低碳經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟促進金剛石行業(yè)高速發(fā)展①

方嘯虎，崔祥仁，溫簡杰，楊燁

（1.上海琦實超硬材料有限公司，上海201108；2.冶金地質(zhì)一局晶日金剛石有限公司，河北燕郊065201）

2009年我國產(chǎn)鋼5.8億噸、有色金屬2600多萬噸、黃金334噸，煤炭30余億噸，均雄居世界之冠。這足以說明礦產(chǎn)資源是工業(yè)的糧食，是國家經(jīng)濟建設(shè)與社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。為貫徹落實《國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)工作的決定》以及國務(wù)院副總理李克強關(guān)于立足國內(nèi)加強資源勘查的重要指示，總結(jié)交流近年來我國金屬和能源地質(zhì)成礦理論新進展，大力提高資源型礦山企業(yè)和能源資源的保證程度及利用程度，大力提高我國地質(zhì)工作水平是我國“十二五”計劃開好頭起好步極為重要的環(huán)節(jié)。

1 快速發(fā)展的中國超硬材料

進入21世紀(jì)，在我國集中多年經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，中國的超硬材料行業(yè)發(fā)展進入了快車道。

1.1 設(shè)備的大型化與程控化

1.1.1 設(shè)備的大型化

設(shè)備的大型化經(jīng)歷了四個主要歷史階段［1］：

（1）六面頂壓機擴大腔體以提高產(chǎn)品質(zhì)量的理念確立階段。這是上世紀(jì)70年代初─中期。國內(nèi)壓機以Φ230mm為主，開始認識到擴大腔體既可提高產(chǎn)量也可以提高質(zhì)量，奠定了壓機大型化是非走不可之路的決心。

（2）六面頂壓機大型化的思考階段。上世紀(jì)80年代中后期，經(jīng)歷了大型化的必然性與可行性的討論，從而進入了思考時期。如何才能進行更大腔體合成？其唯一的出路就是壓機大型化，同時對頂錘的質(zhì)量提出了更高的要求，所以設(shè)計并應(yīng)用好Φ280－300－320mm缸徑壓機成了這一階段的重中之重。

（3）六面頂壓機大型化的探索階段。上世紀(jì)90年代中期開始，探索階段應(yīng)該始于Φ360mm缸徑壓機的出現(xiàn)到Φ480mm缸徑壓機直至Φ500mm缸徑壓機的發(fā)展。這時對壓機缸徑的不少參數(shù)，包括壓機結(jié)構(gòu)、壓機受力狀態(tài)、頂錘、電源控制系統(tǒng)、管徑、液壓閥等都做了較為深入的思考、探索、攺進，為后續(xù)進一步大型化打下了堅實的基礎(chǔ)。

（4）六面頂壓機大型化的快速發(fā)展階段。在Φ500mm缸徑壓機設(shè)計出來以后，普遍認為它的穩(wěn)定期將要5年左右，后來實際花了2～2.5年就基本穩(wěn)定了。特別是近十年左右，更顯示出像上了“高速路”一樣，1到2年一個變化，跳躍式在前進！現(xiàn)在各企業(yè)在發(fā)展下一代缸徑壓機時，似乎都是“胸有成竹”。而且也確實一旦上馬，在半年或一年即基本穩(wěn)定，并馬上批量投入產(chǎn)業(yè)化。最近河南某企業(yè)Φ700mm缸徑壓機一上就是30臺，而且是當(dāng)年投入當(dāng)年穩(wěn)定，當(dāng)然這里還有的地方將會進一步攺進，但是它能夠很快穩(wěn)定！

這說明什么呢？這就充分說明中國的六面頂壓機，無論是硬件，還是軟件；無論是壓機的主機還是控制系統(tǒng)；無論是頂錘還是傳壓介質(zhì)塊等原輔材料；無論是腔體設(shè)計還是合成工藝都已經(jīng)逐步進入成熟階段！有的則整個的移植過來即可，如提純、選形、質(zhì)量分選、鑒定等等，如此，中國的金剛石工業(yè)發(fā)展將會很快！

1.1.2 設(shè)備的程控化

從某種意義上說，大型壓機高精度全自動微機電控及群控系統(tǒng)給了金剛石工藝設(shè)計工作者不少可操作空間，金剛石產(chǎn)量、質(zhì)量有所突破，“計算機智能控制”的硬件系統(tǒng)起了非常重要的作用。如某單位于Φ500mm缸徑壓機上合成高品質(zhì)金剛石的一個具體的工作曲線，是多段的，可自行設(shè)計的，它具有一定的“記憶”功能，這就給工藝的穩(wěn)定性創(chuàng)造了很好的條件。使產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量得以提高，這本身就是一個挖潛！

圖1 JY－21E，E1型高精度電控裝置Fig.1 JY－21E，E1 type high－precision electric control device

除此之外，控制方面新的產(chǎn)品見圖1所示。JY－21E，E1型電控系統(tǒng)的特點表現(xiàn)為：①20段壓力曲線，20段電流和溫度曲線；②實現(xiàn)恒電流、恒電壓、恒功率和恒溫度等多種方式控制；③升壓和保壓（恒壓）實現(xiàn)設(shè)定超壓速率控制超壓速度，實現(xiàn)恒壓保壓；④6缸活塞以數(shù)字化定位方式實現(xiàn)行程限位，充液超壓上下限及6缸頂錘實現(xiàn)微動變化定位；⑤存儲、查看、調(diào)用量大，擁有1000套工藝方案和1000組歷史數(shù)據(jù)記錄，擁有10000組合成塊歷史數(shù)據(jù)記錄和10000條事故和報警信息；⑥具有報表輸出打印功能；⑦30多項自動保護報警功能；⑧升壓和卸壓實現(xiàn)無級變速調(diào)節(jié)。

這些功能的設(shè)計大大提高了設(shè)備的挖潛能力，首先保證了用于高品質(zhì)聚晶、復(fù)合片的生產(chǎn)，同時也保證了一些特殊試驗和生產(chǎn)的要求，如單晶大顆粒等。

1.2 產(chǎn)品的系列化多樣化

中國在超硬材料的發(fā)展方面與國外有很大的區(qū)別，如用國產(chǎn)，且具有中國特色的六面頂壓機，生產(chǎn)的品種就包括了金剛石、立方氮化硼的單晶，聚晶，復(fù)合片等。圖2、圖3、圖4所示為本公司生產(chǎn)的金剛石、立方氮化硼和聚晶等；從粒度來說是全系列的，從20／30直至500／600，均可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。最近我國單晶大顆粒已經(jīng)有所突破，達到9～10mm，很快就會沖擊≥10mm的寶石級金剛石。

圖2 系列金剛石產(chǎn)品Fig.2 Diamond product series

圖3 琥珀色、黑色立方氮化硼Fig.3 Amber and black cubic boron nitride（CBN）

圖4 各種形狀的聚晶Fig.4 Various shape polycrystal

1.3 產(chǎn)量在全球的占有量絕對化

這方面不想贅述，早在上世紀(jì)90年代我國金剛石就占全球50%以上，最近幾年已經(jīng)占絕對的優(yōu)勢，據(jù)相關(guān)的人士稱已占全球90%～95%，而立方氮化硼也占全球55%～65%，這是非常可喜的，所以說具絕對優(yōu)勢。

本世紀(jì)初的幾年，每年是3～5億克拉的增長，而近幾年，每年是8～10億克拉的增長。更沒想到的是2009年我國金剛石總產(chǎn)量在50～55億克拉，而2011年我國金剛石總產(chǎn)量將達80億克拉左右，由于壓機的快速增加，生產(chǎn)能力已超過100億克拉。

1.4 質(zhì)量的先進性規(guī)范化

特別值得一提的是，進入21世紀(jì)，我國全面推廣了設(shè)備大型化、控制智能化、腔體擴大化、部件精細化、工藝科學(xué)化等中國發(fā)展超硬材料思路。使用了粉末觸媒、大壓機大腔體、間接加熱、燕尾式合成工藝等措施，使我國超硬材料質(zhì)量飛速提高，進入了一個嶄新的新階段。以前強度能夠保證在180～200N，就是相當(dāng)不錯的了，現(xiàn)在200～250N、250－300N已經(jīng)是常態(tài)，≥400N也可采取相應(yīng)的措施大批量供貨！正由于此，所以國際市場占有率全部打上“中國制造”已為時不遠了！我們從現(xiàn)在開始，再靠打強度來表示金剛石質(zhì)量的時期已經(jīng)過去，我們在描述金剛石質(zhì)量時必須有TI、TTI等新的標(biāo)注，同時我國已經(jīng)有了好的金剛石還有一個與國際市場接軌的問題，我們必須把其他國家的高品質(zhì)市場爭取過來！

2 低能耗低污染金剛石產(chǎn)業(yè)替代傳統(tǒng)磨料勢在必行

眾所周知，傳統(tǒng)磨料主要是剛玉系列：白剛玉、棕色剛玉等，碳化硅系列：綠色碳化硅、黑色碳化硅等。這些產(chǎn)品在金剛石、立方氮化硼沒有發(fā)明前，的確具有不可替代的作用，但時至今日卻發(fā)生了根本性的變化，我們從以下幾個方面來說明。

2.1 金剛石行業(yè)具循環(huán)經(jīng)濟，可再生經(jīng)濟特色

首先普通磨料是不可再生的。而金剛石的成分是碳，碳在自然界是極其豐富的，碳本身就是一個循環(huán)產(chǎn)物，形成了產(chǎn)物鏈，這是以Al、Si為原材料無法比擬的。

同時，金剛石在整個生產(chǎn)過程中，大量都可回收重新利用。如頂錘：大塊的可切割繼續(xù)做刀具，小塊可電解回收W、Co，重復(fù)使用；觸媒：很早就采取電解的技術(shù)，一方面減少污染，一方面回收Ni、Mn、Co金屬，最近采用Fe基觸媒后，新的工藝干脆就直接把它制成金剛石制品的粉末結(jié)合劑；石墨也有人在回收。可以這么說：沒有一項工業(yè)可如此回收，如此利用，應(yīng)該說金剛石行業(yè)是循環(huán)經(jīng)濟、可再生經(jīng)濟最典型的行業(yè)！

2.2 金剛石行業(yè)具低能耗特性

我們說普通磨料是高能耗產(chǎn)業(yè)，具體來說：生產(chǎn)一萬噸碳化硅一般需9000萬k W電，生產(chǎn)一萬噸剛玉一般需1600萬k W電，耗能是相當(dāng)高的。假如說用一億克拉金剛石替代一萬噸普通磨料，在功能上是完全可以相當(dāng)?shù)模芎膬H需≤350萬k W電，兩者相差數(shù)倍至數(shù)十倍。同時還有運輸流、倉儲流等，則更顯示出全面發(fā)展金剛石的重要性。

2.3 金剛石行業(yè)完全可替代傳統(tǒng)磨料業(yè)

從前普通磨料性價比的優(yōu)勢，現(xiàn)在已蕩然無存。當(dāng)時金剛石，普通的RVD要幾十元一克拉，后來逐步降為幾元一克拉，近幾年又進一步降為一角、兩角一克拉，一克拉高品質(zhì)的金剛石也僅1～2元或2～3元，這種價位的金剛石真是可以任意使用了。在上世紀(jì)70年代一片Φ300mm金剛石砂輪需買一臺磨床的價值，自然視為高檔產(chǎn)品；而現(xiàn)在一片同樣直徑的砂輪僅數(shù)百元，而一臺磨床少則數(shù)萬，精密磨床可達數(shù)十萬。相比之下，金剛石已經(jīng)不再是高貴的磨料了，已經(jīng)進入“百姓家”，成為耐用而且價廉物美的好磨料！

3 工程性超硬材料為低碳經(jīng)濟的能源經(jīng)濟服務(wù)

所謂工程性超硬材料就是充分利用金剛石或聚晶、復(fù)合片的強度、硬度、耐磨度等機械性能，把它用于開發(fā)能源。中國的能源消費結(jié)構(gòu)與世界能源消費結(jié)構(gòu)有很大不同。2006年，世界能源消耗構(gòu)成中，原油、天然氣和煤炭三大能源各占30%左右，其中原油占36.8%，天然氣占23.7%，煤炭占27.2%，水電占6.2%，核電占6.1%。而在中國的能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭占據(jù)了主導(dǎo)地位，所占比重為67.7%，石油為22.7%，水電、核電、風(fēng)能、太陽能為7%，天然氣所占比重僅為2.6%，其它能源比例則更少。

我國必須盡快改變這種能源消費的模式，特別是要把消耗可以作為重要化工原料的煤炭從根本上攺變過來。今后的重點將在發(fā)展水能、地?zé)崮堋L(fēng)能、生物質(zhì)能和太陽能等低碳可再生能源方面。2010年可再生能源已占能源耗費總量的10%以上，到2020年這一比例將提高到16%以上，甚至到20%以上。發(fā)改委指出：“無論石油、煤炭等傳統(tǒng)能源價格如何變化，我國都要大力發(fā)展可再生能源。”有的低碳可再生能源與金剛石無關(guān)，現(xiàn)就有關(guān)的方面作一簡單的闡述。

3.1 水電工程應(yīng)用金剛石鉆探

我國是水電資源相當(dāng)豐富的國家，特別是西部和西南部，據(jù)查水能資源理論蘊藏量為6.89億k W，居世界第一位。根據(jù)規(guī)劃：將對主要河流進行開發(fā)形成若干個大型水電基地，2010年達到1.9億k W，2020年將達到3億k W。據(jù)業(yè)內(nèi)專家指出，這將意味著達到水資源的50%左右，也是全國電力裝機量的30%。

水電建設(shè)的早期離不開水文地質(zhì)勘探、離不開電站的選址；在水電建設(shè)中離不開水壩兩側(cè)的帷幕灌漿，所以高速的水電建設(shè)，金剛石將會發(fā)揮極為重要的作用。

3.2 天然氣廣泛開發(fā)利用

眾所周知，天然氣都是埋藏在地下，經(jīng)常是與石油相共生的。國外天然氣占總能源的23.7%，而我國僅占2.6%，相差幾乎為9～10倍。所以在國內(nèi)找石油的同時，必須綜合勘探天然氣。

我國的石油目前集中在東北、西北、山東等幾個基地外。更多的集中在海洋，有專家稱海上石油和天然氣約占70%，特別是中國南海，越南目前基本在中國海域采油、采氣，所以我們必須加強國防力量來保證中國自有能源的需求。金剛石單晶和聚晶是石油和天然氣采掘制作工器具的重要原材料。

3.3 地?zé)崮茉吹木C合開發(fā)利用

地?zé)豳Y源是非常重要的低碳可再生能源之一，它依靠地下源源不斷的地?zé)崮苡杉訜岬牡叵滤粩嗵峁┙o人們使用，地?zé)嵴嬲侨≈槐M，用之不竭的能源。以往只是在幾個溫泉點能夠加以利用。經(jīng)過初步的勘察，我國地?zé)豳Y源分布范圍很廣，都可以加以利用。北京市東就有很好的地?zé)崮堋Ｔ偃缥鞑氐难虬司褪琴Y源非常豐富的產(chǎn)地，地?zé)豳Y源在西藏很多地方已經(jīng)得到充分利用。

羊八井建有羊八井地?zé)犭娬荆侵袊畲蟮牡責(zé)崮馨l(fā)電站，位于西藏自治區(qū)當(dāng)雄縣境內(nèi)。羊八井海拔4306米，其地?zé)崽镌诘叵律?00米，地?zé)嵴羝麥囟雀哌_172℃。電站自1977年第一臺機組投入運行，到1986年裝機容量達1.3萬k W。由5眼地?zé)峋┧瑔尉a(chǎn)量為75～160立方米／小時，水溫為145℃～170℃。每年二、三季度水量豐富時靠水力發(fā)電，一、四季度靠水熱發(fā)電，能源互補。自1977年9月建成試驗發(fā)電以來，目前裝機容量已達25.15MW，占拉薩電網(wǎng)總裝機容量的41.5%，在冬季枯水季節(jié)，地?zé)岚l(fā)電出力占拉薩電網(wǎng)的60.0%，成為其電網(wǎng)主力之一。

3.4 海洋“可燃冰”綜合開發(fā)利用

可燃冰是極為重要的低碳能源，是天然氣水合物的俗稱。是近20年來在海洋和凍土帶發(fā)現(xiàn)的新型潔凈能源，可以作為傳統(tǒng)能源如石油、煤炭等的替代品。據(jù)估算，世界上可燃冰所含有機碳的總資源量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣的2倍。

我國從1999年起開始對可燃冰開展實質(zhì)性的調(diào)查和研究。經(jīng)國家正式批準(zhǔn)，從2002年起正式啟動了對我國海域可燃冰資源調(diào)查與研究專項研究。該專項下設(shè)4個項目，其中包括我國海域可燃冰資源調(diào)查與評價、勘探開發(fā)技術(shù)、環(huán)境效應(yīng)等。項目由國土資源部負責(zé)，中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施，國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、青島海洋地質(zhì)研究所、國家海洋局負責(zé)承擔(dān)。近10年來，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局作為項目具體執(zhí)行單位，在南海北部陸坡區(qū)特別是西沙海槽、神狐、東沙及瓊東南4個海域，有重點、分層次地開展了可燃冰資源調(diào)查與評價工作。證實了我國南海存在可燃冰資源。2007年4月～6月，租用外國鉆探船在神狐海域?qū)嵤┝算@探工程，成功獲取了可燃冰實物樣品。這使我國成為繼美國、日本、印度之后的第4個通過國家級研發(fā)計劃在海底鉆探獲得可燃冰實物樣品的國家。今后金剛石工具將是可燃冰鉆采的最重要的利器。

4 工程性超硬材料是資源性礦產(chǎn)資源的根本

工程性超硬材料除開發(fā)能源外，還可把它用于開發(fā)固體礦產(chǎn)資源方面。

固體性礦產(chǎn)資源本應(yīng)該指黑色金屬礦產(chǎn)、有色金屬礦產(chǎn)，當(dāng)然也包括核能礦產(chǎn)。但由于前兩者與低碳經(jīng)濟關(guān)系略微遠了點，只是提煉或提取時要多考慮節(jié)能工作，它遠不及核能資源來得直接。

核能由于它不排碳（核能廢料將可深埋），所以也應(yīng)該屬低碳經(jīng)濟范疇。核能仍然是全球各國爭相發(fā)展的能源之一。要發(fā)展核能，那么從勘探到開采都離不開金剛石工具，所以在冶金、有色大力發(fā)展小口徑鉆探時，核工業(yè)系統(tǒng)也同樣受到高度重視，在全國發(fā)展了一批金剛石及其鉆頭生產(chǎn)的企業(yè)。

5 功能性金剛石為光伏能源，提高低碳能源服務(wù)

下面再談?wù)劰δ苄越饎偸暗吞冀?jīng)濟問題。金剛石除了利用其強度、硬度、耐磨度等性能外，它的絕緣性、導(dǎo)熱性、折光性、半導(dǎo)體性等等都具材料類無可比擬的優(yōu)勢。這里就涉及光伏作用。

所謂“光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”，英文名稱：Photovoltaic effect。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。這實際上是把光─電有機地結(jié)合到一起了！這項工程在產(chǎn)業(yè)化方面有著極大的意義，眾所周知：自2006年以來全球及中國領(lǐng)導(dǎo)人，包括胡錦濤、溫家寶在不同的國內(nèi)外會議上都反復(fù)強調(diào)節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟的問題。2007年7月，溫家寶總理在兩天時間里先后主持召開國家應(yīng)對氣候變化及節(jié)能減排工作領(lǐng)導(dǎo)小組第一次會議和國務(wù)院會議，研究部署應(yīng)對氣候變化工作，組織落實節(jié)能減排（低碳）工作。2007年9月8日，中國國家主席胡錦濤在亞太經(jīng)合組織（APEC）第15次領(lǐng)導(dǎo)人會議上，本著對人類、對未來的高度負責(zé)態(tài)度，對事關(guān)中國人民、亞太地區(qū)人民乃至全世界人民福祉的大事，鄭重提出了四項建議，明確主張“發(fā)展低碳經(jīng)濟”，令世人矚目。他在這次重要講話中，一共說了4回“碳”：“發(fā)展低碳經(jīng)濟”、研發(fā)和推廣“低碳能源技術(shù)”“增加碳匯”“促進碳吸收技術(shù)發(fā)展”等等。那么“光伏效應(yīng)”正是解決這些問題的重中之重，只是以前在單晶硅方面著眼考慮問題。金剛石具有高的電子、空穴遷移率，高的擊穿電壓，高的熱傳導(dǎo)率，摻雜可半導(dǎo)體化，是一種很有希望的高溫半導(dǎo)體材料，不斷有已經(jīng)制成了n型半導(dǎo)體或是p—n結(jié)的報道。特別是最近一位80后的中國小伙子，報道稱：他研究的是金剛石在可再生能源方面課題，該課題是當(dāng)今世界最前沿的科研項目，已獲得了歐盟國家科研成果最高成果獎項之一的“瑪麗.居里獎”，并被歐盟國家列為“絕密”。我們預(yù)計它將在金剛石半導(dǎo)體方面也有所突破，一旦如此，它的效果自然比單晶硅要強得多，今后金剛石在這方面的應(yīng)用前景是無法估量的，它的商業(yè)價值也將是巨大的。

發(fā)展太陽能是我國將在經(jīng)濟較發(fā)達、現(xiàn)代化水平較高的大中型城市建設(shè)并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電設(shè)施。我國將在西北地區(qū)建設(shè)幾個較大規(guī)模的太陽能光伏發(fā)電基地和太陽能示范項目，要充分利用西北地區(qū)的荒地、沙漠和戈壁。根據(jù)規(guī)劃，2010年太陽能發(fā)電達到30萬k W，太陽能熱水器總集熱面積1.5億平方米；2020年太陽能發(fā)電達到180萬k W，集熱面積達到3億平方米。這些目標(biāo)通過努力能夠?qū)崿F(xiàn)，這對金剛石產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無疑也有重要支撐作用。

6 結(jié)論——金剛石的未來

我國經(jīng)濟在“十二五”期間仍然會穩(wěn)健而高速的發(fā)展。我們從低碳經(jīng)濟出發(fā)，無論是替代原來的普通磨料，還是利用它作為鉆探開發(fā)；無論是工程性利用，還是功能性利用。金剛石將會以它的優(yōu)越性能，發(fā)揮著越來越重要的作用。低碳經(jīng)濟是我國的國策，金剛石也會為實現(xiàn)我國的國策作出突出的貢獻！目前我國金剛石產(chǎn)量已經(jīng)達到80億克拉，由于國家對它在國民經(jīng)濟中認識的提高，將不會對它進行限產(chǎn)，而且在不久的將來還會成倍的增長，200億克拉將是指日可待的！金剛石行業(yè)將永遠是陽光行業(yè)！

［1］ 方嘯虎.中國超硬材料新技術(shù)與進展［M］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.12.

［2］ 方嘯虎，等.現(xiàn)代超硬材料與制品［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2011：6－9.