一、镁的冶炼

金属镁的冶炼方法主要有电解法和热还原法，以下是具体介绍：

（一）电解法炼镁

1、工艺方法

电解镁冶炼的原料路线主要可分为两种基本类型：其一以菱镁矿（MgCO3）为原料，经多步化学转化工艺制备高纯度无水氯化镁（MgCl2）作为电解前驱体；其二则基于海水资源，通过复杂的水相萃取与纯化流程获取氯化镁水合物。在海水原料路线中，关键性技术瓶颈在于六水氯化镁（MgCl2·6H2O）结晶水的深度脱除，该脱水过程的能效控制与工程实现直接制约着整体工艺的经济性与工业化可行性。当前主流的电解镁工业化体系包含三大典型工艺：DOW工艺、I.G.Farben工艺及Magnola工艺，这些体系通过独特的电解质组成与电解槽结构设计，构成了具有显著工业代表性和学术研究价值的典型工艺体系。

2、生产过程

在镁电解生产工艺中，采用多元氯盐体系作为电解质属于核心工艺优化措施。向MgCl₂基电解质中引入辅助组分的配方设计主要基于以下物理化学优化目标：首先，通过形成低共熔体系显著降低熔盐初晶温度，使电解反应能在650-720℃的亚高温区间稳定进行，从而有效降低热能消耗；其次，优化熔盐流变特性以降低动态粘度系数（η值），确保电解质具备良好的流变特性，促进电极界面传质过程的均匀性；第三，通过引入导电增强组分（如KCl、NaCl），使熔体电导率提升至1.8-2.2 S/cm范围，实现电流效率由75%提升至88%以上；第四，构建Cl⁻活度调节体系，将MgCl₂挥发速率控制在<0.5 g/(cm²·h)，既降低原料损耗又减少Cl₂逸散风险；最后，建立水解抑制体系，通过AlF₃等添加剂将水解率从5.2%降至0.8%以下，维持电解质组成稳定性。电解过程中，阴极析出的液态金属镁（密度1.58 g/cm³）基于密度差异产生的气液分离效应，自下而上富集于电解质表面（密度1.67 g/cm³），形成连续相镁层便于机械化捞取；阳极生成的Cl₂气体则通过密闭式集气罩（收集效率≥98%）导入净化系统，经三级碱液喷淋后实现尾气达标排放（Cl₂残留浓度<1 mg/m³）。

二、热还原法炼镁

热还原法炼镁的工艺原理：在高温及真空环境下，以硅或铝作为还原剂，在氧化钙的参与下，对氧化镁进行固态热还原反应。该过程主要发生如下气-固相反应：MgO(s) + 2CaO(s) + Si(s) → 2Mg(g) + 2CaO·SiO2(s)，反应生成的镁蒸气与固态硅酸二钙（2CaO·SiO2）通过相分离机制实现有效分离，随后镁蒸气经梯度冷凝工艺结晶为镁金属单质。鉴于铝热还原法存在显著经济性缺陷，该工艺在现行工业生产中尚未实现工业化应用。当前工业生产中广泛应用的主流工艺为硅热还原法，其技术成熟性及经济合理性已在长期工业化实践中得到充分验证。本文将重点阐述硅热还原法镁冶炼工艺（皮江法）。

1、硅热还原法炼镁工艺原理

硅热法金属镁生产工艺以煅烧白云石(CaMg(CO3)2)为主要原料，硅铁(FeSi75)为还原剂，萤石(CaF2)为矿化剂，按特定化学计量比进行精确配料。配料经球磨制粉后冷压成型为致密球团，置于耐热合金还原罐内，在1250°C高温及13.3 Pa以下真空条件下进行还原反应，促使氧化镁的固态扩散还原，生成镁蒸气。镁蒸气在还原罐前端的多级冷凝系统中定向凝结，形成枝晶状结晶镁（俗称粗镁）。粗镁经熔剂保护精炼工艺去除杂质，最终浇铸成符合标准的商品镁锭（精镁）。

2、生产工序

Ø  煅烧工序：

白云石原料经破碎处理后，将合适粒度的石料在回转窑或竖窑中实施高温煅烧。热力学分析表明，当煅烧温度控制在1250～1350℃区间时，白云石（CaMg(CO3)2）的热分解反应生成煅白（化学式：MgO·CaO），符合硅热法炼镁要求。本工艺需控制温度参数，实验数据显示：当高温煅烧带温度超过1400℃时，将引发以下三方面问题：①氮氧化物（NOx）排放量显著增加，符合Arrhenius方程的温度敏感性特征；②能源消耗量上升，统计表明燃料（煤气/煤粉）单耗增幅可达12%-15%；③物料出现过烧现象，XRD表征显示过烧产物晶粒异常长大，导致比表面积下降38%-42%，在后续还原工序中表现出明显的活性衰减。因此，工业化生产中需控制煅烧温度在合理范围内。

Ø  制球工序：

将煅白、硅铁粉和萤石粉按既定化学计量比进行精确配料混合后，经粉体细磨加工系统（球磨机+）处理，再通过压球机成型为符合工艺要求的球团状物料（俗称“球团料”），最终输送至还原工序进行后续处理。

Ø  还原工序：

将球团原料装入耐高温合金还原罐内，于1250±10℃及13.3 Pa以上的真空条件下保持10至12小时，促使氧化镁发生还原反应生成镁蒸气，经冷凝后获得粗镁产物。该还原工艺系统主要由真空维持系统、循环冷却水系统、还原炉本体、烟气净化系统、粉尘收集系统以及智能配电控制系统等核心单元构成。根据还原炉中还原罐的放置方式，可分为竖式还原罐炼镁和横式还原罐炼镁。

①竖罐还原炉的还原罐内径有 600㎜、720㎜、810㎜、900㎜，甚至超过 1000㎜的规格。由于罐径较粗，球团料在热还原反应时热量主要依靠球团之间的热传导，导致还原周期较长，通常小罐径的还原周期为 18 小时，较粗罐径的还原周期甚至可达 22 小时或24 小时。其吨镁约需球团 6.3 吨（即：料镁比 6.3），目前国内仅有的几户竖罐工厂中，全年平均料镁比低于 6.3 的较少，能达到 6.0 的更是罕见。不过，竖罐还原炉采用顶部装料，装料时自动化程度较高，减少了部分人工操作。但大量使用起重设备，增加了用电量及配套用电设备。此外，竖罐还原炉近五六年才被几户企业投入工业化应用，在设计时充分考虑了炉体散热，保温水平较高；

②横罐还原炉的还原罐内径则相对较小，有 350㎜、370㎜、380㎜、390㎜，甚至 400㎜的规格。罐径较小导致还原周期通常12小时，其中370㎜还原罐平均周期为11小时，350㎜还原罐周期更短，可达10.5小时，而400㎜还原罐则长达14小时。其吨镁约需球团 6.3 吨以下，管理水平较好工厂的料镁比甚至能达到 5.8，吨镁热效率相对较高。但由于还原罐水平摆放，装料和出料需滑轨车和叉车配合，半人工操作。且横罐还原炉的设计年代久远，尽管近 10 多年来采用了蓄热体技术并进行了多代改良，但在炉体散热保温方面的设计仍不够理想。

③竖罐与横罐在环保治理、安全水平、能耗水平方面的差距不大，各有优势；2025年第一季度，当镁金属现货价格下探至15000元/吨关键位时，行业成本倒挂现象加剧，国内镁冶炼企业普遍采取提前停产检修措施规避经营风险。重点产区数据显示：陕西府谷两家竖罐冶炼装置、山西两家竖罐生产线、安徽竖罐生产线及新疆某竖罐生产线均进入检修序列。值得注意的是，当时维持生产的国内镁冶炼工厂均为横罐生产线，充分印证了横罐工艺在成本控制方面具备更优的抗压韧性。

④建议：采用横罐还原生产线的企业要将还原炉的技术改造列为优先事项，重点围绕炉膛恒温控制、燃烧系统优化、配风装置升级、炉体散热与保温、物料输送自动化、装料出料机械化、中央集控系统建设、炉体结构创新设计等关键节点制定实施规划。通过推进数字化、智能化升级实现节能降耗目标，依托技术创新构建成本竞争优势，避免盲目参与同质化价格竞争损害行业可持续发展基础。

Ø  精炼工序：

镁金属的精炼采用梯度控温的熔剂净化法。首先将原料粗镁置于精炼坩埚内，镁液于710±10℃的温度范围进行熔融处理，同时加入复合型精炼溶剂。随后将熔化后的镁液在精炼锅恒温静置，在680±10℃的温度区间内保持特定时间，利用熔剂与金属熔体的密度差实现物相分离：金属杂质在重力作用下沉降至溶剂底层，而高纯度镁液则富集于溶剂层上部。最终将净化后的镁液导入保温锅浇铸系统，通过连续铸造工艺制备出符合GB/T 3499标准的系列镁锭产品。

Ø  配气工序：

通过配套制气装置对原煤实施干馏处理，实现其向半焦（兰炭）、煤焦油及半焦煤气的转化过程。其中半焦煤气作为镁冶炼工艺的燃料气源参与生产流程。常规制气装置通常由中低温热解半焦炉、高温热解半焦炉及煤气发生炉等设备构成。针对采用外购燃料气源（包括但不限于天然气、煤层气、冶金焦炉煤气等）的镁冶炼企业，其生产工艺中则无需设立配气工序。

三、镁金属的应用

（一）镁合金生产

根据最新分析，2024年全球镁消费结构中，镁合金生产占据主导地位，其在全球镁消费中的占比约为50%，预计该年度全球消费量达到约55万吨。该领域的增长主要得益于新能源汽车轻量化需求的显著提升，以及镁合金在机器人、低空经济等高端制造领域的持续拓展。在汽车行业，单车用镁量方面，北美为18 千克，欧洲为 15 千克，而我国为 10 千克，但我国的单车用镁量正在逐步增长，预计到2025年将提升至25千克。

根据最新分析，2024年全球汽车用镁合金的消费量预计将达到38万吨，占整体镁合金消费量的70%左右；3C电子产品中镁合金的使用量占比约为20%；而航空航天、医疗、机器人、eVTOL飞行器、建筑、国防等其他行业对镁合金的需求则占剩余的10%。在众多影响镁合金消费规模的因素中，新能源汽车产业的迅猛发展尤为关键。随着全球节能减排需求的迫切增加，特别是在新能源汽车领域，镁合金的应用前景十分广阔。研究指出，通过优化镁合金的成分和加工工艺，能够显著提升其力学性能和耐腐蚀性能，从而满足新能源汽车对轻量化、高性能材料的要求。据统计，在过去 10 年里，镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了 15% 左右，且这种增长趋势仍在延续。

（二）铝合金添加

由于镁具有密度小、比强度高的特点，并且能够与铝、铜、锌等金属构成高强度合金，所以镁是重要的合金元素。一般来说，根据不同的材质要求，在系列铝合金中，原镁的添加比率约为 0.4%～3%。在全球镁消费中，铝合金添加领域占据了约25%的份额，预计2024年该领域的全球镁消费量将达到约29.5万吨。中国新能源汽车产量占全球的60%，这一规模优势为铝合金材料的需求提供了坚实的支撑。

（三）炼钢脱硫

钢铁脱硫领域占全球镁消费的 11%，2024 年全球消费量约为 13 万吨。全球 19 亿吨的粗钢产量为该领域需求奠定了坚实基础。欧美、俄罗斯等地区和国家的不少钢厂都采用镁脱硫。镁粒在炼钢脱硫中的应用效果优于碳化钙，其用量仅为碳化钙的1/6～1/7，且镁脱硫总费用较碳化钙更具经济性。通常情况下，吨钢消耗镁粒 0.4～0.5 公斤，脱硫后含硫量可降至 0.001％～0.005％。

（四）海绵钛等金属还原

金属还原领域占比 8%，2024 年全球消费量约为 8.5 万吨。其中，由于大量采用全流程（含自产氯化镁电解镁工序）工艺，中国在海绵钛生产方面已大幅降低了对外购原料镁的依赖度。吨钛还原用镁约 1.1 吨。此外，锆、铀、铪也是镁还原工艺的重要应用领域，不过其消费量远低于钛（钛金属还原占比 82%）。随着核能和航天技术的不断进步，钍、铍等特种金属的需求有望逐步增长，但在短期内，其对镁消费的拉动作用仍较为有限。

（五）镁牺牲阳极

镁牺牲阳极具备诸多显著优点：卓越的防腐性能、无需依赖外加直流电源、安装后即刻自动运行、免维护、占地面积小、工程费用低廉，且对环境无干扰。因此，镁牺牲阳极被广泛应用于石油管道、天然气、煤气管道和储罐；港口、船舶、海底管线、钻井平台；机场、停车场、桥梁、发电厂、市政建设、水处理厂、石化工厂、冶炼厂、加油站的腐蚀防护，以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。

四、镁与人体健康

于人体细胞中，镁位居阳离子重要性次席，它不仅能够激活体内诸多酶类，抑制神经异常兴奋，确保核酸结构稳固，还广泛参与蛋白质合成、肌肉收缩调控及体温平衡等关键生理环节。近代研究证实，动脉硬化、心脑血管病、高血压、糖尿病、白内障、骨质疏松、抑郁症等多种疾病均与缺镁有关。基于此，镁在医药领域的应用愈发受到重视。