2017年,“铼”再现我国,成功打破西方国家的垄断

铼元素在航空航天,石油化工领域应用广泛,在军事上扮演着极为重要的角色。在2017年,我国首次用自己国家提纯出来的铼元素生产出飞机发动机所需要的铼镍合金单晶叶片,成功实现了使人振奋的“发动机自由”。

“铼”是什么

铼是一种银白色的重金属,化学符号为Re,原子序数为75,在元素周期表中属于第6周期第七组过渡金属,于 1925 年被发现,是最后一个被发现的稳定元素,英文名Rhenium,源自于拉丁语Rhenus,意为“莱茵河”,这一命名的背后还有个相当浪漫的故事。

它是地壳中最稀有的元素之一。美国地质调查局发布的一份报告显示,地壳中已探明的铼储量仅为2500吨左右。它是所有元素中熔点最高的金属之一,仅次于钨和碳,也是密度最大的物质之一,仅次于铂、铱和锇,与此同时,它也是所有稳定元素中沸点最高的元素。

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门捷列夫首先预测了元素周期表中这个位置上存在一种尚未被发现的元素,称其为“次锰”,认为这元素必定是锰的类似物。1914年,英国物理学家亨利·莫斯利通过原子序数测算,确定了有关“75号元素”的部分资料。

铼通常被认为是由德国人发现。1922年,柏林大学的青年化学家沃尔特·诺达克邀请同事伊达·塔克一起找寻铼的踪迹,两人一拍即合。那时26岁的塔克已经拥有博士学位,是德国第一位在大学担任教职的女化学家。

两个人都认为铼应当是一种非常稀有的元素,可能共生在铂矿和铌铁矿中。然而,他们却没能预料到,铼是一种典型的稀散元素,如果想要富集会十分困难。两人在很长一段时间的研究中一无所获,有些失望,意志消沉。

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幸运的是,就在此时,匈牙利放射化学家赫维西与荷兰光谱学家科斯特采用X射线光谱法成功从一种锆石中找到了铪元素。

诺达克和塔克两个人深受启发,他们邀请了一名光谱学家共同寻找铼元素的踪迹。

几年后,在1925年的5月份,三人终于得到部分研究成果,对外宣布在铂矿石和矿物铌矿中检测到这种元素。此时,经过几年的朝夕相处,诺达克和塔克日久生情,为了纪念塔克的出生地莱茵河畔,新元素被命名为“铼”,也可以说这是一封诺达克送给塔克的隐秘情书。

1926年,对诺达克和塔克的称呼终于可以变成诺达克夫妇,他们结婚了,而科学史上也将会永远记上这浪漫的一笔

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接下来,诺达克夫妇在钆辉石和辉钼矿中也相继发现了铼元素。在1928年,他们齐心协力通过加工660公斤辉钼矿提取出1克铼元素,将铼这种元素呈现到大众眼前。现今铼元素的主要商业来源就是辉钼矿,矿石的主要成分是二硫化钼,其中铼含量最高能达到0.2%。

经过多年科技的不断发展,铼元素在现实中有了很多非常重要的用途。

铼的第一个重要用途是作为生产合金的原材料。含有铼元素的镍基铼超合金是一种高温超合金,主要用于制造喷气发动机的燃烧室、涡轮叶片和排气喷嘴,这些合金中含有高达6%的铼元素。

构造喷气发动机是铼元素最大的单一用途,全球铼产量的80%被投入其中。

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第二个重要用途就是作为催化剂。铼是一种极好的氢化和异构化催化剂,可用于汽油中石脑油的催化重整(铼化工艺)。铂铼催化剂主要用于制造无铅、高辛烷值汽油。

因为铼元素的稀少和重要性,导致铼的价格极其昂贵,在2008/2009年达到每公斤10,600 美元的历史新高。

近年来,由于铼回收率的增加和催化剂中铼元素需求的下降,截至到2018年7月份,铼的价格降至每公斤2,844 美元。现今,其价格在每公斤2300到2500美元间浮动,同铂金一样具有极高的价值

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我国“铼”产品的破冰

据央视网2017年9月3日报道,成都航天高温合金科技有限公司与湖南有色金属研究院合作,成功提纯稀有金属铼,历经一年半的努力,制造出对飞机发动机生产至关重要的单晶叶片

据美国地质调查局的报告,全球已探明的铼金属矿物资源量约为2453吨,全球基础总储量约为10180吨。资源量较为丰富的国家有:智利1300吨、美国390吨、俄罗斯310吨、哈萨克斯坦190吨。

该公司于2010年在陕西省发现了一个铼矿,储量约为176吨,占世界铼金属总储量的7%,仅次于智利、美国、俄罗斯和哈萨克斯坦。

公司董事长张政通过国家人才招聘计划组建了一支专业团队,生产出的单晶叶片经实验表明,高温下的拉伸性能和耐力性能方面均符合欧美质量标准。作为发动机最为核心的组件,其对中国航空业的重要性毋庸置疑。

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飞机发动机作为最复杂的机械系统之一,应该能够在高温、高压、高转速、高负荷下工作;并且具有功率大、重量轻、寿命长、可靠性高的特点。铼帮助了人们解决发动机叶片在高温高压下易产生形变这一难题,使得人们能在飞行的路上越走越快、越走越远。

我国在20世纪60年代开始从钼精矿焙烧烟尘中提取铼。2017年,中国首次实现了飞机发动机单晶叶片的量产。我们掌握了高性能含铼单晶叶片的制备和加工工艺,突破了铼用于航空发动机的提纯和加工的瓶颈,实现了技术“破冰”

不论对于哪个国家来说,铼都是一种重要的战略物资。工业发达、特别是尖端技术发达的地区会消费主要的铼。数年前就有“中国大量收储铼”的新闻,因为这是发动机发展需要的必需品。

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我国在自主研发飞机发动机方面一直面临着障碍,受制于欧美出口限令,中国的铼需求量一直得不到满足,“巧妇难为无米之炊”,直接导致了中国发动机研发进展缓慢。

随着国产铼镍合金单晶叶片的投产,中国制造的飞机就可以放心的使用“中国心”,避免出现“心脏病”。

“铼”仍旧是稀缺资源

虽然我国仍为世界十大铼矿资源国之一,但按照储量和消耗速度计算,铼的静态保障年限不超过15年。而铼元素在航空航天,石油化工领域应用广泛,因此目前对外依存度已经达到50%。

一方面,在航天领域,铼元素是不可或缺的。

铼在单晶合金中的应用随着单晶叶片的更新换代,用量也不断增加。比如俄国ЖС36,采用了2%的铼,美国CMSX-4采用了3%的铼;第三代单晶合金,以美国ReneN6 、CMSX-10为代表,两种牌号铼的含量最高分别达5.6%和7%;第四代单晶合金,以日本的TMS-138和MC-NG为代表,二者分别含铼5%和含铼4%;第五代单晶合金,以日本的TMS-162为代表,含铼6%。

与此同时,随着低成本航空公司在世界各地持续扩张,全球民用航空市场不断扩大,民用航空发动机的数量将保持增长势头。更由于最近国际关系的紧张态势,军用航空发动机和火箭发动机的需求也会激增。据行业预测未来10年,全球铼资源的需求出现超过2倍以上的增长。

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另一方面,因为铼及其化合物优异的催化活性,应用于石油重整催化剂,需求也飞快增长。含有30%铼的铼铂合金是催化重整过程中的一种重要催化剂,能大幅提高石脑油的辛烷值。

2020年,全国人大代表、安徽省铜陵有色金属集团控股有限公司副总经理丁士启,向十三届全国人大三次会议提交一份《关于实施国家收储稀有稀散金属铼,控制重要战略资源的建议》议案,将铼又一次推向公众的视野。

丁先生呼吁,急需通过国家收储,从而控制重要战略资源,保护关键材料自给安全,保障国家重大装备的关键材料安全供应。

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丁士启表示:“随着中国航空事业的发展,飞机发动机制造水平以及生产量提升,制造环节中需要添加一些特定金属元素以实现材料具备特殊性能。但由于我国航空发动机行业发展刚起步,国内部分稀有稀散金属譬如铼金属需求小,产业发展受到制约。”

近几年各国对铼的需求增大,其中欧洲年消费量由2-3吨增加到将近10吨,美国年消费量由20-25吨增加到45-50吨,日本的消费量增长达到约2-3吨/年规模,俄罗斯的年需求量约为5吨。

全球每年50%的铼产量都来自于智利,而美国钼金属公司是世界上最大的铼生产商。它与智利、墨西哥和哈萨克斯坦签订长期合同,垄断性占有大部分铼产量。而我国金属铼产能小,产量很低。

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丁士启介绍道:“通过处理铜钼金属冶炼企业污酸或烟灰,浓缩提纯制成铼酸铵,可精制成金属铼。不过,随着中国金属铼项目的投产,海外金属铼厂商也开始低价倾销,造成铼价格持续下跌,目前已跌至三年前市场价格的三分之一。”

海外的公司通过降价等方式严重挫伤了本土铼企业的生产积极性,大多数的铼资源均随废渣被随意处置,非常浪费。

当前国内航空工业对铼的需求增长缓慢。国内实际铼金属产能约8吨/年,消费量却只有2吨/年左右,大部分仅为个别研发企业需求。可是,未来当我们的发动机技术取得突破之后,对铼的需求又会有较大幅度提升,那个时候就铼就会越来越不够用。到那时,如果铼的供应量如果追不上发动机技术发展的话,会非常麻烦。

结语

国家是不断进步的,科学是不断发展的,把获取和储备铼资源作为一项长期战略来加以实施无疑是符合我们的发展需求的

与此同时,加大航空航天领域的投入,加急升级相关的机器设备的升级,提高我们国家在相关领域的产生制造水平也是我们走向未来的关键。

我们的祖国无疑是一个地大物博的国家,我们拥有许多国家都没有的资源优势。那么,我们应该利用好大自然给予我们的珍贵资源,为祖国的建设添砖加瓦。

我国的铼资源总量并不高,达不到智利的四分之一。当我们没有足够的技术来使用铼元素,就势必会造成铼元素的出口。我们将铼元素提纯后贩卖给其他国家,对我国而言会是一种极大的损失。我们不应只看眼前的小利,应该着眼于发展战略的大利,守卫好我们拥有的稀有资源。

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