我国镁资源开发利用现状及发展对策

吴晓阳

（中国中钢集团有限公司）

镁及镁合金材料与其他金属材料相比，具有资源丰富、功能特性好、力学性能佳等优势，近年来在汽车、航天、信息、国防、能源等领域的轻量化应用市场日益广阔［1］。我国对镁资源的开发和利用目前主要集中在金属镁、普通镁砂和合成镁硫肥等初级产品的生产上，深加工产品仍非常有限。在“双碳”背景下，伴随电力和环保成本的不断攀升，高污染、低自然利用率的传统原镁生产企业面临危机，迫切需要优化调整产品结构和加快技术升级改造。随着全球各国传统燃油车排放限制政策、新能源汽车轻量化政策的出台，镁合金作为最理想的轻量化金属，已经成为生产轻量化汽车零部件的主要原材料。中国拥有全世界最大的镁资源储备量和生产能力，具备扎实的技术基础，未来镁产业发展潜力巨大。高效开发利用镁资源对促进我国战略性新兴产业的发展，实现中国制造业的“减重腾飞”，具有重要的战略意义。

1 资源状况

我国镁资源储量居世界首位，镁资源矿种齐全、分布广泛，陆地镁资源蕴藏量占全球总量的50%以上［2］。

（1）菱镁矿（电解法原料）。美国地质调查局（USGS）2019 年公布的数据显示，全世界已探明的菱镁矿储量为85 亿t，资源量超过120 亿t。我国菱镁矿资源具有地理分布集中、大型矿床多等特点，产地主要分布在河北、辽宁、安徽、山东等9 个省区，总储量约36 亿t，占全世界的30%，其中储量最大、品质最优的菱镁矿在辽宁省，占全国的85%。

（2）白云石矿（皮江法原料）。我国含镁白云石矿储量同样丰富，已查明储量在40 亿t 以上，产地主要分布在辽宁、陕西、山西、宁夏、河南、青海、贵州等省份，陕西和山西两省的镁锭产量占全国总量的84%，其中陕西榆林地区是我国的原镁主产区，该地区原镁产量占全国产量的60%以上。

（3）我国盐湖镁卤水中的镁盐储量达48 亿t，其中硫酸镁储量约16 亿t、氯化镁储量约32 亿t，镁盐主产区集中在西藏北部和青海省柴达木盆地，两地合计储量占全国总量的99%。

2 镁资源开发利用现状

2.1 开发利用情况

镁是地球上资源总量最多的轻金属元素之一。作为一种新型的轻质耐腐蚀金属材料，金属镁主要应用于汽车、冶金、化工、电子行业等领域，未来市场前景广阔。镁产业链的上游主要是从菱镁矿、白云石、盐湖镁卤水等含镁资源中提炼出原镁；中游是将原镁转化成镁合金，再将镁合金通过铸造、变形等工艺加工成镁合金型材与铸件；下游产业主要是对镁合金进行深加工，通过压铸等工艺，形成能满足下游特殊性能需求的镁合金系列材料。镁产业链总体情况见图1。

从产量上看，独有的资源优势和皮江法炼镁技术在国内的推广，使中国成为世界第一大原镁生产国，原镁产量和产能均居全球第一［3］。根据美国地质调查局（USGS）公布的数据显示，2021 年全球镁锭产量约120 万t，其中中国镁锭产量达95 万t，市场份额已连续多年稳定在85%左右，2017—2021 年全球镁锭产量分布见表1。

注：2017—2021 年，中国市场份额分别为88.6%，86.3%，86.6%，90.0%，84.7%。

从市场竞争格局来看，我国原镁冶炼行业集中度不高，行业头部企业与其他中小企业之间差距较大，CR3约为14%，CR10约为32%，产量在3 万t以上的头部原镁冶炼生产企业共13 家，市场占有率达35.9%。作为全行业的龙头企业，云海金属的原镁产量2021年达10 万t，市场份额达9%。近年来，由于环保政策的不断收紧，小型镁企越来越难以达到1.5 万t的行业产能最低门槛。未来3～5 a，伴随供给侧结构性改革的深入推进和镁行业淘汰落后产能的逐步展开，行业集中度有望大幅提升。

2.2 进出口情况

中国同样是世界上最大的镁产品出口国，根据海关总署发布的统计数据，2021 年中国各类镁产品累计出口量达47.8 万t，同比增长21%［4］。其中，镁锭累计出口28.1 万t，同比增长38%；镁合金累计出口10.9 万t，同比增长1.4%；镁粉累计出口7.7 万t，同比增长11.6%；镁制品累计出口0.5 万t，同比增长4%；镁加工材累计出口0.3 万t，同比保持不变。截至2021 年底，各类镁制品累计出口总额达19.4 亿美元，与上年相比翻一番；镁产品全年平均出口单价为4 052 美元/t，同比增长65.8%，年出口单价、出口量、出口总额均创历史最高水平。2017—2021 年我国镁产品出口量及出口金额见表2。从出口省份来看，山西、浙江、江苏2021 年出口总量均在5 万t以上，位列全国前三；从出口结构来看，我国目前镁产品出口仍未能摆脱以镁锭等初级产品为主，深加工产品有限的基本结构，镁制品和镁加工材的占比只有1.63%，与以出口高附加值的深加工产品为主的发达国家相比，仍存在较大差距。

中国每年仅有少量镁锭进口，2021 年中国进口镁锭268.46 t，同比增长105%；进口金额76 万美元，同比保持不变。

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2.3 价格情况

据中国有色金属工业协会统计，2012—2020 年中国镁锭市场价格整体保持稳定，在14 000～17 500元/t 波动，2021 年国内镁锭市场价格快速上升，年平均价格为25 598 元/t，同比增长88.8%，9 月份市场价格达全年最高点64 500 元/t，创历史最高水平，价格走高主要是受国内外疫情影响，陕西省等镁资源主产地的相关企业生产及物流运输受阻，供给不足。由于国内外的需求恢复需要一定的时间，2022 年上半年镁锭市场仍存在供大于求的情况，整体呈现下滑趋势，价格回落至24 922 元/t，下半年逐渐恢复平稳，2022 年全年镁锭市场均价为30 686 元/t，同比增长19.88%。2015—2022 年我国镁锭市场价格及增速情况见表3。

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2.4 需求格局与消费量

镁合金加工、铝合金添加剂、海绵钛以及钢铁脱硫构成我国镁锭生产的下游产业链，其中镁合金加工的需求占比最大。中国镁锭下游应用需求占比情况见图2。

在资源消费方面，根据中国有色金属工业协会镁业的统计数据，自2015年以来，中国的原镁消费量连续多年保持世界第一。2015 年中国原镁消费量为36.5 万t，2021 年中国原镁消费量为44.2 万t，同比增长21%，2020 年消费量达到最高点51 万t，2015—2021年中国镁消费量及增速见表4。

2.5 技术研发现状

电解法和硅热法是最主要的2种镁冶炼方法，电解法是从尖晶石、卤水、海水中将含有氯化镁的溶液脱水或焙融成氯化镁熔体，然后进行电解；硅热法是用硅铁作为还原剂，对碳酸盐煅烧产生的氧化镁进行热还原，2 种冶炼技术的比较分析见表5［5］。皮江法是在我国镁生产企业中应用最为广泛的一种硅热法工艺，该工艺分为白云石煅烧、原料制备、还原和精炼4 个阶段，工艺流程见图3。世界上80%以上的发达国家是通过电解法来生产金属镁的，而我国主要采用硅热法。

20世纪90年代初，由于低廉的劳动力、宽松的节能环保政策，我国开始出现了皮江法镁厂的建设高潮，并在30 a的时间里得到了广泛运用与推广。皮江法的优势在于可直接利用白云石作为原料，工艺简单、设备易得、建厂投资低、生产规模灵活，在陕西、山西等白云石矿储量丰富的地区具备推广优势；但这种冶炼方法的缺点也十分显著，皮江法炼镁在生产镁的过程中会产生大量“三废”，其单位金属的温室气体排放量是钢铁行业的5倍，同时还存在能源消耗高、热利用率低、还原罐寿命短、原镁质量不稳定等问题。随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出和环保政策的不断收紧，为推动镁冶炼行业的节能减排，围绕硅热法的技术升级已有大量科研成果，目前竖罐式蓄热还原炉、竖式预热白云石、竖式冷却煅白的回转窑等新工艺取得显著进展［4］，已经在南京云海特种金属有限公司和山西五龙镁业等生产企业运用并取得了较好的效果，采用竖罐式还原技术，镁冶炼1 t 镁的综合能耗可降低至3 t 标煤以下，温室气体排放量大幅降低。

与皮江法相比，电解法具有资源节约、产品质量稳定、生产过程连续、易规模化生产等优点。菱镁矿颗粒氯化炼镁工艺、道屋化学公司的海水炼镁工艺、美国盐湖卤水炼镁工艺等是目前世界上最主要的几种电解工艺。其中，菱镁矿颗粒氯化炼镁工艺流程最简洁，但在冶炼过程中需要消耗大量的氯气，会造成空气污染，现已基本不采用。在HCL 气氛下对盐湖卤水提钾后或海水晒盐后所得的废卤，进行脱水制取金属镁是最适合我国的电解法工艺，该工艺具有环境污染小、流程简洁、生产环境好、资源消耗低等优点，工艺流程见图4。但电解法炼镁同样存在着生产成本高、建厂投资大等缺点，下游产业链用户的承受度低，每万吨产能需投资7 万元，系统复杂，生产工艺较难控制。

3 存在的问题

得益于优秀的资源禀赋和扎实的技术基础，我国镁资源的开发与利用具有一定的优势，但仍存在产业规模小，产品结构不合理、应用面窄等问题，具体如下。

（1）产业发展起步晚，基础薄弱，产品附加值低，高端设备受制于人。与发达国家相比，我国镁相关产业起步较晚，底子薄，产品结构仍未能改变以镁锭等初级产品为主，深加工产品有限的格局，产品附加值低，高品质基础材料产量低，镁资源的利用总体上处于价值链和产业链的中低端。关键生产工艺技术与国外相比差距较大，高端生产设备对外依存度高，存在“卡脖子”问题。研发所需的设备和技术也存在受制于人的现象，许多高端镁合金材料的研发面临困难，性能提升缓慢，在国际市场上竞争力低。此外，我国镁生产企业的数字化、智能化水平较低，相对于发达国家，整个行业缺乏系统而完备的标准制定、检验检测、评价等支撑体系。

（2）镁冶炼行业高污染、高耗能较为严重，皮江法炼镁仍为主流工艺。电解法炼镁目前仍难以成为我国主流的炼镁工艺，主要原因在于电解法成本高昂，吨镁投资约7 万元，是皮江法的10 倍，难以被下游市场所接受。随着近年来皮江法炼镁生产工艺和技术水平的提升，相关企业的生产清洁水平有较大提升，能耗水平显著降低，但与铜、铝、铅、锌等金属冶炼行业相比，“两高”问题仍较为严重。根据相关城市的环统数据和企业申报的排污许可资料，皮江法炼镁企业每生产1 t 镁大约需消耗标煤4.5 t、新水9 t、白云石11 t、硅铁1 t，产生约43.9 kg 烟尘、37.3 kgSO2和5 t 废渣。因此，镁冶炼在生态环境部公布的《环境保护综合名录（2017 版）》中被确定为高污染行业，在国家发改委公布的2019版《产业结构调整指导目录》中被确定为限制类行业［6］。

（3）科研体系有待健全，研发投入强度低，人才队伍建设仍需提高。以企业为主导的产业科研体系尚未健全，相关企业的研发投入强度较低，科研经费紧张，科技成果转化率低，“产学研用”合作不紧密，企业、科研院所、地方政府间的合作尚未形成体系。人才队伍建设水平有待提高，人才培育机制和人才激励政策不完善。另外，针对投资运用新技术所可能产生的风险缺乏政府保障机制，科研单位的新技术很难在企业中得到推广。

（4）镁及镁合金材料产业产能过剩的压力与风险加大，大量企业不符合准入条件。随着内需的不断回暖和“双碳”背景，新能源汽车等战略性新兴行业对轻量化金属材料的需求预期，近年来，镁及镁合金产业已成为投资热点之一，特别是2021年、2022年上半年镁价大幅上涨，催发了国内外新一轮镁冶炼投资热潮。在过去的10 a 里，我国镁产能利用率仅53%，产能过剩问题不断凸显。据不完全统计，目前国内已经获批的镁冶炼投资项目的总产能近60 万t，2021 年我国镁冶炼产能约138 万t，如不考虑政策上的引导，预计3～5 a 之后，我国镁冶炼总产能将突破230 万t，增幅超50%，镁冶炼行业的产能过剩问题将十分严峻。另一方面，行业内仍有许多小型镁企业不符合工信部《镁行业准入条件》，企业数量占27%，规模最小的企业产能仅0.2 万t/a，远低于1.5 万t/a 的行业准入标准。

（5）废镁回收利用率低，未形成体系。废镁的主要来源是报废的镁合金零部件和在生产过程中产生的废料与切屑［7］。根据国际镁协会数据，镁合金铸件在成品中的平均利用率约为50%。我国从事镁合金加工的企业受自身规模限制，加工后的废料一般不再作为高纯度镁使用，这在造成资源浪费的同时，也提高了生产成本。国外镁企业受制于行业严格的环境保护法，对废镁回收的重视程度远高于我国，在回收方法、保护方法、重熔设备等方面开展了大量科研工作，并逐渐形成了规模化的废镁回收产业，回收后的使用量已占据一定比例的下游消费市场［8］。与发达国家相比，我国仍未能形成贯穿资源开采、加工、应用，直至回收的完整镁产业链。

4 我国镁资源开发利用需求前景分析

4.1 汽车轻量化拉动镁合金材料需求

由工信部指导，中国汽车工程学会牵头编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中提出了汽车行业的未来发展路线，即近期以完善高强度钢应用体系为重点，中期以形成轻质合金应用体系为方向，远期形成多材料混合应用体系为目标，明确指出到2025年、2030年、2035年乘用车（含新能源）100 km平均油耗应分别降至4.6，3.2，2.0 L。相关研究显示，普通汽车每减重0.1 t，100 km 油耗可降低0.7 L；新能源汽车每减重0.1 t，行驶里程可增加约10%。由此可见，汽车制造材料的轻量化已成为未来提升新能源汽车续航等核心性能的关键。目前，铝合金主要应用在车身结构等主要零部件上，而镁合金主要应用在汽车壳体类与支架类等次要零部件上，包括仪表盘支架、显示屏支架等。若使用镁合金替代铝合金，车身整体质量将优化30%～40%，随着镁铝价格比的不断缩小以及镁合金加工压铸技术的提升，未来镁合金替代铝合金更广泛地运用在车身制造上已成为趋势。

我国汽车行业的轻量化水平与国际高水平相比仍存在较大差距，轻量化材料的单车使用量较低。2021年我国汽车单车用镁量不足5 kg，日本和欧洲单车用镁量分别为9.3 kg 和14 kg，与发达国家相比，我国电动乘用车质量高出10%～30%，电动商用车质量高出15%左右。《节能与新能源汽车技术路线图2.0》提出的2020年、2025年、2030年的单车用镁量具体目标分别为15，25，45 kg。如果2030 年我国汽车销量达到3 900 万辆，相应的汽车领域将需要175 万t 左右的镁资源，需求提升空间巨大。

4.2 “3C”市场应用成熟且需求稳定

由于镁合金轻量化、减震性好、散热快、电磁波屏蔽性佳等优点，在消费电子领域应用广泛，“3C”市场是镁的第二大应用市场。手机、笔记本电脑的支撑框架和背面壳体通常使用镁合金制作，以提高整个机身的轻薄程度和耐久性，中高端及专业数码单反相机的骨架一般也是由镁合金制成的，既可以保证坚固性，又可实现设备的便携性。总体来看，镁合金在“3C”领域的应用市场已趋于成熟，预计未来对镁合金的消费量维持在稳定水平。

4.3 镁建筑模板性能优异，镁代铝前景广阔

住房和城乡建设部印发的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》明确提出了“建设高品质绿色建筑，促进绿色建材推广应用”的总体规划方向，绿色、节能、可持续是未来建筑行业的发展趋势。建筑模板作为一种临时性支护结构，主要用于现浇混凝土结构施工，根据材质可分为木模板、钢模板、铝合金模板等，我国目前仍以使用木模板为主，由于木模板存在周转使用次数低、回收困难等局限性，因此在使用过程中存在资源浪费，多地政府已陆续出台政策限制木模板的使用，大力推进新型建筑材料的推广。铝合金模板因其高稳定性、高强度、绿色可回收等优势，市场份额增长迅速，截至2021 年底，全国铝合金模板市场保有量约7 950 万m2，市占率约27%，但铝合金模板存在耐酸不耐碱的缺点，铝合金模板表面易与弱碱性的混凝土产生亲和反应从而被腐蚀，影响成型混凝土的表面质量。镁建筑模板在保留了铝模板优势的基础上，存在以下优点：①密度低，轻质量。每平米镁建筑模板比铝建筑模板轻约25%，方便拆装，降低了工人建筑工作和清理建筑垃圾的难度。②耐碱。不与混凝土发生反应，清洗后可实现再利用；③回收效率高。镁合金模板可回收重新冶炼制作成镁锭或镁棒，在该过程中其物理特性不变，这是其他金属材料无法实现的。考虑到镁建筑模板的优势和加工技术路径的统一，未来实现规模化生产前景广阔。

4.4 镁基储氢，未来可期

2021年3月，国家发改委和国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》，规划明确指出氢能是我国战略性新兴产业发展的重点方向，目前已有30 个省市将氢能产业作为“十四五”战略发展规划中的培育重点。氢气由于其密度低、易爆炸的特征，存储与运输方面的困难一直是约束氢能产业快速发展的瓶颈，大力发展低廉、高效、安全的储氢材料对实现我国氢能产业的规模化发展具有决定性作用。对新型储氢材料的研究与推广对新能源汽车、风能光能产业、电力行业等领域有重要价值，对实现国家氢能战略意义重大。与金属氢化物、碳纳米管等传统固态氢材料相比，镁基储氢材料具有丰富、廉价、易得、环保等优点，是最具应用前景的固态储氢材料。国际能源协会（IEA）规定未来新型储氢材料的标准是在低于373 K 下吸氢容量大于5%。镁作为最理想的新型储氢材料之一，其吸氢容量远超标准，高达7.6%，且在储氢过程中不释放任何有害气体。我国作为全球最大的镁生产国和出口国，随着镁基储氢科研工作的不断开展，相关产业未来发展潜力巨大。

5 对策及建议

（1）完善政府支持镁产业发展的相关政策和标准，建立产业研发、生产、应用一体化平台。按照“严格准入、绿色转型”的原则，充分发挥环保政策倒逼机制，在环保督察、排污许可等新型环保制度下，督促陕西、山西、宁夏等地的传统镁冶炼企业加快绿色转型，推广竖罐冶炼技术；建议生态环保主管部门联合各有关部委制定行业环境管理指导意见，修订《镁行业规范条件》，尽快建立起完善的镁行业节能减排指标体系，加强镁冶炼投资项目的环保审查力度，提高镁冶炼企业准入门槛；加强顶层设计，以政府为导向支持建设全国性、行业性的研发、生产、应用一体化平台，建议国家层面通过工业转型升级（中国制造2025）专项资金等支持国家级轻量化材料创新中心、国家级实验室建设，支持有特色、典型产品的龙头企业加快行业关键技术攻关、成果转化及产业化推广，在投资方面给予采用新技术的生产试点企业一定的政策倾斜，例如简化审批程序、政策优惠等，降低企业的投资风险，提高企业开展创新生产的积极性。

（2）提高企业自主创新能力，构建完善的“产学研”体系。围绕产业核心技术，缩短研发和产业化应用周期，建立产业链上下游优势互补机制，增强企业自主创新能力；避免进口设备“卡脖子”的问题，在镁及镁合金材料的生产和检测中，注重对高端设备的自主研发和使用［9］；重点推进企业向智慧化、数字化生产制造转型升级，促进新一代信息技术在生产中的应用，如5G、大数据、工业互联网等；鼓励和支持企业内部相关科研成果的适应性生产，构建完善的应用研究体系和自主知识产权体系，在国内构建集设计、制备、检测、应用、评价于一体的世界高水平行业研发系统。

（3）实施创新人才发展战略，构建精尖人才体系。大力实施创新人才发展战略，加大镁及镁合金行业创新型人才的培育力度，制定科研人员激励政策，重点支持中青年创新骨干从事原创性研究，构建可持续的创新能力；制定完备的员工发展体系、薪酬体系和国内外人才交流体系，鼓励年轻团队与经验丰富的国内外专家学者进行技术交流，落实“走出去、引进来”的精尖人才引进及发展战略举措，在国外人才引进方面给予政策优惠和薪酬激励；汇聚领域内院士、科技创新领军人才等高端创新人才，加强其与生产企业之间的联系，发挥其引领作用，使创新人才与实体产业紧密结合，助力企业可持续的人才队伍建设。

（4）鼓励大型国有金属材料企业进入镁产业领域。国有企业是承担国家战略和重大任务的主要载体，是经济发展和社会发展的重要支柱，在提升镁行业整体资源配置效率和技术创新的速度方面发挥着重大作用，对行业发展至关重要。传统金属材料企业的冶炼加工工艺、技术储备、生产设备等都可以用于发展镁产业［1］。韩国浦项钢铁公司在10 a 前就已经与重庆大学在镁合金新材料加工领域开展技术上的合作与交流，已投资建设多个镁及镁合金生产企业，为中国传统金属材料企业提供了借鉴。中国宝武集团、中铝集团等大型国有企业同样具备发展镁产业的技术与人员基础，并且近年来通过资本运作等方式正在不断加大在镁产业领域的参与度，建议国家有关部门能够出台相关政策，进一步鼓励大型国有企业进入镁产业，围绕提升产业链整体竞争力开展市场化并购重组，在若干方面主导镁产业发展，改变行业“小而散”的竞争格局，提高行业集中度，打造具有国际竞争力的镁企业。

（5）扩大镁合金应用，提高废镁利用效率。考虑到镁与铝相比存在密度小、比强度大、减震性好、轻量化效果显著等优势，应大力推动镁产品逐步由装饰件、承载较低的零部件向次要部件、主承力部件拓展。其中，镁轮毂作为已经被工信部列入《重点新材料首批次应用示范指导目录》的重点产品，国内厂商正在加快其推广步伐，随着镁合金成形技术的不断升级，应尽快建立起镁合金生产企业与汽车、3C、能源、军工等下游用户的合作对接机制，推动上下游合作解决合金设计、工艺研究、设备研发等方面的行业难题，集聚资源进一步扩大镁合金应用；提高废镁利用效率，对标发达国家在回收方法、保护方法、重熔设备等方面的优秀做法，开展科研活动，促进资源开采、加工成形、应用、废料回收等环节形成完整的产业链。