60年代初,金属研究所15室成立,李所长选了8个人,对铀冶金进行全面布局,包括铀还原、铀精炼,铀的化学分析(气体、夹杂、化学分析包括光谱分析)、物理分析,以及铀的轧制、铀元件的焊接。
我那时主要负责铀精炼,万晓景负责铀还原。他们将二氧化铀还原成金属铀后,我负责将它铸成铀棒。我的设备就是那台已经换成自制的15Kg真空感应炉,李所长原来叫它大乌龟,后来参照美版铀冶金书上的示意图自行制造的(电气仍用原来的)。不要看它简单,这是中国第一台炼铀炉,后来用它一直炼到23Kg。我们的实验室面积只有10m2左右,就一台真空感应炉,但做了许多工作。当时二机部经常来人给我们提要求,一次他们要做英国那种核燃料棒,长度约有1m,我们也搞成了。九院也派人到金属所培训,当时他们还没有真空感应炉。研究工作自己是否动手做过和没有做过大不一样。后来我们到核燃料元件厂时,这一段研究基础就显得特别重要。
第一次到二机部核燃料元件厂,是李所长带队去的,有我、王景唐和万晓景。当时那里非常荒凉,厂房中什么设备也没有,厂区是大片的荒草,职工上班无事可做,到草原上打黄羊吃,所以我们了解一下情况就回沈阳了。
第二次到核燃料元件厂是我和高子明去的。当时生产堆的任务已下达,由核燃料元件厂负责生产,金属所负责技术上配合。这项任务的关键是铀锭的铸造和棒材的轧制。这个铀棒直径约100mm,,长约1m。我们去时,车间里已经热火朝天的干起来了。那时该厂负责冶炼的车间主任(兼管化工与冶金)是刚从苏联留学回国的洪景荣(在苏获副博士学位),所有工人都是在苏联对口单位培训回国的,工艺规程也是苏联提供的,他们的干劲真大,每天白天黑夜的干活。由于金属研究所主要任务只是协助他们,因此生产时并未征求我们的意见。
我在冶炼车间里看了10多天,发现有不少问题。后来又到高子明那边(轧制车间)看,所有的铀棒全都轧裂了,大多数都是龇牙咧嘴,没有一根是合格品。我认为问题应当出在我们冶炼这个工序上,因为浇出来的铀锭中间缩孔很大,有时甚至可以见亮(中间空心)。当时并没有无损探伤等技术手段,因此只好解剖铸锭进行研究。
当他们把铸造的铀锭一剖开,就发现了问题。铀锭的脑袋(头部)全是蜂窝气泡;铀棒的身子(圆锭本体)全是皮下气泡;铀锭中心有很长的中心缩孔。由于没有一根铀锭是合格的,当然也不会有一根铀棒可以轧成成品。
我找到车间里的负责人洪景荣,说不能再这么干了。不采取技术措施不行,当时提了三条意见(技术措施)来消除这些冶金缺陷。不过三条意见被逐一驳回了,他们认为还是应当严格执行苏联的操作规程。
我一看这种情况,说也不听,只好回到招待所。当时我不敢回沈阳,因为如果贸然回所,李所长就会问我问题解决没有?那时我将无言以对。不过我觉得他们最多再撑10天,因为任务的日期已经迫近。
果然,由于铀棒的技术难关一直未能突破,二机部急了。他们从沈阳冶炼厂调来了负责黄金冶炼的总工程师曹大义负责铀冶金,原来的负责人洪景荣则专管化工。曹大义来后,仍然按苏联的工艺规程干,但就是不行。他不是留洋的,有实际工作经验,因此怀疑苏联的工艺规程似乎有问题。这时他的部下说,金属所有一个姓张的,还在招待所住着,他曾提出些不同的看法。
曹大义派人到招待所找到我,问怎么办?我说还是旧的三招,没有新的办法。第一,我发现浇铸分配盘与钢锭模之间的间隙抹粘接剂(水玻璃加石墨粉)时,粘接剂过多,掉到钢锭模中,这种粘接剂含水,由此造成浇注时产生铀锭头部的蜂窝气泡。只要减少粘接剂用量,避免掉落锭模中就可以解决;第二,皮下气泡是在锭模上涂一层波兰水泥(雪花膏)造成的。这种波兰雪花膏是脱模用的,其中氯化镁分子中有化学键结合的结晶水。在锭模烘烤过程中,只能除去物理吸附水,而不能去除化学水。因此,提高烘模温度到435℃以上,就能除去波兰雪花膏中的化学结合水,解决皮下气泡问题;第三,由于铀锭是一种细长棒,径向冷却很快,当浇注速度很快时,由于径向快冷,轴向液体来不及补缩,由此造成中间缩孔。只要减小浇注速度(下降到原来一半左右),边浇边凝,变原来的静态凝固为动态浇注,就能解决中心缩孔问题。这三条原来都提过,但全被驳回了,理由是浇注分配盘的工作温度达到900℃,粘结剂中的水早就除掉了;锭模已经在200℃烘烤,所以不可能再有水存在;浇注速度苏联并未规定,所以也不应该会有问题。
曹大义听完后说,可以按你的意见办,但条件是开炉时你必须在现场。真是上帝帮忙,按我的意见,冶炼第一炉问题就解决了。当时厂里的工人很高兴,铀锭送到轧制车间,也是一次轧成。曹大义说,老张这样就行了,几个条件再巩固巩固,后来他们炉炉都是成品。当时在核燃料元件厂有许多攻关课题,涉及不少研究单位,金属研究所是第一个完成任务的,只用了不到半个月的功夫,中间还有一个星期左右的扯皮时间。这件事并不是偶然的,也不是因为运气好,这是因为我们在实验室已经做过大量基础研究,我们在所里做的铀锭比他们还要难(长/细比),因此,才显得胸有成竹,做研究必须有自己的工艺实验室,否则,很难解决生产实际中遇到的难题。
李所长规划的这一套全面布局真是很有远见,不但培训和锻炼了一批人马,而且不管生产中哪个环节或哪个流程出现问题,都有人来解决。光有设备,没有人显然也不行。当时,我们精炼组从事物理化学方面基础研究的有5个人,除我外,还有李东、李志强、戚振中、李淑玲,后来我将这部份工作总结成一篇文章“铀冶炼过程中的物理化学”(只是当时研究工作中很小的一部分),发表在金属学报上。它对指导铀的精炼很重要,到目前为止,我也没有看到国内外有类似的文章。要完成这种系统性的研究工作,需要测定大量的实验数据,才能获得相关的变化规律(公式),当时国内其它单位达不到这个水平,国外的工作我也没见过。不过,现在我也做不出这项工作了,因为只有在李所长领导的金属研究所,这种系统性的研究才有可能。
一个好的研究所必须有一个科学的总体布局和指导思想,一支好的研究队伍,和好的实验手段,光凭电镜解决不了问题。由于金属研究所三位一体(人、设备,技术资料),研究工作有深度,能解决问题,所以当时金属所在冶金部很有威信,如果不能为国家解决问题,研究不能走工业的前面,研究所也就没有存在的必要。