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有哪些普通人很少听说,但在生活中很重要的化学元素?

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中国科普博览,我们科学家有话说
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提名“镍”。

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图:镍在最新版元素周期表中的位置

在中国西部的河西走廊,传承了两千年的“河西四郡”,已经扩增为现在的“河西五地市”。新增加的甘肃省金昌市,是因为金属元素——镍(符号 Ni)的矿藏开发而设立,被称为中国的“镍都”,并进入了地理课本。几十年里,金川镍矿对共和国工业建设做出了巨大的贡献。

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图:1992 年 8 月,中共中央总书记江泽民视察金川,题写“腾飞的镍都”
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图:金川镍矿出产的关键金属元素 (图片来源:纪录片《河西走廊》)

然而,在此前,整个二十世纪五十年代,中国是完完全全的缺镍国家。为何乾隆皇帝曾自豪地以“天朝上国,无所不有”来夸赞的中国,却独独缺少镍?镍和工业生产、人民的生活又有什么密切地联系呢?

  • 缺镍的那些年:流产的货币计划

说起中国的矿产特征,一般来说就是单缺四样:“金银铜铁”。在中国 960 万平方公里的陆地面积上,这四样的矿也不是没有,但是矿石的品位和储量嘛,这么伤心的话题……我们还是回过头来说镍好了。

在 1949 年新中国成立的时候,以及整个五十年代,中国是完完全全的缺镍的国家,缺到什么程度呢?让我们从清朝说起。

19 世纪末,风雨飘摇中的大清朝为了续命,在大笔大笔赔银子的财政压力下酝酿了针对银本位的货币改革计划,其中就有使用镍币进入流通领域替代银、铜币的想法,还从英国伯明翰造币厂订购了少量镍币样币给慈禧和光绪“御览”。

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图:清朝镍币样币

但是,在国外已进入流通领域的镍币在大清朝廷却遇到了前所未有的阻力,除掉那些利益集团和党争的因素外,一个非常重要且无法反驳的理由就是:当时的中国没有镍矿。一切镍币原材料及其加工设备都需要从外国进口,无论是成本还是国家安全都没有办法进行保证。因此,清廷引入镍币进行货币改革的计划就流产了,流散出去的样币现在成了收藏界的珍品,偶见于拍卖会场。

  • 白银、镍白铜傻傻分不清

民国是个神奇的时期,清朝没搞出的流通镍币,却时而出现在军阀们的手里,作为地方发行货币进行流通。比如,运输海外物资交通较为方便的两广地区,就曾发行镍币作为货币流通。与此同时还有一个不可不提的传统镍产地——云南。

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图:民国广西镍币

云南其实是存在一些含镍铜矿的。历史上,云南昭通等地出产的含镍白铜,经常被当作白银,或称为“朱提银”。有的时候因为镍白铜看起来成色不错,又不容易像真正的白银那样氧化变黑,其银价还略高于普通白银。现在西南少数民族风情旅游点附近的纪念品商店所销售的各种冠以“苗银”“老银”等称呼的非 925 银制做的各种“银”首饰纪念品,基本为镍白铜制品,戴在身上非常容易因为镍的刺激引起过敏,造成皮肤红肿破损等问题,笔者建议不要买,买了不要戴……习惯性跑题了,说回镍币。

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图:旅游点的苗银首饰小摊

正因为有这个传统和资源支持,云南本地军阀政府在发行铜币作为辅币的时候,在传统的红铜黄铜之外,自然也会选择白铜。这些铜币有的时候称为白铜,有的时候干脆称为镍币。镍,这时候还是为了降低铜币里的铜含量,使铜币不足值而存在的,说白了还是当地军阀为了通胀敛财。在当时,镍宝贵的工业价值还不太为国人所认知。

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图:民国云南镍币

这里说到了云南产镍,那为什么清朝廷还说“中国尚无镍矿”呢?

原因很简单,中国的镍矿包括云南的镍矿基本以是铜镍复合矿(也称硫化矿)为主,包括金川镍矿的发现,都是在野外找到的铜矿石中意外收获的。早期这些矿的开采都是当铜矿甚至银矿开采的,而且当时云南所开采的镍矿普遍不大,产量较低,影响较小。这类硫化矿也不是世界上主流镍矿的类型,世界上无论是储量还是产量,都是以氧化矿(也就是红土矿)为主,而氧化矿在我国偏偏非常少;世界上硫化矿的储量,相当部分在中国,而中国的镍矿储量的一半以上在金川——当然,这是现在的情况。在 60 年代初期,金川镍矿投产后的相当长的时期里,它几乎是中国镍储量和年产量的全部。

改革开放以后,镍白铜也曾作为硬辅币材料出现在人民币的辅币中,也就是知名的 80 版长城币,但是由于镍资源的短缺,这版硬币很快就退居收藏市场。但镍白铜有时还用于流通纪念币的制造。

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图:80 版长城币(图片来源:http://www.airmb.com)
  • 转折:第一块含镍矿石标本被发现

1949 年建国的时候,中国手里的镍真的不多,有人称为“黄金可求,镍难求”。与花费了代价还能从国外(明灯国阿尔巴尼亚)获取的铬矿不同,当年的镍紧缺到令人发指的程度:是唯一凭特别票证供应的金属产品;半吨以上的使用项目需要总理审批。周总理的日常事务无比繁重,而镍的大量使用竟然需要他亲自把关,可以想见镍矿供应的紧缺程度。

这也是后来这个矿被命名为“金川镍矿”和永昌县之上依托金川公司新设置出的“金昌市”名称里都带“金”字的原因,因为这里产出了新中国建设最急需最紧缺的金属矿产,比金子更珍贵。

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图:金川露天矿坑 (图片来源:纪录片《河西走廊》)

50 年代末期在现在的金川矿区找到的第一块含镍矿石标本,被认为是紧缺的铜矿矿石——孔雀石而被矿产调查队员注意到并采集。后来的分析测试报告里,它的品位被这样描述:镍的含量高达 0.90%,矿石中铜、镍均达到品位。金川镍矿在 60 年代初国民经济非常紧张的时候仅花了短短的几年时间就完成了矿区的勘探与开采、镍矿冶炼所需的工业体系的建设,并在一片荒原上从矿产开采起步形成了一个新兴的工业城市,也就是现在的甘肃省金昌市

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图:镍矿石 (图片来源:纪录片《河西走廊》)
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图:金川矿石第一份分析报告(图片来源:纪录片《河西走廊》)

金川镍矿的成功开采和冶炼,使当年中国紧缺到极点的镍供应得到了大大的缓解。可以说,156 项目(编者注:苏联对新中国工业领域的 156 个援助项目)之后的几十年,金川镍矿成了不可替代的中国重工业的基础支柱之一,意义等同于大庆油田的发现与建设。

金川镍矿所受到的重视和特殊的待遇无不说明,这一块矿石的发现对于中国工业来说非常非常重要。理由只需要用三个字就可以描述:不锈钢

  • 依托在镍之上的军工王国

镍金属在合金、电池、电镀等领域的应用使得它成为现代机械、电子工业中不可缺少的关键战略性矿产资源。它也一度大量用于镍镉电池。但作为不锈钢的关键合金成分之一,镍元素不管是在国内还是国外的首要消耗就是用于生产不锈钢。现在世界上的主要镍消耗国同时也是不锈钢生产国,不锈钢的重要性无需多言。SUS-304 牌号的不锈钢经常被冠以“食品级不锈钢”的名号,为一切民用领域的不锈钢产品做广告形象宣传:打开购物网站,输入“不锈钢”三字,即可搜出种类繁多的日用品,能够涵盖生活日用的各个方面。

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图:锅碗瓢盆,橱柜水槽,各种原料半成品,各种日用品几乎都有不锈钢的身影。(图片来源:视觉中国)

而且,镍元素的添加对合金性能的促进作用更是航空航天高端应用中不可或缺的。

以军事航空工业为例,冷战期间,美国单价堪比航空母舰的三倍音速战略轰炸机 XB-70 瓦尔基里(即北欧神话中的女武神),与前苏联的三倍音速截击机米格 25,这一对原本计划针锋相对的对手,都不约而同地使用镍基铁合金材料(不是普通的不锈钢,而是特殊的镍基合金,里面镍含量相当高)来焊接 “不锈钢怪物”。尽管西方出于冷战宣传的目的对米格 25 使用的不锈钢焊接结构进行了污名化的舆论战,但是,美国的 XB-70 瓦尔基里是一个更大、更重以及更贵的不锈钢怪物,XB-70 项目因成本问题下马后至少一架以上的原型机还长期在 NASA 充当实验机进行各种飞行试验。

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图:美国的不锈钢怪物 XB-70 瓦尔基里轰炸机,单价相当于一艘海军的航空母舰,因为实在太贵被下马,剩余预算被挪去发射阿波罗飞船登月了。
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图:冲出日本函馆机场跑道的米格 25 飞机。别连科上尉的叛逃才使西方摸到了这个来自苏联的不锈钢怪物。米格 25 一辈子也没有真正在空中截击过预想的对手 XB-70,但是它将 XB-70 截击于出厂之前。

而米格 25 不仅在苏联被大量装备为截击机、侦察机甚至轰炸机,还被出口到伊拉克、印度等多个国家。伊拉克的米格 25 还在海湾战争中拿下了伊军空军仅有的空战战果——一架从“萨拉托加”号航母上起飞的 F/A-18C“大黄蜂”攻击机。

  • 为什么镍基铁合金能在各国航空军备竞赛中独领风骚?

在“热障“以上的高速飞行中,机体结构与空气摩擦产生高热环境,这种环境下还要保持机体结构的强度,可以使用的材料就不多了。常见的航空铝合金、复合材料都不行,从材料性能上说也就只有钛合金和航空不锈钢(镍基合金)可以胜任。

从结构构造上说,“不锈钢怪物”由于镍基合金可以通过特种焊接进行加工,结构强度非常有保障,维护也容易,综合来说便宜而又有保障,满足了极端性能要求的同时还体现了很好的维护性和成本优势。

而先进的轻巧而耐热耐腐蚀的钛合金昂贵不说,加工困难,不易焊接而不得不使用铆接的结果导致机体在受热过程中膨胀收缩不均匀,这就是 YF-12A 不仅贵得离谱,在地面上却是个浑身漏油的筛子,起飞后就要紧急空中加油补油,运行成本异常高昂的根源。镍基合金材料在要求最苛刻的环境里,反而由于它的“无短板”的特点,形成了独特而不可替代的优势。

如今,无论是那个经几十年开采露天矿后留在地面上的长 1300 米,宽 700 米,深 310 米的中国第一的巨大矿坑,地下千米以下处存在的上千公里的采掘巷道,还是新建的“镍都”金昌市,以及市场上的无数种不锈钢制品,都无比深刻的体现出了镍在新中国工业建设中的重要意义:我国是目前世界上最大的镍铁生产和消费国。

但是,由于国内镍矿资源开发存在的矿产储量有限,开采难度高,成本高,冶炼难度大以及环保压力等种种问题,使得我国镍资源的供应依然较依赖于初级镍产品的进口。但是国产镍矿的存在和金川镍矿开发形成的镍金属冶炼能力,是我国镍矿石、镍初级产品进口的安全保障和议价筹码。晚清朝廷里的太后皇帝和王公大臣们都能形成共识的风险问题,依然是我们现在中国所需要注意和极力避免的。

 

作者:老徐诺维奇

出品:科学大院

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