微波（microwave，简称 MW）是一种电磁波，其 频率在 0.3～300 GHz，波长在 0.1～100 cm 之间。把 微波能作为一种能量加以利用，通过在物料内部的 能量耗散达到选择性加热物料的目的。与传统加热 方式相比，微波加热具有热效率高、加热均匀、清洁 无污染、启动和停止加热迅速便于控制以及甚至可 以改善材料性能等显著优点。微波加热由于在提高 生产效率和改善生产条件等方面的明显优势，因而 在电子、食品加工、化工、医药、环境保护和家庭生活 等领域被广泛应用。作为一种发展迅猛的新型绿色 冶金方法，微波加热在磨矿、预处理、干燥、焙烧、预 还原、金属提取以及烟尘等废料的处理和利用等领 域也受到了普遍认可，一些研究成果正逐步转入实 用阶段。以上种种迹象都表明了微波加热在化学冶 金［13－14］中的巨大应用潜力。
二战前，全球生产金属镁的方法只有一种— —— 电解法 （以菱镁矿为主要原料）。但电解法耗资巨 大，工艺复杂。二战期间，由于军事工业的发展，镁合 金的需求量急剧增加，又由于含镁矿石资源中以白 云石的储量最多且分布最广，所以自 1938 年起由奥 地利和美国开始在高温真空条件下，用碳作还原剂，
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山西冶金 解法在工艺先进，能耗较低等方面存在 优点，但其生产过程中仍存在许多不容忽视的缺点， 诸如：无水氯化镁的制备工艺较难控制；水氯镁石脱 水由于需要较高温度和酸性气氛，使得能耗大，设备 严重腐蚀；生产过程排放的废水、废气和废渣污染环 境，处理费用大等。加之我国的国情特点，因而电解 法炼镁工艺在我国较少采用。 2.2 热还原法
CaO+2MgO+Si=2Mg+2CaO+SiO2 然后经过熔剂精炼、铸锭、表面处理，产出金属 镁锭。其工艺流程如图 1 所示。
白
硅
云
石
铁
煅
粉
烧
碎
煅
配
研
制还粗
精铸
镁
白
料
磨
球原镁
炼锭
锭
萤
还
镁
石
原
粉
渣
渣
图 1 皮江法工艺流程图
皮江法生产方式是间歇式的，每个生产周期大 约为 10 h，可分为三个步骤：一是预热期，装料后，预 热炉料，排除炉料中的二氧化碳与水分；二是低真空 加热期，盖上蒸馏罐的盖子，在低真空条件下加热； 三是高真空加热期，罐内真空度保持 13.3~133.3 Pa， 温度达 1 200 ℃左右，时间保持 9 h 左右。
2011年第 3 期
孙晓思：属镁生产工艺概述
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4 金属镁生产的发展方向 4.1 传统加热方法炼镁的缺陷
皮江法炼镁工艺分为四个工序：煅烧、制球、还 原、精练。煅烧和制球为还原工序提炼出粗镁作准 备。影响还原反应的主要因素有煅白活性、炉料配比 度、炉料粉碎度、制球后球团密度、还原剂种类、还原 温度和时间、还原炉真空度等。这些因素不仅影响还 原过程的反应速度，而且关系到结晶镁的质量，因此 必须严格控制。只有了解影响还原反应的因素，严格 控制并熟练掌握工艺技术条件，才能合理进行设计 并有效指导生产，减少成本，进而达到优化金属镁产 业的目的。
镁作为地球上储量最丰富的轻金属元素之一， 其密度为 1.74 g/cm3，仅相当于铝的 2/3、钛的 2/5、钢 的 1/4，同时，镁合金比铝合金轻 36%，比锌合金轻 73%，比钢轻 77%。镁具有较高的比强度和比刚度， 其导热导电性能好，并具有良好的电磁屏蔽性、阻尼 性、减振性以及切削加工性，镁合金的加工成本低 廉，加工能量仅为铝合金的 70%，除此之外，产生的 废物易于回收。在比强度方面，镁合金高于铝合金和
无论是在国内还是在国外，镁的应用主要集中 在铝合金生产、压铸生产、炼钢脱硫三大领域，同时 在稀土合金、金属还原及其他领域也有涉及。伴随着 全球科技的发展，能源的枯竭，航空、航天和汽车等 大型耗能机器的轻量化生产成为节能的主题。据科 学计算，一辆汽车每应用 100 kg 镁，车重可减轻 500 kg。应用镁合金制造的汽车零部件，除减轻汽车自重 外，还可提高燃料利用率，减少环境污染。在航天器 基本结构和各种零部件方面，对于提高航天器的飞 行性能、减少发射成本、节省能量镁合金都具有非常 重要的意义。在军事上，镁合金制造的飞机、导弹、飞 船、卫星、轻武器等重要武器装备零部件，可显著提 高武器射程、命中率和飞行器机动性能。生活中，随 着人民生活水平的提高，各种金属制品轻便、简单的 社会需求日益凸显，这就给镁提供了更加广阔的应 用空间。采用镁合金制造手机、笔记本电脑和数码相 机等数字产品的外壳，具有强度高、美观及电磁屏蔽 等优点。随着电子技术日趋精密化，镁还将广泛应用 于电子技术、光学器材等精密机械领域［ 2- 6］。 2 金属镁生产技术的发展
作者简介：孙晓思（1986－），女，太原科技大学应用科 学 学 院 在 读 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 ： 传 热 分 析 。 Tel: 15135154199,E- mail:sxs8696@
钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；在比刚度方 面，它也同铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料； 在耐磨性能方面，它比低碳钢好得多，已超过压铸铝 合金 A380；至于减振性能和磁屏蔽性能，镁合金远 远优于铝合金。
热还原法即硅热法炼镁工艺，其原理为：硅（一般 为 w(FeSi)＝75％的合金）在高温（1 100~1 250 ℃） 和真空（13.3~133.3 Pa）条件下，还原白云石中的氧 化镁为金属镁，其化学反应可表示为：
2（MgO·CaO）+Si=2Mg↑+2CaO·SiO2 传统的硅热还原法，按照所用设备装置的不同 分为四种：皮江法（Pidgeon Process）、巴尔札诺法 （Balzano Process）、玛格尼法（Magnetherm Process） 和 MTMP 法［6］。 由于白云石资源分布广泛，储量丰富，而皮江法 炼镁可以直接采用其作原料；并利用天然气、煤气、 重油和交流电等作热源；工艺流程简单，建厂投资 少，生产规模灵活；反应炉体小，建造容易，技术难度 小；成品镁的纯度高。这些特点恰恰符合我国的实际 国情，因此，皮江法在我国得到了广泛的发展和应 用。到目前为止，皮江法仍是我国生产金属镁的主要
第 34 卷
从白云石中提炼金属镁；随后英国把还原剂改进为 碳化钙从白云石中提炼金属镁，日本也以白云石为 原料在朝鲜建厂生产金属镁。二战后，各国生产金属 镁的方法仍以电解法为主，但从白云石中生产金属 镁方面对还原剂作了大量研究并加以改进。直到 20 世纪 70 年代，采用以硅铁合金（w(Si)＝75%~85%） 或硅钙、硅铝为还原剂的“硅热真空还原法”，此间 加拿大皮江（Pidgeon）教授做出了突出贡献，故又称 此工艺为皮江法［ 7- 8］。
加热线卷
加热元件
2－1 传统加热方式
激光
中心热点
微波
2－2 微波加热方式 图 2 传统加热方式与微波加热方式原理对比示意图
由于微波具有选择性加热的特点，加之白云石 相关介电参数表明，白云石吸收微波的效率并不高， 不适于在微波中烧结，但如果把煅烧后的白云石煅 白粉与硅铁还原剂混合球团置于微波加热炉中，由 于硅铁具有较好的微波吸收性能，可以在微波的作 用下迅速升温，从而带动整个球团的升温速率，达到 减少物料的升温时间，提高金属镁还原反应速率，缩 短还原周期，提高生产效率的目的。相关理论实验结 果将在不久以后的研究中加以详述证明。同时微波 加热属于“体加热”方式，不存在“冷中心”或“夹 生”现象，避免了传统加热方式造成的温度梯度过 大、受热不均等弊端。另外，当今一些观点认为，微波 除了热效应外，还存在着非热效应［ 16- 17］。该理论认为 物料在微波磁场的作用下，除了将磁能转化为自身 的热能外，其本身的内部分子结构也会发生相应变
在外部水箱冷却的作用下，钢套的温度达 250 ℃ 左右，使得镁蒸气冷凝在钢套上。最终，切断真空将 盖子打开，取出冷凝有金属镁的钢套。蒸馏后的废物 为二钙硅酸盐渣和铁［6；10- 11］。
皮江法的工艺流程和设备简单，建厂投资少，生 产规模灵活；成品镁的纯度高；其炉体小，建造容易， 技术难度小；可直接利用资源丰富的白云石作为炼 镁原料。皮江法的主要缺点在于热利用率低、还原罐 寿命短，还原炉所占的成本比例较大，生产过程不连 续，生产环境较差，环境污染严重等。
微波烧结是利用微波加热原理对物料进行烧结
的一种新型加热方式，它与传统的加热方式不同 （如图 2）。传统加热是依靠发热体将热能通过对 流、传导或辐射等基本传热方式传递给被加热物体， 从而使物体达到某一温度值，热量从外向内传递，加 热时间长，物料很难达到细晶状态。而微波烧结则是 利用微波自身具有的特殊波段与物料的基本细微结 构耦合导致物料介质损耗而产生热量，发热体为物 料 本 身 ，热 能 由 内 向 外 传 播 ，由 于 微 波 以 光 速（ 约 3×108 m/s） 传播，使得物料在极短时间内迅速升 温，从而达到整体加热至烧结温度的理想效果［15］。
法，并加以分析其生产过程中对产镁效率的影响，最后指出金属镁生产未来的发展方向。
关键词：镁 皮江法 还原 微波加热
中图分类号：TF822
文献标识码：A
收稿日期：2011－04－06
作为“21 世纪的绿色工程材料”［1］，金属镁以 其储量丰富、质量轻，加之镁合金比强度和比刚度 高、导热和导电性能优良、阻尼减震和电磁屏蔽性能 好、易于加工成型、废料容易回收等优点已普遍被世 界认可，广泛应用于航空航天、军事、交通（包括汽 车、飞机、摩托车、自行车工业等）等领域。由于镁及 镁合金优良的物理化学性能和机械性能，镁的应用 逐渐被人们所重视，其需求量也日益上升。自 20 世 纪 80 年代以来，世界镁合金产业的快速发展带动了 原镁生产的急剧增长。镁成为继铝、锌、铜、铅之后的 第五大有色金属。20 世纪 90 年代以前，原镁生产国 主要有美国、加拿大及西欧地区的部分国家，90 年 代后亚洲地区的镁产量大幅增加，尤其是我国，其增 长尤为显著。作为镁储量丰富的产镁大国，回顾我国 镁工业的发展历程，总结经验，汲取教训，深入研究 金属镁生产工艺的每个过程，在当今社会节能减排、 高效环保的总体发展趋势下，努力提高金属镁的生 产效率，无疑对我国今后如何发展金属镁工业，以至 提高整体国民经济都有着至关重要的意义。 1 镁的性能及应用领域