抓住镁、发展锂、整合碱、优化氯”战略布局,精心谋划、有序推进;要加快国家柴达木循环经济试验区内产业流程创新、工艺创新,不断取得循环经济发展新成效。

3 青海盐湖金属镁产业发展前景展望

3.1 金属镁产业战略规划

根据国家战略需求以及《青海建设世界级盐湖产业基地行动方案》[19],打造新能源+新材料耦合发展模式,加快既有10万t/a金属镁项目达产达标,加强技术研发,推进镁行业下游应用与标准化。国家政策鼓励交通运输设备轻量化,因而可适时启动二期30万t/a金属镁项目建设;根据全球镁业市场需求建设100万t/a镁基地,形成世界级的绿色低碳镁基地。

随着盐湖金属镁一体化项目产能的逐步释放,企业将进一步延伸产业链,逐步在青海形成镁及镁合金生产及深加工产业集群,其中:金属镁计划在10万t/a“揭榜挂帅”攻关完成并顺利投运后,加快二期工程30万t/a金属镁项目的建设筹备,力求21世纪中叶达到100万t/a级;镁合金在就地转化的5.6万t/a生产线的基础上,根据市场需求进一步扩大产能;镁合金压铸借助国内不断扩大的新能源汽车及3C产品需求,实现镁铝合金压铸件1万t/a级生产能力。

3.2 青海盐湖金属镁产业发展存在的主要问题

1)镁及镁合金生产技术及研发能力不足[20]

我国镁合金生产企业针对下游镁合金应用行业的研发能力普遍较弱,而镁合金下游企业规模又普遍较小,制约了镁合金应用市场的拓展进度和高端产品的竞争力。镁合金及其终端构件的开发相互制约,大型成套装备的研制速度慢,限制了金属镁新材料产业的发展。

2)装备水平及技术管理能力欠缺

全球尚无专业和成熟的镁合金成套生产设备制造商,行业领先的镁合金生产企业所用生产线基本为自主研发,其他企业无法单纯依靠资金实力,通过引进成套设备和技术进入该行业。目前镁及镁合金生产设备要求耐高温、耐腐蚀,导致生产成本升高。

3)镁及镁合金生产经验不足

要实现镁合金产品的质量稳定和满足不同用户的需求,镁生产企业必须具备较强的新产品开发、技术研究和管理能力,这需要在长期的生产经营过程中逐渐积累,这也就构成了行业壁垒。

3.3 青海盐湖金属镁产业发展的主要对策

1)创新人才引进与培养机制

人才是产业发展的核心资源,也是科技创新的第一资源。西部地区经济薄弱,自然环境恶劣,缺乏高端人才支持,亟需创新人才引进机制。从我国东部地区引进镁产业技术、经营人才,就地培养镁产业技能人才。建立和完善富有吸引力的“引人留人”政策和配套措施,积极引进高素质科技研发人才和工程化人才。采取长期聘用、短期聘请等多种方式吸引创新人才。

2)联合共建国家级技术创新平台[21]

建立企业与科研院所、高校、国家工程技术中心、重点实验室等一体化联合研究机构,打造从原镁生产、镁合金研发、汽车零部件设计到制造一体化全流程融合的国家创新平台,联合攻关[16,20,22],利用区域创新优势,立足科技自立自强,突出自主创新,加快产业关键技术攻关,培养高端人才,支撑盐湖镁产业可持续发展。多年来,行业龙头企业青海盐湖工业股份有限公司已与上海交通大学、重庆大学、青海大学、华东理工大学、海镁特、马瑞丁等专业技术先进单位开展合作并初具成效。未来将继续秉持“强强联合、优势互补”的理念,打造集盐湖镁技术研究、标准制定、人才培养和市场开发于一体的创新联合体。

3)开放建设全球“绿色镁”产业基地

青海盐湖作为全球唯一采用清洁能源生产金属镁的基地,要始终以开放的态度,密切与全球领先企业以资产、资金、资源、技术等多种方式开展合作,集中资源要素[23],努力提升盐湖镁-金属镁-镁合金-镁构件全产业链的生产水平,不断拓展应用领域,壮大世界“绿色镁”新产业,共同开创适应“双碳”目标的以轻量化为核心的“尚轻镁好”新时代。

4)加强盐湖镁产业的配套政策支持

青海盐湖为氯化物型卤水,盐湖镁资源的开发必须实现“氯平衡”,没有相应的资源配套,就难以建成世界级产业基地。盐湖资源的深度开发势必要走多产业融合发展、循环发展之路,而煤、天然气是平衡氯的核心原料。建议有关部门统筹考虑国家资源能源战略、国际竞争力、国防安全,确立镁的重要地位与价值潜力,出台支持盐湖产业发展的指导意见和相关配套政策,以资源配套保障、项目金融、财税、设置镁材料应用重大专项等方式给予支持。

4 参考文献

略