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《湖南日报》勇闯禁区智取白钨——访我省获国家科技进步一等奖的科研团队
2012-02-20     作者:      来源:来源: 湖南日报 2012年02月17日第05版       浏览次数:3358

 
 
    赵中伟(中)在实验室工作。 王建国 摄
 
 

     刚刚举行的2011年度国家科技奖励大会上,由中南大学教授赵中伟领衔主持的《难冶钨资源深度开发应用关键技术》项目获得科技进步一等奖。该研究为我国钨资源使用年限由原来不足5年延长到25年以上提供了技术支撑。
    2月15日下午5时,刚刚从北京领奖归来的赵中伟教授,参加完中南大学举行的简短欢迎仪式后,顾不上休息,就和同事一起在办公室里接受了记者采访,讲述了这项历时7年完成的攻关的来龙去脉。
     8成钨难处理  钨资源显危机
    小到白炽灯丝,大到地铁施工盾构机的刀头,都离不开稀贵金属钨。作为硬质合金等的关键原料,钨在国民经济和国防建设中占有重要地位,一直被列入国家战略储备物资。
    “我国钨的储量和产量均居世界第一,湖南、江西又为最多。但是,容易处理的黑钨不到两成,几乎消耗殆尽,其余都是高杂难处理的白钨。以至于早些年学术界有个说法,钨只能用3到5年了。”赵中伟说。
    究竟有多难处理呢?赵中伟解释得非常形象:“由于成矿的原因,白钨天生多杂质,其中,同为稀有金属的钼最多。而钼和钨就像孪生兄弟,化学性质非常接近,在化学元素周期表上就是邻居。处理起来很难两全其美。有的白钨精矿中,钼为钨的10%,甚至高达钨的3倍,成了钨中有钼、钼中有钨,分不清彼此。最难的是,国内外同行早已认定并写进了教科书:用碱分解的方法只适用黑钨精矿,不适用白钨精矿。”
    当然,从经济上来说,钨钼分离得不干净也很不划算。“钨治炼中只要保留了一点钼,就不好卖了,价格至少差数千元人民币。”赵中伟说。
    面对钨资源利用的危机,开发环保、深度除杂的钨冶炼技术制备高纯度钨粉和制造高性能钨制品,改变我国高附加值产品仍需高价进口的局面,迫在眉睫。
     冲破理论禁区    模拟成矿过程
    如何处理高钼高杂钨矿呢?赵中伟教授介绍,中南大学集中优势学科冶金、材料、化学领域的专家和我国著名的钨企力量,从2001年起,在国家自然科学基金、863计划等的支持下,开始了联合攻关。
    多种方法试过后不尽如人意,项目组将目光转到了存在多年的理论禁区。碱分解法为钨冶金中分解黑钨精矿的常用方法,它具有工艺简单、分解率高等特点。但在通常条件下,由于碱与白钨矿难以反应,因此过去国内外学者都认为在工业条件下用碱法处理白钨精矿是不可能的。项目组向不可能发起了挑战,建立了复杂钨矿碱浸出过程的“赝三元系”理论,突破了碱不能分解白钨的理论禁锢,研发出基于浸出/结晶耦合机理的碱浸出技术。“就像是水熬中药一样,终于可以用碱来分解白钨精矿了。”赵中伟特意补充道,我们的老师,项目组的顾问著名钨冶金专家李洪桂教授,对研究给予了坚定的支持和指导。   
    分解完白钨精矿,如何分离钨钼这对孪生兄弟呢?项目组拓宽思路,借鉴了其他学科的研究。“既然白钨矿杂质含量高、黑钨矿杂质含量低是几百万年地球化学运动的结果,那么就倒着模拟成矿过程,顺水推舟,实现钨钼分离。”赵中伟说。最终,项目组揭示了钨钼酸盐优先沉淀顺序的调控规律,发明了高效分离宏量钨钼的技术,可使占我国钨资源40%以上的钨钼共生复杂矿得到有效利用。
    减少白钨精矿冶炼中的废水排放,也是至关重要。“以前的离子交换技术只能处理低浓度的溶液,非得稀释10多倍才能处理。项目组发明了高浓度离子交换的新技术,对浓度为传统技术下10至15倍的溶液进行直接处理,而不必再稀释,用水大幅度减少。”赵中伟说。当年为了解决这个难题,团队成员往返于湘粤之间,奔走于学校实验室和企业中试现场。“那时没开通高铁,路上比现在折腾。不记得来来回回多少次,只记得有次快过年了硬是买不到回程车票,最后是企业派车送回来的,一路上车流滚滚,走走停停。”赵中伟回忆说。
    打通产业链条      实现产品增值
    钨6成的用量是做硬质合金。有了高纯度的钨中间产品,如何造出使用寿命更长的硬质合金呢?
    项目组基于建立的硬质合金中碳、氮扩散动力学模型,通过引导和控制液相Co中的扩散和物质迁移,发明了三明治结构、表面韧性梯度结构以及特粗晶等新型结构硬质合金制备技术,开发出高性能的硬质合金钻齿和涂层刀片。新型结构钻齿的钻探性能显著高于传统硬质合金,寿命提高2倍以上。复合涂层硬质合金刀具的切削寿命达到国际龙头企业的先进水平。
    “所谓梯度硬质合金,就是外硬内韧,这样才能强而不脆寿命长。Co就像糨糊一样把碳化钨连接起来,引导和控制液相Co中的扩散和物质迁移,可以实现自主调控硬质合金组织结构。”项目组另一位主要完成人贺跃辉教授解释道。
    由于项目组发明了从钨资源利用到高端产品生产的整套关键技术,为我国钨资源使用年限由原来不足5年延长到25年以上提供了技术支撑。生产的系列高技术产品性能达到国际先进水平,解决了我国航空航天等重大工程的亟需。据悉,该项目共申请26项发明专利,其中授权21项。项目技术成功应用于我国最大的厦门钨业股份有限公司、株洲硬质合金集团有限公司等,近3年已实现新增产值118亿元、利税26亿多元。潜在经济效益更是高达4100亿元。
    “下一步,我们还要深入研究,争取做得更好。”说起打算,46岁的赵中伟教授以大实话回应。让我们静待更多的好消息!

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