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中国钨加工业的现状与发展趋势
发布日期:2012-04-19   资讯来源:  作者:   字号设置:[大][中][小]
中国是一个钨的资源大国,半个多世纪以来,为世界钨工业的发展作出过重大贡献。特别是近几十年来,中国钨工业的发展已经从出口钨精矿、进口钨制品,逐步发展成钨加工制品基本满足了国内需求,并发展成多种钨制品可以大量出口的产业国。这不仅从根本上改变了中国钨工业的局面,并较成功地为中国国防工业的发展与国民经济建设作出了十分重要的贡献。在钨加工产品的多个领域无论是产能,还是产量都名列世界前茅,成为真正的世界公认的产业大国,但是在钨加工技术的某些方面与世界先进国家相比还存在一定差距,要成为真正的钨加工技术的世界强国还需努力。
1  钨制品在国家建设中的重要作用
    钨加工材包括硬质合金、钨基合金、钨丝、钨电极等,由于这些材料的生产规模和性能已达到或接近世界水平,较好地满足中国国民经济建设和国防建设的需求,为中国国民经济建设的高速发展和国防建设现代化作了重大贡献,使中国能以一种全新的姿态立足于世界之林。
1.1  钨基合金在国防和国民经济建设中的重要作用
    (1)在航天航空工业中的应用。中国20世纪60年代研制出的第一代钨基高比重合金由于性能优异,自诞生后立即在中国自行研制的第一颗人造卫星的导航仪中得到成功应用,随后这种新材料先后在我国第一枚洲际导弹及自行研制的各种新型歼击机、直升机中得到成功的应用。为满足中国通讯卫星研制的需求,又成功地研制出一种密度高达18.5g/cm3的新型钨基高比重合金。多种高性能的W-Cu合金在火箭(导弹)燃烧室、喷管、喉衬、方向舵等高温部件的研制中得到应用。
    (2)在军工工业中的应用。中国W-Ni-Fe高比重合金的研制成功,为各种穿、破甲弹的研制提供了关键材料。W-Ni-Cu高比重合金做陀螺转子材料在中国的第一艘核潜艇的研制中同样发挥了重要作用。
    (3)在核工业和民用工业中的应用。在核能工业中,用做核反应堆的隔热与防辐射材料,钨基高比重合金具有良好的应用前景。在民用工业中,钨基高密度合金得到了更广泛的应用,手机振子和高尔夫球杆上的配重便属于量大面广的产品。在电热加工中做性能优异的砧块材料使电镦粗的生产效率成百倍的提高,具有显著的经济效益。
1.2  硬质合金在国防与国民经济建设中的重要作用
    由于硬质合金的出现使切削加工速度成十倍地提高而引起机加工工业的一次革命。中国硬质合金工业的发展为中国提供了各种切削加工用刀具。使中国机加工工业得以高速发展。中国汽车2009年产能达到1300万辆,假如没有国产的足够品种与数量的硬质合金来保证,要实现这一目标将成为空谈,而石油开发中用到的大量钻具,硬质合金更具有难以取代的地位。在高速公路和铁路的建设中需用到大量的挖掘机械,这些机械中的大量耐磨损、耐冲击零部件的制造,硬质合金更可发挥其独特的功效。
    在国防建设中要用到大量高性能或特异性能的新材料,要加工成各种零部件,遇到的第一个难题是加工用刀具材料的开发,而中国自行研制的新型硬质合金便很好地解决了这类难题,为中国国防现代化作出了积极贡献。
1.3  钨加工材在国民经济建设中的作用
    第一根钨丝的出现给人类带来了光明,中国钨丝的品种与产量保证了千家万户照明用钨丝的需求,而耐震钨丝等高技术含量产品的研制成功,更改变了中国钨制品的出口结构。钨除了具有很高的耐高温性能外,更具有很强的吸收射线的功能,因此,在当今核能工业发展中钨板将发挥巨大的作用。
    综上所述,钨加工工业的发展不仅对国民经济建设有举足轻重的影响,对国防现代化建设更是具有非常重要的作用。
2  中国钨加工材的生产现状
    经过60年的飞速发展,中国钨加工材产业从无到有,从小到大,已经发展成为世界级的产业大国。
2.1  硬质合金
2.1.1  中国硬质合金的产能已居世界第一
    建国初期,我国仅在大连电冶厂有硬质合金作坊,年产几十公斤硬质合金,经过60年的顽强拼搏,中国硬质合金的生产能力有了飞速发展。近年来中国硬质合金产能在稳步上升,根据对中国48家硬质合金主要生产厂家进行的统计结果显示,中国硬质合金产能已达3000t,而中国目前拥有的硬质合金生产厂家据不完全统计约有400家,当然有相当一部分年产量较小的小厂,但总产能应该可以达到约40000 t,即中国硬质合金的产能已是世界第一。
2.1.2  中国硬质合金的产量已居世界第一
    中国硬质合金的产量到本世纪初已达到较稳定的状态,即年产量达16000 t左右,约占世界硬质合金产量的40%,但应该指出的是这些数据也是基于48个主要硬质合金生产厂家的统计, 而中国目前已拥有400余家硬质合金生产厂家,故年总产量应该是20000 t以上,所以中国已成为世界上最大的硬质合金生产国家。
2.1.3  中国硬质合金产品结构
    中国硬质合金三大产品即切削刀具、矿用硬质合金和耐磨零件用硬质合金的产量约达5000 t。这些数据说明中国硬质合金产品的结构正在趋于合理发展,能较好地满足各行各业对硬质合金产品的需求。
2.2钨基合金
    中国钨基合金发展较晚,实际上是从20世纪50年代末期才开始研发,但到20世纪末期却呈现一个高速发展的局面。
2.2.1钨基高比重合金
    中国钨基高比重合金从20世纪50年代末开始研究,在1965年研究成功第一种W-Ni—Cu高比重合金,但其产量规模一直较低。在20世纪90年代以前其产量仅约100 t/a,但进入21纪却出现了一个高速发展的局面。到2006年中国钨基高比重合金的生产厂家已发展到74家,年产量已达2770 t,到2009年产量已超过3000 t。
2.2.2钨一铜合金
    W—Cu合金是一类十分重要的电工材料,也是一类具有十分重要意义的军工材料,因此其研发备受关注。中国W—Cu合金起步于20世纪60年代,但其产量规模一直较低,由于电子、电气行业的快速发展,极大地刺激了对W—Cu合金的需求,到21世纪初期有了较快的发展。
    进入21世纪后中国W—Cu合金的产量成倍地增长,到2005年其产量超过600t,销售收入达3929万元,2008年产销超过1亿元。
2.3  钨  材
      中国钨加工材发展速度较快,灯用钨丝的产量2009年达近300亿m,居世界首位。中国钨丝材产量是继硬质合金之后第二大钨制品,其产量占整个钨制品的29%以上。
2.3.1  钨  丝
    中国粗钨丝与细钨丝的产能、产量与消费量逐年增长,从20世纪70年代中期以来,中国钨丝加工业发生了质的变化,从主要以增加产量为主的发展模式向提高技术水平和提高经济效益为目的的发展模式转变。进入21世纪后,中国粗、细钨丝的产能、产量与消费量均呈上升趋势,而且出口量也在递增。  
2.3.2  电极用钨棒材
    钨棒材的直接应用领域主要是用做钨电极材料,目前世界每年使用的钨电极的总消耗量已达1600 t,市场需求随着经济发展仍在增长。中国钨电极的年产量约占全世界钨电极产量的3/4。近年来中国钨棒材和钨电极产量以极快的速度增长,2007年达到1000 t,较1996年增长了20倍以上。
    综上所述,中国硬质合金、钨基高比重合金、钨丝和钨电极等产品的产量已占世界总产量非常高的比重,中国已成为世界钨制品生产的产业大国。
3  中国钨加工材与国外的差距
    中国钨制品的产量与产能已成为世界大国,但整体来说与世界先进水平相比尚存在一些差距,这是我们今后努力的方向。
3.1  硬质合金与国外的差距
    中国硬质合金产量大,质量也有大幅度提高,但超细和纳米结构硬质合金、超粗晶粒硬质合金、超大型硬质合金制品和深加工、高附加值硬质合金制品等与世界先进水平比尚存在较大的差距。
3.1.1  超细及纳米结构硬质合金
    中国已有多个企业可以批量制备BET粒度小于0.2μm的WC粉末,并可批量生产晶粒度为0.4μm左右的超细晶硬质合金。但国外已能工业规模生产粒径为0.2μm的超细硬质合金。表1列出了Sandvik公司PCB微钻用PN90硬质合金的性能数据。这种硬质合金的平均粒径仅为0.2μm,其抗弯强度高达4700 MPa,比中国生产的超细硬质合金高了约1000 MPa。而超细晶粒硬质合金是大量生产高附加值深加工硬质合金的必备材料。据报道,一支0.08 mm仅重5g的硬质合金微钻,市场售价高达600-700元。目前应用广泛的超细硬质合金世界产量达1.5万t,而中国年产量不到2000 t,而且质量有待提高。
 
表1 Sandvik公司PCB微钻用PN90硬质合金的性能
Co/%     密度/(g·cm-3)   HV30   HRA   抗弯强度/MPa    抗压强度/MPa  平均粒径/μm
9          14.55        1950   93.9      4700          8000          0.2
 
3.1.2超粗晶粒硬质合金
    与传统的中、粗晶粒硬质合金相比,在含钴量相同的情况下,超粗、特粗晶粒硬质合金将具有极高的热导率、较高的断裂韧性与红硬性,较好的抗热疲劳与抗热冲击性能。主要用作极端工况条件下软岩的连续开采(如采煤、地铁建设)与现代高速公路与桥梁的连续作业(如挖路、铺路),以及对韧性与抗热疲劳、抗热冲击性能要求较高的冲压模、冷镦模和轧辊等的制造。这类合金的市场需求量约占硬质合金总市场量的10%以上,具有广阔的市场前景。
    中国目前能生产的硬质合金晶粒度一般在0.4~3.5μm之间,对晶粒度在3.5μm以上的粗晶合金在合金性能与使用寿命等方面与国外相比尚有较大差距。而Sandvik公司已可生产WC晶粒度为3.5~4.8μm、5.0~7.7 μm和8.0~14μm的粗晶、超粗晶与特粗晶硬质合金。表2为Sandvik公司生产的热轧用硬质合金的性能。
 
硬质合金的性能指标
 
表2 Sandvik公司热轧用C30T与H10T
牌号  WC/%  Co/%  Ni/%  Cr/% 密度/(g·cm-3)  HRA  抗弯强度/Mpa  抗压强度/MPa  平均粒径/μm
C30T   70     13     13    2        12.7      81.5      2700          3000            5
H10T   90     10                    14.5      86.2      3100          3500            8
 
3.1.3超大型硬质合金制品
    超大型硬质合金制品的生产在中国已有很快的发展,株硬集团可以生产的辊环直径可达430 mm、  高190 mm、重达320 kg。Sandvik公司已建立了一个完整的辊环生产线,最大辊环直径可达445 mm该 公司生产的CT、CR及CG硬质合金辊环达12种。 德国赫尔特公司生产的MN及MNC硬质合金辊环系列产品多达10种。与国外相比中国在超大型硬质合金生产的差距主要体现在在线控制技术方面,由此而带来产品质量的稳定性与国外有一定的差距。
3.1.4功能梯度硬质合金
    国外已可用多种方法生产出多品种梯度硬质合金,如表面层富碳、表面层富粘结相、表面层贫粘结相、表面层贫立方相、表面层富立方相等多种梯度硬质合金。瑞典的Sandvik和日本的住友公司已能大批量稳定生产,并形成相应的商品牌号。我国虽做了不少开发研究,但与国外先进水平相比尚有差距。
3.2钨基高比重合金
    中国已是一个钨基高比重合金的生产大国,W—Ni—Cu与W-Ni-Fe两系列的合金有20多个牌号,产品整体水平已达国际先进水平。但中国的形变技术比较单一,设备条件也受到一定限制,因此中国生产的穿甲弹弹芯用钨基高比重合金的性能与国外相比还存在差距。表3列出了中国与德国生产的钨基高比重合金穿甲弹弹芯材料性能的相关数据,说明在抗拉强度与穿甲厚度等方面有较大的差距。
表3  中国和德国钨基高比重合金性能对比
生产国家     型号       抗拉强度/MPa          2000m穿四厚度/mm
中国         GW-35          1247                      600
德国         MD53          1600                      900
 
3.3  钨板材
      钨板材加工国外已形成年产1000 t以上的生产规模,奥地利、美国与日本是主要生产国,其中奥地利的P1ansee公司是世界产量最大、技术最先进的钨板生产企业,年产钨板300 t以上。该公司采用粉末冶金技术制取纯钨板。经高温轧制开坯和冷轧变形的技术已经能批量生产最小厚度为0.025mm、最大厚度为500 mm、最大长度为1500 mm的超薄、超大型钨板材,而中国只能生产最小厚度为0.2 mm、最大宽度为400 mm的钨板,即中国尚无法生产超薄、超厚的钨板。这说明在加工技术与装备等方面与国外相比尚有较大的差距。
4  中国钨加工材的发展趋势
    中国钨工业已由资源输出型发展成为钨制品应用在多个领域的产业大国,这是一个重大的飞跃。在未来10年至20年,中国钨加工工业的发展方向如何,是值得钨业领域的科学家与企业家深入思考的重大问题。笔者提出一些粗浅的看法,算是抛砖引玉,以期经过10年或者20年的努力,将中国建设成为一个钨业科技进步的世界强国。
4.1  硬质合金
4.1.1  产能与产量
    中国硬质合金的产能与产量已占世界总产能与产量相当大的比重,建议在未来5年中,中国应尽量控制硬质合金的产量,使之维持在18000-20000 t之间。继续扩大产能将造成低水平的重复建设与资源浪费。通过研发应使超细、超粗、超大型产品及技术含量高的深加工硬质合金的产量有较大幅度的提高,使这类产品的市场销售值增加30%~50%。
4.1.2研究与开发方向
    中国硬质合金制备与深加工技术经过60年的努力已有较高水平,但要赶超世界先进水平,我们还需做不少努力,特别是在以下几个方面需要投入大量的人力与财力进行研究与开发:(1)高强韧超细及纳米硬质合金制备关键技术的研究与产品研发;(2)长寿命超粗、特粗晶粒硬质合金系列产品的研究与开发;(3)功能梯度硬质合金系列产品的研究与开发;(4)硬质合金超大型制品集成制备技术的研究与开发;(5)特异成形硬质合金制品加工技术及装备的研究与开发;(6)硬质合金基础理论的研究。
    中国从事硬质合金生产与研究的中、高级科研人员,据保守的估计有近千人,这是世界上任何一个国家都无法比拟的。假如国家和企业在财力上按世界先进的水平,给予足够的资金支持,再统筹兼顾给与合理的组织,我们深信,中国在上述领域一定会有一个飞跃,逐渐成为一个硬质合金强国。
4.2  钨基合金
4.2.1  钨基合金的产能与产量
    在中国钨基合金尚有一定的发展空间,特别是民用领域中钨基合金的扩大应用还大有作为,广大农村电气化的进程必将对大量含钨的电工材料提出更高的要求。因此,建议在未来5年中钨基高比重合金的产量控制在4500 t左右,钨铜合金的产量控制在1200 t左右。应尽量加快细晶、高强度高比重合金的产业化进程,使产品牌号增加到60种以上,满足国内各行各业的需求。
4.2.2  钨基合金的研究方向
    中国钨基合金制备技术已有高速发展,但在以下几个方面还待努力:(1)超细、纳米晶高性能钨基合金制备技术的研究与开发;(2)钨基合金后处理技术的研究与开发;(3)新型钨基合金制备技术的研究与开发;(4)钨基合金基础理论的研究。
    通过上述研究,中国钨基合金的品种可有大幅增加,更重要的是中国钨基合金的综合性能在赶超世界一流的钨基合金,更加充分发挥中国钨的资源优势。
4.3  钨  材
4.3.1  钨材的产能与产量
    中国钨材在细钨丝与钨棒材的产量规模上具有一定的优势,但随着中国国民经济的持续增长与出口份额的增加,因此在未来5年中,中国细钨丝的产量维持在300亿m左右,粗钨丝维持在年产量3000 t左右,多组元复合稀土钨电极的年产量达500 t,以取代具有放射性的W—ThO2电极。而在钨板材方面应该有一个较大的发展空间,目前中国钨板材产量仅为Plansee公司的三分之一。
4.3.2  钨材的研究方向
    钨材是钨制品加工的重要发展方向之一,随着核工业的发展,对钨板材的需求会日益增加。因此中国钨材加工高技术的研发已提到战略日程上来,其主要研发方向是:(1)超薄、超宽钨板材工程化制造技术及装备的研发;(2)高性能耐震钨丝工程化制造技术的研发;(3)高性能、复合稀土钨电极材料的研发;(4)大制品钨材加工技术的研发;(5)钨基材料异形件制备技术的研发。
    通过系统的研发使我国能自行生产厚度≤0.02mm,宽度≤500 mm,长度≤1000 mm的超薄钨板及其他大型钨板材。使高性能复合稀土电极全面取代W-ThO2电极,大制品与异形制品满足国内的要求。
     综上可知,再经过10年到20年的努力,我国钨加工工业能由过去的钨资源大国发展到钨制品的产业大国,最终将发展成为钨科学技术的产业大国。
 
 
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