勇闖禁區(qū)智取白鎢
剛剛舉行的2011年度國家科技獎勵大會上，由中南大學教授趙中偉領銜主持的《難冶鎢資源深度開發(fā)應用關鍵技術》項目獲得科技進步一等獎。該研究為我國鎢資源使用年限由原來不足5年延長到25年以上提供了技術支撐。
2月15日下午5時，剛剛從北京領獎歸來的趙中偉教授，參加完中南大學舉行的簡短歡迎儀式后，顧不上休息，就和同事一起在辦公室里接受了記者采訪，講述了這項歷時7年完成的攻關的來龍去脈。
8成鎢難處理
鎢資源顯危機
小到白熾燈絲，大到地鐵施工盾構機的刀頭，都離不開稀貴金屬鎢。作為硬質合金等的關鍵原料，鎢在國民經濟和國防建設中占有重要地位，一直被列入國家戰(zhàn)略儲備物資。
“我國鎢的儲量和產量均居世界第一，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。以至于早些年學術界有個說法，鎢只能用3到5年了。”趙中偉說。
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，其中，同為稀有金屬的鉬最多。而鉬和鎢就像孿生兄弟，化學性質非常接近，在化學元素周期表上就是鄰居。處理起來很難兩全其美。有的白鎢精礦中，鉬為鎢的10%，甚至高達鎢的3倍，成了鎢中有鉬、鉬中有鎢，分不清彼此。最難的是，國內外同行早已認定并寫進了教科書：用堿分解的方法只適用黑鎢精礦，不適用白鎢精礦。”
當然，從經濟上來說，鎢鉬分離得不干凈也很不劃算。“鎢治煉中只要保留了一點鉬，就不好賣了，價格至少差數(shù)千元人民幣。”趙中偉說。
面對鎢資源利用的危機，開發(fā)環(huán)保、深度除雜的鎢冶煉技術制備高純度鎢粉和制造高性能鎢制品，改變我國高附加值產品仍需高價進口的局面，迫在眉睫。
沖破理論禁區(qū)
模擬成礦過程
如何處理高鉬高雜鎢礦呢？趙中偉教授介紹，中南大學集中優(yōu)勢學科冶金、材料、化學領域的專家和我國著名的鎢企力量，從2001年起，在國家自然科學基金、863計劃等的支持下，開始了聯(lián)合攻關。
多種方法試過后不盡如人意，項目組將目光轉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,它具有工藝簡單、分解率高等特點。但在通常條件下，由于堿與白鎢礦難以反應,因此過去國內外學者都認為在工業(yè)條件下用堿法處理白鎢精礦是不可能的。項目組向不可能發(fā)起了挑戰(zhàn)，建立了復雜鎢礦堿浸出過程的“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/結晶耦合機理的堿浸出技術。“就像是水熬中藥一樣，終于可以用堿來分解白鎢精礦了。”趙中偉特意補充道，我們的老師，項目組的顧問著名鎢冶金專家李洪桂教授，對研究給予了堅定的支持和指導。
分解完白鎢精礦，如何分離鎢鉬這對孿生兄弟呢？項目組拓寬思路，借鑒了其他學科的研究。“既然白鎢礦雜質含量高、黑鎢礦雜質含量低是幾百萬年地球化學運動的結果，那么就倒著模擬成礦過程，順水推舟，實現(xiàn)鎢鉬分離。”趙中偉說。最終，項目組揭示了鎢鉬酸鹽優(yōu)先沉淀順序的調控規(guī)律，發(fā)明了高效分離宏量鎢鉬的技術，可使占我國鎢資源40%以上的鎢鉬共生復雜礦得到有效利用。
減少白鎢精礦冶煉中的廢水排放，也是至關重要。“以前的離子交換技術只能處理低濃度的溶液，非得稀釋10多倍才能處理。項目組發(fā)明了高濃度離子交換的新技術，對濃度為傳統(tǒng)技術下10至15倍的溶液進行直接處理，而不必再稀釋，用水大幅度減少。”趙中偉說。當年為了解決這個難題，團隊成員往返于湘粵之間，奔走于學校實驗室和企業(yè)中試現(xiàn)場。“那時沒開通高鐵，路上比現(xiàn)在折騰。不記得來來回回多少次，只記得有次快過年了硬是買不到回程車票，最后是企業(yè)派車送回來的，一路上車流滾滾，走走停停。”趙中偉回憶說。
打通產業(yè)鏈條
實現(xiàn)產品增值
鎢6成的用量是做硬質合金。有了高純度的鎢中間產品，如何造出使用壽命更長的硬質合金呢？
項目組基于建立的硬質合金中碳、氮擴散動力學模型，通過引導和控制液相Co中的擴散和物質遷移，發(fā)明了三明治結構、表面韌性梯度結構以及特粗晶等新型結構硬質合金制備技術，開發(fā)出高性能的硬質合金鉆齒和涂層刀片。新型結構鉆齒的鉆探性能顯著高于傳統(tǒng)硬質合金，壽命提高2倍以上。復合涂層硬質合金刀具的切削壽命達到國際龍頭企業(yè)的先進水平。
“所謂梯度硬質合金，就是外硬內韌，這樣才能強而不脆壽命長。Co就像糨糊一樣把碳化鎢連接起來，引導和控制液相Co中的擴散和物質遷移，可以實現(xiàn)自主調控硬質合金組織結構。”項目組另一位主要完成人賀躍輝教授解釋道。
由于項目組發(fā)明了從鎢資源利用到高端產品生產的整套關鍵技術，為我國鎢資源使用年限由原來不足5年延長到25年以上提供了技術支撐。生產的系列高技術產品性能達到國際先進水平，解決了我國航空航天等重大工程的亟需。據(jù)悉，該項目共申請26項發(fā)明專利，其中授權21項。項目技術成功應用于我國最大的廈門鎢業(yè)股份有限公司、株洲硬質合金集團有限公司等，近3年已實現(xiàn)新增產值118億元、利稅26億多元。潛在經濟效益更是高達4100億元。
“下一步，我們還要深入研究，爭取做得更好。”說起打算，46歲的趙中偉教授以大實話回應。讓我們靜待更多的好消息！
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