【桌面调查】机器人行业密切关注的材料——金属镁的炼金之路

光大证券发布研报称，人形机器人市场空间巨大，预计到2030年全球销量将突破100万台。特斯拉CEO马斯克预计Optimus人形机器人的产量将达到数百万台，并计划以较低的价格出售，有助于进一步拓展市场需求。

镁合金有可能成为Tesla人形机器人轻量化材料的解决方案。根据光大证券测算，Optimus Gen2所使用的轻量化材料密度大约为2.76g/cm3；按照Tesla后续优化方案再减重10%作为假设计算，轻量化材料密度约为1.72g/cm3。2.76g/ cm3及1.72g/ cm3分别接近铝合金、镁合金的密度。考虑到PEEK材料相比镁合金与铝合金更加昂贵(当前PEEK材料的价格大约为镁合金/铝合金价格的十倍以上)，镁合金有可能成为Tesla轻量化材料的最终选择。

上游原材料需求：人形机器人的主要上游产业包括钕铁硼磁材、工装刀具（铜镀层丝、硬质合金）、钢材、轻量化材料（镁合金、铝合金、PEEK）。每一百万台人形机器人出货对上游原材料的需求拉动顺序为：PEEK > 镁合金 > 钕铁硼 > 铝合金 > 钢材。

轻量化材料选择：镁合金有可能成为特斯拉轻量化材料的解决方案。镁合金的密度接近Optimus Gen2所使用的轻量化材料密度，且相对于PEEK材料价格更为便宜。

就现在镁的受关注程度来看，还是非常有必要多了解它一点的。虽然今年以来镁合金与铝合金价格长期实现倒挂，那如何达到白菜价仍然是市场关注的问题，那我们先浅浅研究一下镁合金冶炼：

镁合金的冶炼成本与价格之间存在着千丝万缕的联系，而冶炼成本的降低无疑是促使镁合金价格下降的关键驱动力。 镁合金的冶炼过程涉及到多个复杂的环节，每一个环节都与成本紧密相关。

首先，在原材料的获取上，镁矿的开采、提纯以及运输等都会产生成本。如果在这些环节能够实现优化，例如采用更高效的开采技术提高镁矿的产出率，或者开发出更简便的提纯方法，那么就能在源头上降低成本。这就好比为镁合金的价格大厦打下了低成本的基石，因为原材料成本的降低可以直接反映在冶炼成本上，进而影响最终的产品价格。

从冶炼工艺本身来看，目前主流的电解法和硅热法等都有节能的空间。传统的电解法冶炼镁需要消耗大量的电能，电能成本在整个冶炼成本中占比颇高。如果能够研发出更节能的电解技术，减少电能的消耗，那么生产金属镁的过程将变得更加经济高效，同时对环境的影响也会减少。同样硅热法中燃料的使用量若能减少，也会显著降低成本。当这些技术革新使得冶炼成本下降时，镁合金的生产成本就会随之降低。

在市场竞争的环境下，企业为了占据更多的市场份额，就会有降低价格的动力，从而使镁合金的价格降低，简化冶炼流程也是降低成本的重要途径。繁琐的冶炼流程意味着更多的人力投入、设备损耗以及时间成本。若能像优化生产线一样，简化冶炼流程，减少不必要的生产环节，便可以提高生产效率。节省大量的人力和设备运行成本，这种成本的降低会传导至价格上，使镁合金的价格更具竞争力。

随着铁、铝、铜等金属矿产资源的日益枯竭，镁以其丰富的矿产资源受到了广泛关注。中国镁矿资源分布广、类型全，占世界总储量的 23. 1% ，是世界上原料占有量最大的国家，我国是镁矿资源大国，为我国镁产业发展奠定了基础。自1998年起，中国便以其皮江法工艺成为全球最大的金属镁生产国，并逐步成为世界镁工业的中心。

世界上的镁冶炼技术仍然以电解法和硅热法为主，同时在大量研究人员的努力下，开发出了海水提镁、碳热还原法等镁冶炼技术。本文将介绍以下几种冶炼工艺：

电解法即氯化镁熔融电解工艺，在电解槽内通以直流电使熔融电解质中的无水氯化镁分解制得金属镁的方法，称为电解法【张永健. 镁电解生产工艺学[M]. 长沙:中南大学出版社, 2006.】。

1865 年，德国化学家 Bunsen首先提出电解法，19 世纪末在德国试验，并不断发展完善投入商业化生产。根据原料来源和处理原料工艺的不同，电解法可分为道屋法（Dow Process）、氧化镁氯化法（I. G. Farbenindustrie Process）、蛇纹石法（Magnola Process）、光卤石法（Russian Process）、AMC 法和诺斯克法（Norsk Hydro Process）。

在1808年，英国的科学巨匠汉弗莱·戴维（Humphry Davy）首次通过钾蒸气还原镁氧化物的方法，成功制得了镁。到了1830年，另一位英国科学家迈克尔·法拉第（M. Faraday）采用电解熔融氯化镁的方法，首次获得了纯净的镁金属。德国在1886年首次将镁应用于工业生产，自此开启了镁的工业时代，距今已有127年的历史。

中国在1957年制造出了第一块镁锭，标志着中国镁工业的起步。到了1992年，中国实现了从镁金属的进口国向出口国的转变。自1998年起，中国连续15年保持着世界最大的镁出口国地位。2012年，中国的镁出口量达到了37.11万吨。自1999年起，中国的原镁产量连续14年位居世界第一，2012年的总产量高达69.83万吨，占全球总产量的81.55%。2007年起，中国又连续5年成为世界最大的镁消费国，2012年的消费量为31万吨。

在第一次世界大战爆发前，法国、德国、英国和加拿大等国家已经开始了镁的工业生产，尽管当时的年产量仅有几百吨，但这些珍贵的镁金属主要用于军事领域。

菱镁矿作为炼镁的原料，不仅可以为电解提供优质的原料，还能有效利用电解过程中产生的副产品氯气。20世纪30年代，西欧的一些国家已经开始利用希腊产的菱镁矿进行镁的生产。中国凭借丰富的菱镁矿资源，自20世纪50年代起便采用了菱镁矿炼镁法来生产金属镁。菱镁矿炼镁工艺主要包括无水氯化镁的制备和无水氯化镁的电解两大步骤，其工艺流程图如下：

电解法炼镁的原理是在高温下电解熔融的无水氯化镁,使之分解成金属镁和氯气。高温情况下水对熔盐性质的影响是致命的，因此，高纯度的无水氯化镁是电解法制镁关键所在。

此法于1925年最先在德国的法尔本工厂投入工业化生产，又称埃奇法(IG法)，一直使用很长时间。此流程的优点是流程简单，物流量少电流效率较高，电解槽寿命较长。

缺点是氯化炉生产能力低，环保条件差其技术指标为：平均电耗为18000~20000KW·h/tMg，氯气回收2.9吨/tMg，回收氯气浓度为95%。而现在挪威、俄罗斯等国多采用(由Norsk Hydro公司研制的)新式电解工艺，电耗仅为12000kW·h/tMg。[1]

以光卤石为原料，通过脱水制取无水MgC1·KC1，电解生产金属镁的方法。俄罗斯采用钾光卤石为原料炼镁，70年代使用沸腾床代替了回转窑脱水，提高了单位设备生产能力和脱水效率(90%~95%)。为除去剩余水分再经二次电炉熔融或氯化器彻底脱水。

天然光卤石按电解法炼镁工艺流程

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