海綿鈦生產(chǎn)裝備現(xiàn)狀分析

和奔流

（龍蟒佰利聯(lián)集團股份有限公司，河南 焦作 454191）

鈦金屬、海綿鈦等有色金屬的冶煉與應(yīng)用，一定程度上反映了某個國家或是地區(qū)的經(jīng)濟、科技發(fā)展水平。從黨的“十二五”計劃以來，鈦金屬的使用與發(fā)展就已經(jīng)被視為重要項目，各前沿產(chǎn)業(yè)對于鈦金屬及其合金的大量使用，比如載人火箭的外殼、飛行器的外殼、潛水勘探設(shè)備的發(fā)展，這都極大地考驗了鈦金屬及其合金的應(yīng)用并做出了更高的要求。此前，國內(nèi)的鈦金屬、海綿鈦生產(chǎn)行業(yè)雖然發(fā)展得較快，呈現(xiàn)出合理發(fā)展與競爭的蒸蒸日上的狀態(tài)，但是生產(chǎn)現(xiàn)狀存在的缺陷與國內(nèi)外前沿水平的差距不可忽視，企業(yè)想要在競爭發(fā)展中存活下來，就必須加強對國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀的掌握與理解，提前做好準(zhǔn)備，合理實現(xiàn)研發(fā)、投資與經(jīng)營戰(zhàn)略。

1 海綿鈦產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)海綿鈦產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國最早的海綿鈦工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)在建國時期，海綿鈦的生產(chǎn)不僅決定了鈦金屬的冶煉水平，還影響著其他鈦金屬及其合金材料的應(yīng)用。而第一次興起國內(nèi)海綿礦生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)的浪潮是在21世紀(jì)初期，當(dāng)時由于國內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)水平較低、產(chǎn)能不足、市場短缺導(dǎo)致了價格上漲迅速，不斷有國民經(jīng)濟和社會經(jīng)濟力量加入、加大投資力度，催生了海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，逐漸提升國內(nèi)海綿鈦的生產(chǎn)產(chǎn)能。

1.2 海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

（1）在國內(nèi)海綿鈦生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)大流行的時期，生產(chǎn)了很多批次的海綿鈦產(chǎn)品，銷往國內(nèi)外企業(yè)，但這其中不乏許多企業(yè)技術(shù)專業(yè)水平不足，生產(chǎn)的個別批次的海綿鈦產(chǎn)品，HB硬度根本就無法達到生產(chǎn)要求水準(zhǔn)，當(dāng)時的生產(chǎn)能力并不足以支持企業(yè)生產(chǎn)更高硬度的海綿鈦。所以，海綿鈦生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)一直以來都在面臨著挑戰(zhàn)，需要加強對產(chǎn)業(yè)前沿水平的技術(shù)學(xué)習(xí)和吸收，提高企業(yè)自身的行業(yè)競爭力與發(fā)展力。此外，還造成了海綿鈦生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能過剩，近些年來的穩(wěn)步發(fā)展，更加劇了這一問題，其常年產(chǎn)能過剩百分之五十以上[1]。

（2）海綿鈦的工業(yè)化生產(chǎn)，屬于有色金屬的重金冶煉，整條產(chǎn)業(yè)鏈中會產(chǎn)生許多有害的副產(chǎn)物、廢渣和嚴(yán)重污染環(huán)境的廢水，如果做不好后期對廢物的處理與排放，則會嚴(yán)重影響周邊環(huán)境及常住人口的生命財產(chǎn)安全，企業(yè)能否科學(xué)合理地進行可持續(xù)化發(fā)展，工業(yè)三廢的處理是重中之重。

2 海綿鈦的主要生產(chǎn)工藝

2.1 氯化工藝

2.1.1 沸騰氯化

沸騰氯化法是用高鈦渣及人造金紅石和石油焦進行還原，在設(shè)備的高溫與氯氣的條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成四氯化鈦。此種方法可以有效氣態(tài)與固態(tài)的轉(zhuǎn)化，并且加速反應(yīng)的進行，達到節(jié)省成本、提高生產(chǎn)效率的目的[2]。

2.1.2 熔鹽氯化

熔鹽氯化法是用高鈦渣或人造金紅石與石油焦一起加入熔鹽中，并且給予適當(dāng)?shù)穆葰猸h(huán)境，生產(chǎn)四氯化鈦，最后生產(chǎn)出海綿鈦。

2.1.3 豎爐氯化

豎爐氯化法是將已經(jīng)被氯化的高鈦渣或金紅石與石油焦融合、磨碎，經(jīng)過粘合劑和焦化工藝后，加入豎式氯化爐內(nèi)，利用固體與氣體的作用進行四氯化鈦的生產(chǎn)。

2.2 鎂還原法

鎂還原法的主要原理是，在880℃～950℃下的氬氣環(huán)境下，讓四氯化鈦與金屬鎂進行反應(yīng)得到海綿狀的金屬鈦和氯化鎂，然后使用真空蒸餾除去海綿鈦中的氯化鎂和過剩的鎂，進而獲得純鈦，蒸餾的冷凝物可經(jīng)熔化回收金屬鎂，氯化鎂經(jīng)熔鹽電解回收鎂和氯氣，還能節(jié)省材料與成本。從精制四氯化鈦中制取金屬鈦，分為還原和蒸餾兩個步驟。在海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展前期，還原、蒸餾一直都是分步進行的，而現(xiàn)今已逐漸趨向聯(lián)合化、大型化與工業(yè)化[3]。

3 海綿鈦生產(chǎn)裝備現(xiàn)狀

目前國內(nèi)大部分大型的海綿鈦產(chǎn)業(yè)與鈦冶金企業(yè)都是鎂鈦聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)，多數(shù)廠家也一直采用較為普遍與穩(wěn)定的還原-蒸餾一體化工藝。這種工藝也被稱為聯(lián)合法或半聯(lián)合法，它實現(xiàn)了原料Mg-Cl2-MgCl2的閉路循環(huán)[4]。

3.1 生產(chǎn)四氯化鈦階段生產(chǎn)裝備

四氯化鈦的生產(chǎn)主要有以下幾種方法：將高鈦渣與石油焦按一定比例配料，隨后進行精細粉碎，通入氯氣環(huán)境下進行反應(yīng)，生成四氯化鈦氣體，經(jīng)過冷凝設(shè)備冷凝，得到液化態(tài)的四氯化鈦液體，最后進行過濾、蒸餾，得到四氯化鈦成品；以二氧化鈦、碳粉和淀粉為反應(yīng)原料，將它們以一定比例進行混合后，通入氯氣環(huán)境并加以600℃高溫進行氯化反應(yīng)得到粗產(chǎn)品，最后進行一系列精制工序即可獲得；以高鈦渣或金紅石二氧化鈦、鈦鐵礦為原料經(jīng)氧化還原反應(yīng)制備四氯化鈦。而其中較為通用、技術(shù)較為成熟的兩種氯化制備方法，是通過高鈦渣中雜質(zhì)含量不同區(qū)別選擇的，兩種氯化方法的核心決定因素都是氯化爐設(shè)備，因此，氯化爐的設(shè)備裝備設(shè)計與應(yīng)用水平直接影響了四氯化鈦的制備生產(chǎn)水平。

目前，我國主要的海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)都是使用熔鹽法氯化爐和沸騰式氯化爐這兩種氯化爐。我國最早的投入研究的沸騰式氯化技術(shù)在上世紀(jì)70年代～80年代，在短短幾十年的發(fā)展歷程中，我國海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)成功從最初的500mm直徑發(fā)展到2500mm氯化爐，但是在總體生產(chǎn)水平、業(yè)內(nèi)平均生產(chǎn)水平與國外先進沸騰氯化產(chǎn)業(yè)還存在較大差距[5]。主要的缺陷在于：生產(chǎn)設(shè)備海綿鈦產(chǎn)能較小、能耗過大、工業(yè)三廢排放污染等問題。而在2008年后大量引進國外先進熔鹽氯化設(shè)備與生產(chǎn)技術(shù)。大型熔鹽式氯化爐的引進與投入生產(chǎn)使用，極大地推動了我國有色金屬冶煉和鈦金屬制備的發(fā)展。四川省攀枝花市是我國海綿鈦的主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)是一個天然的生產(chǎn)原料大型釩鈦磁鐵礦的礦產(chǎn)區(qū)，占有我國超過百分之八十的釩鈦磁鐵礦礦產(chǎn)儲量，已經(jīng)開采與發(fā)現(xiàn)的釩鈦磁鐵礦礦產(chǎn)儲量占世界總儲量的百分之三十左右，加之我國其他地區(qū)的鈦礦資源的開采開發(fā)與鈦礦資源的枯竭，日后海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)還將主要選用熔鹽氯化法生產(chǎn)工藝進行四氯化鈦的制備。

3.2 還原-蒸餾工藝階段生產(chǎn)裝備

生產(chǎn)海綿鈦的生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈中，在制成四氯化鈦后，即進行還原-蒸餾工藝，以四氯化鈦為原料進行還原和蒸餾制得海綿鈦坨，工業(yè)上有鎂熱還原法和鈉熱還原法。而此前，鈉熱還原法由于各項缺陷較大、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)危險系數(shù)高和環(huán)境污染較大已然被廢棄。所以，鎂熱還原法則成為目前最主流、最普遍的還原真空蒸餾制備法，分別有聯(lián)合法與半聯(lián)合法，其中聯(lián)合法還有I型還原蒸餾爐與倒U型還原蒸餾爐兩種工藝爐型。我國的海綿鈦生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)中，兩種還原蒸餾工藝爐型都有所使用，以我國某前沿海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)為例，于二十一實際初期從國外先進海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)引進I型還原蒸餾爐與相應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)并很快地投入生產(chǎn)，雖然該種還原蒸餾爐需求環(huán)境較為嚴(yán)苛，生產(chǎn)能耗與對環(huán)境污染都較大，但是設(shè)備所需占地面積小并且可以實現(xiàn)串聯(lián)型垂直連接設(shè)備作業(yè)。相比之下，倒U型蒸餾還原爐生產(chǎn)過程中則能耗損失較小，成本較低，還原蒸餾流程實現(xiàn)時間短，設(shè)備操作比I型還原蒸餾爐簡單。

現(xiàn)今階段，國際上最為高端、先進的海綿鈦生產(chǎn)還原、蒸餾設(shè)備以日本為首，能達到每爐十噸的還原蒸餾產(chǎn)量，生產(chǎn)能耗及時間都大大縮短，源源不斷地投入應(yīng)用于高精尖航空器、潛水器上。由此可得，我國行業(yè)內(nèi)還原蒸餾階段生產(chǎn)裝備，不論是進口的I型還原蒸餾設(shè)備還是自主研發(fā)的還原蒸餾爐，與國際前沿技術(shù)與指標(biāo)水平還相距甚遠，想要更有效地實現(xiàn)還原蒸餾階段的生產(chǎn)工作，生產(chǎn)企業(yè)務(wù)必引進更加高端的還原蒸餾裝備與技術(shù)，加大對于裝備的技術(shù)研發(fā)的投資投入。

3.3 鈦坨破碎工藝生產(chǎn)裝備

還原-蒸餾階段工藝完成后，得到的鈦坨要經(jīng)過破碎工藝，即為使用一系列生產(chǎn)線對鈦坨進行破碎和篩選，達到指標(biāo)與硬度要求的海綿鈦坨即可進行產(chǎn)品包裝成型。在企業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的企業(yè)對于海綿鈦坨的破碎處理主要都是使用國產(chǎn)生產(chǎn)設(shè)備，篩選包裝大多都是直接進行人工篩選，這不僅使得破碎工藝的生產(chǎn)水平低下，產(chǎn)能不達標(biāo)，海綿鈦的成品合格率不足，而且篩選分裝環(huán)節(jié)大量使用人力資源，又費時又費力。反觀國際上前沿的破碎工藝生產(chǎn)線，都是以工業(yè)化、機械化與自動化為要求，使用前沿科技技術(shù)，生產(chǎn)線機械手與操作機器人取出并轉(zhuǎn)運鈦坨進行破碎，破碎工藝設(shè)備也較為高端，不會造成過多鈦礦浪費與能源消耗，最后的海綿礦篩選與分裝也全是由機器自動完成，增加成品率的同時還節(jié)省了人力物力，使得海綿鈦的成型與破碎盡可能少受到加工環(huán)節(jié)的影響，間接確保海綿鈦出產(chǎn)的高質(zhì)量水平。

3.4 我國海綿鈦生產(chǎn)與國際間的差距

我國海綿鈦的工業(yè)化生產(chǎn)從始至今的發(fā)展已經(jīng)超過七十年了，在如此長的時間跨度內(nèi)，雖有某些其他相關(guān)行業(yè)的制造企業(yè)嘗試涉足其中，但都因為失敗而告終，目前國際上最普遍通用的則是Kroll法制造海綿鈦。雖然國內(nèi)海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)也不少，但是大多數(shù)產(chǎn)能較低，實現(xiàn)工業(yè)自動化水平不高，技術(shù)水平不足。不過近些年來，隨著科技水平的進步，國內(nèi)相關(guān)海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)也得到了提升，在某些領(lǐng)域還可以比肩國際前沿水平了，總體上技術(shù)水平的差異也依然存在，比如我國某頂尖海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)的電耗對比日本頂尖海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)約高出百分之五十，這便表明我國海綿鈦生產(chǎn)行業(yè)的氯化工藝、還原-蒸餾工藝與鎂電解工藝水平仍然存在很大差距。行業(yè)內(nèi)有些企業(yè)采取不同角度，使用半流程法生產(chǎn)海綿鈦，但是這更加大了企業(yè)的發(fā)展難度，不夠成熟的技術(shù)水平導(dǎo)致了海綿鈦的成品率、生產(chǎn)成本、能耗方面的難以控制[6]。

4 海綿鈦生產(chǎn)工藝未來趨勢

作為當(dāng)今世界上，技術(shù)水平最成熟、最穩(wěn)定，應(yīng)用范圍最廣大的海綿鈦生產(chǎn)加工工藝，Kroll法也經(jīng)過了很長一段時間的發(fā)展與時代的生產(chǎn)考驗，常年來屹立不倒也證明了它的可靠性，是目前最好的生產(chǎn)海綿鈦的工藝手段，而且在今后很長一段時間內(nèi)也無法被徹底淘汰、替換。但是它也存在一定的缺陷，如生產(chǎn)流程過長，生產(chǎn)時間間隙與周期過長，產(chǎn)能可能無法滿足個別行業(yè)、企業(yè)，成本過高能耗消耗過大等等，這些缺陷都將會影響到世界對于鈦礦資源研究與開發(fā)使用。所以，研究開發(fā)一種有利于可持續(xù)化發(fā)展，低成本低能耗的海綿鈦生產(chǎn)工藝是全世界共同努力的方向，在不久的將來，一定會有一種生產(chǎn)技術(shù)水平更高，能耗更低，對環(huán)境更友好的工藝取代現(xiàn)在的Kroll法生產(chǎn)海綿鈦。

5 結(jié)語

綜上所述，目前國內(nèi)的海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)正在飛速前進，企業(yè)更應(yīng)該加強海綿鈦生產(chǎn)的專業(yè)集成度，有效提升企業(yè)市場競爭力，減少產(chǎn)能落后問題的出現(xiàn)。此外，從宏觀調(diào)控方面來看，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)行業(yè)狀況并不需要海綿鈦產(chǎn)能的提升，應(yīng)當(dāng)著重投入研發(fā)新技術(shù)、新生產(chǎn)裝備，把海綿鈦產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推向更深、更廣的領(lǐng)域。企業(yè)努力掌握與吸取行業(yè)內(nèi)前沿企業(yè)的技術(shù)，開拓自己企業(yè)的市場與海綿鈦的運用新領(lǐng)域，落實好節(jié)能減排的國家號召，這樣就能促進中國海綿鈦產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。