 小火箭出品 本文作者：邢强博士 本文共4691字，49图。预计阅读时间：45分钟。 本文是小火箭的《铌：火箭导弹与飞机发动机的关键材料》一文的补篇。主要和大家继续对铌这种以泪水女神命名的金属进行探讨，并围绕中国和中国的航空航天产业进行。 杰克·凯鲁亚克在《在路上》里面有这样一句话：我总是惊讶地发现，我是不假思索地上路的。出发的感觉太好了，世界突然充满了可能性。
在回顾了铌的曲折身世和感慨于西班牙女王将自己的首饰摘下递给哥伦布的瞬间之后，我们分析了铌在航空发动机和火箭发动机上的巨大作用。 现在，我们再次出发，去试着了解中国的铌和铌在中国的应用吧！ 第一 说起铌资源的蕴藏量，巴西是全世界当之无愧的第一。 铌在地壳中的含量为百万分之二十，在所有元素中排名第33位。 而铌的分布情况比较有趣，铌矿主要以烧绿石的形态出现： 90%以上的铌矿探明储量在巴西，另有7%的铌矿在加拿大，世界上其他国家和地区的总蕴藏量加起来只占3%。 而说起铌资源的消费量，世界上还没有哪个国家能够超过中国。 全世界对铌资源的使用，有80%集中在含铌钢材领域。我国在1993年的钢材产量就达到了8868万吨，之后更是扶摇直上，稳居全球第一产钢大国的交椅。 从上世纪90年代中期到2018年，中国的钢铁产能稳步发展，而高端钢材的产能情况更是进步喜人。 要知道，在1993年，当全球的含铌钢材产量为4000吨的时候，中国的铌钢产量才102吨，仅占全球的2.55%。 而如今，中国的铌钢产量早已突破5000万吨！超过了其他所有国家和地区的铌钢产量的总和。 中国含铌钢材的种类从上世纪90年代模仿和跟随西方国家的18种扩充为了现在的200多种，并形成了自己较为完备的体系。 钢铁中仅需加入0.03%的铌，就可以让强度提升30%以上。通常，中碳钢的屈服强度为250MPa，而加入很少的铌之后，屈服强度可以提升为350MPa以上。 高速铁路和大型舰船的建设，都离不开铌钢。 有关中国高性能铌钢和其他高性能钢材的发展情况，我们实际上能够从4座长江大桥上看出一些端倪。 1955年9月1日，武汉长江大桥开始建设。刚刚成立不久的新中国，还没有完备的工业体系。 武汉长江大桥建设过程中所需的1.2万吨高性能钢材全部是从苏联进口的。实际上，武汉长江大桥上数以万计的螺丝钉也是进口的。
到1960年，我国建设南京长江大桥的时候，已经能够自己供应一半的钢材了。 不过，另一半高性能钢材依然依赖进口。
上图为1995年6月建成通车的武汉长江二桥。她是一座钢筋混凝土斜拉桥。全桥长4407.6米，正桥长1876米，主跨400米，桥面宽度29.4米。 此时，我国的铌钢产业已经开始抬头。对进口钢材的依赖程度进一步降低。
这是2000年9月30日建成通车的芜湖长江大桥。这座大桥所用的14锰铌钢是我国自行研制的高性能钢材，性能优于德国和日本的同类材料。 这座长江大桥所有的所有钢材都是国产的，由此仅从含铌钢材这一项就节省了至少1.1亿元的成本。 这是中国的含铌钢铁产业向国家交付的一张漂亮答卷。 进口 按规划，中国将辅设国内输油管线 7540公里，输气管线超过 14580公里。出于防腐蚀等考虑，油气管线用钢也多为铌钢。仅这一项就需要509万吨铌钢。 另外我国建设的4条国际输气管线也需要511万吨铌钢。
从桥梁建设的角度来看，全世界已建成的跨度超过400米的超级斜拉桥有114座，其中在中国的有59座，占51.8%； 全世界已建成的跨度超过400米的超级悬索桥有109座，其中在中国的有34座，占31.2%。 全世界计划建设的跨度超过400米的超级斜拉桥有49座，其中在中国的有39座，占79.6%； 全世界计划建设的跨度超过400米的超级悬索桥有37座，其中在中国的有29座，占78.4%。 这真的可以说，厉害了！ 管线、大型船舶、铁路和桥梁对铌资源的海量需求，让中国一跃成为了世界第一大铌资源净进口国。 2006年，对于中国的铌产业来说，是个有里程碑意义的一年。 这一年，中国进口铌铁1.187万吨。超过了美国的1.179万吨，中国也就成为了世界上最大的铌消费国和铌进口国。 这1.187万吨铌铁，有1.090万吨来自巴西（占91.8%）。 另有900多吨来自加拿大，54.5吨来自荷兰，6.5吨来自德国，5吨来自日本。 航空 中国对铌的研究可以追溯到上世纪50年代。在1956年，中国的有色金属工程师用碳热还原法制成了铌烧结条。 4年后，在上世纪60年代，中国掌握了用铝热还原法制取高纯铌铁的技术。
在这个时代，包头钢铁厂和唐山钢铁厂开始尝试制备铌钢。宁夏和株洲的铌冶炼产业的萌芽和崛起为中国的铌工业提供了坚实的物质基础。 1962年，中国的第一根铌丝出厂。1963年，中国的第一块轧制铌板问世。紧接着，中国就启动了铌超导合金和铌75号合金研制的攻关。
公元1961年3月30日，中苏双方在莫斯科签订《关于给予中国带有К-13导弹的米格-21Ф型飞机的生产许可权、技术资料和关于生产带有К-13导弹的米格-21Ф型飞机方面给予中国技术援助的协定》。 协议规定，苏联在不附加任何条件的情况下，向中国颁发米格-21F-13战斗机、R-11F-300涡轮喷气发动机、К-13空对空导弹的生产许可证。
也就是说，自1961年开始，苏联方面提供技术、图纸和零件，准备在中国国内制造米格-21F-13战斗机。 不久，1架米格-21F-13的整机，2台图曼斯基设计局的R-11F涡轮喷气发动机来到中国。 一并前来的，还有可供组装为15架米格-21F战斗机的散件。
图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机是苏联首款轴流式双转子涡喷发动机，拥有令当时全世界工程师惊慕的压气机设计。 随着苏-15战斗机的列装和米格-21/歼-7系列战斗机的巨大成功，该型发动机的产量达到了令人咋舌和赞叹的20900台！ 而对图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机的仿制则正式开启了中国在含铌镍基高温合金领域的发展之路。
按图曼斯基设计局的设计，R-11涡喷发动机为双转子结构，拥有6级压气机和2级涡轮。低压压气机的转子轴从高压转子轴的内侧穿过。
图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机的燃烧室火焰筒采用气膜冷却，内壁和外壁都有一层专门的高温陶瓷。 图曼斯基设计局的R-11涡喷发动机的涡轮前温度达到了955℃。这在当时对我国加工工艺学和材料学的挑战是巨大的。 我国在仿制的过程中，铌产业刚刚起步，在1965年，有关铌合金的研究都还比较少，更何况大量生产了。因此，早期中国仿制的R-11涡喷发动机的高温合金毛坯材料全部从苏联进口。 但是，工程师们很快就发现，苏联毛坯材料的锻造晶粒太大，材料容易出现裂纹。在我国当时的机械加工水平条件下，生产涡喷发动机涡轮叶片的废品率高达52%。
于是，在1965年，我国发动大量科研部门，采用工业部门和高校相互合作的方式，硬是研制出了中国的高温合金GH46，一举解决了涡轮叶片的问题。 另外，我国工程师还摸索出了更加适合高温材料的一套加工工艺，摆脱了对繁杂切削工艺的依赖。 在仿制图曼斯基设计局R-11涡喷发动机的过程中，中国研制出了26种高温合金和高温涂层材料，创制了46项新的加工工艺。 在缺乏苏联后续支持的情况下，中国工程师用7个月研制了发动机试车台。
在试车过程中，中国工程师发现了图曼斯基设计局R-11发动机压气机叶片的颤振现象。通过大量计算和测试，决定将1级压气机的叶片数量从31片减少为24片。 在后来的试车中，工程师又发现了易停车的现象。经分析，是某轴承在高温情况下出现了抱轴的现象。 在齐齐哈尔炼钢厂和其他科研院所的合作下，一种专门用于航空发动机轴承的高温合金GH33A诞生。 由此，中国的高温合金开始逐渐形成体系。 中国变形高温合金，用GH（高温合金的汉语拼音Gao wen He jin的缩写）后面跟阿拉伯数字来表示。第一位是1，表示是铁基固溶强化高温合金；第一位是2，表示是铁基时效强化高温合金；第一位是3，表示为镍基固溶强化高温合金。第一位是4，表示为镍基时效强化高温合金。
而有关当年的米格-21战斗机项目之后的故事，大家就都比较清楚了。 航天 1978年，中国工程师为某型火箭发动机专门攻关研制的火箭发动机喷管喉衬材料取得重大突破。其样品在地面点火试车中表现喜人。 如今，中国国产GH738、GH909、GH4169,、GH690、GH145、GH4199等高温合金能够用在飞机发动机和火箭发动机的很多零部件上。 锻制的GH4169合金用来制造发动机盘件、环件、轴件、紧固件和板材，甚至整个机匣。 中国的GH4169含铌镍基高温合金与美国的Inconel718超级合金和法国的NC19FeNb超级合金性能相当。
有关Inconel718超级合金详见小火箭的公号文章《小火箭 | 铌：火箭导弹与飞机发动机的关键材料》。
公元2018年春节前后，中国的蓝箭空间科技发力了。 中国首台由民营企业研制的液氧甲烷火箭发动机连续进行了3次点火。 10吨级缩比推力室的成功点火标志着这款代表中国商业航天企业技术实力的中国火箭发动机向着整机热试车迈出了坚实的一步。 上图为该型发动机推力室的第一次点火。
这是该发动机推力的第2次点火。
这是蓝箭火箭发动机推力室的第3次点火。 通过这3次点火，蓝箭液氧甲烷发动机的针栓喷注器的阻塞比、越程比、动量比等设计参数得到了验证。
在推力室魅惑绚丽的火焰背后，是中国工程师的强大设计能力，同时也有着中国含铌镍基高温合金产业的巨大支持。 蓝箭这款发动机大量应用了GH4169含铌镍基高温合金。这种与美国的Inconel718超级合金和法国的NC19FeNb超级合金性能相当的高温合金为整台火箭发动机的优异性能提供了保障。 中国商业航天产业的崛起，离不开资本和技术的推动，更离不开从废墟中站起来，励精图治，终于拥有了完备的工业基础和世界领先的研发实力的我们的祖国！ 布局 我国的铌资源与钽资源或者稀土资源紧密地结合在了一起。
中国的铌矿，值得特别提一下的就是内蒙古包头的白云鄂博矿、内蒙古扎鲁特旗的花岗岩型铌矿（业内人通常说的801矿）、湖北竹山庙钽铌矿还有江西宜春的钽铌矿（业内人称作414矿）。
这是小火箭好友提供的中国内蒙古白云鄂博钽铌矿矿区的卫星照片。 如果说巴西占有了全球90%的铌资源，从这个角度看，在全球得天独厚的话，那么内蒙古的白云鄂博就在中国独占鳌头了。
白云鄂博的探明铌储量占全国的70%，而稀土储量更是占了全国的90%以上。 按五氧化二铌来计算，内蒙古白云鄂博铁矿有90.9万吨的储量，内蒙古白云鄂博都拉哈拉矿的储量为70.0万吨。 但是，可惜的是，我国的铌矿的品位大多比较低。刚刚提到的两座大矿，前者的品位仅0.12%，后者的品位也仅为0.15%。 我国铌矿的品位仅仅比判定是否开采的临界值多一点点。小火箭举3个例子，以便对比： 巴西A铌矿：储量1493.4万吨，品位3.12%； 朝鲜铌矿：储量45万吨，品位0.83%； 加拿大N铌矿：储量31.44万吨，品位0.61%。 也就是说，我国的大宝库白云鄂博的单个大矿的储量，只有巴西单个矿的16.4分之一，品位更是只有巴西的26分之一。 品位的差距使得我国铌矿的开采成本远高于进口，这也是我国近几年来大量依赖从巴西进口铌资源的原因。
江西宜春414矿探明的铌资源也是数万吨量级的。
在这里，小火箭顺便说一下矿名编号的来由：宜春矿床是江西冶金地质勘探公司612队在1968年底发现的。 1969年4月14日，化验检验的正式报告完成，确定这里有铌。为了纪念这个日子，该矿就得名414矿了。 江西横峰的巨大发现振奋人心，这里或许会成为亚洲最大的钽铌矿，潜在经济价值超过500亿元，这是后话了。勘探和矿产领域的小火箭好友可以指正和补充。 在这里，小火箭向所有奋斗在勘探第一线的工程师和科学家们致敬！ 湖北的特大型铌矿有着93万吨的巨大储量，这也是一个让大家心安的数据。
为了进一步确保铌这种战略资源的供应安全，我国早已进行了全球布局。
2011年，由中信、宝钢、鞍钢、首钢和太钢联合成立的中国铌业投资控股有限公司，出资19.5亿美元，收购了巴西矿冶公司 15%的股权。 巴西矿冶公司是全球最大的铌矿企业，手里握有巴西储量最丰富和品味最高的铌矿资源。
而像非洲的乌干达、莫桑比克等国，虽然铌的储量不如巴西那样巨大，但是因为尚未被彻底商业化开发，的确拥有进行提前布局的价值。 有关铌的故事，小火箭完成了这篇补篇，以中国的用量、发展、储量为经，以中国的航空发动机、火箭发动机和全球布局为纬，和大家一起进行了探讨。 本文开头，小火箭提到了杰克·凯鲁亚克的《在路上》。 文末，小火箭再用他的一段话来结束本文吧！ “我一辈子都喜欢让我感觉有兴趣的人。因为在我的心目中，真正的人都是疯疯癫癫的。他们热爱生活，爱聊天，不露锋芒，希望拥有一切。他们从不疲倦，从不讲那些平凡的东西。” |
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