“相对真空”连续清洁镁冶炼技术与装备
成果类型:: 新技术
发布时间: 2023-07-16 13:46:49
“相对真空”,实际镁蒸气与平衡蒸汽压的差值即为“相对真空度”,“相对真空度”越大,金属镁还原的推动力就越大。通过金属冶炼温度和惰性气体来调控“相对真空度”,升高反应温度和加大惰性载气流量都可以提高相对真空度,加快金属镁冶炼速度。整个冶炼系统可以保持微正压,从而实现反应物料的连续加入和排出,实现金属镁的连续冶炼。相对真空突破了以大气压为基准的真空概念的局限,取消了皮江发炼镁的真空系统,为金属镁的连续冶炼提供了理论基础。张廷安教授带领的团队构建了“相对真空连续炼镁”的理论体系,开发了相对真空快速连续炼镁新技术与核心装备,实现了金属镁在实际微正压的“相对真空”而非“绝对真空”条件下快速连续冶炼,使还原周期由皮江法的10~14h缩短到1~1.5h,镁的综合回收率达到90%以上。实现了碳减排,CO2排放量由23t降至11~13t,每吨金属镁消耗标煤由5t降至3~3.5t,解决了目前炼镁方法无法连续生产、人工劳动强度大、污染重、生产效率低的技术难题。相对真空连续炼镁新技术的提出突破了原有技术的理论局限,实现了连续生产,大幅缩短生产周期,为金属镁的连续生产奠定工业基础。
该项目获得国家自然科学基金辽宁联合重点基金资助,授权国内/国际发明专利10项,发表高水平学术论文30余篇,经中国有色金属工业协会技术鉴定:达到国际领先水平。先后获得日内瓦国际发明展银奖、2022年度国际镁科学与技术创新工艺奖。2022年,“相对真空”连续清洁镁冶炼系列专利技术以专利权转让(现金+股权)方式实现成功转化,创建了“中国有色金属学会—镁连续清洁生产技术工程中心”和“东玉镁研低碳科技(辽宁)有限公司”,并建成了世界首个“相对真空”连续炼镁示范工程。
“相对真空”连续清洁镁冶炼技术具有广阔的应用前景,主要涉及能源、交通、信息、制造、材料等多种领域,其金属镁产品广泛应用于军工配套、航空航天、海洋工程、交通轻量化、新能源材料、消费电子等领域。
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金,是目前全球最轻质的商用金属工程材料,相对于其他常用的传统材料,镁合金具有密度小、比强度高、弹性模量低,散热好、抗冲击力和抗蠕变性强、阻尼减震降噪能力强、电磁屏蔽性能优异等特点。相比于其他材料,镁合金可吸收更多的振动冲击,比强度明显高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢相当,远远高于工程塑料,为一般塑料的10倍。
面向2035年,我国的高端镁合金材料产业整体在研发、生产及应用方面达到全球领先水平,实现大规模、智能化、绿色化制造,对全球镁合金产业的发展起主导作用。实现下一代高强韧大型整体结构件设计及相关设备的产业化;实现国家重大工程用高性能镁合金材料国产化率达到100%,促进交通运输领域节能40%以上、减排50%以上。
随着新能源车续航和传统油车节能减排的要求提升,轻量化成为目前汽车产业发展的重点,镁合金作为最轻质的商用金属工程材料需求有望快速增长。根据预测,我国汽车行业2025、2030年的镁合金消耗量分别达到35.32和71.12万吨,原镁消耗量达到 38.85和78.23万吨,2022~2030国内原镁消耗量复合增长率为21.70%。 除此之外,镁在建筑模板、储氢、高铁等领域也有广泛应用。
此外,“相对真空”连续清洁冶炼技术也可以应用其他金属的连续冶炼,例如锂、锶、稀土金属的连续冶炼,具有广阔的应用前景。
项目团队为东北大学特殊冶金创新团队,以张廷安教授为团队与学术带头人,教授与青年学者共计20余人。团队所在单位东北大学是国家“双一流”建设高校,是“211”工程和“985”工程重点建设单位,其“冶金工程”是首批国家重点一级学科。团队依托金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室、有色金属冶金教育部工程中心,先后承担并完成了国家“863计划”课题、国家科技支撑计划项目、国家“973 计划”课题、国家自然科学基金云南联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目等 20 余项研究工作。获得国家发明专利150余项,PCT专利40余项,发表论文600余篇。
技术研发投入方面,围绕相对真空连续清洁镁冶炼技术与装备的开发,获得了国家自然科学基金辽宁联合重点基金、国家自然科学基金青年基金等项目资助在内的各类科研经费累计达1000余万元,用于金属镁相对真空连续冶炼过程的实验室研究、分析检测、工业生产线建设等。相对真空连续清洁镁冶炼技术实现了金属镁在微正压下连续冶炼,大大缩短还原周期,镁的综合回收率达到90%以上。利用该技术生产1t金属镁,消耗标煤由5t降至3~3.5t,CO2排放量由23t降至11~13t。经济效益测算上,综合考虑运行过程中产生制造费用以及制造成本(含工资、折旧、修理费)及运行成本,相对真空连续清洁镁冶炼新技术与皮江法相比吨镁成本可降低约40%以上,固定资产投资降低约400~800元/t镁,若推广至整体镁行业(90万吨金属镁),则可降低碳排放量约900万吨,投资节省约7.2亿元。
金属镁由于具有质量轻、散热性能高、尺度稳定性、高吸震性能、杰出的切削性能和铸造性能以及可回收再用等突出特点,在军工配套、航空航天、海洋工程、交通轻量化、新能源材料、消费电子等领域具有广泛的应用,是国防与国民经济建设不可或缺的重要金属。希望通过技术合作的方式进行转化。