我国钨产业发展现状

高建新,张芬萍,李运刚

(河北理工大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063000)

我国钨产业发展现状

高建新,张芬萍,李运刚

(河北理工大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063000)

近些年来,我国钨产业高速发展,钨及钨产品在国民经济各领域得到广泛应用,钨产业已成为现代社会不可或缺的支柱产业。钨是我国为数不多的的优势资源之一,然而其现状令人堪忧。介绍了我国钨资源及钨产业现状,钨及钨产品发展趋势,提出了钨产业应坚持可持续发展观点,建立科学合理的运行机制,优化产业结构,开发新产品及应用领域的发展方向。

钨产业;钨资源;现状;分析

钨被称为“工业味精”,是一种十分重要的稀有矿产资源。钨及钨制品具有高熔点、高密度、高硬度,应用广泛。自19世纪末,钨第1次被用以生产合金钢和硬化钢以来,其产品由初级品到深加工品,种类已达20多种,包括钻头、切削刀具、合金、化学用品、医药、食品到电子器件、穿甲弹等。钨已是现代工业社会不可替代的材料之一。钨产业的健康发展直接影响制造业的发展和国家经济、军事安全。目前,世界上很多国家非常重视钨的勘探和开发,将钨作为战略性资源加以储备,而我国对钨资源的开发现状令人堪忧。

1 我国钨资源现状[1-3]

钨属于稀有元素,在地壳中的丰度为1.1×10-4%,主要矿物为黑钨矿和白钨矿,其次为钨华、辉钨矿等。

世界已探明钨储量290万t,储量基础620万t;中国钨储量180万t,储量基础420万t,居世界第一位[4],见表1。

我国钨矿藏极为丰富,已探明矿产地252处,分布于23个省(区),以湖南(白钨矿为主)、江西(黑钨矿为主)为多,储量分别占全国总量的33.8%和20.7%。但是,近半个世纪以来,部分大中型矿山面临危机:18个大矿山有9个服务年限在10 a以下。钨矿的过度开采,使优质黑钨矿资源已近枯竭,而我国70%以上的钨酸铵产品是由黑钨矿精矿生产的。现在的保有资源以白钨矿为主,占73%左右,而白钨矿资源的特点是伴生、共生矿多,复杂难选,如,回收水平在国内较高的柿竹园钨矿,其开采回收率仅为36%,选矿回收率仅为63%,矿石品位低,杂质含量高;栾川矿产出的中矿(WO3质量分数53.5%)中,w(Mo)/w(WO3)>5,超过标准精矿的90倍;其他矿山产出的精矿中,As、P、Si、Sn等杂质含量较高,钨产品大量贱卖出口,资源浪费严重。

表1 2003年全球钨资源储量

2 我国钨产业概况

钨产业根据钨产品划分为几个垂直关联的阶段[5](如图1所示):勘探、采选及冶炼、加工至销售(出口/国内生产厂)。这几个垂直关联阶段可以由不同的独立企业完成,但从钨产业发展历程来看,发展趋势是各垂直阶段联合起来,沿着从生产到销售这样的链条运作。

图1 按产品分类的钨产业链

中国钨业已有百年发展历史,大致分为3个阶段[6]:新中国成立后的前30 a,形成了比较完整的钨工业体系;1981—2000年,钨冶金、加工及硬质合金业发展迅速,产品结构发生很大变化,改变了单一钨精矿出口局面;21世纪后,钨业发展进入了全新时期。

钨产业的快速发展显露出了越来越多的问题[7-8]:1)钨矿产资源开采过度;2)国内外钨品市场价格波动较大;3)钨产业链中,上、中、下游产业发展不均衡;4)整个产业分布广、规模小、集中度低;5)产品单一,高、尖、深、细产品不多,企业自主创新能力低,创新意识不强。这些问题的存在己严重影响我国钨产业的健康、有序发展,威胁到我国制造业的发展和生产安全,大大降低了我国钨工业的整体国际竞争力。

3 钨产业市场及产业政策

3.1 钨市场状况

国民经济的发展拉动了主导产业的快速发展,建材、汽车、钢铁、机械加工、金刚石、电子、工程机械等工业的发展,新领域的应用开发,都促使钨的消费需求大大增加[9]。2006年,粗钨丝和钨杆的年产量为2 102 t,钨合金电极等用钨量为650 t左右;高密度钨合金用钨量约850 t;化工及其他产品用钨量870 t左右。钨的消费结构为:硬质合金 48%,钨特钢 28%,钨材 19%,化工 5%。2006年,各领域钨消费总量为 18 623 t,较 2005年(18 190 t)增长 2.38%[10]。

近几十年来,我国钨业整体技术水平逐步提高,自上世纪80年代开始,钨品出口结构发生了重大变化[11],已经彻底扭转了单纯出口钨砂的局面,到2000年已基本不出口钨精矿,初级产品及钨的中间制品的出口量也在逐年下降,而加工层次较高的钨制品以及代表钨工业先进水平的硬质合金等出口量正逐年增长(见表2)。钨的深加工制品进入国际市场是变资源优势为产业优势的有效途径,这标志着我国钨产业结构正向合理化方向发展。

表2 2002—2006年钨产品出口量 t

我国是钨生产大国,也是钨消费大国。根据国际钨协秘书长在16届年会上作的报告,2000年,我国钨消费量10 000 t,仅次于欧洲[12]。受不断增长的国内外经济形式影响,钨的需求增长较快,钨精矿供应从2003年年初开始就出现了紧缺,2005年钨精矿供应量虽然达到前所未有的9.1万t,但不能满足钨冶炼加工企业的生产需求。因此,2005年,我国进口钨矿砂及钨精矿达到了6 086.7 t,2006年进一步扩大到12 274 t,增加101.6%。同时,进口钨产品量逐年增加,进口价格(t钨)也在不断升高(表3)。虽然进口钨总量增加,但从2004年起,我国进口钨粉钨材量却在减少。

表3 2002—2006年我国钨产品(含钨精矿)进口量

3.2 产业政策[13-14]

国家从资源保护、可持续发展角度出发,提出了一系列钨产业政策,促进了我国钨工业进一步向规范化、有序化方向发展。在出口配额方面,钨的出口配额逐年减少;在税收政策方面:2005年5月1日,国家财政部、税务总局将钨及钨制品的出口退税下调(由13%调至8%);2006年1月1日起,将钨及钨制品的出口退税再次下调(由8%调至5%);2006年11月22日起,禁止钨精矿加工贸易;2006年9月15日起,钨品出口退税全部调整为零;2007年1月1日起,初级钨产品的暂定关税提高5%～15%。

在行业管理方面,2005年以来,国务院相继出台了加强钨锡锑行业管理、全面整顿和规范矿产资源开发秩序的通知;各级政府加大了全面遏制无证勘查和开采、乱采滥挖、浪费破坏矿产资源等违法行为的力度。江西省在一年多时间里关闭了29家与国有钨矿重叠、采选工艺落后、浪费资源、破坏矿山地质环境的钨矿,关闭了60余家无合法矿石来源的钨加工企业。湖南省对30多个重点矿区进行了集中整治,取缔非法矿山,停产整顿有违法行为的矿山。2005年,国务院办公厅下发国办38号文件,提出加强钨锡锑行业管理,加强行业准入和产品出口管理,制定行规行约,防止低价竞销和恶性竞争,提高行业自律水平。

4 产品开发

4.1 合金钢[15]

很大一部分钨用于生产特种合金钢,其中最主要的是高速切削钢。这种钢一般W质量分数达8%～20%。

高速切削钢可用于制造各种工具,如磨刀、铣刀、型模、压模、气动工具零件等。其他牌号的钨钢和铬钨钢(1%～6%W,0.4%～2.0%Cr)亦有广泛应用。

钨也是磁钢的主要成分,磁钢有钨磁钢和钨钴磁钢2种。与非合金磁钢相比,磁钢的磁性和矫顽磁性都很强,钨钴磁钢(5%～9%W,30%～40%Co)的磁性和矫顽磁力更强更高。

4.2 以碳化钨为基础的硬质合金[16]

硬质合金被誉为“工业的牙齿”,碳化钨是制备硬质合金的主要原料。纳米晶硬质合金是近年来发展起来的新型工具材料,它是以纳米级的WC粉末为基础原料,在添加适当黏结剂和晶粒长大抑制剂的条件下,生产出具有高硬度、高耐磨性和高韧性的硬质合金材料。

碳化钨是一种具有高硬度、高热稳定性和高耐磨性的新型功能材料,WC粉体与黏结金属(Co、Ni、Fe、Fe-Ni、Ni-Co、Fe-Ni-Co等)烧结而成的WC基硬质合金,可广泛应用于制作特殊刀具、微型钻头、打印针头及精密模具等。随着超细硬质合金的发展,又被广泛用于精加工难加工材料、制造印刷电路板的微钻头、点阵打印机的打印针头及精密模具等。

纳米硬质合金粉末[17]的最主要的应用是制造致密材料。用纳米复合粉末制得的硬质合金显微结构无异常长大的晶粒,从而保证了极高的化学均匀性,使合金具有优异的抗裂性,因而其耐磨性显著提高。印刷电路板钻孔用的微型钻头磨损试验结果表明:纳米结构WC-Co合金钻头在给定的寿命下,其磨损率约为标准微晶合金钻头的2.9倍 。另外,纳米硬质合金在切削工具、凿岩钻齿、耐磨零件、轴承等领域都有着广泛应用,医用解剖刀、磁带切刀、高功能锯片等就是典型应用的实例。纳米WC-Co复合粉末用作耐磨涂层材料也显示出了很好的效果。用热喷涂法可由纳米WC-Co复合粉末制取低孔隙耐磨涂层,显著提高了硬质合金耐磨涂层的性能。纳米WC-Co复合粉末的另一种用途是用作微米结构WC颗粒的粘结材料。这种复合粉末可将微米WC结构颗粒粘结在一起,借以生产双态结构(粗WC晶粒和细WC晶粒),改善在腐蚀性介质中的耐磨性。

4.3 接触点合金和高密度合金

利用粉末冶金法制备的钨铜复合材料(10%～40%Cu)具有高导电导热性、良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性、低膨胀系数、较高强度和硬度等优点,是制造真空开关电器、电加工电极、电子封装及热沉、火箭导弹的喷嘴喉衬等理想的触点材料[18]。

含90%～95%W、1%～6%Ni、1%～4%Cu的合金密度高达17～19,称为高密度合金,具有以下优点[19]:1)强度高:可达1 300～1 500 MPa;2)塑性好:W-Ni-Cu系列塑性低于相应组分的W-Ni-Fe系列,W-Ni-Fe系列烧结态的延伸率可达10%～15%,经真空或气氛脱氢处理后,其延伸率可达20%～30%;3)射线吸收能力强:射线吸收能力比铅高30%～40%,且有较好的刚性,使用中不易变形;4)耐腐蚀性、抗高温氧化:对酸有良好的耐腐蚀能力,在500℃以下无明显氧化,在800℃或更高温度下仍能保持较好的强度和硬度;5)机加工性能好:具有较好的延性和塑性,可进行车、铣、磨、刨、钻、攻丝等机加工,及轧制、旋锻和锻造加工等大形变强化处理;6)导电、导热性好,热膨胀系数低:导热系数是模具钢的5倍,热膨胀系数只有铁或钢的1/2～1/3,并且具有良好的导电性、耐电蚀、耐高压等性能;7)可焊接性及表面电镀性好:可采用铜焊、银焊料进行钎焊,表面也可进行电镀,如镀铬、镀镍、镀金等,与基体牢固结合;8)抗冲击韧性和穿透能力强:抗冲击韧性好,高达50～100 J/cm2;穿透能力比硬质合金大大增强,在动能穿甲弹[20]及破甲材料[21]上具有广泛的应用前景。

鉴于高密度钨合金的一系列优良特性,已被广泛应用于航空航天(导航陀螺仪、平衡块、减震器等)、军事工业中的重要部件(穿甲弹、侵彻弹、核潜艇、装甲材料等),同时也被广泛应用在机械、电器、仪表乃至医疗、体育用品等民用工业领域。

4.4 钨材加工

钨材产品种类繁多,生产工艺不一,生产企业可分3种类型[22]:第1种是从仲钨酸铵至钨加工材的全流程生产企业,规模较大;第2种是购进钨粉,重点制造特殊钨材产品的专业加工企业,规模中等;第3种是购入各种钨坯料或半成品杆料、棒材、线材、板材,进行改制的区段性加工企业,规模较小。其中第1种企业的生产技术对整个行业起主导作用,如掺杂钨丝生产采用的主流技术已居世界水平;第2种专业生产厂与科研单位也有许多先进装备和技术,能生产各种形状和规格的钨材产品。

钨材产品多样[23]。纳米钨在微电子和显微技术方面具有特殊用途:直径在几十到几个微米之间的钨尖被用于大规模集成电路板上打孔的微钻;直径微米级的钨尖被用作显微探针;而经过电化学蚀刻到100 nm左右的钨尖则被用作场发射电子显微镜的冷场发射器;钨纳米线可以直接用作STM的针尖和显微力试验机的针尖压头。特种规格的钨材有特宽、特长的板材,特薄、特窄的铂材,特粗的棒材,特大、特小的管材,特细的白直丝,异型件和复合件等。

4.5 钨化合物

4.5.1 ZrW2O8热致收缩材料[24]

ZrW(Mo)2O8是目前最优良的热致收缩化合物(具有超低膨胀系数,能适应较大的环境温度变化),从晶体结构到热收缩性质都引起人们极大兴趣。ZrW2O8在技术上的重要性主要体现在:1)在宽约100℃的温度区间为各向同性的立方相,故热收缩始终是各向同性;2)热收缩性高,因而可控制高膨胀系数(如氧化铝等)陶瓷而又不破坏其优异的技术性能;3)为难得的室温及近室温的热致收缩化合物,填补了热致收缩化合物在室温区间的空白。在航空航天技术、大规模电子集成电路、精密仪器仪表等高新领域以及高温、密封技术领域,ZrW2O8具有广阔的应用前景。

4.5.2 WS2润滑材料

二硫化钨作为一种精细化学品,不仅是一种催化剂,也是一种重要的润滑材料。它不仅适用于通常条件下的润滑,而且也适用于高温、高压、高真空、高负荷、有辐射线、有腐蚀性介质等苛刻条件下的润滑,甚至可以满足计算机和磁记录系统 、医疗方面需要在生物体内植入的运动部件等。1997年,空心富勒烯纳米WS2问世,它与一般层状结构的WS2不同,其笼状结构,可以在润滑表面上滚动,而不是滑动,因而具有超低的摩擦与磨损性能。研究表明,这种新型纳米WS2润滑材料在空间技术、超真空和高真空以及汽车领域将应用广泛[25]。

4.5.3 WO3功能材料

1)WO3气敏材料。WO3是很重要的功能材料,在气体传感器、显示器、建筑调光窗等方面有广泛应用前景。WO3是一种高灵敏度的气敏材料,特别是对氮氧化物、硫化氢、氨、氢等气体敏感性很高。纳米WO3有更优越的气敏性能,已相继开发出多种气体传感器。黄世震等[26]以纳米WO3(10～100 nm)为基材制成的气敏元件对低体积分数的H2S具有较高的选择性和灵敏度。魏少红等[27]的纳米 WO3烧结型气敏元件,在较低的工作温度下对NO2有很好的灵敏度、选择性和响应性能。

2)WO3纳米薄膜变色材料。WO3薄膜是迄今所发现的最优越的电致变色材料,纳米结构的WO3薄膜性能更加显著。它不仅可电致变色、光致变色,也可气致变色,可作为气体传感等器件的核心材料,在建筑与汽车节能、信息显示与贮存、环境监控、食品工业及军事等方面,具有良好的应用前景[28]。

4.5.4 催化剂

在化学催化领域,钨的化合物有着重要的应用[29]。钨酸可作为制取高正辛苯的催化剂,二硫化钨可作为合成汽油的催化剂,偏钨酸铵可作为制造催化剂。另外,新近研究发现,WC是一种非常有发展前景的催化剂,可用于加氢、脱氢、异构化和烃类转化与合成等反应的催化剂;在电化学领域,WC在氢离子化和析氢反应等方面有着广泛的应用前景;WC应用于燃料电池、氢离子化电极中可以减少或取代Pt等稀贵金属催化剂,解决催化剂中毒的难题;WC也广泛应用于其他化学催化领域。

5 结语

我国钨业已有百年发展历史,形成了比较完整的工业体系。我国钨资源储量世界第一,但是资源的不合理应用以及钨产业发展过程中暴露出来的各种问题己严重影响钨产业的健康、有序发展。所幸国家已经出台多项整顿清治政策,并已见成效。钨及钨制品因具有高熔点、高密度、高硬度,广泛应用于社会生活的各个领域。开发新产品市场,巩固旧产品市场,拓展钨及其化合物的应用领域是目前钨产业发展的方向。我国的钨产业应坚持可持续发展观点,加强管理立法,建立科学合理的管理制度和运行机制,进一步优化产业结构,提高产品的科技含量和附加值,提升在国际、国内的竞争力。

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Abstract:In recent years,the tungsten industry in our country developed rapidly.Tungsten and tungsten products are widely used in various fields of our national economy.The tungsten industry has been an indispensable pillar industry in modern time.Tungsten is one of the few competitive resources in our country,however,its current situation worth our concern.Tungsten resources and status of tungsten industry in our country,development tendency of this industry are introduced.An opinion of sustainable development,establishing a scientific and reasonable and operation mechanism,optimizing the industrial structure,developing new products in the tungsten industry has been aroused.

Key words:tungsten industry;tungsten resourses;current situation;analysis

Present of China’s Tungsten Industry

GAO Jian-xin,ZHANG Fen-ping,LI Yun-gang
(School of Metallurgy and Energy,Hebei Polytechnic University,Tangshan,Hebei 063009,China)

TD864

A

1009-2617(2010)04-0211-05

2009-09-21

高建新(1978-),男,河北唐山,本科,硕士,讲师,主要研究方向为资源综合利用与有色金属冶金。