攻堅(jiān)克難 “鎂”夢(mèng)成真

◎走在教育強(qiáng)國(guó)大路上 支撐高水平科技自立自強(qiáng)

■團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“含雜氣化，梯度冷凝，吸附過(guò)濾，凈密結(jié)晶”技術(shù)，不僅顛覆了硅熱法不能直接制備出高純?cè)V的傳統(tǒng)認(rèn)知，而且制備出了目前世界上公開(kāi)報(bào)道的純度最高的金屬鎂，并具備了為企業(yè)和單位穩(wěn)定供貨的能力

■團(tuán)隊(duì)奮戰(zhàn)400多天，發(fā)明了“阻熱梯凝，溫壓雙控”技術(shù)，攻克了高品質(zhì)鎂低成本大規(guī)模生產(chǎn)難題，實(shí)現(xiàn)了3N5A級(jí)高品質(zhì)鎂的工業(yè)化連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，將企業(yè)高品質(zhì)鎂達(dá)標(biāo)率由之前的不到1%提高到90%以上

無(wú)論從儲(chǔ)量還是產(chǎn)量的角度，中國(guó)都毫無(wú)疑問(wèn)是個(gè)鎂產(chǎn)業(yè)大國(guó)。但我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)又存在諸多矛盾：原鎂產(chǎn)量世界第一，超高純度鎂卻仍需花大價(jià)錢進(jìn)口；在全球最大的原鎂生產(chǎn)基地，原鎂企業(yè)自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品雜質(zhì)含量高且波動(dòng)大，高端研發(fā)人才極度匱乏……

面對(duì)上述情況，西安交通大學(xué)單智偉教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)8年多攻堅(jiān)克難，發(fā)明低成本規(guī)?；咂焚|(zhì)/高純鎂制備技術(shù)，制備出目前世界上公開(kāi)報(bào)道的純度最高的金屬鎂，建成國(guó)際領(lǐng)先、國(guó)內(nèi)首條“1000噸/年3N5A級(jí)高品質(zhì)鎂示范線”，并聯(lián)合車企制造出全國(guó)首輛鎂合金輕量化掛車……團(tuán)隊(duì)先后申請(qǐng)和授權(quán)專利20余項(xiàng)，有力推動(dòng)了我國(guó)原鎂產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，為提升我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)品品質(zhì)和拓寬產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)保障?！八信?，只為推動(dòng)我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)不僅在數(shù)量上，更要在質(zhì)量和技術(shù)上引領(lǐng)世界鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”單智偉說(shuō)。

制備出世界上純度最高的金屬鎂

鎂是最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，是制備鈦、鋯等國(guó)家戰(zhàn)略金屬不可或缺的還原劑，也是極富發(fā)展前景的可降解醫(yī)用植入材料和儲(chǔ)能儲(chǔ)氫材料。2000年起，我國(guó)成為世界第一大原鎂生產(chǎn)國(guó)和鎂錠出口國(guó)。

2014年，因在單晶鎂中發(fā)現(xiàn)金屬的第三種室溫變形機(jī)制，單智偉研究團(tuán)隊(duì)榮獲美國(guó)TMS學(xué)會(huì)鎂分會(huì)年度“最佳基礎(chǔ)研究論文獎(jiǎng)”。此前，他們已在微納尺度材料結(jié)構(gòu)與性能研究等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一系列突破性進(jìn)展。

為響應(yīng)西安交通大學(xué)“扎根西部，服務(wù)國(guó)家，世界一流”的號(hào)召，時(shí)任學(xué)校微納尺度材料行為研究中心主任的單智偉，萌生了將科研成果落地轉(zhuǎn)化，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的想法。得知陜西省榆林市府谷縣是全球最大的原鎂生產(chǎn)基地，他不禁喜出望外。

然而，在府谷考察時(shí)了解到的情況卻令他大跌眼鏡：全縣正常生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)的30多家原鎂企業(yè)同質(zhì)化嚴(yán)重，工作環(huán)境差、自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品雜質(zhì)種類多、含量高且波動(dòng)大，企業(yè)高端研發(fā)人才極度匱乏。

單智偉的調(diào)研報(bào)告得到陜西省委、省政府的高度重視。2015年11月，陜西省發(fā)改委批復(fù)成立陜西省鎂基新材料工程研究中心，單智偉任主任，使命是解決陜西鎂產(chǎn)業(yè)面臨的難題。

從事基礎(chǔ)研究的科研人員能解決產(chǎn)業(yè)問(wèn)題嗎？帶著質(zhì)疑聲，單智偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)走上了應(yīng)用研究，乃至產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的探索之路。

鎂及鎂合金對(duì)雜質(zhì)及其組合極度敏感，其優(yōu)良特性很容易被雜質(zhì)掩蓋。由于技術(shù)門檻相對(duì)較低、原料豐富易取等因素，世界上95%的原鎂都通過(guò)硅熱法生產(chǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為硅熱法因其自身固有屬性，無(wú)法規(guī)?；a(chǎn)出性價(jià)比能為市場(chǎng)接受的高品質(zhì)原鎂，導(dǎo)致市場(chǎng)上雜質(zhì)含量多、波動(dòng)大的原鎂長(zhǎng)期占主導(dǎo)地位，進(jìn)而影響、阻滯了整個(gè)鎂產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

“解決原鎂品質(zhì)問(wèn)題是鎂產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。雖然我國(guó)原鎂產(chǎn)量世界第一，但超高純度鎂仍需進(jìn)口。當(dāng)時(shí)我國(guó)一噸鎂賣13000元人民幣，而從國(guó)外買300毫克高純度鎂要2000美金?！眴沃莻Q定，研發(fā)一種質(zhì)優(yōu)且價(jià)格能為市場(chǎng)廣泛接受的原鎂生產(chǎn)技術(shù)，進(jìn)而提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈品質(zhì)。

經(jīng)過(guò)不懈探索，單智偉團(tuán)隊(duì)提出“基于氣態(tài)原子選擇性分離”的新型金屬鎂純化機(jī)理，獲國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目支持。他們發(fā)明的“含雜氣化，梯度冷凝，吸附過(guò)濾，凈密結(jié)晶”技術(shù)，不僅顛覆了硅熱法不能直接制備出高純?cè)V的傳統(tǒng)認(rèn)知，而且制備出了目前世界上公開(kāi)報(bào)道的純度最高的金屬鎂，并具備了為上市公司賽諾等企業(yè)和單位穩(wěn)定供貨的能力。單智偉也因此榮獲國(guó)際鎂協(xié)2021年度人物獎(jiǎng)。

建成國(guó)內(nèi)首條千噸級(jí)高品質(zhì)鎂示范線

如何將實(shí)驗(yàn)室成果順利應(yīng)用到企業(yè)？面對(duì)產(chǎn)業(yè)界的觀望和懷疑，2019年4月，單智偉團(tuán)隊(duì)前往府谷京府煤化有限責(zé)任公司，開(kāi)展低成本金屬鎂純化技術(shù)的第一次單罐工業(yè)試驗(yàn)。

“開(kāi)爐前，守候在還原爐旁的團(tuán)隊(duì)成員們內(nèi)心忐忑，擔(dān)心實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)不會(huì)嚴(yán)重降低鎂的產(chǎn)量，甚至可能造成‘死罐’?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)骨干成員楊博回憶道，當(dāng)結(jié)晶器順利取出，呈現(xiàn)在大家眼前的，不是人們固有印象中灰色甚至黑色的結(jié)晶粗鎂，而是閃耀著亮麗金屬光澤的結(jié)晶鎂，人群中頓時(shí)爆發(fā)出一陣歡呼聲?！皺z測(cè)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組的金屬鎂純度遠(yuǎn)超同批次生產(chǎn)的對(duì)照組，鋁、硅、錳雜質(zhì)元素含量降低90%以上！”

試驗(yàn)成功了。當(dāng)年10月，企業(yè)開(kāi)始大批量產(chǎn)出3N5B純度的原鎂。

2021年9月，在府谷縣委書記田小寧的支持下，單智偉團(tuán)隊(duì)與府谷縣委縣政府、府谷縣泰達(dá)煤化有限責(zé)任公司共同立項(xiàng)“1000噸/年3N5A級(jí)高品質(zhì)鎂示范線建設(shè)”項(xiàng)目，“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”通力合作，在工業(yè)產(chǎn)線上攻關(guān)高品質(zhì)鎂低成本規(guī)?；苽潆y題。

由于原材料質(zhì)量和工藝流程不穩(wěn)定，工人操作水平參差不齊，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量每天大幅波動(dòng)，不時(shí)還伴有鎂燃燒、“死罐”等困擾，在這種狀況下，單智偉團(tuán)隊(duì)奮戰(zhàn)400多天，發(fā)明了“阻熱梯凝，溫壓雙控”技術(shù)，攻克了高品質(zhì)鎂低成本大規(guī)模生產(chǎn)難題，并利用企業(yè)現(xiàn)有裝備建成國(guó)內(nèi)首條1000噸/年3N5A級(jí)高品質(zhì)鎂示范線，實(shí)現(xiàn)了3N5A級(jí)高品質(zhì)鎂的工業(yè)化連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，將企業(yè)高品質(zhì)鎂達(dá)標(biāo)率由之前的不到1%提高到90%以上。

2022年9月，“1000噸/年3N5A級(jí)高品質(zhì)鎂示范線建設(shè)”項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收。專家組一致認(rèn)為，該項(xiàng)目技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，建議加快推廣應(yīng)用?！绊?xiàng)目的成功，為全縣金屬鎂產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展打下良好基礎(chǔ)?！碧镄幷f(shuō)。

同年12月，由府谷縣泰達(dá)煤化有限責(zé)任公司和陜西省鎂基新材料工程研究中心共同申請(qǐng)的陜西省鎂基新材料中試基地獲準(zhǔn)建設(shè)，成為打造金屬鎂行業(yè)實(shí)現(xiàn)科技成果工程化、產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化的重要平臺(tái)。3N5A產(chǎn)品被陜西省工信廳認(rèn)定為首批次產(chǎn)品，單智偉等人榮獲2022年國(guó)際鎂協(xié)會(huì)工藝創(chuàng)新獎(jiǎng)。

2024年，單智偉團(tuán)隊(duì)再次與泰達(dá)煤化有限責(zé)任公司聯(lián)手，以硅熱還原規(guī)?；a(chǎn)3N8級(jí)高純鎂為目標(biāo)，進(jìn)行技術(shù)升級(jí)迭代。5月底的噸級(jí)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)超預(yù)期，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)“阻熱梯凝”裝置，在不影響產(chǎn)量、克服燃燒和“死罐”的情況下，生產(chǎn)出除個(gè)別元素外、直逼4N級(jí)的高純鎂。目前，相應(yīng)技術(shù)正在逐量級(jí)放大驗(yàn)證。

今年6月，由于礦石原料不可控導(dǎo)致鎂中雜質(zhì)鋁含量高、波動(dòng)大，嚴(yán)重影響公司鎂產(chǎn)品評(píng)級(jí)和客戶供應(yīng)，卻又無(wú)應(yīng)對(duì)之策。一車間主任突然想起單智偉團(tuán)隊(duì)骨干成員鄭芮曾向他們分享的降低鋁雜質(zhì)的專利技術(shù)，抱著試試看的態(tài)度，他們主動(dòng)采用團(tuán)隊(duì)提供的低成本濾材方案，經(jīng)驗(yàn)證，噸級(jí)實(shí)驗(yàn)爐雜質(zhì)鋁降幅超70%。由于該濾材可就地取材，短短幾天，這一除鋁技術(shù)被自發(fā)推廣，實(shí)現(xiàn)全廠萬(wàn)噸級(jí)的推廣和應(yīng)用。按計(jì)劃，單智偉團(tuán)隊(duì)擬依托現(xiàn)有生產(chǎn)裝備，在一年內(nèi)建成千噸3N8高品質(zhì)鎂示范產(chǎn)線?！熬湍壳暗脑V產(chǎn)業(yè)而言，這是從0到1的創(chuàng)新。”單智偉說(shuō)。

研制中國(guó)首輛鎂合金輕量化掛車

榆林市是國(guó)家重要的能源基地，每年有四五億噸煤通過(guò)公路運(yùn)輸從坑口運(yùn)送出去。“我們算了一筆賬，如果每輛卡車自身減重一噸，每年增加的利潤(rùn)將非?？捎^。而減重的關(guān)鍵在于核心技術(shù)創(chuàng)新，要攻克之前大家公認(rèn)的鎂合金很容易腐蝕的難點(diǎn)?！眴沃莻フf(shuō)。

基于團(tuán)隊(duì)在鎂合金輕量化材料方面的研究積累和陜西汽車控股集團(tuán)有限公司在新能源重卡市場(chǎng)領(lǐng)域的多年深耕，單智偉研究團(tuán)隊(duì)與陜汽集團(tuán)質(zhì)子汽車科技有限公司合作，開(kāi)展輕量化掛車產(chǎn)品的創(chuàng)新性研發(fā)。

“就卡車車廂而言，鎂合金是新材料，沒(méi)有現(xiàn)成的裝備、工藝和標(biāo)準(zhǔn)，有很多科研‘無(wú)人區(qū)’和科技‘空白區(qū)’，倒逼我們進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新?！眻F(tuán)隊(duì)成員、掛車項(xiàng)目技術(shù)執(zhí)行負(fù)責(zé)人任凌寶說(shuō)，在6省15家單位大力協(xié)作下，聯(lián)合創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)歷時(shí)500余天，成功研制出我國(guó)首輛鎂合金輕量化掛車。單車第一階段可實(shí)現(xiàn)800公斤以上的減重效果，遠(yuǎn)期要達(dá)到1.2噸的輕量化效果。這款車型從陜西榆林到天津港運(yùn)煤，經(jīng)測(cè)算一年可實(shí)現(xiàn)5萬(wàn)—7萬(wàn)元的增收。

2023年4月23日，全國(guó)首輛鎂合金輕量化掛車交付發(fā)布會(huì)在西安舉行。單車鎂合金用量超過(guò)800公斤，最大單體鎂合金制件尺寸13米，相比原鋼制方案綜合減重近1噸。該項(xiàng)目成果的成功推廣，不僅能顯著提升公路貨運(yùn)經(jīng)濟(jì)效能，且有望培育千億級(jí)輕量化專用車市場(chǎng)。

目前，單智偉科研團(tuán)隊(duì)孵化了一家注冊(cè)資金3000萬(wàn)元的高新技術(shù)企業(yè)，積極推進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化。除府谷縣泰達(dá)煤化有限責(zé)任公司外，還與府谷京府煤化有限責(zé)任公司、寧夏太陽(yáng)鎂業(yè)有限公司等合作進(jìn)行高品質(zhì)/高純鎂生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)化。與西北有色金屬研究院生物材料研究所合作成功制備出高純鎂心血管支架，與西安稀有金屬材料研究院有限公司合作研制3D打印高品質(zhì)鎂合金部件，與航空工業(yè)西安航空制動(dòng)科技有限公司合作推進(jìn)鎂基新材料在航空裝備領(lǐng)域中的工業(yè)化應(yīng)用和發(fā)展等，轉(zhuǎn)化應(yīng)用之路越走越寬廣。

“高水平科技自立自強(qiáng)一定是項(xiàng)綜合性工程，僅靠科研人員很難把這事干成?！眴沃莻ハＭㄟ^(guò)多方合力，幫助我國(guó)金屬鎂產(chǎn)業(yè)鏈做到“有標(biāo)準(zhǔn)、有體系、有聯(lián)盟、有法治”，以需求為牽引，打造中國(guó)鎂業(yè)的精品產(chǎn)業(yè)鏈，助力中國(guó)引領(lǐng)世界鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

《中國(guó)教育報(bào)》2024年08月03日第1版