不为繁华易匠心 材料报国始今成

——探寻今成钽铌开发“城市矿山”之路

2023年04月27日 9:41 6048次浏览 来源:   分类: 其他稀有金属   作者:

近年来,随着环境及资源问题逐步成为全球性挑战,资源循环就成为世界各国必须面对的重要的共性问题。而实现资源循环的思路之一就是开发城市矿山。循环经济理念是从资源利用的源头出发,在严格保护生态环境的前提下,全面提高资源利用效率,满足经济社会发展的合理需求。党的二十大报告指出,实施全面节约战略,推进各类资源节约集约利用,加快构建废弃物循环利用体系。这为促进开发城市矿山,实现资源循环利用,助推城市循环经济高质量发展提供了行动指南和根本遵循。循环经济理念的实践运用,协同工业高质量发展、乡村振兴等工作布局,将有助于全面建立资源高效利用体系,为坚持和完善生态文明制度体系作出贡献。

所谓“城市矿山”是指在城市生产和消费过程中产生的废弃物(如废旧机电设备、电线电缆、通讯工具、汽车、家电、电子产品、金属、塑料包装物和生活垃圾等)中可回收循环利用的钢铁、有色金属、塑料、橡胶、玻璃、有机固废等资源。

钽铌作为有色金属中,同属高熔点高密度金属,具有耐腐蚀、导电性好和在高温下强度高等特性。钽铌作为基础性、应用面广的高新技术和重要的功能材料,在电子、钢铁、冶金、化工、硬质合金、原子能、航空航天等工业部门以及战略装备、超导技术、科学研究、医疗器械等技术领域有重要用途。

细分看,钽具有熔点高、蒸汽压低、冷加工性能好、化学稳定性高、抗腐蚀能力强、表面氧化膜介电常数大等一系列性能,在许多领域均有重要应用。其中,电容器为主要应用领域,其次是超级合金。另外,钽在溅射靶材、钽化合物、工业设备及医学材料、碳化钽硬质合金等领域也有所应用。

铌具有很好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能,广泛应用于钢铁、高性能合金(包括高温合金)、超硬碳化物、超导体、电子元器件和功能陶瓷等制造领域。

钽铌应用领域如此广阔,随着这些包括新能源、新材料在内的产业的迅猛发展,其对钽铌的需求将不断扩大。但是值得注意的是,钽铌属于稀有金属,不可再生。而且我国已探明的钽资源呈现矿脉分散、矿物成分复杂、品位低等特点,这或将导致钽铌金属需求不断扩大与供给短缺的矛盾。因此,及时开发城市矿山,回收废旧电子元器件当中的钽铌,就成了保障我国钽铌资源稳定供给的有力措施。

为了更直观地了解如何在“城市矿山”中回收钽铌,本报记者走进湖南省炎陵县今成钽铌有限公司(以下简称今成钽铌),开启了“废”中寻宝之旅。

山不让尘 川不辞盈

炎陵县今成钽铌有限公司位于湖南省炎陵县中小企业创业园,于2011年10月注册成立,是该创业园入驻的第一家企业,专注于钽铌金属生产加工。先后被评为国家高新技术企业、湖南省新材料企业、湖南省“小巨人”企业。

在记者与今成钽铌董事长兼总经理蔡海成谈及今成钽铌的发展历程时,蔡海成神采奕奕地说:“我从1993年开始从事工业废品回收工作,在工作中,我发现众多废旧电器元件中,含有金、银、钯、铂、钽、铌等众多稀有金属,如何把这些稀有金属分离提取就成了我日思夜想的问题。”也就是从那个时候开始,蔡海成潜心研究在废旧电器元件中提取有价金属的相关技术。经过多年的探索实践,蔡海成终于在废品中寻到了“宝”——在废旧电子产品中提炼稀有贵金属。

2001年,蔡海成发现,从废旧电器元件中回收钽铌,在我国钽铌工业的发展历程中几乎是空白。于是他抱着“产业报国”的心态,聚焦钽铌废品回收行业。实干为要,蔡海成投入前些年积攒下的几乎全部资金,在浙江温岭建设了钽铌工厂,但让人始料未及的是,浙江温岭夏季的电荒使得高温烧结炉无法正常工作。因此,蔡海成只能另外选址建厂,几经考察后,2011年10月份,蔡海成在炎陵县投资建设了炎陵县今成钽铌有限公司。

经过十多年的发展,如今,今成钽铌已经成长为集钽、铌、有色金属制品研发、生产制造、进出口贸易为一体的综合性有色金属企业。今成钽铌现年产钽条(锭)500吨,铌(锭)1000吨;其产品铌条(锭)、钽条(锭)广泛应用于航空航天、石油船舶、军工精密电子及高温合金、特殊钢等行业。蔡海成在炎陵这个落后山区打造了名副其实的“钽铌王国”。

道阻且长 行则将至

回首过往,2012年初,今成钽铌开始了钽相关产品的研发和试产,当时,市场上有两种比较成熟的工艺:第一种是用钠还原法制备工艺,即从原料氟钽酸钾制备钽粉;第二种是用碳还原法制备工艺,即从原料氧化钽制备钽锭。两种工艺互有优劣,其中,钠还原制备工艺的钽粉,可以用于制备钽电容器,但需要酸洗,酸洗过程会产生大量的废水,有一定的污染,同时制备成本较高。碳还原法制备工艺的钽锭,更多的应用于高温合金市场,只会产生二氧化碳和极少量一氧化碳的废气,污染较小,同时制备成本较低。无论哪种工艺,废钽电容的处理方式首先是经过湿法厂,根据需求加工成氧化钽或者氟钽酸钾。因废品回收后还需要经过湿法厂处理,使得废品回收的成本比直接采购矿石的成本更高,这也导致了过去废钽电容器的回收利用率相对较低。

针对当时的行业现状,在蔡海成的带领下,今成钽铌开始了废钽电容器的回收和提炼攻关。回顾过往,蔡海成说:“在技术攻关的过程中,遇到了两个‘拦路虎’:一个是钽电容器由内到外有多个部分组成,如何才能够把外壳分离,只保留最里面的钽块部分?另一个是废钽电容器中的钽块如何能够直接制备成钽锭?针对第一个问题,我和公司的工程师们基于以往提炼金、银、钯、铂的经验,经过无数次的反复试验,终于成功地分离开了钽电容器的外壳与钽块。”

在成功搬开了第一只“拦路虎”后,蔡海成带领他的科研团队,向用废钽电容器回收的钽块制备钽锭的工艺发起了科研“冲击”。蔡海成说:“用废钽电容器回收的钽块制备钽锭,不同于用钽矿石制备钽锭。回收钽块制备钽锭是不适合走钠还原的工艺路线的。”蔡海成解释说,钠还原制备的原料是氟钽酸钾,钽块是经氟钽酸钾钠还原制备钽粉后压制烧结得到的产品。因此,以废钽电容器回收的钽块作为原料,制备钽锭,只能走碳还原的道路,自然而然地,今成钽铌选择碳还原的道路也成为了必然。

对比两种制备钽锭的工艺路线,记者发现,用废钽电容器回收钽块,经碳还原制备钽锭比用钽矿提取氧化钽,经碳还原制备钽锭,少了湿法加工工艺,节省了加工费和湿法损耗。对此,蔡海成解释说:“少了湿法加工工艺,可节省高达30万~35万元/吨的成本,通过“城市矿山”回收,今成钽铌生产钽锭的加工成本降低了约10%~15%,极大地提高了公司的竞争力和抗风险能力。”至此,以科技创新为依托的今成钽铌,在开发“城市矿山”领域走出了专属于自己的独特道路,也为该公司今后的蓬勃发展打下了坚实的基础。

为者常成 行者常至

有钽必有铌,作为钽的伴生金属——铌,自然而然就成为了今成钽铌下一个要攻关的目标。蔡海成兴奋地说:“前期钽的顺利研发让我们对铌锭、铌条的研发充满了信心。”

但是值得注意的是,虽然钽和铌是伴生金属,可是它们的物理性质、化学性质有着较大的区别。这也使得用碳还原制备铌条的研发之路受到了阻碍。蔡海成解释说:“碳还原制备铌条,主要有两个问题:一是气体杂质不稳定,N(氮)普遍会偏高;二是需要二次碳化二次烧结,生产周期需要35~40天。其他国内生产厂商为了解决气体的问题,从俄罗斯引进了铝热还原生产熔炼铌的制备方法,才解决了氮偏高的问题。该技术路线成熟,且可快速投产,因此,同行建议我采用铝热还原的方法制备铌。”

但是,今成钽铌拒绝了。蔡海成认为,铝热还原是一种落后的生产工艺,铝热还原工艺虽然气体杂质得到了有效控制,但是随之带来了硅(Si)和铝(Al)这两种有害杂质,且最后成品率较低,只能应用到相关产业的中低端,作为金属添加剂使用。因此,蔡海成还是决定用碳还原制备铌条,而采用碳还原制备铌条,就必须要解决氮高的问题。

蔡海成说:“在两年多的时间里,氮高就像是一座大山一样岿然不动地挡在今成钽铌的研发之路上,两年时间,无数次的试验,先后投入1000多万元,始终没能解决这个问题。”1000万元,也给这家刚刚成立不久的企业带来了资金方面的压力。蔡海成表示,当时,今成钽铌的管理层也出现了一些不同的声音:碳还原制备铌条的技术路线是否可行?是否应该采用铝热还原制备技术?面对质疑,蔡海成力排众议,坚持走自己独特的道路:碳还原制备铌条。

机会总是留给有准备的人。2017年,今成钽铌迎来研发生产经营的转折点。经过近3年无数次的试验,蔡海成终于摸索出了碳还原制备铌条的技术路线。他摒弃了传统工艺的二次碳化二次烧结,采用一次碳化一次烧结的工艺,解决了碳还原制备铌条工艺中出现的氮高的问题,成功试制出了合格的铌条产品。这也标志着今成钽铌“一碳一还原”工艺制备铌条研发成功。同时,生产工艺的缩短也为今成钽铌带来了低成本的竞争优势。同年,基于生产工艺所带来的低成本优势,蔡海成做出了一个市场上难以理解的举动:今成钽铌铌条市场价格统一为370元/千克,要知道,当时其他厂商的铌条产品普遍在450元~500元/千克。凭借价格上的优势,国内众多下游厂商纷纷尝试采购今成钽铌的铌条,今成钽铌也在短时期内实现扭亏为盈。

2021年,今成钽铌又投入研发费用近千万元,研发出采用碳还原方法制备钽钨锭的工艺。

生如芥子 心藏须弥

从废品回收到金属制备,从贸易到科研,蔡海成把创业创新融入了炎陵大地,在以科技创新为基础的高质量发展中,今成钽铌不断发展,做大做强。不忘初心,砥砺前行。从企业到社会,赈灾抗疫、扶贫济困、助学助教,他用一件件慈行善举,传递出一位民营企业家放眼未来、向上向善的美丽情怀。

多年来,今成钽铌共给予教育各类资助超100万元;资助建档贫困户12家,安排建档立卡贫困人员就业岗位12个。特别是2022年,受新冠肺炎疫情、国内能源紧张、经济通胀及欧洲地缘政治因素影响,钽铌原材料价格迅速上涨,上涨比率达30%,而产品的销售价格无法同比上涨;加之用电成本增加,该项成本上涨比率一度高达46%,成本的大幅度上涨,不断蚕食今成钽铌的利润,在这样的情况下,停工停产似乎才是企业收益最大化的最优解。但是蔡海成带领下的今成钽铌,以产业报国、回馈社会的责任担当,在原材料成本急剧高涨的情况下,顶住压力保生产。今成钽铌的一位职工说:那段时间,为了保障我们能按月按时拿到工资,今成钽铌以高价采购原料维持正常生产。用高成本的原料生产,只为做到不停产,以保障工人工资的正常发放。作为农家子弟,蔡海成始终秉承传统美德,执心公益事业,为公益事业贡献自己的一份力量。

责任编辑:张雪卉

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