攻堅克難 “鎂”夢成真

◎走在教育強國大路上 支撐高水平科技自立自強

■團隊發(fā)明的“含雜氣化，梯度冷凝，吸附過濾，凈密結晶”技術，不僅顛覆了硅熱法不能直接制備出高純原鎂的傳統(tǒng)認知，而且制備出了目前世界上公開報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

■團隊奮戰(zhàn)400多天，發(fā)明了“阻熱梯凝，溫壓雙控”技術，攻克了高品質(zhì)鎂低成本大規(guī)模生產(chǎn)難題，實現(xiàn)了3N5A級高品質(zhì)鎂的工業(yè)化連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，將企業(yè)高品質(zhì)鎂達標率由之前的不到1%提高到90%以上

無論從儲量還是產(chǎn)量的角度，中國都毫無疑問是個鎂產(chǎn)業(yè)大國。但我國鎂產(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錢進口；在全球最大的原鎂生產(chǎn)基地，原鎂企業(yè)自動化程度低，產(chǎn)品雜質(zhì)含量高且波動大，高端研發(fā)人才極度匱乏……

面對上述情況，西安交通大學單智偉教授團隊經(jīng)過8年多攻堅克難，發(fā)明低成本規(guī)?；咂焚|(zhì)/高純鎂制備技術，制備出目前世界上公開報道的純度最高的金屬鎂，建成國際領先、國內(nèi)首條“1000噸/年3N5A級高品質(zhì)鎂示范線”，并聯(lián)合車企制造出全國首輛鎂合金輕量化掛車……團隊先后申請和授權專利20余項，有力推動了我國原鎂產(chǎn)業(yè)技術進步，為提升我國鎂產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)品品質(zhì)和拓寬產(chǎn)品應用領域提供了基礎保障?！八信Γ粸橥苿游覈V產(chǎn)業(yè)不僅在數(shù)量上，更要在質(zhì)量和技術上引領世界鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！眴沃莻フf。

制備出世界上純度最高的金屬鎂

鎂是最輕質(zhì)的金屬結構材料之一，是制備鈦、鋯等國家戰(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)用植入材料和儲能儲氫材料。2000年起，我國成為世界第一大原鎂生產(chǎn)國和鎂錠出口國。

2014年，因在單晶鎂中發(fā)現(xiàn)金屬的第三種室溫變形機制，單智偉研究團隊榮獲美國TMS學會鎂分會年度“最佳基礎研究論文獎”。此前，他們已在微納尺度材料結構與性能研究等基礎研究領域取得了一系列突破性進展。

為響應西安交通大學“扎根西部，服務國家，世界一流”的號召，時任學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，服務地方經(jīng)濟社會發(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，在府谷考察時了解到的情況卻令他大跌眼鏡：全縣正常生產(chǎn)、經(jīng)營的30多家原鎂企業(yè)同質(zhì)化嚴重，工作環(huán)境差、自動化程度低，產(chǎn)品雜質(zhì)種類多、含量高且波動大，企業(yè)高端研發(fā)人才極度匱乏。

單智偉的調(diào)研報告得到陜西省委、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。

從事基礎研究的科研人員能解決產(chǎn)業(yè)問題嗎？帶著質(zhì)疑聲，單智偉帶領團隊走上了應用研究，乃至產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的探索之路。

鎂及鎂合金對雜質(zhì)及其組合極度敏感，其優(yōu)良特性很容易被雜質(zhì)掩蓋。由于技術門檻相對較低、原料豐富易取等因素，世界上95%的原鎂都通過硅熱法生產(chǎn)。長期以來，人們認為硅熱法因其自身固有屬性，無法規(guī)?；a(chǎn)出性價比能為市場接受的高品質(zhì)原鎂，導致市場上雜質(zhì)含量多、波動大的原鎂長期占主導地位，進而影響、阻滯了整個鎂產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

“解決原鎂品質(zhì)問題是鎂產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的當務之急。雖然我國原鎂產(chǎn)量世界第一，但超高純度鎂仍需進口。當時我國一噸鎂賣13000元人民幣，而從國外買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)且價格能為市場廣泛接受的原鎂生產(chǎn)技術，進而提升整個產(chǎn)業(yè)鏈品質(zhì)。

經(jīng)過不懈探索，單智偉團隊提出“基于氣態(tài)原子選擇性分離”的新型金屬鎂純化機理，獲國家自然科學基金委重點項目支持。他們發(fā)明的“含雜氣化，梯度冷凝，吸附過濾，凈密結晶”技術，不僅顛覆了硅熱法不能直接制備出高純原鎂的傳統(tǒng)認知，而且制備出了目前世界上公開報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際鎂協(xié)2021年度人物獎。

建成國內(nèi)首條千噸級高品質(zhì)鎂示范線

如何將實驗室成果順利應用到企業(yè)？面對產(chǎn)業(yè)界的觀望和懷疑，2019年4月，單智偉團隊前往府谷京府煤化有限責任公司，開展低成本金屬鎂純化技術的第一次單罐工業(yè)試驗。

“開爐前，守候在還原爐旁的團隊成員們內(nèi)心忐忑，擔心實驗裝置會不會嚴重降低鎂的產(chǎn)量，甚至可能造成‘死罐’?！毖芯繄F隊骨干成員楊博回憶道，當結晶器順利取出，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晶粗鎂，而是閃耀著亮麗金屬光澤的結晶鎂，人群中頓時爆發(fā)出一陣歡呼聲?！皺z測結果表明，實驗組的金屬鎂純度遠超同批次生產(chǎn)的對照組，鋁、硅、錳雜質(zhì)元素含量降低90%以上！”

試驗成功了。當年10月，企業(yè)開始大批量產(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，單智偉團隊與府谷縣委縣政府、府谷縣泰達煤化有限責任公司共同立項“1000噸/年3N5A級高品質(zhì)鎂示范線建設”項目，“政、產(chǎn)、學、研、用”通力合作，在工業(yè)產(chǎn)線上攻關高品質(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，導致產(chǎn)品質(zhì)量每天大幅波動，不時還伴有鎂燃燒、“死罐”等困擾，在這種狀況下，單智偉團隊奮戰(zhàn)400多天，發(fā)明了“阻熱梯凝，溫壓雙控”技術，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)有裝備建成國內(nèi)首條1000噸/年3N5A級高品質(zhì)鎂示范線，實現(xiàn)了3N5A級高品質(zhì)鎂的工業(yè)化連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，將企業(yè)高品質(zhì)鎂達標率由之前的不到1%提高到90%以上。

2022年9月，“1000噸/年3N5A級高品質(zhì)鎂示范線建設”項目順利通過驗收。專家組一致認為，該項目技術達到國際領先水平，建議加快推廣應用?！绊椖康某晒?，為全縣金屬鎂產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展打下良好基礎。”田小寧說。

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

2024年，單智偉團隊再次與泰達煤化有限責任公司聯(lián)手，以硅熱還原規(guī)?；a(chǎn)3N8級高純鎂為目標，進行技術升級迭代。5月底的噸級實驗遠超預期，通過優(yōu)化設計“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)出除個別元素外、直逼4N級的高純鎂。目前，相應技術正在逐量級放大驗證。

今年6月，由于礦石原料不可控導致鎂中雜質(zhì)鋁含量高、波動大，嚴重影響公司鎂產(chǎn)品評級和客戶供應，卻又無應對之策。一車間主任突然想起單智偉團隊骨干成員鄭芮曾向他們分享的降低鋁雜質(zhì)的專利技術，抱著試試看的態(tài)度，他們主動采用團隊提供的低成本濾材方案，經(jīng)驗證，噸級實驗爐雜質(zhì)鋁降幅超70%。由于該濾材可就地取材，短短幾天，這一除鋁技術被自發(fā)推廣，實現(xiàn)全廠萬噸級的推廣和應用。按計劃，單智偉團隊擬依托現(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?！眴沃莻フf。

研制中國首輛鎂合金輕量化掛車

榆林市是國家重要的能源基地，每年有四五億噸煤通過公路運輸從坑口運送出去?！拔覀兯懔艘还P賬，如果每輛卡車自身減重一噸，每年增加的利潤將非?？捎^。而減重的關鍵在于核心技術創(chuàng)新，要攻克之前大家公認的鎂合金很容易腐蝕的難點?！眴沃莻フf。

基于團隊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有限公司在新能源重卡市場領域的多年深耕，單智偉研究團隊與陜汽集團質(zhì)子汽車科技有限公司合作，開展輕量化掛車產(chǎn)品的創(chuàng)新性研發(fā)。

“就卡車車廂而言，鎂合金是新材料，沒有現(xiàn)成的裝備、工藝和標準，有很多科研‘無人區(qū)’和科技‘空白區(qū)’，倒逼我們進行技術研發(fā)和創(chuàng)新。”團隊成員、掛車項目技術執(zhí)行負責人任凌寶說，在6省15家單位大力協(xié)作下，聯(lián)合創(chuàng)新團隊歷時500余天，成功研制出我國首輛鎂合金輕量化掛車。單車第一階段可實現(xiàn)800公斤以上的減重效果，遠期要達到1.2噸的輕量化效果。這款車型從陜西榆林到天津港運煤，經(jīng)測算一年可實現(xiàn)5萬—7萬元的增收。

2023年4月23日，全國首輛鎂合金輕量化掛車交付發(fā)布會在西安舉行。單車鎂合金用量超過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。該項目成果的成功推廣，不僅能顯著提升公路貨運經(jīng)濟效能，且有望培育千億級輕量化專用車市場。

目前，單智偉科研團隊孵化了一家注冊資金3000萬元的高新技術企業(yè)，積極推進科研成果轉(zhuǎn)化。除府谷縣泰達煤化有限責任公司外，還與府谷京府煤化有限責任公司、寧夏太陽鎂業(yè)有限公司等合作進行高品質(zhì)/高純鎂生產(chǎn)技術轉(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)西安航空制動科技有限公司合作推進鎂基新材料在航空裝備領域中的工業(yè)化應用和發(fā)展等，轉(zhuǎn)化應用之路越走越寬廣。

“高水平科技自立自強一定是項綜合性工程，僅靠科研人員很難把這事干成?！眴沃莻ハＭㄟ^多方合力，幫助我國金屬鎂產(chǎn)業(yè)鏈做到“有標準、有體系、有聯(lián)盟、有法治”，以需求為牽引，打造中國鎂業(yè)的精品產(chǎn)業(yè)鏈，助力中國引領世界鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

《中國教育報》2024年08月03日第1版