1903年夏,大清最高统治者慈禧太后接见了留法归来的皇族子弟裕勋龄。裕勋龄带回不少西洋的高科技产品,其中包括一套先进的摄像设备。听说这东西拍出的照片比绘画效果更逼真时,慈禧忍不住想试试。
“呯!”裕勋龄动手指按下按钮,伴随着耀眼的白光,发出一声巨响。慈禧太后吓得打颤,连声高呼“此必洋人妖术,摄哀家魂魄!”裕勋龄忙上前奏道:“太后宽心,这并不是妖术。”不到一盏茶功夫,慈禧太后的黑白肖像照冲洗出来了。她看到照片后,惊叹不已,从此喜欢上拍照。
摄影发烧友都知道,耀眼白光拜镁光灯所赐,是镁粉与氢酸钾混合燃烧发出的。惊吓慈禧太后的镁光灯是什么东西?除了镁光灯外,金属镁还有什么用途?科学家们是怎样发现镁元素的呢?……这些问题的答案的源头,在250多年前的英国。
镁的发现
1755年,英国的Joseph Black在爱丁堡确认镁是一种元素,镁元素由此问世。1792年,Anton Rupprecht首次通过加热苦土和木炭的混合物制取出不纯净的镁金属。1808年5月,英国化学家Sir Humphry Davy电解汞和氧化镁的混合物,得到镁汞齐,将镁汞齐中的汞蒸馏后,就得到了银白色的金属镁。1831年,法国科学家Antoine-Alexandre-Brutus Bussy使用氯化镁和钾反应制取了相当大量的金属镁。
镁金属最先受到摄影师的青睐。原来,由于科学技术有限,早期的摄影师们一直为拍摄暗处的物体而头痛,因为运用自然曝光生成较暗物体的照片一般要30分钟以上。虽然后来科学家们把多种光源运用到摄影机中,还发明了氢氧焰燃烧制成的闪光灯,但拍摄较暗物体曝光也要5分钟,摄影技术提升一直没有实质性突破。
1859年,科学家依据“镁粉燃烧发出耀眼的白光”的原理,用燃烧的镁粉代替其它光源做成镁光灯。为了加快燃烧速度,科学家在镁粉里掺入强氧化剂氯酸钾,终于有效解决了拍摄较暗物体的问题。这种情况一直持续了100年。20世纪60年代氩光灯出现,镁光灯才淡出历史舞台。
于是这才有了前文慈禧太后拍照时被镁光灯惊吓的一幕。
镁的用途超想象
从人类早期的原始工具到第一次尝试飞行,人们就一直在寻找又轻又强壮的材料。尤其是在汽车、飞机等产品的设计中,考虑到安全和可靠性的需求,金属材料无疑是公认的首选,但钢铁的重量无疑让设计人员倍感苦恼,那么,有没有一种金属可以满足人们对轻量化设计的需求呢?镁(合金)就是最佳的选择。
镁是一种轻质有延展性的银白色金属的合金,可分为铸造镁合金及变形镁合金。镁合金主要用途在汽车行业(75%)、3C行业(15%)、航空航天及其它(10%)。镁合金的主要优点包括:重量轻、吸震性能高、压铸性能好、良好的切削性能、可回收再用、高散热性、高电磁干扰屏障。主要缺点包括:镁合金是以镁为基加入其他元素组成,成本高、易燃、室温塑形差,易断裂,耐蚀性差。
镁产业链
原镁的工业化生产主要是电解法和热还原法。皮江法是加拿大科学家皮江发明的硅热还原炼镁工艺。该工艺将煅烧后的白云石和硅铁和少量萤石按一定比例磨细,压成团状,在真空还原炉中还原制得金属镁。我国近95%的原镁是由皮江法生产的。皮江法制镁的最大问题是环境污染严重和能量消耗巨大。目前采用硅热法制镁的能耗在4500(千克标煤/吨),到十三五末要降到3500(千克标煤/吨)。
镁的市场规模
一、原镁市场规模
2016年中国共产原镁82.92万吨,其中:出口40万吨,进口0.1万吨,自用39.3万吨。主要产地:陕西地区生产42.26万吨,同比增加24.27%;山西地区生产13.10万吨,同比减少26.56%;宁夏地区生产13.36万吨,同比增加12.63%。
2017年中国共产原镁102.2万吨,主要产地:陕西地区生产47.88万吨,同比增加2.6%;山西地区生产14.36万吨,同比增加2.27%;宁夏地区生产16.83万吨,同比增加18.05%;新疆地区生产5.55万吨,同比增加18.53%;河南地区生产15.95万吨,同比增加5.99%。
2018年原镁实际产量约为78.65万吨,其中宁夏、陕西、内蒙古、新疆、山西实际产量分别约为2.235万吨、52.79万吨、3.74万吨、4.13万吨与15.75万吨,占总产量的2.84%、67.12%、4.76%、5.26%和20.02%。
根据十三五规划,中国原镁产能在2020年约在130万吨。
二、镁合金市场规模
截止目前,全球镁合金产量和消费量均已超过40万吨,中国 2016年镁合金产量达到28万吨左右,其中云海金属的产量达到12万吨,超过总量的 40%。横向比较,前五大企业的产量占据总量的80%以上,而云海的产量几乎等于2-4位的企业总和,行业集中度很高。
研发领域
一、原镁冶炼
开发新的高洁净、高均匀性镁冶炼和凝固技术,降低原镁生产能耗,实现规模绿色化生产,目前原镁冶炼大多采用皮江法,直接燃煤方式使得生产能耗高,目前行业先进水平每吨镁消耗4吨标准煤,根据国家“有色十三五规划”到十三五末期要达到3.5吨标准煤,较十二五末节能20%,减排70%。
二、镁合金及深加工
开发高性能铸造镁合金,高强、高韧变形镁合金,耐热、耐腐蚀镁合金制备金属。
深加工领域重点:航空航天用高强镁合金大尺寸复杂铸造件、高强耐热镁合金大规格挤压型材/锻件,3C产品用镁合金精密压铸件,大卷重低成本高成型性镁合金板带材,汽车轻量化结构件用镁合金精密压铸件等。
主要研发机构
国家镁合金材料工程技术研究中心
1、铝合金基础应用及新材料
2、镁合金熔炼及铸造成型技术
3、镁合金塑性成形及版合金加工技术
4、镁合金产品应用技术
镁合金设备专用技术
中科院金属研究所
镁合金的冶炼和铸造技术,高温变形行为、强化机理和高速变形机理和温热塑性成形原理。已研制出Mg-Li 合金棒料、2mm 薄板材、镁合金汽车轮毂,以及强度超过450MPa 的高强度变形镁合金等产品。
中科院沈阳分院-金属研究所
设有镁合金腐蚀防护及表面处理研究课题组和镁基轻质材料及其应用创新团队主要研究方向有镁合金的腐蚀防护研究、镁合金无铬转化膜技术、镁合金自封孔微弧氧化技术、镁合金多功能化学镀镍技术。
北京有色金属研究总院
开发建成了铸造镁牺牲阳极生产线、挤压阳极生产线、高纯变形镁合金材料制备中试线。
上海镁材料及应用工程技术研究中心
先进镁材料与成型、能源镁合金设计与制备、生物医用镁合金等研究方向,对镁合金及其制备技术开展研发。
洛阳特种材料研究院
研发方向主要包括:特种镁及其合金材料、特种铝及其合金材料、特种钛及其合金材料、特种纤维复合材料、特种装备研发和特种结构力学分析。
上海交通
大学
拥有轻合金精密成型国家工程研究中心,开展了先进铸造铝合金、镁合金与液态成型、塑性成型与控制、材料能量场制备、腐蚀与防护技术、镁基生物材料、镁基能源材料等方面的研究。
东北大学
拥有材料电磁过程教育部重点实验室和轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,也是我国最早设立铝镁轻金属冶金专业的高等学校,有一大批专门从事轻合金电磁冶金与提取冶金的研究人员;开发了镁合金低温连铸和镁合金低频电磁连铸新技术。
中南大学
研究所拥有完整的镁合金挤压和轧制生产线,目前已成为海装和航天某部特种镁合金板材的定点生产单位,自行研制的快速凝固喷射沉积装备,可实现自动化全密封喷射沉积制备非平衡凝固材料;自行研制的ф400×500mm电磁场铸轧机组,可进行常规电磁场铸轧和超薄快速电磁场铸轧的系列实验,能为镁合金薄带凝固-变形一体化的研究提供较好的实验平台。