l世纪冶金物理化学发展战略的些思路和方向.pdf

第1 8 卷专辑中国稀土学报2 0 0 0 年9 月 型：! ! ! 罂：! 竺! ! Q 旦曼坠兰竺翌! 兰磐翌墅兰坠塑坠型! 箜望型! 罂：型坠 2 l 世纪冶金物理化学发展战略的一些思路和方向 杜挺 ( 钢铁研究总院，北京10 0 0 8 1 ) 暮车文结奇闻际科技发展用家经济町持续控展冶金千J 业发展、赍潭练台利用、材料、能源、环保等顿域发展方向出发提出 冶盘韵理化学发展穗咯的一些思路井从I - 提出桕戈的交叉的学科分支和力向。 关t 嗣t 冶盘物理化学2 l 世纪，发晨战略，思麝方向 天体宇宙、自然界、生物界、人类、社会、经济建设、科学技术等都是统一的，互相联系，又互相 制约的大小不等的系统。为了学科研究方便，才把科学分成自然科学、社会科学自然科学又分成一百多 个一级学科、近干个二级学科和几千个分支学科，而冶金物理化学只是其中冶金一级学科中的二级学科之 一。从发展战略考虑就需要具有整体、系统、集成和交叉、国家经济建设和社会发展需要、学科带任务 和任务促学科、相关学科互相促进、专家学者要有广博知识以及基础研究争第一等思路：同时要具有抓方 向、抓关键、抓核心、抓生长点、抓创新、抓机遇、抓应用、抓产业化、抓效益的策略与方法。因而冶金 物理化学的发展战略必须尽可能在结合有关思路中丰富发展本学科及其关键技术。现将主要思路从下列1 0 个方面出发来考虑。 1 思路 结合国际科技发展的重点方向： 结台国家经济可持续发展的重大方向； 结合人类生存发展有重要价值的方向； 结合冶金行业发展的关键方向： 结合相关学科如材料、环保和能源领域的重点方向： 结合国家富有的复合矿、如稀土资源有效结合利用方向： 结合冶金物理化学学科中的生长点： 基础研究要争世界第一： 方法上要善于利用国内外一切有用成果，应用解析、集成的辩证方法，特别是利用数据库和现 有资料搞好计算机模拟、仿真和优化设计： 各人依据自身和单位优势，选好每个时期的主攻方向。 一 2 方向、领域和关键技术 五l2 1 世纪曩际科技发展的重点方向和关技术l m 生命科学和生物技术：含基因工程基础、细胞工程、酶工程、转基因动植物、克隆技术、发酵 工程、生物医学工程、生物新药、生物反应器、基因诊断与治疗等。 信息和通信：含软件、微电子学和光电子学、高性能计算机、通信网络、数据通信、光纤通信、 多媒体、数字式移动通信、卫星通信、传感器和信号处理、计算机仿真和建模等。 材料：含信息功能材料、高性能金属和合金材料、复合材料、生物材料、陶瓷、能源材料、环 保材料、纳米材料、智能材料、优化设计合成和加工。 能源和环保：含煤、气等燃烧净化技术、核能利用、太阳能利用、节能、消除煤在地下深层自 燃消耗、其它新能源( 地热、光、电、风、微波等) 、生态环境污染的消除、治理、三废处理和回收利用、 作青简介：杜挺( 1 蛇7 一) 男博士，教授缎高工博十生导师 8中国稀土学报1 8 卷 噪声控制等。 光机电一体化和制造技术：含计算机模拟和集成制造、智能控制和特种加工、微米级和毫微米 级制造、激光、传感器、机器人、精密加工及成型、自动化、检测监控、系统管理等。 2 22 1 世纪田家经曾阿持续发展的重大方向 科教兴国，以人为本，重视高级人才的培养和人的素质提高。 保护和利用好现有的资源、能源开发新资源、新能源，注意资源的循环再生利用。 农业、工业、国防要现代化，发展高科技产业，农产品争取工业化。 生态环境保护好。 善于利用国际一切有利条件。 西部大开发和东西互相台作促进协调发展。 2 3 2 l 世纪冶垒行业发展的关健方向”。J 钢铁工业制造流程的优化； 有色金属生产流程的优化； 保护冶金工业生态环境，把冶金企业建成消除污染的绿色工厂： 不断提高冶金产品的质量、增加名牌品种，不断降低钢综合能耗，提高连铸比，降低铁铜比 不断提高冶金工厂的劳动生产率，提高国际竞争力，增加附加产值高的产品出口。 持续研制超级钢、超级金属和超级合金，满足国家经济建设，国防建设和高科技不断提高性能 和使用寿命的要求。 熔融还原炼铁新流程的研究开发目标是钢铁工业制造流程的优化，它能解决当今钢铁工业发展面临 的焦煤匮乏和环境污染两大难题，并能省略炼焦和烧结工序，缩短工艺流程，具有降低基建投资和生产成 本，增强生产灵活性，提高铁水质量等优点。近3 0 年来主要发达国家研究开发的该流程有2 0 多种，对目 前有开发应用意义的流程的评价和预测： C 0 m 法已有1 9 8 9 年第一套年产3 0 万吨厂在南非钢铁公司投产，韩国于1 9 9 5 年底有7 0 万吨装置 投产，国际上另有5 套正筹建中，总生产能力约5 0 0 万吨。奥钢联正在设计c 3 0 0 0 ，年产1 l o 万吨。增 加了废气用于生产海绵铁和终还原炉中喷吹部分矿粉韵装置，2 l 世纪内具有市场竞争力。 日本的D I o s 法和澳大利亚的碰s m e l t 法的特点是低预还原度和高二次燃烧率。流化床还原粉矿工艺 较复杂，预还原度又少，终还原负担重，温度高，氧化度高，渣线耐材侵蚀严重，工艺难度大，工业试验 经济技术指标不如c o R E x 法，尚未产业化。 原苏联的P 1 v 法是无预还原，只有高二次燃烧率的铁浴一步法，优点是装置较简单，有水冷炉壁， 但能耗高，废气未有效利用，缺少竞争力，目前用于有价废料的回收利用。 美国的 J S I 法无明显优点，开发进展缓慢。 日本神户法在环形转底炉内预还原高含碳球团获很高预还原度的金属化球团，然后在较高二次燃 烧率的铁浴中终还原己进行半工业试验经济技术指标相当好，将有应用价值和应用前景。 中国法( C o S R I 法) 采用咀含碳球团为原料的具有自己特点的低二次燃烧率、中等预还原度两步法 熔融还原技术路线，已在承德每小时2 - 4 吨产铁能力的半工业试验装置中，已基本达到预定的技术指标， 并超额完成了攀登计划所规定的内容，标志着我国的开发已实现从基础理论研究向工程化研究的转移，形 成了有特色的工艺流程，专家们建议将此项开发列入“十五”科技发展规划的工业试验及其应用项目中。 研制新一代超级钢有萤大意义。日本1 9 9 7 年已提出了研制计划，我国于1 9 9 8 年也已列入国家攀登 计划中，要求超级钢具有高洁净度。超细晶粒和高均匀度，目标是使现有的碳素结构钢、低合金结构钢为 代表的屈服强度分别从2 0 0 M P a 、4 0 0 M P a 提高到加0 M P a 和8 0 0 M P a ，使合金结构钢为代表的抗拉强度从 踟0 御a 提高到1 5 0 0 P a ，它们的使用寿命提高一倍左右。从2 l 世纪看需要不断研制可靠性更高、单 位消耗量更低、使用寿命更长、价格、成本比更低，便于回收利用和环境协调相容的钢材。 2 2 l 世纪材辩凌晨的方向和颁域叫 2 4 1 材料的发展方向可以概括为： 高性能化：主要提高强度、塑性、韧性等力学性能使结构材料开发方向从“重、厚、长、大” f f i ， 、 f ， ， ； ，、lqiii：p、k；。H 专辑杜挺等2 l1 廿= 纪冶金物理化学发展战略的一些思路和方向 9 型向“轻、薄、短、小”型转变能降低成本提高市场竞争力。 高功能化：利用材料具有的特殊的热、声、电、光、辐射等物理性能使应用性能有发展的材料 称功能材料，如形状记忆、信息存储、光电转换、敏感、磁致伸缩、阻尼减震等材料。 仿生化：通过研究生物体的物质结构及其功能掌握一种制造新材料的思路和途径加以模仿。 智能化：它是模仿生命系统，对外界环境变化因素产生感知，自动作出适时、灵敏和恰当的响 应。并具有自论断、自调整、自修复和预报寿命等功能，如形状记忆合金、光导纤维、磁致伸缩材料等。 复合化：把金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类材料之间优化选取二种或三种 材料优势互补相结合，使单一材料纵向发展的传统局面被复合横向发展所取代。 轻量化：研究采用高比强度、商比钢度的轻合金、工程塑料、陶瓷材料和各种先进的复合材料 来代替常用的钢铁结构材料是一个发展趋势。 纤维化：纤维材料包括超细粉( 零维) 、纤维( 一维) 、薄膜( 二维) 等新材料。由于存在尺寸 效应和量子效应导致电、磁、热、光学性质的奇异变化。超细粉在1 0 0 纳米以下，可用作高效催化剂、磁 记录、传感器、臆形、助焊、烧结助剂等材料：一维材料有很多种纤维和晶须；薄膜是从几纳米到几十微 米的特殊形态和特殊功能，有利于薄、轻和集成，如光学、集成电路、传感元件、磁盘、光盘、太阳能利 用、高温超导、金剧石薄膜等，已广泛用于微电子为中心的工程技术领域。 极限化：指超高温、超低温、超高压、超高真空、超导、超高速、超强磁场、强辐射、超纯、 超净、超硬、徽重力和无重力等。在极限条件下，物质结构往往会发生巨大变化而出现新的使用性能。 设计优化：掌握了材料的成分、合成与加工、结构、性能和使用效能之间的变化规律，能利用 物理、化学、计算机技术的最新成果，从原子、分子结构理论来预测材料的性能，改变过去靠经验的“配 方炒菜“的传统方法，实现按性能利用计算机在原子、分子尺度上优化设计开发新材料。 综合化：材料科学已从微观、介观到宏观、交叉和综合化方向发展，如梯度功能材料既可用作 热压力缓和用途的结构材料，又可用作电、磁、声、光、核和生物等多种功能在内的新型功能材料，并从 无机发展到有机材料范畴。 2 4 2 材料发展的重点领域 信息功能材料：研究开发括跃，包含 集成电路材料在2 l 世纪仍将占主导地位，硅单晶直径要求越来越大。 记录材料：有磁、磁光、光记录材料磁记录已广泛应用，但磁光存储与光存储发展很快将占主导。 敏感材料与敏感元件。 光导纤维。 结构新材料：追求高性能化，如飞机性能的影响因素中，材料比例占2 ，3 左右。地面运输工具要 求高比强度、高比羁q 度，如汽车每减重1 0 0 公斤，每升油可多行O 5 公里。 金属材料：很多情况下的耐高温、比强度、比刚度都不占优势，但具备成本，价格比低、工艺成熟、 性能可靠稳定因而2 l 世纪仍是广泛应用的结构材料。 工程陶瓷：韧性已达到工程台金的水平，已有不少应用但临界裂纹短，尚特解决。 工程塑料。 复合材料：有树脂复合材料；金属基复合材料：陶瓷基复合材料：碳，碳复合材料和表面涂层与 表面改性等。 生物材料；最有发展前景，如生物医用材料；仿生材料中初见成效的有蜘蛛丝、动物骨、珍珠 壳、皮肤、竹子等：生物体系模拟材料；生物工程在生产上应用。如利用细胞和酶作为生物催化荆促进生 物反应。 生物材料中最有重大作用与价值的是发明高效实现光合作用的新材料。光合作用是地球上最大规模 最有效利用太阳能，没有光合作用就没有人类社会的生存和持续发展，它与人类生存和发展必要的条件： 太阳等能源、资源、土地、水等有同样重大意义。光合作用与当今人类面临的粮食、能源、资源和环境问 题息息相关。有特揭示光合作用的核心问题是它的高效吸能、传能和转化能的分子机理及其调控原理。 能源材料：有新能源材料，如受控热核聚变堆：快中子增殖堆；太阳能利用；燃煤磁流体发电： 1 0中国稀土学报1 8 卷 风能、地热、海水温差能源等。关于太阳能利用中的关键是提高光电转换材料的效率，目前多晶硅光电能 转换效率为1 7 7 ，非晶硅1 2 7 ( 理论为2 4 ) ，单晶硅2 3 1 砷化镓2 8 7 。现在最关心的是太阳能 的电价，目前先进的己达每度5 0 美分，进一步降到2 5 一加美分，将得到大量应用。 节能材料有超导材料、保温材料、建筑材料、金属玻璃材料、高性能磁性材料。其中超导材料已有 拉出5 0 米长的铋系材料，可用于电力电缆、大型工业电动机、发电机，今后1 0 年内可以工业化。 贮能材料与燃料电池燃料电池的氢与大气中的氧发生化学反应生成电能和水没有污染，所以是2 l 世纪的清洁能源在军事、航天中已应用，现开发民用，将有广泛应用前景。最近美国报道：还在开发比 镶氢电池更优越的燃料电池。 环境材料：目的是减小污染，节约资源和能源并易回收和再生利用。目前采用寿命循环分析 评价环境材料对环境的影响，量化为“环境指数”作为改进生产和合理利用的依据。 智能材料I I | l ：需要与信号处理、驱动及机械操纵机构等组合一起，并用光纤相连组成智能系 统，如超磁致伸缩材料，土建中防地震材料。 纳米材料：将是2 l 世纪的基础电子材料，是未来信息技术的希望所在。可以操纵原子按其逐个 排列制成各种材料如碳纳米管有优异特性：密度只有钢的1 ，6 而强度是钢的百倍。 铀、钚核材料1 7 l 。 材料芯片：新材料发现与优化的集成组合方法，此法运用掩膜组合技术和薄膜合成技术将千种 万种不同化学组分的材料并行集成在一块基底上，就形成了芯片。它是1 9 9 5 年美国劳伦斯柏克利国家 实验室的项烧东和rS c h u k 发明的方法，它比传统法快百、千倍以上的速度合成、处理和检验上万种 不同材料的样品库，从中发现和优化有应用价值的新材料，美国“科学”杂志把它列为1 9 年十大科技 进步之一，它已用于优化高温超导、巨磁阻、发热、铁电薄膜、催化剂、电子材料、聚合物、药品等材料。 2 5 2 l 世娥田产的稀土赉溺综台利用的发晨方向和领域卟I l “I 】 幻1 稀永磁材料分三类：融 C o ( 1 5 型) 和( 2 1 7 型) ；R E F e B 系：砌 F c - N 或R E B e - c 系。 2 5 2 稀磁光材料已有稀土石榴石( 用协i ) 毋5 0 2 ，( T n 国i ) j ( F e G a ) 如1 2 等多种，其单晶薄 膜 2 5 0 u m 。 2 5 3 稀土发光材料早已应用成功的有稀土硫氧化物R E ，嘎s ( R B _ Y 、L a 、E u 、G d 、1 b 、L u ) ；彩 色显像管( Y 2 0 疆：E u ) 磷光体：蓝色发光体：有盈l S ：A g 等：绿色：( z n ，C d ) s ：c u L A l 5 0 】2 ：T b ，G d 2 0 2 s ：T b 等，红色有Y 2 0 2 s ：E u ，Y 2 q ：勘等。 2 5 4 稀土激光材料固体激光材料有石榴石型如Y A G ：N d “( w 婚是R E 3 A J ；0 1 2 的简称) ：掺钕铝酸 钇心：N d “；氟化锂钇( Y 1 J ) 等。液体激光材料有稀土螯合物液体激光材料：稀土无机液体激光材料 如P o a ，- z n a r N d ( c o o C B ) l ，眦l r S I 妇N p 等。稀土气体激光材料有稀土金属蒸汽激光材料，如鼬呐， E 1 固，E I l ( 1 I ) T f n ( D ，n ( D Y b ( I I ) ( I ) 指中性( I I ) 指一次电离的；稀土分子蒸汽激光材料如N d a r A l a ， 等。 2 5 5 稀土玻璃陶瓷材料包含： 稀土氧化物与工程陶瓷：工程陶瓷含氮陶瓷、氧化锆等多种陶瓷。 稀土氧化物与功能陶瓷：功能陶瓷含压电陶脊、电光陶瓷、半导体钛酸盐陶瓷、电容器陶瓷等多种 陶瓷。 稀土光学玻璃己有3 0 0 多种 稀土玻璃光纤有很多 其它稀土新型玻璃有很多种 2 5 6 贮氢材料 年代荷兰飞利浦公司发现L a N b 合金，其合金氢化物( 姚战) 中的密度与渡氢相当，约为氢气 密度的l O 倍。每公斤合金可贮1 6 0 L 的氢气，相当于1 5 M P a 高压瓶中贮氢气但体积可缩小到l ，4 ， 并可在l M P a 下贮存不加热不会放H 2 ，安全可靠。用4 胁公斤L 蒯i 5 合金的氢汽车，H 2 量为釉N d 相 当2 3 L 汽油，已投入实际应用。研制的其它台金有甄F c 系、M g N i 系、M n N I 系、M m N j M n 系等。 高性能充囊帐池，以氧化镍为正极贮氢合金氢化物为负极的镍氢电池( N i 加I ) 是高比容量、无污 、 l_虿丽虿一一“ ，；l，、； 、，；、，、；，、；以， zllhgltlljl：0l，、P t f 专辑杜挺等2 l 世纪冶盘物理化学发展战略的一些思路和方向 1 1 染的化学电源。是当今国际研制热点，可广泛用于宇航、手提计算机、移动电话、电动汽车等行业，将取 代N i c d 电池现工业发达国家都已大量生产，我国也已产业化但还存在容易衰减、自放电和价高等问 题尚特进一步开发提高。 己5 7 阴极发射材料研究使用效果好的有L a 巩，它比w 阴极相比的优点是电子逸出功低、发射电流 密度大耐离子轰击、抗毒性好、性能稳定、使用寿命长，已成功用于等离子体源、扫描电镜、电子束、 电子探针和俄歇谱仪中。有些研究发现有些三元稀六硼化物的发射性能明显优于L 丑瓦但应用还不普 遍，有待进一步开发。 2 5 8 稀土超导材料长期以来传统应用的超导体只有n b n ( 9 K ) 和N b ，S n ( 1 8 K ) 二种金属超导 体1 9 跖年m M 公司发瑷蛐C u D 系的Y B a f 啦岛高弛超导体以来，国际上掀起研究超导热但进 一步突破少，应用也少。铋系超导优于R I 狙赴C u ，q 系，已拉出长的线材用于电力工业。 ”9 稀土在冶金工业中的应用m “”o 我国稀土在钢铁工业中的应用研究在国际上最多的。目前我国稀土在冶金工业中的消费比例约占稀 土年消费总量的4 0 左右多年来一直是最大用户。 稀土在铸铁中应用占冶金工业中稀土消耗量的7 0 左右处理铸铁最多的年份超过2 百万吨 稀土在钢中应用不多，去年处理钢约6 0 万吨，其中低合金耐候钢约占4 0 以上，其它为汽车钢板、 压力容器、管道用钢等；少量用在特殊钢、铸钢和钢铁材料表面工程中。 稀土在有色冶金工业中应用较少，但稀土在铝合金、镁合金、锌合金、铜台金、贵金属和硬质合金 中应用都有明显的效果和效益。 2 5 加稀土在催化中应用 稀土已应用于石油裂化催化剂汽车尾气净化催化剂，合成橡胶催化荆和石油化工催化剂。石油裂 化催化剂是用稀土的大户，从6 0 年代开始应用，现在催化剂年用量已达8 0 0 1 0 0 吨，如1 9 9 0 年用的 半合成基质稀土氢Y 型L c s 一7 催化剂中化学组成为R E 0 2 6 ，A 1 2 0 3 3 2 3 N a _ 0 0 2 5 ，F e 2 0 3 0 1 4 。 汽车尾气净化催化剂中，已研制的有s s r 0 2 C 0 0 3 ，含O 2 q 心n ，s i 0 2 等，尚特开发更有效吸收C o 、c x H ，、 N 吼等有害气体和成本低的净化催化剂。 2 5 1 l 稀土在农业、轻纺、医药、皮毛、塑料、油漆等工业中的应用都有不周成效，仍待继续研究、开 发、应用。 3 结论 2 l 世纪冶金物理化学发展战略的思路和方向。 思路：从本文第l 节中提出的1 0 个方面结合的方向出发考虑。 方向：从本文第2 节中提出的方向、领域和关键技术中可以归纳出相关的交叉的学科分支和方向： 材料物理化学： 计算钧理化学； 资潭综合利用物理化学： 船源、环保物理化学； 极限化锯理化学 考文簟 乔治M c 荸什辞+ 羹固拄木置晨的战略规划一目寡关t 技术研宄与发晨f 曩1 孵2 t1 ) t l - I 健 闭驰，簟匡。囊膏荣陆竹武天均圈乃量尊铁麓造蠢程的斩与量威报告蔓j 亡第1 2 s 敬青山台议- l 啪年1 0 丹1 一l 1 3 l 杜量耳开文长冶鼙工艺北直：北京尢学出版杜- 1 9 舛 州杜挺牡臣台毫雄圃赣潜蝽t 还量洼关t 技术的应用基研究盒一学报1 9 ( 7 ) 7 l B _ 7 2 8 【5 l 拄蔓昊丧婀曹嘲艳盲曩璋圃- 蕞皤懈矗还曛炼长法与c o R E x 挂呐耗比较骶研究学报t1 9 蚺。1 I 3 ) 7 I ，4 I 埘嘶1 1 雌c 1 日啊帅侧唯嘶K 帅m v e m 呻R 嘶曲啪o rM 刊刊M h s d 口咖dP 唯mo rE 他i l w 唯c 胁晡蛐口直 削I _ r 科。嘲a _ kl 钟吼I m l 7 例牡羹杜羹并拄文橐北套：冶叠工业出版杜。1 9 川吕靖，眚材辩的曩状与晨簟香山科学喜议。1 9 蚋 一F i 霹r 一 1 2中嗣稀士学报1 8 卷 - l - 同材料研兜会- l 悯村科研讨尝论文摘要集北京：1 螂】9 1 忡R z h _ 唱g 一哩z hH 0 1 I i I I g D u 币n gE H h l 】rV 邮m n 州n ”l l 眦a T I I 啪g 眦mr 肿畔n b 吖_ I ”r 州山俳D y R I 批J l I u m “r I I 岬Ha 州 o w r m ，l M 2 5 8 c I 一2 1 2 C L 2 1 ID I l 耵“撕gH 册印i “昏z I l uH 讯川I “g M 雌n 眦I h t 帕1 m 州lA c 洲m i 皓P “F n i e H 吖n l ，D y 。( F e I 。M ，h * ( 岬蛐dn e 计 忡I h 6 彻“I 鱼，n