霍知節(jié)

(海南師范大學(xué)，?？?570100)

1 引言

包鋼稀土一廠(下簡(jiǎn)稱(chēng)“一廠”)是我國(guó)稀土合金生產(chǎn)和稀土工業(yè)的開(kāi)端，1958—1963年為初建階段，先后建成稀土合金試驗(yàn)廠和稀土選礦試驗(yàn)廠；1964—1977年為恢復(fù)、擴(kuò)建及發(fā)展階段，建設(shè)項(xiàng)目有“704- 65”工程及配套工程、硅鐵原料配套工程及合金破碎間工程。初建期亦是一廠自主研發(fā)的試生產(chǎn)階段，主要產(chǎn)品稀土硅鐵合金，用作生產(chǎn)軍工鋼的添加劑，效果雖良好，但因技術(shù)瓶頸而停產(chǎn)。國(guó)家科委、經(jīng)委召集全國(guó)14個(gè)部的140多個(gè)單位，1963年舉辦“4·15”會(huì)議，“打了一場(chǎng)包頭礦(白云鄂博礦)綜合利用的群眾性大會(huì)戰(zhàn)”[1]。在包頭冶金研究所(下簡(jiǎn)稱(chēng)“包冶所”)帶動(dòng)下，與一廠共同研發(fā)稀土合金許多新工藝、新品種，在一廠擴(kuò)大試驗(yàn)并轉(zhuǎn)入工業(yè)生產(chǎn)。該廠是怎樣恢復(fù)生產(chǎn)并進(jìn)入擴(kuò)建發(fā)展階段，如何進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新？有哪些創(chuàng)新產(chǎn)品問(wèn)世，又產(chǎn)生了哪些影響？即為文章重點(diǎn)探求的內(nèi)容。

2 國(guó)家科技政策下的復(fù)產(chǎn)及創(chuàng)新

2.1 國(guó)家科技政策的引領(lǐng)

1964年3月，“包頭稀土鐵礦資源綜合利用”列入國(guó)家“1963—1972年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”。4月9日，國(guó)務(wù)院副總理鄧小平、北京市長(zhǎng)彭真等，在內(nèi)蒙古自治區(qū)政府主席烏蘭夫陪同下視察了包鋼，11日登上白云鄂博礦山頂(圖1(1)包頭稀土鋼鐵公司廠檔案館提供，樣片登記卡底片號(hào)：無(wú)。)。鄧小平同志聽(tīng)取了白云鄂博鐵礦匯報(bào)后指示：“白云鄂博是座寶山，我們要很好地開(kāi)發(fā)利用。我們要搞鋼鐵，也要搞稀土，要綜合利用寶貴的礦山資源?！?[2]，頁(yè)20—21)確定了白云鄂博發(fā)展稀土的方針。1965年3月，國(guó)家科委、經(jīng)委將“包頭鋼鐵基地資源綜合利用”列入全國(guó)31項(xiàng)技術(shù)革命項(xiàng)目。4月15—24日，國(guó)家科委和經(jīng)委、冶金部在包頭聯(lián)合召開(kāi)了“包頭礦綜合利用和稀土應(yīng)用工作會(huì)議”(第二次“4·15”會(huì)議)，確定開(kāi)發(fā)白云鄂博礦要貫徹“以鐵為主，綜合利用”的方針，要求集中優(yōu)勢(shì)兵力，打好科研工作的5個(gè)“殲滅戰(zhàn)”(2)解決五個(gè)問(wèn)題：一是做好地質(zhì)工作，搞清稀有、稀土資源的儲(chǔ)量及分布情況，這是貫徹綜合利用方針的前提條件；二是綜合選礦；三是多流程、多品種的提取冶煉；四是稀土、鈮的應(yīng)用；五是包頭礦工業(yè)生產(chǎn)的防護(hù)。，以盡快闖過(guò)科研關(guān)，使白云鄂博礦綜合利用迅速走上工業(yè)化的道路。同年12月8—14日，內(nèi)蒙古自治區(qū)科委、經(jīng)委在包頭召開(kāi)“全區(qū)稀土應(yīng)用和推廣會(huì)議”，全面貫徹落實(shí)“4·15”會(huì)議精神，進(jìn)一步在全區(qū)把稀土應(yīng)用工作廣泛地開(kāi)展起來(lái)([2]，頁(yè)22)。來(lái)自國(guó)家上層的正確決策極大地調(diào)動(dòng)和鼓舞了包鋼廣大建設(shè)者的熱情，稀土科研工作者奮起攻關(guān)，一廠開(kāi)始恢復(fù)生產(chǎn)并進(jìn)入擴(kuò)建及技術(shù)創(chuàng)新階段。

圖1 鄧小平視察白云鄂博礦山

2.2 恢復(fù)生產(chǎn)及科技創(chuàng)新

1963年，一廠改稱(chēng)“冶金工業(yè)部包頭冶金研究所合金試驗(yàn)廠”，包冶所是其上級(jí)部門(mén)和技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)，其科研創(chuàng)新成果直接決定著一廠的生產(chǎn)項(xiàng)目及技術(shù)水平。國(guó)家科委和冶金部指示，要盡快滿(mǎn)足國(guó)防和民用對(duì)稀土合金品種的迫切需要。1964年恢復(fù)生產(chǎn)后，包冶所第三研究室與一廠技術(shù)組，為穩(wěn)定和提高稀土合金的質(zhì)量、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、降低成本而進(jìn)行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，即稀土硅鐵合金(1#合金)“殲滅戰(zhàn)”，生產(chǎn)出的350噸合金很快銷(xiāo)售一空，為全國(guó)提供試驗(yàn)和生產(chǎn)稀土鋼、稀土鑄鐵之用([4]，頁(yè)9)。此外，據(jù)1965年包冶所的《稀土中間合金多品種殲滅戰(zhàn)工作總結(jié)》，取得三項(xiàng)科研成果：

(1)試制成功5個(gè)新品種，即低鈦稀土合金、高稀土合金、鎂稀土合金、鋁稀土合金、高鈣稀土合金，其中已有3個(gè)品種轉(zhuǎn)入工業(yè)生產(chǎn)。(2)精礦可以直接入爐。(3)精礦煉得的產(chǎn)品合金粉化嚴(yán)重。正在開(kāi)展防合金粉化的研究實(shí)驗(yàn)工作。([2]，頁(yè)22)

一廠試制成功投入實(shí)際生產(chǎn)的3個(gè)新產(chǎn)品：稀土低鈦合金即2#合金(RE 20%—25%，Ti 2%)；稀土高鈣合金即3#合金(RE 20%—25%，Ca 5%)；稀土硅鐵鎂合金即4#合金(RE 17%—20%，Mg7%—12%)，其中4#合金因廣泛用于球墨鑄鐵而一直大量生產(chǎn)([5]，頁(yè)207)。包冶所給一廠下達(dá)年度生產(chǎn)任務(wù)，稀土合金600噸([6]，頁(yè)18)，1965年實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到645噸([4]，頁(yè)9)。從數(shù)據(jù)上分析(表1)，該廠超額完成任務(wù)，達(dá)到建廠以來(lái)的最好水平。一廠在包冶所技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)下，新品種增加、生產(chǎn)效益顯著提升，生產(chǎn)及科研進(jìn)入新的發(fā)展階段。

表1 包鋼稀土一廠歷年主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽表

數(shù)據(jù)來(lái)源：包鋼稀土一廠檔案館.包鋼稀土一廠簡(jiǎn)志[B].稀土一廠廠志.1987:無(wú)頁(yè)碼.包頭鋼鐵公司檔案館，檔案號(hào)49- 1- 149．

一廠以高爐渣硅熱法制備稀土硅鐵合金科技成果獲1965年國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)([8]，頁(yè)100)。該成果比蘇聯(lián)早6年，比美國(guó)早9年，屬世界首創(chuàng)。包冶所將上述稀土硅鐵系列合金研究成果匯總整理后，提交了《關(guān)于稀土鎂合金工業(yè)性試驗(yàn)總結(jié)》《稀土硅鈣合金試驗(yàn)總結(jié)》《高稀土硅鐵合金的半工業(yè)性試驗(yàn)總結(jié)》和《稀土鋁合金的試驗(yàn)》等多篇技術(shù)報(bào)告，足見(jiàn)當(dāng)時(shí)我國(guó)的稀土硅鐵合金科研理論及生產(chǎn)技術(shù)均處于世界領(lǐng)先水平。

3 “硬件”建設(shè)及原料創(chuàng)新

3.1 “704- 65”及配套工程

隨著稀土合金在冶金、機(jī)械鑄業(yè)的推廣及民用市場(chǎng)的逐步打開(kāi)，需求量猛增，供不應(yīng)求。加之第二次“4·15”會(huì)議提出“擴(kuò)大稀土合金的品種，提高合金產(chǎn)量”[7]，1965年冶金部下發(fā)了(65)冶設(shè)字第2027號(hào)文件和(65)冶科字第2282號(hào)文件，決定擴(kuò)建一廠，達(dá)到年產(chǎn)稀土合金7000—8000噸的能力，即“704- 65”工程。具體包括([9]，頁(yè)187—188)：

1.將合金試驗(yàn)廠反射爐車(chē)間廠房延長(zhǎng)70米，在24米跨內(nèi)建設(shè)2臺(tái)5噸電弧爐(3)冶煉車(chē)間2#、3#電爐，試驗(yàn)車(chē)間挪至冶煉車(chē)間的5t爐即1#爐，后建不可傾動(dòng)的為4#爐沒(méi)過(guò)幾年拆除，這臺(tái)5t爐型號(hào)ДC- 5M(蘇制式)。據(jù)王立夫先生解釋?zhuān)?018- 8- 9。王立夫：生于1946年11月，1970年畢業(yè)于北京鋼院(現(xiàn)北京科技大學(xué))冶金專(zhuān)業(yè)，1970—2006年在包鋼稀土一廠工作，先后擔(dān)任過(guò)爐長(zhǎng)、車(chē)間主任、科長(zhǎng)、副總工程師等，曾榮獲國(guó)家專(zhuān)利兩項(xiàng)，環(huán)保部?jī)?yōu)秀論文證書(shū)。；

2.將廠內(nèi)原有的C- 5型電爐搬遷到反射爐車(chē)間；

3.在C- 5型電爐原有的位置上建設(shè)1座0.5噸小電爐，供試驗(yàn)使用。

1965年4月開(kāi)工新建兩臺(tái)5噸電弧爐，1966年3月竣工8月投產(chǎn)。1966年產(chǎn)鐵合金2886噸([5]，頁(yè)11)(表1)，從此一廠被列為正式生產(chǎn)廠。C- 5型電爐型搬遷工程，1968年9月完成，HGM- 0.5型電弧爐1969年建成?！?04- 65”工程前后4年完成，總投資為86萬(wàn)元。該工程投產(chǎn)后，生產(chǎn)能力大幅提高。為滿(mǎn)足冶煉合金所需的白灰量，1968年5月新建Ф2.3m×19m混料式石灰窯兩座，每座日產(chǎn)能力40噸，建設(shè)投資15萬(wàn)元；1969年在2號(hào)電爐北側(cè)，自行設(shè)計(jì)建造1臺(tái)5噸固定式電弧爐，投資14萬(wàn)元(1973年報(bào)廢拆除)；1970年完成冶煉車(chē)間稀土富渣高道及渣料槽工程，完善了冶煉車(chē)間兩條原料供給線(xiàn)，可貯料80噸，投資43萬(wàn)元[10]；以上為三項(xiàng)配套工程建設(shè)。

綜上所述，1965—1970年間，“704- 65”及配套工程順利完工。一廠新建生產(chǎn)設(shè)備電弧爐及配套設(shè)施白灰窯等，極大地提升了一廠的“硬件”生產(chǎn)能力，只是在生產(chǎn)技術(shù)尤其是原料及還原劑等“軟件”方面亟需創(chuàng)新。

3.2 改渣換料——開(kāi)辟“二流程”

一廠自1959年生產(chǎn)稀土硅鐵合金以來(lái)，都以包鋼高爐渣(含稀土氧化物6—8%)為原料，產(chǎn)品的稀土品位僅為17—25%，鈦含量2—4%([7]，頁(yè)37)。隨著科技的發(fā)展，高爐渣為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品已完全不能滿(mǎn)足用戶(hù)的新需求。此外，冶煉指標(biāo)差，如生產(chǎn)每噸合金渣耗8—10噸，稀土收率僅為40%左右，不僅產(chǎn)量和生產(chǎn)效率低，且產(chǎn)品價(jià)格昂貴，直接影響冶金和民用，為此迫切需要解決高品位稀土原料([9]，頁(yè)100)，故改變高爐渣更換原料即“改渣換料”的技術(shù)創(chuàng)新勢(shì)在必行。

1964—1965年間，包冶所與一廠積極進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)與科研合作，在5噸電爐上進(jìn)行了白云鄂博中貧礦脫鐵、脫磷制取稀土富渣，用以冶煉稀土硅鐵合金的試驗(yàn)。其中90%以上稀土富集在爐渣中，稀土品位10—15%([2]，頁(yè)22)。但由于電爐成本高又不宜大規(guī)模生產(chǎn)，所以還是嚴(yán)重制約著稀土硅鐵合金的生產(chǎn)發(fā)展。

1966年，包冶所技術(shù)科研人員經(jīng)刻苦鉆研后提出技術(shù)創(chuàng)新思路，打破了中貧鐵礦入高爐中不能順行和易發(fā)生爆炸的觀點(diǎn)([11]，頁(yè)235)，直接采用中貧礦(主要組分見(jiàn)表2)不經(jīng)選礦，直接入高爐，脫鐵、脫磷、除鈮后得稀土富渣(成份和結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3)和高磷含鈮生鐵，將富渣用于冶煉稀土合金。換言之，中貧礦在高爐中脫鐵脫磷后，稀土渣冶煉稀土合金，從鐵水中回收鈮、磷、錳等元素并已生產(chǎn)出鈮鐵、磷鐵、錳鐵，這一綜合利用工藝流程簡(jiǎn)稱(chēng)“二流程”([3]，頁(yè)100；[12]，頁(yè)38)。其中，技術(shù)創(chuàng)新有三點(diǎn)：一生產(chǎn)原料不經(jīng)選礦工藝流程直接入爐，省時(shí)省力，實(shí)現(xiàn)原料利用最大化；二采用生產(chǎn)設(shè)備為高爐而非電爐，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和提高生產(chǎn)效率；三稀土和鈮的回收率提高。

表2 中貧礦主要組分的平均含量([13]，頁(yè)264)

表3 稀土富渣的成分[13]

圖2 高爐生產(chǎn)稀土富渣的工藝流程示意圖[7]

中貧鐵礦的稀土元素是以氟碳鈰礦和獨(dú)居石的形式存在，礦石中稀土含量直接決定了富渣中的稀土含量。在高爐冶煉的過(guò)程中，鈮和磷進(jìn)入鐵中，而稀土礦物分解后以鈰鈣硅石形態(tài)進(jìn)入渣相(富渣礦相組成見(jiàn)表4)，這樣就實(shí)現(xiàn)了稀土的分離和富集，稀土富渣制備工藝流程如圖2(4)高爐生產(chǎn)稀土富渣的工藝流程示意圖中“煉鐵高爐渣”應(yīng)改為中貧礦(白云礦)，當(dāng)初生產(chǎn)時(shí)配加部分高爐渣，后改為以中貧礦為主。王立夫先生解釋2018- 8- 9。：

上圖中經(jīng)篩分流程進(jìn)入高爐中原料的具體組成及粒度要求見(jiàn)表5，爐中加入焦炭充分還原鈮、錳、鈦進(jìn)入鐵，石灰石不僅助熔且益于稀土提煉，還可使?fàn)t渣的全堿度(CaO/SiO2)達(dá)到2，提高爐渣的流動(dòng)性，減少了風(fēng)口、渣口破損。因爐渣含氟高(F>10%)，爐底和爐襯均以碳磚砌筑且爐腹用冷卻壁水冷，以增強(qiáng)爐襯抗侵蝕性。一般大高爐為保證鐵產(chǎn)量都采用人造富礦，渣中已基本不含稀土[13]。故中貧礦煉制稀土富渣選擇小高爐，通常生產(chǎn)中使用80或55立方米的高爐。包冶所、一廠、包鋼設(shè)計(jì)院共同合作，在該所0.4立方米高爐和上海鐵合金廠15.8立方米高爐試驗(yàn)基礎(chǔ)上，在包鋼稀土二廠55立方米高爐上進(jìn)行中貧礦脫鐵、脫磷試驗(yàn)，日產(chǎn)稀土富渣(稀土氧化物≧12%)100噸([12]，頁(yè)37—38)，從而保證了一廠正常生產(chǎn)。

表4 稀土富渣礦相組成[13]

表5 高爐原料的組成與粒度[11]

高爐冶煉中貧礦制備稀土富渣的工藝為我國(guó)獨(dú)創(chuàng)，由于富渣的稀土含量比高爐渣高2～3倍，1967年3月，冶金部和內(nèi)蒙古冶金廳決定包頭市東風(fēng)鋼鐵廠(圖3)用80立方米高爐定點(diǎn)生產(chǎn)稀土富渣(圖4)。該渣中稀土氧化物>12%，氧化錳<2%，堿度>1，年產(chǎn)稀土富渣20671噸([9]，頁(yè)100)。為一廠和其他稀土合金廠提供了絕大部分原料，使國(guó)內(nèi)稀土硅鐵合金增產(chǎn)至萬(wàn)噸以上。一廠全年累計(jì)生產(chǎn)合金5975噸，產(chǎn)品成本由1964年的4800元/噸降到2600元/噸([6]，頁(yè)210)。顯見(jiàn)，一廠改渣換料后，生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，更重要是改善了生產(chǎn)高品位稀土合金的原料條件，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，且增加了新品種，使我國(guó)稀土合金的生產(chǎn)步入新階段。

圖3 東風(fēng)鋼鋼鐵廠之夜[14]

圖4 生產(chǎn)稀土富渣的二號(hào)高爐正在進(jìn)行渣鐵分離

4 稀土鎂硅鐵合金的研發(fā)

4.1 低稀土鎂硅鐵合金(即6#合金)

一廠應(yīng)湖北省第二汽車(chē)制造廠、河南洛陽(yáng)第一拖拉機(jī)制造廠、南京汽車(chē)制造廠等單位的要求，自行研發(fā)稀土硅鐵合金新品種。一廠技術(shù)人員盧在漳、劉光銀成功研發(fā)出低稀土鎂硅鐵合金(即6#合金)(5)6#合金亦是一廠產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)主要是1#和4#(稀土鎂合金，RE18%)，為區(qū)別4#合金，將RE低于18%的，用戶(hù)大量需用的，稀土3#、5#、7#的鎂合金統(tǒng)稱(chēng)6#合金。其實(shí)皆是稀土鎂硅鐵合金。王立夫先生解釋2018- 7- 27。，采用稀土富渣、75硅鐵、石灰、金屬鎂為原料，在5噸電弧爐上大規(guī)模生產(chǎn)并推廣應(yīng)用。合金化學(xué)成份為RE 5—7%，Mg7—9%，Mg>RE，Si<45%，其余成份與4#合金近似[15]。其冶煉分兩步：先生產(chǎn)出相應(yīng)成分的稀土硅鐵合金，后進(jìn)行爐外配鎂(圖5(6)包頭稀土鋼鐵公司廠檔案館提供，樣片登記卡底片號(hào)：000529。圖中配鎂工藝就是電爐冶煉成稀土硅鐵沖配鎂錠。王立夫先生解釋2018- 7- 28。、圖6(7)包頭稀土鋼鐵公司廠檔案館提供，樣片登記卡底片號(hào)：004778。圖為中頻爐熔配鎂合金，把稀土、鎂、硅鐵、鐵屑廢鋼同時(shí)加入中頻爐熔配而成。王立夫先生解釋2018- 7- 28。)([12]，頁(yè)317)。

爐外配鎂最具技術(shù)含量，常用兩種方法：沖鎂法和壓鎂法。沖鎂法用合金液將鎂沖化后鑄錠；壓鎂法將鎂錠壓入合金液熔化后鑄錠，此法鎂的燒損率低且合金中氧化鎂夾雜少。配鎂合金的溫度很關(guān)鍵，1250～1280℃為最佳，既使鎂錠全部熔化，又確保配鎂后合金有良好的流動(dòng)性，同時(shí)鎂的燒損率也降到最低。不可超過(guò)1300℃，因合金溫度愈高，鎂燒損率愈大。此外，配鎂合金中Fe的含量也很關(guān)鍵，合金含鐵愈高，鎂燒損率愈大。因Mg與Fe不互溶，若Fe含量高則合金中游離Si優(yōu)先與Fe結(jié)合形成FeSi或FeSi2，就無(wú)充足的游離Si與Mg結(jié)合生成MgSi，則Mg不能壓入合金氣化而燒損大。再有，配鎂合金量也很關(guān)鍵，通常不少于1500kg，因合金量愈多熱容量愈大，配鎂后合金的溫差少，配鎂前的合金溫度可在低線(xiàn)，鎂的燒損率低。配鎂量可按合金含鎂范圍的中間值計(jì)算[13]：

式中：m—鎂錠量，kg；Mg—合金含量鎂的中間值，%；MgO—鎂的純度，如果純度大于99%，取MgO=1；q—以純鎂為基數(shù)鎂的燒損率，%；C—稀土硅鐵合金量，kg。

上式中鎂的燒損率q是經(jīng)驗(yàn)數(shù)，隨配鎂的條件改變。一廠生產(chǎn)的低稀土鎂硅鐵合金占總產(chǎn)量60%以上，由此逐漸延伸形成了完整的稀土鎂硅鐵系列合金，主要作為球化劑用于我國(guó)球鐵生產(chǎn)，對(duì)球鐵工業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

1967年8月10日，冶金部將一廠劃歸包鋼領(lǐng)導(dǎo)，1968年正式并入改稱(chēng)包鋼七○四廠。1969年9月又改稱(chēng)包鋼有色一廠，年產(chǎn)稀土合金4635噸，上繳利潤(rùn)59.24萬(wàn)元(見(jiàn)表6)。1970年稀土合金年產(chǎn)量已達(dá)8568噸，創(chuàng)歷史最高，總產(chǎn)值達(dá)1963.89萬(wàn)元，上繳利潤(rùn)208.7萬(wàn)元[4]。由上分析可知，隨著一廠裝備建設(shè)、冶煉工藝不斷完善，生產(chǎn)和管理水平的穩(wěn)步提升，保證了產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和效益不斷提高。尤其改渣換料后，生產(chǎn)效益在逐步好轉(zhuǎn)。盡管時(shí)處文革且一廠的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)屢有變更，廠名也在變換，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)和科研有很大干擾和影響，但一廠研制成功低稀土鎂硅鐵合金，科技創(chuàng)新還是在積極推動(dòng)著生產(chǎn)發(fā)展。

表6 包鋼稀土一廠歷年主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽表

續(xù)表6

數(shù)據(jù)來(lái)源：包鋼稀土一廠檔案館.包鋼稀土一廠簡(jiǎn)志[B].稀土一廠廠志.1987:無(wú)頁(yè)碼.包頭鋼鐵公司檔案館，檔案號(hào)49- 1- 149．

圖5 5噸電弧爐出合金后兌鎂[17]

圖6 稀土一廠鎂合金兌鎂[18]

4.2 低稀土鎂硅鐵合金(M6合金(8)所謂M6合金是一廠在1965—1975年期間，對(duì)應(yīng)自己產(chǎn)品排隊(duì)的排號(hào)，沒(méi)用幾年，搞企標(biāo)一行標(biāo)，最后歸入國(guó)標(biāo)，M6就已不用了。)

一廠在生產(chǎn)低稀土鎂硅鐵合金過(guò)程中，因鎂金屬價(jià)格高，為節(jié)約金屬鎂，努力尋求無(wú)鎂或低鎂的新型球化劑。1971年，一廠采用硅一步法以燒結(jié)白云石(CaCO3·MgCO3)、稀土富渣、75硅鐵、石灰為原料，在0.5噸電弧爐上冶煉低稀土鎂硅鐵合金。其優(yōu)點(diǎn)是以白云石為鎂的原料，這在鎂金屬短缺的情況下更有特殊的意義([12]，頁(yè)318)。由一廠技術(shù)員盧在漳、劉光銀研發(fā)并取得了初步成效，盧在漳為之命名，國(guó)內(nèi)稱(chēng)為M6合金。M6合金經(jīng)鄭州機(jī)械研究所、無(wú)錫柴油機(jī)廠等單位試用，認(rèn)可作球化劑、變質(zhì)劑、孕育劑，這也是一廠首次不用金屬鎂制取該合金的成功嘗試。新品種成功研發(fā)，年產(chǎn)稀土合金6142噸，完成工業(yè)總產(chǎn)值1436萬(wàn)噸，上繳利潤(rùn)84.9萬(wàn)元([5]，頁(yè)11)(見(jiàn)表6)。但一廠生產(chǎn)建設(shè)各項(xiàng)指標(biāo)較上一年(1970年)有所下滑，主要是“文革”大環(huán)境對(duì)生產(chǎn)及管理的影響所致。

4.3 低稀土鎂硅合金再創(chuàng)新

稀土球墨鑄鐵不斷推廣，低稀土鎂合金需用量增加，鎂合金才得以擴(kuò)大產(chǎn)量。1973年8月，稀土一廠利用簡(jiǎn)易400千伏安礦熱爐(圖8)，進(jìn)行了炭熱法直接生產(chǎn)低稀土鎂硅鐵合金的試驗(yàn)。以焦炭為還原劑，稀土富渣、硅石、鋼屑為原料(圖9)，再進(jìn)行爐外配鎂，制得低稀土鎂硅合金，其成分如下表所示。

表7 低稀土鎂硅合金組成表[15]

該合金生產(chǎn)工藝流程如下圖：

圖7 礦熱爐生產(chǎn)低稀土硅鐵鎂合金的工藝流程示意圖[7]

圖8 稀土一廠的礦熱爐(9)包頭稀土鋼鐵公司廠檔案館提供，樣片登記卡底片號(hào)：003611。

圖9 稀土一廠冶煉車(chē)間上料(10)包頭稀土鋼鐵公司廠檔案館提供，樣片登記卡底片號(hào)：002281。

400千伏安礦熱爐炭熱法冶煉稀土合金與硅熱法相比，省去單獨(dú)生產(chǎn)硅鐵合金工藝流程，其冶煉中產(chǎn)生FeSi主要階段的反應(yīng)為[11]：

Fe+SiC=FeSi+C C+SiO2=SiO↑+CO↑

此外，該工藝的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)(見(jiàn)表8)，在當(dāng)時(shí)完全可與硅熱法生產(chǎn)相媲美。不僅減少能耗、降低成本屬創(chuàng)新之舉，開(kāi)辟FeSi生產(chǎn)的新途徑更拓寬了合金的生產(chǎn)工藝。此工藝先后被大同鐵合金廠、安徽省蚌埠鐵合金廠等8家單位所采用。該科技成果由一廠技術(shù)人員盧在漳、段尚元完成，1977年10月獲得包鋼科技成果獎(jiǎng)。

盡管一廠在生產(chǎn)技術(shù)上不斷創(chuàng)新，畢竟時(shí)處“文革”，合金生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益極不穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)管理差，產(chǎn)量時(shí)高時(shí)低，產(chǎn)品質(zhì)量也不盡人意，給用戶(hù)造成很多困難。加之，合金推廣應(yīng)用和科研停滯，造成產(chǎn)品積壓資金周轉(zhuǎn)困難的被動(dòng)局面。將表9中一廠五年生產(chǎn)業(yè)績(jī)數(shù)據(jù)比較分析后，就更顯而易見(jiàn)。

表9 包鋼稀土一廠歷年主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽表

數(shù)據(jù)來(lái)源：包鋼稀土一廠檔案館.包鋼稀土一廠簡(jiǎn)志[B]. 稀土一廠廠志. 1987: 無(wú)頁(yè)碼. 包頭鋼鐵公司檔案館， 檔案號(hào)49- 1- 149．

5 稀土硅鐵系列合金的研發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新

5.1 硅鐵原料及配套建設(shè)

一廠冶煉合金初期，所用硅鐵來(lái)自吉林鐵合金廠，成本造價(jià)一直很高。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展對(duì)硅鐵需求量不斷增加，尤其是改渣換料后，3臺(tái)5噸電弧爐年產(chǎn)能力已達(dá)萬(wàn)噸，硅鐵年用量增到八千噸仍供不應(yīng)求。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)的實(shí)際需要，技術(shù)改造和工藝創(chuàng)新迫在眉睫。1971年冶金部下達(dá)(71)冶鋼字第155號(hào)文件，決定在一廠建設(shè)7座1800千伏安礦熱爐，設(shè)計(jì)規(guī)模為75硅鐵9600噸，設(shè)備總重400噸，總投資600萬(wàn)元([5]，頁(yè)11)。配套工程有1800千伏安礦熱爐車(chē)間，硅石原料間，50變電所等。施工期間，一廠經(jīng)公司批準(zhǔn)后自行設(shè)計(jì)新建一座合金破碎車(chē)間，屬技術(shù)改造項(xiàng)目。

如上所述，一廠自行設(shè)計(jì)建設(shè)硅鐵原料配套生產(chǎn)工程，主要為解決生產(chǎn)中的現(xiàn)實(shí)困難，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和工藝突破，工程建設(shè)就是生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的延伸，為生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新鋪路架橋。一廠生產(chǎn)硅鐵就是自給自足解決生產(chǎn)原料的實(shí)際問(wèn)題。

5.2 首產(chǎn)硅鐵

圖10 礦熱爐生產(chǎn)硅鐵工藝流程圖示[7]

1975年7月1日，一廠硅鐵車(chē)間1800千伏安礦熱爐部分投產(chǎn)，在礦熱爐中電能加熱爐料，由碳還原硅石中的硅，硅與鐵結(jié)合成硅鐵，年產(chǎn)硅鐵138.859噸(表10)，結(jié)束了包鋼不能生產(chǎn)硅鐵的歷史。其生產(chǎn)工藝流程如圖：

據(jù)表10中一廠年產(chǎn)量、利潤(rùn)等數(shù)據(jù)分析，1975—1977這三年間，一廠稀土、硅鐵合金年產(chǎn)量、總產(chǎn)值、利潤(rùn)都在逐年上升，經(jīng)濟(jì)效益在不斷好轉(zhuǎn)，主要原因是：首先，1975年國(guó)家召開(kāi)了“全國(guó)稀土推廣應(yīng)用會(huì)議”(即“8·25”會(huì)議)，會(huì)議重申了白云鄂博資源“以鐵為主，綜合利用”的方針，并成立了“全國(guó)稀土推廣應(yīng)用領(lǐng)導(dǎo)小組”，制訂了五年和十年規(guī)劃，推動(dòng)了稀土科研、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用工作；其次，1976年粉碎了“四人幫”，一廠生產(chǎn)管理逐步恢復(fù)正常；更重要的是，由于硅鐵實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)，大幅降低了生產(chǎn)成本，促進(jìn)了新產(chǎn)品的不斷研發(fā)。

表10 包鋼稀土一廠歷年主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽表

數(shù)據(jù)來(lái)源：包鋼稀土一廠檔案館. 包鋼稀土一廠簡(jiǎn)志[B]. 稀土一廠廠志. 1987: 無(wú)頁(yè)碼. 包頭鋼鐵公司檔案館， 檔案號(hào)49- 1- 149．

5.3 稀土鈣鎂鐵合金的研發(fā)

1977年下半年，一廠應(yīng)第一機(jī)械工業(yè)部稀土推廣應(yīng)用辦公室的要求，采用稀土爐渣、石灰、75硅鐵、金屬鎂為原料，在0.5噸電弧爐上研制成功稀土鈣鎂硅鐵合金。其化學(xué)成分為：RE 13—15%，Mg 3—5%，Si 46—48%，F(xiàn)e 18—21%，Mn<2%，Ti<12%[7]。經(jīng)廣東省湛江農(nóng)機(jī)廠應(yīng)用后，認(rèn)為不僅可做球化劑，還可做鑄鐵的蠕化劑。該科技項(xiàng)目由一廠技術(shù)員盧在漳完成，他撰寫(xiě)的《稀土鈣鎂合金的研制及其應(yīng)用》技術(shù)報(bào)告刊發(fā)于《包頭科技》，1980年獲包頭市科技成果獎(jiǎng)。

5.4 強(qiáng)化還原技術(shù)的創(chuàng)新

“攪拌”技術(shù)在冶金技術(shù)中稱(chēng)為“強(qiáng)化還原技術(shù)”，文中仍用“攪拌”代指。攪拌在稀土合金冶煉中有著非常特殊和重要的作用，攪拌可使還原劑硅鐵與被還原物質(zhì)稀土熔渣充分接觸，擴(kuò)大接觸面，增加反應(yīng)物質(zhì)的碰撞和生成物離開(kāi)機(jī)會(huì)，強(qiáng)化反應(yīng)，減少冶煉時(shí)間[11]。簡(jiǎn)言之，提高反應(yīng)速度、效率、有價(jià)元素收得率。

圖11 攪拌與合金中各元素的變化[13]

在稀土合金生產(chǎn)實(shí)踐中，攪拌的溫度很關(guān)鍵要恰到好處，通常在較低的還原溫度(1250—1300℃)，攪拌對(duì)反應(yīng)的作用并不明顯；在適中的還原溫度(1300—1350℃)，對(duì)爐液進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，能夠起到強(qiáng)化冶煉過(guò)程的作用。攪拌的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也很關(guān)鍵，要恰逢其時(shí)，爐料基本熔化后加入硅鐵約30分鐘，在硅鐵熔化的過(guò)程中反應(yīng)速度是相當(dāng)快的，如圖11所示。在此期間稀土含量幾乎接近出爐合金品位的一半，合金中鈣速增加后，因其參與還原稀土氧化物的反應(yīng)量銳減(圖11)。攪拌要逐步加強(qiáng)，尤其是還原期的最后時(shí)間內(nèi)，更需多次攪拌，稀土含量才能達(dá)到出爐合金品位的另一半。攪拌的力度更是關(guān)鍵要恰逢其量，以空氣攪拌為例，在冶煉過(guò)程中爐溫偏低時(shí)風(fēng)量可開(kāi)得較大，反之則風(fēng)量較小。量的臨界值：達(dá)到熔體沸騰但不跑爐(外溢)，攪拌可使反應(yīng)快速達(dá)到平衡。時(shí)間控制量：8—12分鐘。若平衡后仍繼續(xù)攪拌，合金中稀土品位就會(huì)降低。過(guò)猶不及的原因是：攪拌過(guò)度增加了合金暴露在空氣中的機(jī)會(huì)，反而使硅、稀土等元素氧化，即過(guò)攪Si濃度會(huì)降低，SiO2濃度則增加；一定的溫度下平衡常數(shù)為定值，故Si濃度降低必致使熔體中RE的濃度降低，而REXOY的濃度上升，最終造成稀土回收率降低，特別是堿度不高時(shí)，合金中稀土含量會(huì)降得更快，所以一定要掌握好攪拌的時(shí)間和次數(shù)。

一廠電弧爐生產(chǎn)稀土硅鐵合金初期，車(chē)間工人的攪拌操作勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。以1966年的生產(chǎn)實(shí)際情況為例，每爐裝7—8噸料，全部人工用鐵鍬由爐門(mén)加入，要求工人扔鍬的技術(shù)要高，以減少推料次數(shù)(指將未熔料推于爐心并破碎大塊凝固爐料加以攪拌)。在冶煉合金的還原期，需5—6個(gè)工人用30公斤重的長(zhǎng)柄鐵耙，齊力且快速在爐中往返攪動(dòng)，直到熔體沸騰。每爐需要5—8個(gè)鐵耙，每次攪動(dòng)約15—20分鐘，這就是“人工拖耙子攪拌”。由于勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，技術(shù)含量高，爐前工每班編制12人，而且班前后都需開(kāi)會(huì)布置和總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)工作。1967年8月，一廠將人工拌料進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。在反射爐試煉合金過(guò)程中，采用“蒸汽吹料”新技術(shù)，用蒸汽將堆在爐膛中的爐料吹散開(kāi)助熔，生產(chǎn)效率顯著提高。于是在5噸電弧爐冶煉稀土硅鐵合金還原期也借鑒蒸汽攪拌，擴(kuò)大和加速爐料界面的還原反應(yīng)，減輕了冶煉操作的勞動(dòng)強(qiáng)度。在生產(chǎn)實(shí)踐中的弊端是蒸汽易冷凝為水，有時(shí)會(huì)發(fā)生小爆炸。此外，通蒸汽的膠管因長(zhǎng)期受熱會(huì)變質(zhì)，與鐵管接頭處易破裂。再有，高溫蒸汽還易燙傷操作工人。盡管如此，因省力，仍小心謹(jǐn)慎地使用，但在技術(shù)上是急需改進(jìn)的。此后，經(jīng)不斷技術(shù)攻關(guān)，直至1971年，采用壓縮空氣代替了蒸汽。壓縮空氣攪拌技術(shù)不僅避免了小爆炸和燙傷事故，更是稀土合金生產(chǎn)工藝的重大創(chuàng)新。(1991年使用氮?dú)馊〈鷫嚎s空氣，成為攪拌操作工藝上的第三次技術(shù)改進(jìn)。)

6 結(jié)語(yǔ)

上世紀(jì)60年代，包鋼稀土一廠在“以鐵為主，綜合利用”的科技政策指導(dǎo)下加快建設(shè)，包頭冶金研究所率先打響“稀土硅鐵合金殲滅戰(zhàn)”，引領(lǐng)稀土一廠進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)新品種，經(jīng)濟(jì)效益猛增，科研、生產(chǎn)生龍活虎，別開(kāi)生面。但繼之而來(lái)的“文革”改變了這一發(fā)展勢(shì)頭。這段歷史的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)值得深入總結(jié)。

60年前，一廠擴(kuò)建不僅注重“硬件”設(shè)施，而且注重稀土合金技術(shù)的自主研發(fā)；不局限于試制稀土合金新品種，更有生產(chǎn)原料大膽的更新——精料入爐，技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)在設(shè)計(jì)新工藝、制造新品種。自力更生擴(kuò)建石灰窯，打破傳統(tǒng)思維模式，“改渣換料”，開(kāi)啟生產(chǎn)稀土富渣的新時(shí)代，建成還原劑硅鐵生產(chǎn)線(xiàn)并擴(kuò)大產(chǎn)量，不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和工藝突破，解決了生產(chǎn)中出現(xiàn)的一個(gè)又一個(gè)難題。所以說(shuō)，技術(shù)創(chuàng)新、更新生產(chǎn)原料是一個(gè)工廠興衰的命脈。當(dāng)然，為市場(chǎng)、為訂單而改進(jìn)技術(shù)同樣重要，為客戶(hù)的實(shí)際需求將原料推陳出新，也推動(dòng)了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。一廠的稀土鎂硅合金產(chǎn)量大增，得力于鑄造球墨鑄鐵產(chǎn)量的增長(zhǎng)，得到了用戶(hù)的好評(píng)。任何優(yōu)秀的產(chǎn)品都是升級(jí)換代的成果，在產(chǎn)品不斷的更新中造就技術(shù)創(chuàng)新的輝煌。

從當(dāng)年國(guó)際稀土產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平來(lái)看，包鋼稀土一廠已經(jīng)躋身世界前列。由于稀土資源稀缺，當(dāng)時(shí)許多重大應(yīng)用(特別是軍事應(yīng)用)尚未有足夠認(rèn)識(shí)，稀土生產(chǎn)尚處于起步階段，世界各國(guó)并未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)范，普及應(yīng)用不夠。包鋼工程師和廣大工人以他們的創(chuàng)新精神，依據(jù)自己僅有的條件，發(fā)揮科學(xué)精神，以打硬仗的姿態(tài)，土法上馬，土洋并舉，闖出了一條頗有成效的稀土之路。

概言之，包鋼稀土一廠從無(wú)到有、從小到大的成長(zhǎng)歷程，就是企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的艱辛發(fā)展史。正是由于技術(shù)的不斷創(chuàng)新，稀土合金成本遠(yuǎn)低于國(guó)外，不僅滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)及軍民的需要，更受到國(guó)外用戶(hù)的歡迎。上世紀(jì)60年代后期出口越南、美國(guó)，70—80年代在歐美、日本最受青睞。改革開(kāi)放后，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)稀土合金產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求更高、種類(lèi)更多、需求更大。據(jù)報(bào)道，美國(guó)唯一稀土企業(yè)MP材料公司CEO邁克爾·羅森塔爾今年8月下旬在臺(tái)灣說(shuō)：“目前我們的產(chǎn)品只是稀土‘礦’，還沒(méi)有辦法分離成稀土元素。我們九成以上的稀土礦都要送到中國(guó)大陸加工……”而一廠在1964—1977年間恢復(fù)生產(chǎn)和擴(kuò)建開(kāi)創(chuàng)了全新局面，為包鋼進(jìn)入稀土生產(chǎn)黃金期奠定了基礎(chǔ)，更為我國(guó)走向稀土大國(guó)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

致 謝本文的生產(chǎn)工藝及技術(shù)細(xì)節(jié)得到包鋼稀土一廠副總工程師王立夫先生的熱心指導(dǎo)和幫助，特此致謝!