镁冶炼技术

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經濟部技術處ITIS 計畫成果，未經同意不得轉載 產業評析 鎂冶煉技術之演變進程
金屬中心產業研究組 陳中一
出版日期：2009.09.30
一、鎂金屬冶煉的三個進程
從歷史的角度來看，鎂的冶煉方法可概略分成三個階段，第一階段是採用化學法，亦稱為金屬熱還原法，即是利用比鎂活性更大的金屬之蒸氣來還原氧化鎂或氯化鎂，以取得鎂金屬。

在元素週期表上，原子序在鎂之前的金屬僅有鋰、鈹、鈉三種，以這種方法來取得金屬鎂，需要耗用很多的金屬鋰或金屬鈉，並且產量少，生產成本高，目前僅有實驗室制備少量鎂金屬會使用此方法。

第二個階段則是融熔電解法(簡稱電解法)，主要為電解融熔的無水氯化鎂，這個方法獲得了廣泛的應用，但是耗電量大，成本較高。

第三個階段是熱還原法，主要是將白雲石加熱分解為氧化鎂，再用碳或碳化鈣還原。

而根據熱還原的方法還分成碳熱法、碳化物法、矽熱法等數種。

熱還原法的特點是不用電力做熱源，原料來源廣泛，工藝過程簡單，投資少、建廠快。

也因此近十年來全球主要煉鎂方法主流從電解法轉而變成熱還原法，見【表1】。

表1 近十年煉鎂技術之變遷
資料來源：金屬中心產業研究組整理
二、時下煉鎂技術之主流—熱還原法
熱還原法根據還原劑種類的不同，可分成三種，分冸為：碳熱法、碳化物法及矽熱法。

碳熱法在製程中會用到大量氫氣，所以若稍有不慎會造成勞工安全問題；碳化物法使用之還原劑之一為碳化鈣，其活性較低、容易水解且使用量大，所以以上兩種在工業上已鮮少使用。

目前熱還原法主流為矽熱法，是藉由金屬或其合金(還原劑)來還原氧化鎂，得到鎂蒸氣後再經由冷凝濃縮後即可得到鎂金屬。

還原劑可以是矽、鋁、鈣、錳，鋰等金屬，就經濟考量，以含矽量75%的矽鐵合金最常被使用，又因為其中鐵不參與反應，故稱為矽熱法。

矽熱法又可分成外熱法以及內熱法，目前主流的Pidgeon 法/Bolzano 法即屬於外熱法，Magnetherm 法則屬於內熱法。

以下分項說明。

(1)Pidgeon Process/Bolzano Process
1941年加拿大科學家皮江(Lloyd Montgomery Pidgeon)教授發明了一種矽鐵熱還原煉鎂方法，稱為皮江法(Pidgeon Process)。

皮江法是以白雲石、矽鐵和氟石為原料，把鍛燒後的白雲石、矽和氟石製成粉末，再將粉末混合，製成球團，並在
1,150~1,200°C的耐熱還原罐中還原，在500°C延伸端冷凝，得到冠狀結晶鎂。

加拿大於1942年第一個建立採用皮江法的鎂廠，而目前中國大陸約有90%以上的鎂原料廠商採用皮江法提煉鎂原料。

而Bolzano Process則是皮江法煉鎂的改進方法。

與皮江法煉鎂的主要不同在於，Bolzano Process採用了豎式電內熱還原爐。

此法由於義大利的Bolzano鎂廠試驗成功而得名。

20世紀80年代這種方法的鎂最高年產量為1.2萬噸。

(2) Magnetherm Process
Magnetherm法是法國Pechiney公司於60年代研究成功的一種新工藝，該法以鋁土礦(Al2O3)和白雲石做為原料，矽鐵作為還原劑，在真空電爐中進行還原反應；加鋁土礦的主要目的是降低渣的熔點，便於液態排渣。

矽在矽鐵中的活度隨矽濃度的下降而下降，當矽濃度降到18～20%時，還原反應便會停止，因此裝料中需配入過量的矽鐵。

反應溫度為1600~1700°C，真空度為0.266~13.3kPa。

該法的最大特點是爐內所有的物質都為液態。

還原產生的鎂蒸氣在冷凝器（675℃）凝結成液態鎂，流入收集罐中，經過精煉，然後鑄錠。

爐渣積聚到一定程度後，通入氬氣破壞真空，拆卸收氣罐排出爐渣。

從爐渣分離出低品位矽鐵（含Si量20%可用作煉鋼的去氧劑）後，以水急冷，直接製成水泥。

儘管Magnetherm Process 的產品純度略低於皮江法，但該法具有生產半連續化、單體設備產能大（一台4,500KW的爐子，可日產7～9噸鎂）、不產生污染環境的氣體等優點。

因此，除法國之外，70年代以來，美國、南斯拉夫和巴西等國，也先後採用了這一技術。

三、最新鎂冶煉法
鎂的發現至今也不過200年，而鎂的冶煉法從化學法、電解法進入到熱還原法之後，在1960年代Magnetherm法應用以來，似乎就無較大進展。

所幸進入21世紀，又有兩種新的冶煉法批露，以下分冸說明。

(1)Mintek Thermal Magnesium Process(MTMP)
2004年，南非的MINTEk與Eskom公司共同發表了Mintek Thermal Magnesium Process(簡稱MTMP法)，又因為這個方法是由兩家南非公司所共同開發的，所以又稱為南非熱法。

這種技術可在常溫下連續生產。

MINTEK公司充分利用自身直流電弧爐熔煉技術的優勢，煅燒白雲石產生鎂蒸汽，在冷凝器中形成液態鎂，常壓下可釋放液態鎂再次冷凝形成粗鎂，並從爐中除渣，此法有勞動生產率高，生產成本較低等優點。

MTMP法是Magnetherm法的改進，雖然有使用電弧爐，但是主要反應還是熱還原，因此可以歸類為熱還原法的一種。

在使用35MW電弧爐的前提下，產量約為每天100公噸。

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產業評析
圖1 MTMP 法示意圖
資料來源：MINTEK 公司/金屬中心產業研究組整理
(2)Zuliani Process
Zuliani Process 是由加拿大多倫多大學冶金工程學博士Douglas Zuliani 成功開發出來的鎂金屬冶煉新技術，該技術號稱可以從白雲石原料直接生產鎂金屬。

2007年3月加拿大Gossan Resource Limited 公司宣佈購買該項新技術，並在全球獨家擁有這一新技術的100%的知識產權。

新工藝技術採用了原來法國Pechiney
公司和美國Alcoa 公司的鎂金屬生產工藝技術(也就是Magnetherm 法)來加以改良。

Zuliani Process 降低了對能源和關鍵原材料的用量，通過對傳統矽熱技術的強化，在不採用真空狀態就能改進鎂回收率和矽還原頻率。

不過這一鎂生產新技術在投入工業生產之前還需要驗證，並將實施一個三階段的評估過程。

第一階段是避免熔化固態鎂，這對於皮江法和其他矽熱法都是一個大問題；第二階段包括最終標準率試驗。

第三階段是中間試驗廠，展示新工藝技術的服務年限。

和傳統的皮江法鎂生產工藝技術相比，新工藝技術號稱降低生產成本達到25%。

四、小結
鎂金屬的冶煉從最早的化學法(金屬還原法)進步到電解法，又進步到熱還原法，進入21世紀，又有科學家從原本的製程中加以改良成為新的煉鎂技術。

新的製程環繞的仍然是生產效率，比如更快速的生產方法、降低原本的嚴苛條件需求等。

科家們對於金屬鎂制備的熱衷顯示了市場對於鎂金屬的高度關注，全球產量的上升、應用層面的日漸廣泛更顯示鎂金屬是一個非常有潛力的工業用金屬，且與其他金屬相比較，鎂金屬並且沒有匱乏之虞。

煉鎂技術的不斷演進造福了下游應用產業，假以時日鎂金屬的殺手級應用出現，相信又是一番不一樣的榮景。