勇闖禁區(qū)智取白鎢
剛剛舉行的2011年度國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由中南大學(xué)教授趙中偉領(lǐng)銜主持的《難冶鎢資源深度開(kāi)發(fā)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)》項(xiàng)目獲得科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。該研究為我國(guó)鎢資源使用年限由原來(lái)不足5年延長(zhǎng)到25年以上提供了技術(shù)支撐。
2月15日下午5時(shí)，剛剛從北京領(lǐng)獎(jiǎng)歸來(lái)的趙中偉教授，參加完中南大學(xué)舉行的簡(jiǎn)短歡迎儀式后，顧不上休息，就和同事一起在辦公室里接受了記者采訪，講述了這項(xiàng)歷時(shí)7年完成的攻關(guān)的來(lái)龍去脈。
8成鎢難處理
鎢資源顯危機(jī)
小到白熾燈絲，大到地鐵施工盾構(gòu)機(jī)的刀頭，都離不開(kāi)稀貴金屬鎢。作為硬質(zhì)合金等的關(guān)鍵原料，鎢在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中占有重要地位，一直被列入國(guó)家戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備物資。
“我國(guó)鎢的儲(chǔ)量和產(chǎn)量均居世界第一，湖南、江西又為最多。但是，容易處理的黑鎢不到兩成，幾乎消耗殆盡，其余都是高雜難處理的白鎢。以至于早些年學(xué)術(shù)界有個(gè)說(shuō)法，鎢只能用3到5年了�！壁w中偉說(shuō)。
究竟有多難處理呢？趙中偉解釋得非常形象：“由于成礦的原因，白鎢天生多雜質(zhì)，其中，同為稀有金屬的鉬最多。而鉬和鎢就像孿生兄弟，化學(xué)性質(zhì)非常接近，在化學(xué)元素周期表上就是鄰居。處理起來(lái)很難兩全其美。有的白鎢精礦中，鉬為鎢的10%，甚至高達(dá)鎢的3倍，成了鎢中有鉬、鉬中有鎢，分不清彼此。最難的是，國(guó)內(nèi)外同行早已認(rèn)定并寫(xiě)進(jìn)了教科書(shū)：用堿分解的方法只適用黑鎢精礦，不適用白鎢精礦�！�
當(dāng)然，從經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)，鎢鉬分離得不干凈也很不劃算。“鎢治煉中只要保留了一點(diǎn)鉬，就不好賣(mài)了，價(jià)格至少差數(shù)千元人民幣�！壁w中偉說(shuō)。
面對(duì)鎢資源利用的危機(jī)，開(kāi)發(fā)環(huán)保、深度除雜的鎢冶煉技術(shù)制備高純度鎢粉和制造高性能鎢制品，改變我國(guó)高附加值產(chǎn)品仍需高價(jià)進(jìn)口的局面，迫在眉睫。
沖破理論禁區(qū)
模擬成礦過(guò)程
如何處理高鉬高雜鎢礦呢？趙中偉教授介紹，中南大學(xué)集中優(yōu)勢(shì)學(xué)科冶金、材料、化學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家和我國(guó)著名的鎢企力量，從2001年起，在國(guó)家自然科學(xué)基金、863計(jì)劃等的支持下，開(kāi)始了聯(lián)合攻關(guān)。
多種方法試過(guò)后不盡如人意，項(xiàng)目組將目光轉(zhuǎn)到了存在多年的理論禁區(qū)。堿分解法為鎢冶金中分解黑鎢精礦的常用方法,它具有工藝簡(jiǎn)單、分解率高等特點(diǎn)。但在通常條件下，由于堿與白鎢礦難以反應(yīng),因此過(guò)去國(guó)內(nèi)外學(xué)者都認(rèn)為在工業(yè)條件下用堿法處理白鎢精礦是不可能的。項(xiàng)目組向不可能發(fā)起了挑戰(zhàn)，建立了復(fù)雜鎢礦堿浸出過(guò)程的“贗三元系”理論，突破了堿不能分解白鎢的理論禁錮，研發(fā)出基于浸出/結(jié)晶耦合機(jī)理的堿浸出技術(shù)。“就像是水熬中藥一樣，終于可以用堿來(lái)分解白鎢精礦了。”趙中偉特意補(bǔ)充道，我們的老師，項(xiàng)目組的顧問(wèn)著名鎢冶金專(zhuān)家李洪桂教授，對(duì)研究給予了堅(jiān)定的支持和指導(dǎo)。
分解完白鎢精礦，如何分離鎢鉬這對(duì)孿生兄弟呢？項(xiàng)目組拓寬思路，借鑒了其他學(xué)科的研究�！凹热话祖u礦雜質(zhì)含量高、黑鎢礦雜質(zhì)含量低是幾百萬(wàn)年地球化學(xué)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，那么就倒著模擬成礦過(guò)程，順?biāo)浦郏瑢?shí)現(xiàn)鎢鉬分離。”趙中偉說(shuō)。最終，項(xiàng)目組揭示了鎢鉬酸鹽優(yōu)先沉淀順序的調(diào)控規(guī)律，發(fā)明了高效分離宏量鎢鉬的技術(shù)，可使占我國(guó)鎢資源40%以上的鎢鉬共生復(fù)雜礦得到有效利用。
減少白鎢精礦冶煉中的廢水排放，也是至關(guān)重要�！耙郧暗碾x子交換技術(shù)只能處理低濃度的溶液，非得稀釋10多倍才能處理。項(xiàng)目組發(fā)明了高濃度離子交換的新技術(shù)，對(duì)濃度為傳統(tǒng)技術(shù)下10至15倍的溶液進(jìn)行直接處理，而不必再稀釋?zhuān)盟蠓葴p少。”趙中偉說(shuō)。當(dāng)年為了解決這個(gè)難題，團(tuán)隊(duì)成員往返于湘粵之間，奔走于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)中試現(xiàn)場(chǎng)。“那時(shí)沒(méi)開(kāi)通高鐵，路上比現(xiàn)在折騰。不記得來(lái)來(lái)回回多少次，只記得有次快過(guò)年了硬是買(mǎi)不到回程車(chē)票，最后是企業(yè)派車(chē)送回來(lái)的，一路上車(chē)流滾滾，走走停停�！壁w中偉回憶說(shuō)。
打通產(chǎn)業(yè)鏈條
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品增值
鎢6成的用量是做硬質(zhì)合金。有了高純度的鎢中間產(chǎn)品，如何造出使用壽命更長(zhǎng)的硬質(zhì)合金呢？
項(xiàng)目組基于建立的硬質(zhì)合金中碳、氮擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)引導(dǎo)和控制液相Co中的擴(kuò)散和物質(zhì)遷移，發(fā)明了三明治結(jié)構(gòu)、表面韌性梯度結(jié)構(gòu)以及特粗晶等新型結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金制備技術(shù)，開(kāi)發(fā)出高性能的硬質(zhì)合金鉆齒和涂層刀片。新型結(jié)構(gòu)鉆齒的鉆探性能顯著高于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金，壽命提高2倍以上。復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具的切削壽命達(dá)到國(guó)際龍頭企業(yè)的先進(jìn)水平。
“所謂梯度硬質(zhì)合金，就是外硬內(nèi)韌，這樣才能強(qiáng)而不脆壽命長(zhǎng)。Co就像糨糊一樣把碳化鎢連接起來(lái)，引導(dǎo)和控制液相Co中的擴(kuò)散和物質(zhì)遷移，可以實(shí)現(xiàn)自主調(diào)控硬質(zhì)合金組織結(jié)構(gòu)。”項(xiàng)目組另一位主要完成人賀躍輝教授解釋道。
由于項(xiàng)目組發(fā)明了從鎢資源利用到高端產(chǎn)品生產(chǎn)的整套關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)鎢資源使用年限由原來(lái)不足5年延長(zhǎng)到25年以上提供了技術(shù)支撐。生產(chǎn)的系列高技術(shù)產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，解決了我國(guó)航空航天等重大工程的亟需。據(jù)悉，該項(xiàng)目共申請(qǐng)26項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，其中授權(quán)21項(xiàng)。項(xiàng)目技術(shù)成功應(yīng)用于我國(guó)最大的廈門(mén)鎢業(yè)股份有限公司、株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司等，近3年已實(shí)現(xiàn)新增產(chǎn)值118億元、利稅26億多元。潛在經(jīng)濟(jì)效益更是高達(dá)4100億元。
“下一步，我們還要深入研究，爭(zhēng)取做得更好�！闭f(shuō)起打算，46歲的趙中偉教授以大實(shí)話(huà)回應(yīng)。讓我們靜待更多的好消息！
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