在近期召開的2015鎂年會上，鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張少軍作了“短流程綠色煉鎂”的報告。創(chuàng)新性的提出了復(fù)式豎罐免精煉“兩步法”鎂冶煉新型技術(shù)工藝，在年會上引起極大的關(guān)注。
       張少軍全面闡述了該研究團隊在復(fù)式豎罐綠色煉鎂和免精煉“兩步法”短流程方面進(jìn)行的系統(tǒng)性基礎(chǔ)理論研究，介紹了開發(fā)并已投產(chǎn)的復(fù)式豎罐免精煉兩步法綠色煉鎂技術(shù)研發(fā)進(jìn)展和成果。張少軍表示：“實際運行結(jié)果表明，該技術(shù)工藝是目前成本最低、能耗最低、產(chǎn)能最大、用工最少、用地最省、粗鎂品質(zhì)最好、還原時間最短、還原罐壽命最長、機械化程度最高、綠色程度最高、工藝流程最短的原鎂冶煉技術(shù)，實現(xiàn)了鎂冶煉工藝的一次顯著技術(shù)進(jìn)步。”
       近10年來，國內(nèi)原鎂產(chǎn)量一直在70萬~80萬噸徘徊，全球原鎂年產(chǎn)量也始終沒有突破百萬噸大關(guān)。一般認(rèn)為，造成鎂工業(yè)當(dāng)前這種“前景廣闊，發(fā)展緩慢”局面的主要原因，首先是原鎂冶煉工業(yè)機械化、自動化、規(guī)模化水平低，并且冶煉工藝能耗高、原鎂質(zhì)量不穩(wěn)定，制約鎂行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的普及。張少軍認(rèn)為，綜合分析各種鎂冶煉技術(shù)工藝的成本、能耗和綠色程度等因素，基于綠色化學(xué)12條原則和短流程、低成本指導(dǎo)思想，研究發(fā)現(xiàn)，豎罐外熱式硅熱法最具發(fā)展?jié)摿Γ情_發(fā)新型鎂冶煉技術(shù)工藝的主要研究方向。
       鄭州大學(xué)材料學(xué)院和寧夏三新鎂業(yè)科技有限公司，聯(lián)合西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室、開泰鎂業(yè)有限公司等單位，共同組建的鎂基技術(shù)與材料研發(fā)團隊。目前已開發(fā)出成本比皮江法低20%、能耗比皮江法低40%、結(jié)晶鎂純度高于99.8%、車間內(nèi)無煙塵的新型技術(shù)工藝——復(fù)式豎罐免精煉兩步法短流程低成本綠色煉鎂新型技術(shù)工藝，并研制出全套生產(chǎn)裝備，已建成投產(chǎn)了年產(chǎn)1.25萬噸的示范生產(chǎn)線。
       由中國工程院、中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鎂業(yè)分會、中國有色金屬學(xué)會等單位專家組成的國家發(fā)改委“有色金屬節(jié)能減排發(fā)展?jié)摿?rdquo;課題組認(rèn)為，復(fù)式豎罐煉鎂技術(shù)“是一項具有一定變革性進(jìn)步意義的原鎂冶煉技術(shù)研究成果”，“對我國鎂產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展進(jìn)步有著重要的現(xiàn)實意義”；該技術(shù)已被國家工信部列入“國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項目”，被國家發(fā)改委列入“國家重點節(jié)能技術(shù)推廣目錄”。
       外熱式硅熱法（皮江法）煉鎂基礎(chǔ)理論滯后
       外熱式硅熱法，簡稱外熱法，通常用氣體燃料加熱。橫罐外熱法俗稱皮江法，是目前世界上生產(chǎn)成本最低、應(yīng)用最廣的煉鎂工藝，全球80%以上的原鎂生產(chǎn)都采用皮江法工藝，而我國幾乎100%。
       目前，皮江法煉鎂的煅燒、還原、精煉三道工序，噸鎂總能耗約在4~5tce，計入硅鐵制備能耗后噸鎂總能耗約為8.5~9.5tce，其中還原工序噸鎂能耗約2~3tce。
       按照綠色化學(xué)12條原則進(jìn)行分析，可總結(jié)歸納出皮江法的如下主要問題：一是人工加料、出渣，機械化程度低，車間內(nèi)高溫、高塵，工人勞動強度大、勞動條件差；二是還原爐產(chǎn)能小，單臺日產(chǎn)量僅2~3t；三是還原時間長達(dá)10h左右，操作周期長達(dá)12h，生產(chǎn)效率低，每天只能生產(chǎn)2個班次；四是還原罐壽命太短，只有3~4個月；五是勞動生產(chǎn)率低、土地利用率低，萬噸產(chǎn)能用工300~500人、占地300~500畝；六是渣球會發(fā)生相互粘結(jié)現(xiàn)象，甚至粘在罐壁上，造成出渣不利，必須定期清理罐壁結(jié)釉；七是還原工序能耗高達(dá)理論能耗的3~4倍，能耗太高。
近年來，我國一些企業(yè)進(jìn)行了豎罐外熱法實驗研究，希望借助原料和還原渣自身重力實現(xiàn)加料和出渣，以減少用工、降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率。豎罐試驗運行情況表明，通過豎罐實現(xiàn)外熱式硅熱法煉鎂機械化的技術(shù)思路是可行的，完全可實現(xiàn)重力加料，并且如果能夠解決粘罐結(jié)釉問題，實現(xiàn)重力出渣也完全沒有問題。但實踐證明，豎罐粘罐結(jié)釉問題比橫罐更嚴(yán)重，目前還無法完全實現(xiàn)重力出渣，并且橫罐外熱法的上述問題，在豎罐外熱法中不但全部存在，而且還有如下特殊問題：豎罐還原渣粘罐結(jié)釉，工人不得不頭頂1000℃以上高溫，冒險捅渣、鏟罐；豎罐加料時料球容易破碎，造成還原率降低、還原時間延長；豎罐會發(fā)生下部脹粗或上部拉細(xì)的蠕變破壞；豎罐兩端開口后，漏氣問題比橫罐更嚴(yán)重，造成還原率降低；豎罐“煙囪抽吸效應(yīng)”造成加料和出渣時還原車間煙塵沖天，在車間內(nèi)廣泛漂浮彌散，工人勞動環(huán)境比橫罐皮江法更差。
       可見，外熱式硅熱法雖然成本最低，但綠色程度較差，特別是噸鎂能耗較高。然而，不論橫罐還是豎罐外熱法的還原工序，目前都可用理論能耗3~4倍的實際能耗，生產(chǎn)出與電解鋁成本相當(dāng)?shù)脑V，預(yù)示著外熱法煉鎂還具有很大的節(jié)能減排潛力和技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿Α?br />分析發(fā)現(xiàn)，外熱法的上述問題，都是由于對硅熱法理論和關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)識不夠全面、深入而造成的。根本原因在于硅熱法煉鎂的基礎(chǔ)理論研究嚴(yán)重滯后于工程應(yīng)用，只要深入研究，這些問題都可以解決。因此，外熱式硅熱法仍有很大發(fā)展空間，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色煉鎂技術(shù)發(fā)展方向。
       另外，縮短工藝流程能夠明顯降低物耗、能耗和用工。因此，深入研究白云石煅燒機理和粗鎂雜質(zhì)形成機理，努力爭取實現(xiàn)免精煉和免煅燒短流程煉鎂，也是外熱法煉鎂技術(shù)研究發(fā)展方向。
       如果徹底解決外熱式硅熱法的上述問題，并縮短工藝流程，改變當(dāng)前“人拉肩扛”的初級生產(chǎn)方式，全面實現(xiàn)機械化、自動化、規(guī)?；?，具備工業(yè)化和信息化“兩化”融合的條件，鎂冶煉工業(yè)的“中國制造2025”將有望“鎂夢”成真。
大型復(fù)式豎罐免精煉兩步法短流程綠色煉鎂技術(shù)工藝及裝備的研究開發(fā)
       研發(fā)團隊成立10年來，通過多項復(fù)式豎罐綠色煉鎂的理論研究。解決了還原時間和還原速率——固相反應(yīng)動力學(xué)問題、豎罐使用壽命——材料高溫力學(xué)性能問題、豎罐粘罐結(jié)釉——硅熱法熱化學(xué)問題和其它理論問題研究。在免精煉兩步法基礎(chǔ)理論研究中得到應(yīng)用。
傳統(tǒng)橫罐或個別企業(yè)開發(fā)的實驗豎罐，都是將一個還原罐簡單劃分為“還原段”和“結(jié)晶段”兩部分，分別完成還原和結(jié)晶功能，并且整體及其兩段都僅僅是一個簡單的筒體。“復(fù)式豎罐”的縱向由相互獨立的結(jié)晶器、還原器、排渣器三部分緊密復(fù)合在一起，并且結(jié)晶器徑向由蒸汽發(fā)生器、輻射板、結(jié)晶膽三部分構(gòu)成，還原器徑向由還原筒、還原板、還原膽三部分構(gòu)成，排渣器徑向由排渣筒、排渣膽兩部分構(gòu)成。復(fù)式豎罐的縱向和徑向均由結(jié)構(gòu)完善、功能齊備的多個獨立部件構(gòu)成，形成復(fù)合式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、制造成本相對較高，因此必須實現(xiàn)大型化、長壽命。每臺復(fù)式豎罐日產(chǎn)量可達(dá)800kg左右，使用壽命可達(dá)300天左右。
復(fù)式豎罐兩步法結(jié)晶器的重要特點之一，是可以生產(chǎn)抽真空噴射泵用的蒸汽。傳統(tǒng)橫罐或豎罐消耗大量的冷卻水來結(jié)晶鎂，復(fù)式豎罐結(jié)晶器不但不消耗冷卻水，而且每只罐每小時可產(chǎn)生60kg壓力0.5MPa的蒸汽。
       復(fù)式豎罐兩步法的還原爐框架與還原車間結(jié)構(gòu)融為一體，一座還原車間就是一座還原爐，由50臺復(fù)式豎罐構(gòu)成，加料、出渣、出鎂全部實現(xiàn)機械化，煙風(fēng)及燃料系統(tǒng)實現(xiàn)自平衡，運行實現(xiàn)自動化控制，日產(chǎn)量可達(dá)40噸，年產(chǎn)量可達(dá)1.25萬噸，單班操作工定員僅需7人。
“十年磨一劍”！該團隊自2006年開始研究鎂冶煉技術(shù)至今，經(jīng)過十年的艱苦努力，憑借企業(yè)風(fēng)險投資的支持，目前已全面完成兩步法綠色煉鎂技術(shù)工藝的研究開發(fā)，在開泰鎂業(yè)有限公司建成了一條年產(chǎn)1.25萬噸示范生產(chǎn)線，并于2012年成功投產(chǎn)。
       目前，年產(chǎn)1.25萬噸復(fù)式豎罐免精煉兩步法技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝、標(biāo)準(zhǔn)化裝備，以及年產(chǎn)2.5萬噸標(biāo)準(zhǔn)化工廠、皮江法鎂廠進(jìn)行兩步法改造的標(biāo)準(zhǔn)化技改方案等，均已完成設(shè)計定型，完全具備進(jìn)行全面產(chǎn)業(yè)化推廣實施的條件。新建一座2.5萬噸兩步法標(biāo)準(zhǔn)化工廠的概算投資約3.0億~3.5億元，年產(chǎn)0.8萬~1.5萬噸皮江法鎂廠進(jìn)行兩步法標(biāo)準(zhǔn)化技改的投資概算約0.5億~0.7億元。
“兩步法”豎罐冶煉技術(shù)的重大工藝進(jìn)步，對提升鎂冶煉工藝技術(shù)具有現(xiàn)實意義。其主要經(jīng)濟指標(biāo)先進(jìn)，噸鎂全廠綜合能耗約2.5~3tce，僅為皮江法的50%~60%；還原時間約6h左右，僅為皮江法的1/2~2/3；結(jié)晶器單臺次出鎂200kg左右，是皮江法的6～7倍，結(jié)晶鎂純度高于99.8%；全面實現(xiàn)機械化、規(guī)?；?，關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)自動化，為智能化創(chuàng)造條件。
（作者單位：鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）