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镁行业分析:突破“瓶颈”,双碳推动镁冶炼“低碳化”升级

作者:管理员 发布时间:2022-10-20 09:42:44点击:130

1. 镁行业基础信息及现状

1.1. 镁资源丰富,应用广泛

镁是地壳中含量最丰富的元素之一,主要分布在白云石矿、盐湖、海水等资源中。镁在 自然界中有固体和液体两种存在形式,固体包含菱镁矿、白云石、蛇纹石等;液体包含海水、 天然盐湖水以及地下卤水。目前开采镁资源主要来自菱镁矿(MgCO3,镁比重 28.8%)和白 云石矿(MgCO3·CaCO3,镁比重 13.2%),其次为海水苦卤、盐湖卤水以及地下卤水。

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金属镁的比重是 1.74g/cm3,只有铝的 2/3,钛的 2/5,钢的 1/4,具有比强度、比刚度 高,切削加工性以及加工成本低和易于回收等优点。镁合金应用于产品构件轻量化效果好、 节能减排效果显著。 镁合金除了具有显著的结构轻量化优势之外,还具有很好的功能特性,可进一步拓宽镁 合金的应用领域。镁合金具有高的阻尼减振性能,其主要阻尼机制是位错阻尼,阻尼性能一 般是铝合金的 15 倍、钢的 60 倍。镁合金具有高的导热性能和散热性能,其总体散热性能优 于铝合金。镁合金具有优良的电磁屏蔽性能,常规商用镁合金在 30-1500MHz 频率范围内的 电磁屏蔽效能一般可达 50dB 以上,明显优于相同厚度的部分铝合金。镁合金具有良好的能 源特性,纯镁的理论储氢量高达 7.6%,作为电池负极材料可以使电池具有很高的理论比容量 (2.22A•h/g),因此作为储氢材料和电池负极材料展现出巨大的潜力。 因此,镁合金应用的产业定位主要有汽车、轨道交通、建筑、3C、休闲和健康、军口、 能源等重要行业。其中,交通工具、电子信息和建筑等行业对镁合金零部件的需求近年来急 剧增加。作为我国独特的战略性金属和新型结构材料,镁在交通轻量化、新能源材料、环保 产业、消费电子、海洋工程、航空航天以及军工配套、军民融合等领域将发挥更大的作用。

1.2. 高端制造领域推动镁基新材料产业发展广阔空间

镁产业链包含上游提炼、中游铸造塑性及下游深加工。上游提炼主要包括镁矿石的分离、 提炼,海水盐湖提炼等,从含有镁元素菱镁矿、白云石等提炼出原镁;中游铸造塑性是将原 镁转化为镁合金,再对镁合金通过铸造和变形的成型工艺以生产镁合金合成型材与铸件;下 游产业通过压铸对镁合金进行深加工,形成能满足下游特殊性能需求的镁合金系列材料。

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根据中国耐火材料行业协会资料,全球菱镁矿下游主要应用为合金,涉及产业领域逐步 扩大。伴随合金成型工艺不断发展,,可生产合金性能更为优越,逐渐满足更多应用场景需 求。同时,由于合金较高性价比,及上游资源的丰富储量,其作为新兴轻质材料在汽车、3C 和 航空航天领域的应用逐渐普及,目前全球新生产汽车方向盘骨架基本均采用合金为材料,伴 随行业节能减排的要求提升以及材料行业迭代更新,行业发展前景广阔。

2. 双碳推动镁冶炼工艺升级,降碳降能耗技术大势所趋

20 世纪初世界原镁产量的 80%由电解法生产,20%由热还原法生产。90 年代后热还原 法原镁产量迅速增长,加之电解法的生产成本较高,国内外的电解法纷纷关闭。目前,世界 原镁 80%由热还原法生产,其中 90%以上由热还原法中的皮江法生产。

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镁冶炼行业是一个高能耗的能源密集型行业。生产镁的过程中会产生大量三废,其单位 金属的温室气体排放量是钢铁行业的 5 倍。早在 08 年发改委就发布了《镁冶炼企业单位产品 能源消耗限额》并且该能源消耗限额强制性国家标准逐渐严格。2011 年发改委在《产业结构 调整指导目录》中将镁冶炼列入限制类名单。随着我国提出“碳达峰、碳中和”目标和相关 环保政策,高能耗、高污染的工艺现状与日益收紧的节能、环保政策之间的矛盾越发凸显, 我国镁冶炼行业提出了诸多机遇和挑战。 二十世纪九十年代初,得益于丰富易取的原材料、低廉的劳动力和早期粗放的环保要求, 技术门槛相对较低的皮江法真空硅热炼镁工艺在我国得到推广。皮江法是利用硅铁(Si>75%) 还原煅烧后的白云石生产镁。虽然皮江法炼镁技术在过去的 20-30 年间取得了很大的进步, 但皮江法镁冶炼技术存在的问题及挑战还有很多:“三废”排放多、热还原反应生成金属镁的废渣,仍未得到较好的处理,环保压力大;能耗高、成本高;自动化、智能化水平低; 不能实现连续化、规模化;资源综合利用低。

铝热法

铝热法炼镁作为一种高效、节能、环保的炼镁技术,是在碳中和背景下真空热法炼镁的 发展方向之一。铝热法是采用铝粉为还原剂的一种金属热还原法,铝热法炼镁技术以氧化镁 或白云石为原料以铝粉为还原剂在真空条件下热还原制取金属镁,同时副产轻质碳酸钙和镁 铝尖晶石或铝酸钙水泥。生产过程中无废渣、无废水外排,环境友好。 铝热法解决了白云石煅烧尾气排放问题;解决了镁冶炼过程中还原渣的问题,实现了“废 气、废渣”零排放。能减少镁行业 50%土地的占用,还原物料总量减少 52%;实现了“废气、 废渣”零排放;打造环保节能企业,清洁生产;有利于优化金属镁产业结构和我国镁行业可 持续发展。

相较于皮江法,铝热法一方面能耗更低,去除镁铝尖晶石及轻质碳酸钙产品后,吨镁能 耗 0.561tce/t;另一方面碳排放更低,在清洁生产上更进一步。

单看得到金属镁的生产成本来说铝热法比皮江法更高,铝热法炼镁得到金属镁的同时还 会得到轻质碳酸钙和镁铝尖晶石产生收入,随着产业化发展,未来铝热法成本有望持续降低, 具有成本优势。

实际上由于改变生产方法需要新建生产线,年产 100kt 金属镁的生产线需建设投资 15 亿 元,项目建设也需要 16~18 个月,并且需要铺设轻质碳酸钙和镁铝尖晶石的销售渠道,铝热 法的使用规模暂不及皮江法。

真空碳热还原法

真空碳热还原炼镁(VCTRM)工艺具有低成本、低能耗、低资源消耗、环保等优点,被认 为是一种理想的镁清洁生产工艺。 真空碳热还原相比于皮江法和电解法能耗分别降低了 42.9%和 27.5%。并且相比于皮江 法,碳热法可处理的原料更广,菱镁矿和硅镁镍矿都可作为提取金属镁的原料。

碳热还原炼镁在成本和能耗方面都要低于皮江法,生产过程中冷凝镁易燃易爆的问题目 前得到一定程度的解决,但是镁蒸汽与 CO 发生逆反应污染冷凝镁的关键问题制约了其工业 化应用。

再生镁技术

镁及其合金是易于回收的金属,目前使用的镁合金均可以回收。报废镁合金产品回收处 理技术,不仅对于减少环境污染、节约能源、降低成本、延长使用周期具有重要意义,也有 利于缓解镁供给受限和下游需求大的市场矛盾。各地大型镁加工企业也开始投入资金和技术 开发回收技术,像重庆镁业股份有限公司为了开发镁资源专门成立了万盛镁厂,其中一个很 重要的职能就是对压铸生产过程中的废件及毛边料和失效报废镁合金零部件进行回炉提炼, 生产出合格的再生锭,其成本和质量远远优于镁矿产品。

天然气替代煤炭作为镁冶炼能源

天然气较煤的利用效率更高,燃烧排放的 CO2、SO2、NOX 以及烟尘较少,可在节能减排 过程中发挥重要作用。吨镁冶炼需约 1100m3 天然气,1m3 天然气与相应可替代的煤炭相比, 可节约能量 11%~73%,减排二氧化碳 47%~84%,氮氧化物 44%~95%,二氧化硫和烟尘近 100%。根据公司公告,云海金属旗下五台山云海、巢湖云海部分采用天然气替代煤,有利于 降低能源成本。 总体看,双碳背景下低碳技术及能源结构升级将加速推动镁冶炼低碳环保工艺发展,具 有相应技术的企业将获益于成本降低及得到更多市场机会。

3. 能耗双控下行业供给端或将边际收缩

3.1. 我国镁储量和产量全球第一,榆林产量全国第一

储量方面,中国是世界上镁资源最丰富的国家之一 全球镁资源丰富,分布广泛。根据亚洲金属网数据统计,全球镁金属储量庞大分布广泛, 全球的菱镁矿储量达 240 亿吨,多分布于中国、朝鲜、俄罗斯等地。

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我国菱镁矿所探明的储量就有 27 处,主要分布在河北、辽宁、安徽、山东、四川、西藏、 甘肃、青海、新疆等 9 个省区,其中以辽宁省资源储量最大,占全国总储量的 85.62%,其次 是山东,占全国总储量的 9.54%。储量稍大的还有西藏、新疆和甘肃等省区。我国菱镁矿的主 要资源特点是储量相对集中,大型矿床较多;矿床类型较为单一,主要是积变质-热液交代型 菱镁矿;特别是辽宁省的矿石品质优良,一般 MgO 的含量都在 46%~47%。


产量方面,中国一直是全球主要原镁供给国

2021 年全球金属镁产量为 103 万吨,同比增长了 0.3%。我国原镁产量 94.99 万吨,同比 缩减 1.27%。中国之外的镁产量,美国 4 万吨,俄罗斯 2.4 万吨,巴西 2.2 万吨,以色列 1.83 万吨,其他 0.5 万吨。


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