淺論生產(chǎn)高附加值鎂及鎂合金產(chǎn)品的必要性

謝曉會，宋春玉

(中冶東方控股有限公司，內(nèi)蒙古包頭014010)

淺論生產(chǎn)高附加值鎂及鎂合金產(chǎn)品的必要性

謝曉會，宋春玉

(中冶東方控股有限公司，內(nèi)蒙古包頭014010)

闡述了我國鎂資源的儲量，通過對目前中國和世界的鎂工業(yè)現(xiàn)狀分析，認識到生產(chǎn)高附加值鎂及鎂合金的重要性。利用我國的資源及政策優(yōu)勢，使國內(nèi)鎂的生產(chǎn)及在建企業(yè)向科技含量更高的高附加值的鎂、鎂合金產(chǎn)品延伸。

鎂;鎂工業(yè);資源深加工;產(chǎn)業(yè)政策

0 引 言

鎂是最輕的金屬結構材料，其密度為1.738 g/cm3(室溫)，僅約相當于鋁的2/3，鋼的1/4。鎂的熔點為 923 ±1 K，沸點為 1 380 ±3 K[1]。由于純鎂的強度低，很少作為結構材料在工業(yè)上應用，因此需要采用合金化技術開發(fā)工業(yè)鎂合金，經(jīng)過適當?shù)暮辖鸹?，鎂的強度可以得到顯著的提高。鎂與氧有較大的親和力，故表面易被空氣氧化。鎂在其熔點以上容易在空氣中燃燒，發(fā)出眩目的白光，故鎂粉或鎂條廣泛應用于閃光燈、信號彈、煙火等方面。鎂可作為生產(chǎn)難熔金屬 Ti、Zr、Hf、Be、B 等的還原劑。鎂還可作為鋁合金的添加元素，使合金更輕，強度更大，抗腐蝕能力更好。鎂在球墨鑄鐵中起著球化作用，使鑄件強度、延展性更高。鎂在常壓下，大約523 K和H2作用生成MgH2，在低壓或稍高溫度下又能釋放出氫，鎂具有儲氫的作用。鎂的另一大用途是在鋼鐵生產(chǎn)中作為脫硫劑，由于鎂具有對硫的親和力好的優(yōu)勢，是鋼鐵市場在較低的成本下達到高產(chǎn)量、高質(zhì)量，并能生產(chǎn)出如HSLA級低硫鋼。

鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料，但與鋁合金相比，鎂合金的研究和發(fā)展還很不充分，鎂合金的應用也還很有限。目前，鎂合金的產(chǎn)量只有鋁合金的1%。鎂合金與其他合金相比，鎂合金最大的優(yōu)點是質(zhì)輕，其密度約為1 178～1 182 t/m3，是鋁的69%，鋼的23%。鎂合金的比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度與鋁合金和鋼相當，而遠遠高于工程塑料，為一般塑料的10倍。鎂合金的特點是具有良好的機械加工性能，其切削速度大大高于其他合金，而且另一個突出的特點是不需要磨削和拋光，不使用切削液即可得到光潔的表面。鎂的彈性模量比鋁的低，在作受力零件時必須用加強筋或適當增加零件斷面厚度，盡管如此，零件的重量仍可減輕20%左右。鎂合金還有如下一些特性:阻尼性，鎂合金具有良好的吸收能量的能力，這種能力可以吸收振動，保持設備能安穩(wěn)工作，特別是用于外殼時。尺寸穩(wěn)定性;不需要退火和消除應力就具有尺寸穩(wěn)定性是鎂合金的突出特性。鎂合金的體積收縮率為6%，是最低收縮量的鑄造金屬中的一種，冷卻至室溫的線收縮率為2%左右，在負載的情況下，又具有好的蠕變強度，這種性能對發(fā)動機零件和小型發(fā)動機壓鑄件具有重要意義。抗沖擊和抗壓縮性能;鎂合金具有吸收彈性的特性，能產(chǎn)生良好的沖擊強度與壓縮強度的組合，這是旋轉(zhuǎn)草坪割草機蓋采用鎂合金壓鑄件的原因之一。另外，鎂合金還有熱導率高、無毒性、無磁性、不易破碎等優(yōu)點。

1 資源

鎂的化合物存在于地殼，在自然界中鎂占地殼量的2.1%，見表1。

表1 地殼中分布最廣的化學元素的含量Tab.1 Content of Most Widely Distributed Chemical Element in the Earth

世界上鎂鹽資源是極其豐富的，主要以液體礦和固體礦兩種形式存在。液體礦以海水、地下鹵水、鹽湖鹵水為主，鎂在海水、鹽湖鹵水中的含量非常高，1 m3海水中就含有近4 kg鎂，如中國青海鹽湖鉀鎂鹽有16.55億t氯化鎂和8.54億t光鹵石;固體礦包括菱鎂礦(MgCO3)、白云石(MgCO3·Ca-CO3)、光鹵石(MgCl2·KCl·6H2O)、水氯鎂石(MgCl2·6H2O)和蛇紋石(3MgO·2SiO2·2H2O)等。我國海水中鎂含量達2.1×1015t，我國的鎂資源僅次于澳大利亞，居世界第二位，其中菱鎂礦儲量占世界的60%以上，礦石品位超過40%。世界上所利用的鎂鹽礦物原料主要是菱鎂礦和白云石，其次為海水苦鹵、鹽湖鹵水及地下鹵水。

進入21世紀，傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)資源的緊缺已成為全球性問題。據(jù)資源專家估計，按目前世界鋼鐵與鋁材的用量和發(fā)展計算，世界已探明儲量的鐵礦石與鋁土礦的可開采年限分別只有約150 a和50 a，而我國鐵礦和鋁土礦資源則更加貧乏。與傳統(tǒng)金屬相比，鎂資源則極其豐富，按使用量每年增長20%計，全球可開采和使用的鎂資源達千年以上。我國是世界上鎂礦資源最富有的國家之一，可利用鎂礦資源儲量約占世界總儲量的70%，菱鎂礦資源總量34億t，其中符合煉鎂要求的一、二級礦占78%，礦石品位超過40%的菱鎂礦儲量占世界的60%以上。儲量巨大的白云石礦和青海的鹽湖，也含有十分豐富的鎂資源。白云石資源已探明儲量在40億t以上，青海鹽湖氯化鎂32億t，硫酸鎂16億t。因此，鎂在中國的生產(chǎn)具有良好的經(jīng)濟性和競爭性，在我國大力發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè)具有明顯的資源優(yōu)勢。

2 價格

中國鎂工業(yè)發(fā)展10多年來取得巨大進步，自1998年起，中國就已成為全球最大的金屬鎂生產(chǎn)國，連續(xù)7年保持世界產(chǎn)鎂第一。10年來，全國累計共生產(chǎn)金屬鎂202.91萬t，累計出口164.12萬t(占產(chǎn)量的80.88%)，出口創(chuàng)匯29.02億美元;國內(nèi)消費31.79萬t(占產(chǎn)量的15.66%)。

價格在決定商品的價格關系供求無疑是占據(jù)主要地位。根據(jù)1994～2010年間的國際鎂價格變化統(tǒng)計結果顯示，從20世紀90年代初至2008年世界鎂價格經(jīng)歷了數(shù)次大的波動，第一階段，由于蘇聯(lián)解體，大量的俄羅斯鎂涌入市場造成了第一波沖擊，使世界鎂價格迅速走低，使鎂價格從1994～1995年高峰的4 000美元/t下降到2 000美元/t左右;第二階段，2000年之后在我國皮江法工藝的廣泛使用，使中國鎂產(chǎn)量迅速提高這進一步造成了供需的失衡，使得鎂價格一度下降到2002年的1 400美元/t左右;第三階段，2002～2007年，鎂價格逐步走上上漲通道，在2007～2008年初一度上漲到6 000美元/t;第四階段，在金融危機全面爆發(fā)之后在2008年鎂價出現(xiàn)了高臺跳水。2009年初鎂價跌至2 500美元/t。隨著經(jīng)濟狀況的轉(zhuǎn)暖，2010年已經(jīng)恢復到2 750美元/t左右。到目前鎂錠價格約為3 000美元/t，鎂合金錠價格約為3 300美元/t。

國內(nèi)鎂產(chǎn)品應用市場還未成熟，但從目前國內(nèi)鎂合金產(chǎn)業(yè)的態(tài)勢來看，中國鎂合金產(chǎn)業(yè)前景廣闊。未來幾年，鎂消費將會持續(xù)保持較快增長態(tài)勢，西方國家對鎂的消費量仍將以每年10%左右的速度穩(wěn)定增長。從地區(qū)發(fā)展來看，亞洲、歐洲將是鎂消費增長較快的區(qū)域，特別是亞洲，在中國30%左右高增長速度的帶動下，亞洲將成為全球鎂消費最大的地區(qū)。

3 鎂工業(yè)現(xiàn)狀

3.1 世界鎂工業(yè)

20世紀90年代中期以來，隨著能源價格的上漲，可持續(xù)發(fā)展需求的提高，以及電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鎂及鎂合金研發(fā)及應用進入高增長期，尤其是在發(fā)達國家得到高度關注，近年西方鎂合金應用的市場增長率達到了15%以上，全球鎂合金的應用年均怎增長率則都在2% ～4%左右，汽車用鎂壓鑄件的增長是近10年輕量化的熱點，美國、歐盟、日本汽車業(yè)都成立了相應的研究部門和產(chǎn)業(yè)同盟，制定并實施了相關研發(fā)計劃。世界各國都把鎂合金列為重要戰(zhàn)略物資加以研究和開發(fā)，成功開發(fā)應用了52種鎂合金汽車零件、25種鎂合金摩托車零件、8種列車制動器零件、14類鎂合金3C產(chǎn)品零件。

各國紛紛加大鎂合金制品的研發(fā)力度，尤其是20世紀90年代以來，相繼出臺了鎂研究計劃，開展了大型的“產(chǎn)、學、研”聯(lián)合攻關項目和計劃。為了提高鎂合金及其制品的質(zhì)量，國外就耐熱鎂合金等進行研發(fā)，發(fā)展鎂合金熔煉技術，發(fā)展鎂合金成形技術，鎂合金耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應用的主要原因之一，當溫度升高時，鎂合金的強度和鎂合金的抗蠕變性能大幅度下降，使鎂合金在汽車等工業(yè)中難以作為關鍵零件(如發(fā)動機零件)材料，而影響其廣泛應用。主要體現(xiàn)在鎂合金成形技術上:

(1)世界上鎂合金鑄件的93%是用壓鑄工藝生產(chǎn)的。鎂合金有熱室壓鑄和冷室壓鑄兩種方式，主要取決于鑄件壁厚。鎂合金熱室壓鑄一般用于薄壁鑄件。目前，鎂合金熱室壓鑄正向大型發(fā)展。由于鎂合金冷室壓鑄適合于生產(chǎn)汽車用的鎂合金鑄件，其應用前景很好，近年來發(fā)展很快。

(2)半固態(tài)鑄造分為流變鑄造和觸變鑄造。

(3)擠壓鑄造的發(fā)展趨勢是與另外的鑄造成形技術相結合。

(4)根據(jù)鎂晶體的密排六方結構，各國研究者對鎂合金的超塑性非常重視。目前，鎂合金的超塑性的研究在超塑性性能及變形機理方面已取得很大進展，而且，有些超塑性鎂合金已經(jīng)進入工業(yè)應用領域。

(5)1999年，日本索尼、日立金屬和東京精鍛所共同開發(fā)成功鎂合金沖鍛成型技術(Press Forging)，在產(chǎn)業(yè)界引起了極大的轟動。

3.2 中國鎂工業(yè)

在國家科技計劃的引導及世界的大環(huán)境下，我國鎂業(yè)科技發(fā)展很快。但是，由于鎂合金材料的開發(fā)應用起步較晚，缺少系統(tǒng)的深入研究和大規(guī)模的生產(chǎn)與應用的長期積累，技術水平仍不高，還有很多理論和技術問題未解決。特別是基礎理論研究、塑性變形加工技術尚待加強和提高。同時，在汽車等交通工具上的集成應用技術還不成熟，限制了鎂合金的大批量應用，這也是今后需要集中解決的技術問題。未來將根據(jù)中國鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，以產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵技術和薄弱環(huán)節(jié)為技術重點，以汽車工業(yè)應用為主要方向，針對汽車用鎂合金零部件，積極開展高強、高韌、耐蝕鎂合金、變形鎂合金加工成形、大型復雜鎂合金零部件的成型工藝等技術研發(fā)工作，逐步解決制約鎂合金發(fā)展的強度低、塑性差、不耐蝕3大技術難題，推動鎂的廣泛應用。

隨著國家經(jīng)濟結構調(diào)整不斷深入，在鎂行業(yè)經(jīng)濟運行中還存在著深層次的矛盾和問題以及約束中國鎂工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題:①鎂行業(yè)的結構調(diào)整與升級在鎂工業(yè)經(jīng)濟運行中仍處于十分重要地位。要嚴格執(zhí)行限制鎂冶煉項目政策，控制產(chǎn)能;鞏固與加強中、西部現(xiàn)有鎂冶煉生產(chǎn)上檔次、上規(guī)模，提高競爭力。②鎂行業(yè)整體水平不高，多數(shù)皮江法煉鎂生產(chǎn)工藝技術裝備水平相對落后，機械化、自動化程度低，勞動效率低。與國內(nèi)銅、鋁等行業(yè)相比，鎂冶煉、加工企業(yè)規(guī)模小而分散，金屬鎂產(chǎn)業(yè)相對集中度比較低，多數(shù)企業(yè)缺乏規(guī)模競爭優(yōu)勢。③大多數(shù)企業(yè)仍然直接用原煤作能源，噸鎂耗標煤8.5 t，仍屬高耗能行業(yè)。必須下大力氣推廣新能源，節(jié)能降耗，走循環(huán)經(jīng)濟之路。④鎂冶煉企業(yè)受能源、原材料、運輸、環(huán)保等因素制約，煤、電、硅鐵、運費不斷漲價，生產(chǎn)成本上升，而鎂產(chǎn)品價格下滑，給不少企業(yè)在經(jīng)營運作上帶來了重重困難。

與其他有色金屬相比，金屬鎂和鎂合金近10年的年產(chǎn)量見表2。盡管年產(chǎn)量平均增幅16.85%，還包含了2008年經(jīng)濟危機的影響，大大高于西方世界的增長率。可以看出我國鎂工業(yè)發(fā)展很快，但是據(jù)統(tǒng)計我國國內(nèi)鎂產(chǎn)品需求量是較少的，以2008年為例，國內(nèi)需求量為15.8萬t，僅占總產(chǎn)量的25%，目前我國主要依靠出口來消化巨大的產(chǎn)量。

表2 2001～2010年中國原鎂產(chǎn)量Tab.2 Output of Magnesium in China from 2001 to 2010

我國鎂產(chǎn)地與消費地區(qū)存在著很大的差異，見表3。

表3 近兩年全國鎂產(chǎn)地及產(chǎn)量分布表Tab.3 Origins of Magnesium and Yield Distribution in China in Recent Two Years

4 響應國家產(chǎn)業(yè)政策

我國鎂資源儲量世界第一，是世界最大的鎂原料生產(chǎn)與出口國。但我國在其高端技術——鎂合金及其產(chǎn)品領域的應用開發(fā)卻嚴重滯后，應該充分發(fā)揮我國的鎂資源優(yōu)勢，通過建立鎂合金技術創(chuàng)新體系，加強鎂合金應用開發(fā)，建立具有國際競爭力的鎂合金高新技術產(chǎn)業(yè)群，將鎂資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢。為推動中國鎂業(yè)的高速、健康發(fā)展，我國把鎂合金應用與開發(fā)列為國科技發(fā)展規(guī)劃中材料領域的重點任務。

“鎂及鎂合金關鍵技術開發(fā)與應用”是863計劃相關項目以及“十一五”期間被列為國家科技支撐計劃重點項目。在國家“十二五”開局之年，緊扣行業(yè)整合重組脈搏，狠抓技術進步政策，優(yōu)化鎂業(yè)資源布局，提高鎂業(yè)檔次，實現(xiàn)鎂業(yè)應用領域新的飛躍。在鎂材料生產(chǎn)規(guī)模上，為加快鎂產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，淘汰落后產(chǎn)能，提高環(huán)境保護和資源利用水平，規(guī)范鎂行業(yè)投資行為，制止低水平重復建設，促進鎂工業(yè)健康發(fā)展，國家工業(yè)和信息化部2011年發(fā)布了《鎂行業(yè)準入條件》和《鎂行業(yè)準入暫行辦法》。在生產(chǎn)鎂合金的機械化上，擯棄舊的工藝及設備，以節(jié)能環(huán)保型設備為依托，實現(xiàn)鎂業(yè)轉(zhuǎn)型升級。在鎂及鎂合金產(chǎn)品方面，加大研發(fā)力度、掌握核心技術、積極開發(fā)新產(chǎn)品，逐步用鎂代替日趨枯竭的其他金屬材料。

5 結 語

我國鎂加工行業(yè)要深刻認識到改變以原鎂生產(chǎn)，大量出口的粗放型格局，轉(zhuǎn)為加快鎂深加工的投資和研發(fā)的重要性，并且在產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結構調(diào)整，節(jié)能降耗等滿足國家產(chǎn)業(yè)政策號召。也應該認識到我們的優(yōu)缺點，努力的揚長避短，使中國鎂業(yè)能夠結合資源、能源和投資環(huán)境的優(yōu)勢，向產(chǎn)品的高科技含量方向發(fā)展，提高鎂及鎂合金的附加值，形成鎂及鎂合金產(chǎn)品具有國際競爭力的科技化工廠，以增強產(chǎn)品企業(yè)的國際競爭力。促進中國鎂工業(yè)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，使我國真正成為世界上的鎂工業(yè)強國。

[1]邱竹賢.冶金學(下卷):有色金屬冶金[M].沈陽:東北大學出版社，2001.

[2]許并社，李明照.鎂冶金與鎂合金熔煉工藝[M].北京:化學工業(yè)出版社，2006.

[3]蘇鴻英.世界鎂工業(yè)技術研究及開發(fā)[J].中國有色金屬，2008(6):74.

[4]王洪福.我國皮江法煉鎂技術創(chuàng)新實踐現(xiàn)狀[J].世界有色金屬，2010(2):44.

Brief Discussion on Necessity of Producing Magnesium and Magnesium Alloy Products with High Added Value

XIE Xiao－h(huán)ui，SONG Chun－yu
(The Oriental Holdings Co.Ltd of China Metallurgical Group，Baotou 014010，China)

By introducing China's reserves of Magnesium resources and analyzing the current situation of the Magnesium industry in China and the whole world，the importance of producing Magnesium and Magnesium alloy with high added value are realized.Making the most of China's advantages in resources and policies，Domestic Magnesium production and the enterprises under construction should be extended to high value－added Magnesium and Magnesium alloy products with higher technology content.

Magnesium;Magnesium industry;resource deep processing;industrial policy

TF822

A

1004－2660(2012)01－0018－05

2011－12－01.

謝曉會(1977－)，男，內(nèi)蒙古人，碩士，工程師.主要研究方向:煉鋼.E－mail:smartxx@126.com