攻坚克难 “镁”梦成真

来源：[《中国教育报》] 发布时间：2024-08-06 13:23 浏览：

■ 团队发明的“含杂气化，梯度冷凝，吸附过滤，净密结晶”技术，不仅颠覆了硅热法不能直接制备出高纯原镁的传统认知，而且制备出了目前世界上公开报道的纯度最高的金属镁，并具备了为企业和单位稳定供货的能力

■ 团队奋战400多天，发明了“阻热梯凝，温压双控”技术，攻克了高品质镁低成本大规模生产难题，实现了3N5A级高品质镁的工业化连续、稳定生产，将企业高品质镁达标率由之前的不到1%提高到90%以上

无论从储量还是产量的角度，中国都毫无疑问是个镁产业大国。但我国镁产业又存在诸多矛盾：原镁产量世界第一，超高纯度镁却仍需花大价钱进口；在全球最大的原镁生产基地，原镁企业自动化程度低，产品杂质含量高且波动大，高端研发人才极度匮乏……

面对上述情况，西安交通大学单智伟教授团队经过8年多攻坚克难，发明低成本规模化高品质/高纯镁制备技术，制备出目前世界上公开报道的纯度最高的金属镁，建成国际领先、国内首条“1000吨/年3N5A级高品质镁示范线”，并联合车企制造出全国首辆镁合金轻量化挂车……团队先后申请和授权专利20余项，有力推动了我国原镁产业技术进步，为提升我国镁产业整体产品品质和拓宽产品应用领域提供了基础保障。“所有努力，只为推动我国镁产业不仅在数量上，更要在质量和技术上引领世界镁产业的发展。”单智伟说。

制备出世界上纯度最高的金属镁

镁是最轻质的金属结构材料之一，是制备钛、锆等国家战略金属不可或缺的还原剂，也是极富发展前景的可降解医用植入材料和储能储氢材料。2000年起，我国成为世界第一大原镁生产国和镁锭出口国。

2014年，因在单晶镁中发现金属的第三种室温变形机制，单智伟研究团队荣获美国TMS学会镁分会年度“最佳基础研究论文奖”。此前，他们已在微纳尺度材料结构与性能研究等基础研究领域取得了一系列突破性进展。

为响应西安交通大学“扎根西部，服务国家，世界一流”的号召，时任学校微纳尺度材料行为研究中心主任的单智伟，萌生了将科研成果落地转化，服务地方经济社会发展的想法。得知陕西省榆林市府谷县是全球最大的原镁生产基地，他不禁喜出望外。

然而，在府谷考察时了解到的情况却令他大跌眼镜：全县正常生产、经营的30多家原镁企业同质化严重，工作环境差、自动化程度低，产品杂质种类多、含量高且波动大，企业高端研发人才极度匮乏。

单智伟的调研报告得到陕西省委、省政府的高度重视。2015年11月，陕西省发改委批复成立陕西省镁基新材料工程研究中心，单智伟任主任，使命是解决陕西镁产业面临的难题。

从事基础研究的科研人员能解决产业问题吗？带着质疑声，单智伟带领团队走上了应用研究，乃至产业化转化的探索之路。

镁及镁合金对杂质及其组合极度敏感，其优良特性很容易被杂质掩盖。由于技术门槛相对较低、原料丰富易取等因素，世界上95%的原镁都通过硅热法生产。长期以来，人们认为硅热法因其自身固有属性，无法规模化产出性价比能为市场接受的高品质原镁，导致市场上杂质含量多、波动大的原镁长期占主导地位，进而影响、阻滞了整个镁产业链的发展。

“解决原镁品质问题是镁产业健康发展的当务之急。虽然我国原镁产量世界第一，但超高纯度镁仍需进口。当时我国一吨镁卖13000元人民币，而从国外买300毫克高纯度镁要2000美金。”单智伟决定，研发一种质优且价格能为市场广泛接受的原镁生产技术，进而提升整个产业链品质。

经过不懈探索，单智伟团队提出“基于气态原子选择性分离”的新型金属镁纯化机理，获国家自然科学基金委重点项目支持。他们发明的“含杂气化，梯度冷凝，吸附过滤，净密结晶”技术，不仅颠覆了硅热法不能直接制备出高纯原镁的传统认知，而且制备出了目前世界上公开报道的纯度最高的金属镁，并具备了为上市公司赛诺等企业和单位稳定供货的能力。单智伟也因此荣获国际镁协2021年度人物奖。

建成国内首条千吨级高品质镁示范线

如何将实验室成果顺利应用到企业？面对产业界的观望和怀疑，2019年4月，单智伟团队前往府谷京府煤化有限责任公司，开展低成本金属镁纯化技术的第一次单罐工业试验。

“开炉前，守候在还原炉旁的团队成员们内心忐忑，担心实验装置会不会严重降低镁的产量，甚至可能造成‘死罐’。”研究团队骨干成员杨博回忆道，当结晶器顺利取出，呈现在大家眼前的，不是人们固有印象中灰色甚至黑色的结晶粗镁，而是闪耀着亮丽金属光泽的结晶镁，人群中顿时爆发出一阵欢呼声。“检测结果表明，实验组的金属镁纯度远超同批次生产的对照组，铝、硅、锰杂质元素含量降低90%以上！”

试验成功了。当年10月，企业开始大批量产出3N5B纯度的原镁。

2021年9月，在府谷县委书记田小宁的支持下，单智伟团队与府谷县委县政府、府谷县泰达煤化有限责任公司共同立项“1000吨/年3N5A级高品质镁示范线建设”项目，“政、产、学、研、用”通力合作，在工业产线上攻关高品质镁低成本规模化制备难题。

由于原材料质量和工艺流程不稳定，工人操作水平参差不齐，导致产品质量每天大幅波动，不时还伴有镁燃烧、“死罐”等困扰，在这种状况下，单智伟团队奋战400多天，发明了“阻热梯凝，温压双控”技术，攻克了高品质镁低成本大规模生产难题，并利用企业现有装备建成国内首条1000吨/年3N5A级高品质镁示范线，实现了3N5A级高品质镁的工业化连续、稳定生产，将企业高品质镁达标率由之前的不到1%提高到90%以上。

2022年9月，“1000吨/年3N5A级高品质镁示范线建设”项目顺利通过验收。专家组一致认为，该项目技术达到国际领先水平，建议加快推广应用。“项目的成功，为全县金属镁产业升级发展打下良好基础。”田小宁说。

同年12月，由府谷县泰达煤化有限责任公司和陕西省镁基新材料工程研究中心共同申请的陕西省镁基新材料中试基地获准建设，成为打造金属镁行业实现科技成果工程化、产品化、产业化的重要平台。3N5A产品被陕西省工信厅认定为首批次产品，单智伟等人荣获2022年国际镁协会工艺创新奖。

2024年，单智伟团队再次与泰达煤化有限责任公司联手，以硅热还原规模化生产3N8级高纯镁为目标，进行技术升级迭代。5月底的吨级实验远超预期，通过优化设计“阻热梯凝”装置，在不影响产量、克服燃烧和“死罐”的情况下，生产出除个别元素外、直逼4N级的高纯镁。目前，相应技术正在逐量级放大验证。

今年6月，由于矿石原料不可控导致镁中杂质铝含量高、波动大，严重影响公司镁产品评级和客户供应，却又无应对之策。一车间主任突然想起单智伟团队骨干成员郑芮曾向他们分享的降低铝杂质的专利技术，抱着试试看的态度，他们主动采用团队提供的低成本滤材方案，经验证，吨级实验炉杂质铝降幅超70%。由于该滤材可就地取材，短短几天，这一除铝技术被自发推广，实现全厂万吨级的推广和应用。按计划，单智伟团队拟依托现有生产装备，在一年内建成千吨3N8高品质镁示范产线。“就目前的原镁产业而言，这是从0到1的创新。”单智伟说。

研制中国首辆镁合金轻量化挂车

榆林市是国家重要的能源基地，每年有四五亿吨煤通过公路运输从坑口运送出去。“我们算了一笔账，如果每辆卡车自身减重一吨，每年增加的利润将非常可观。而减重的关键在于核心技术创新，要攻克之前大家公认的镁合金很容易腐蚀的难点。”单智伟说。

基于团队在镁合金轻量化材料方面的研究积累和陕西汽车控股集团有限公司在新能源重卡市场领域的多年深耕，单智伟研究团队与陕汽集团质子汽车科技有限公司合作，开展轻量化挂车产品的创新性研发。

“就卡车车厢而言，镁合金是新材料，没有现成的装备、工艺和标准，有很多科研‘无人区’和科技‘空白区’，倒逼我们进行技术研发和创新。”团队成员、挂车项目技术执行负责人任凌宝说，在6省15家单位大力协作下，联合创新团队历时500余天，成功研制出我国首辆镁合金轻量化挂车。单车第一阶段可实现800公斤以上的减重效果，远期要达到1.2吨的轻量化效果。这款车型从陕西榆林到天津港运煤，经测算一年可实现5万—7万元的增收。

2023年4月23日，全国首辆镁合金轻量化挂车交付发布会在西安举行。单车镁合金用量超过800公斤，最大单体镁合金制件尺寸13米，相比原钢制方案综合减重近1吨。该项目成果的成功推广，不仅能显著提升公路货运经济效能，且有望培育千亿级轻量化专用车市场。

目前，单智伟科研团队孵化了一家注册资金3000万元的高新技术企业，积极推进科研成果转化。除府谷县泰达煤化有限责任公司外，还与府谷京府煤化有限责任公司、宁夏太阳镁业有限公司等合作进行高品质/高纯镁生产技术转化。与西北有色金属研究院生物材料研究所合作成功制备出高纯镁心血管支架，与西安稀有金属材料研究院有限公司合作研制3D打印高品质镁合金部件，与航空工业西安航空制动科技有限公司合作推进镁基新材料在航空装备领域中的工业化应用和发展等，转化应用之路越走越宽广。

“高水平科技自立自强一定是项综合性工程，仅靠科研人员很难把这事干成。”单智伟希望通过多方合力，帮助我国金属镁产业链做到“有标准、有体系、有联盟、有法治”，以需求为牵引，打造中国镁业的精品产业链，助力中国引领世界镁产业发展。