海綿鈦工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展

申慶飛，閆明，司華彬(龍佰集團股份有限公司，河南 焦作 454191)

0 引言

地殼中的鈦含量占比在0.4%左右。其優(yōu)異的性能使得該種金屬獲得了廣泛關(guān)注，并在20 世紀40 年代實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的基本目標。我國鈦元素儲備量極為豐富，海綿鈦的生產(chǎn)時間較早，但產(chǎn)能卻僅僅只占據(jù)世界總量的2%左右。為充分發(fā)揮海綿鈦的價值與優(yōu)勢，需要對目前海綿鈦在世界的工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，同時制定我國海綿鈦工業(yè)持續(xù)發(fā)展方案，完成從資源大國到生產(chǎn)大國的轉(zhuǎn)變。

1 世界鈦市場發(fā)展現(xiàn)狀與整體趨勢

作為最大的鈦消費國家，美國每年消耗的海綿鈦量占到了總量的50%，這就使得其需要進口大量海綿鈦與原材料。雖然在航天領(lǐng)域美國獲得了航天用鈦的快速發(fā)展條件，但在其他領(lǐng)域卻仍表現(xiàn)出了不足之處。因此，美國相關(guān)部門計劃在5 年內(nèi)改變以往航天鈦占比較大的情況，大力發(fā)展其他行業(yè)中的鈦用量[1]。在維持原有的航天用鈦量不變的情況下，必然會使得美國對鈦的需求量進一步提升，現(xiàn)階段其已經(jīng)開始大力發(fā)展其他行業(yè)鈦的實際應(yīng)用。

日本受美國影響，在美國對鈦的軍事需求量逐漸增大的背景下開始大力發(fā)展鈦工業(yè)。而由于在20 世紀90 年代的美國軍事戰(zhàn)略改變，使得軍工用鈦量大大降低，這使得日本開始尋求將海綿鈦應(yīng)用到其他行業(yè)的途徑，例如：建筑、醫(yī)療、生活用具等。經(jīng)由多年發(fā)展，現(xiàn)階段日本的海綿鈦已經(jīng)被實際應(yīng)用在了海水淡化、石油加工等領(lǐng)域。近年來，雖然日本國內(nèi)鈦用量有所縮減，但整體來看在日本軍工事業(yè)的持續(xù)發(fā)展背景下依然呈現(xiàn)出了海綿鈦耗量持續(xù)提高的趨勢。

歐洲由于自身無海綿鈦的生產(chǎn)廠家，因此每年的用鈦主要依賴于進口，其中航天方面約占比60%，民用占比在40%左右。美國與歐洲為冷戰(zhàn)同盟，在如此背景下，歐洲軍事層面用鈦量在未來將有較為明顯的增長表現(xiàn)。

我國的鈦工業(yè)發(fā)展起源于20 世紀60 年代，經(jīng)過約60 余年的發(fā)展，從鈦礦開采至鈦產(chǎn)品出廠，我國建立了一套完整的海綿鈦生產(chǎn)體系，無論是在生產(chǎn)還是在加工領(lǐng)域均保持在世界前列。但我國的鈦工業(yè)規(guī)模偏小，導(dǎo)致與我國在世界上的重要地位極度不匹配。民用與出口是傳統(tǒng)鈦工業(yè)發(fā)展的主要目標，現(xiàn)階段從民用的實際情況來看，鈦的民用質(zhì)量獲得了明顯提升。受國內(nèi)外相關(guān)政策的影響，我國的鈦工業(yè)企業(yè)的數(shù)量也在逐漸增加，但由于部分企業(yè)規(guī)模較小且資本積累量過低，導(dǎo)致我國沒有趕上海綿鈦的利潤高峰期，規(guī)模方面與其他發(fā)達國家相比仍有著一定差距。但伴隨人們逐漸開始了解到鈦的優(yōu)良性能，使得鈦的應(yīng)用范圍也在逐漸擴大，例如：化工、氯堿、發(fā)電等行業(yè)，海綿鈦年消耗量均保持在5 000 t 以上。需要注意的是，大量的國外鈦材廠家為滿足利益獲取需求，將材料進口或走私到我國，從而沖擊了我國的鈦加工市場。再加上我國在大型裝置制造方面仍有一定差距，使得我國目前部分發(fā)電與化工需求仍然需要依靠歐美等國家[2]。若能夠爭取到這一部分的市場，將為我國在海綿鈦生產(chǎn)方面提供較大規(guī)模的市場發(fā)展條件。

我國作為一個世界大國，綜合實力不斷提升。為進一步加強我國的軍事力量，例如航空航天及先進武器系統(tǒng)組建等，對鈦的需求量極大，這也是當(dāng)下我國在軍事工業(yè)層面所表現(xiàn)出的用鈦主要發(fā)展趨勢。

鈦的壽命極長且具有耐損耗特點，因此鈦需求量的提升主要來源于新領(lǐng)域拓展與舊領(lǐng)域的更新。綜上所述，世界主要工業(yè)國家鈦金屬需求量逐漸提高，海綿鈦的工業(yè)發(fā)展仍然呈現(xiàn)出了勢頭良好的趨勢，具有廣闊的工業(yè)發(fā)展前景。

2 世界海綿鈦工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 美國的海綿鈦工業(yè)

氯化是美國海綿鈦生產(chǎn)的首要步驟，所需要的氯化富鈦原料通常來源于外部購買，并在沸騰氯化工業(yè)的基礎(chǔ)上制取四氯化鈦，然后使用礦物油對產(chǎn)品進行凈化，為后續(xù)海綿鈦在鎂的作用下還原生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。美國海綿鈦總量明顯落后于日本、中國等國家，但其所使用的鈦的沸騰氯化技術(shù)仍然處于世界領(lǐng)先狀態(tài)，其特點主要體現(xiàn)在以下兩個方面：第一是選擇在四氯化鈦除釩環(huán)節(jié)中，以礦物油作為加工原料，體現(xiàn)出了成本低與貨源廣的優(yōu)勢；第二是氦氣掃除與酸浸目前已經(jīng)基本被淘汰，現(xiàn)階段主要使用真空蒸餾法。過去美國主要依賴于進口海綿鈦，技術(shù)方面較為落后，直至融入日本技術(shù)后才獲得了技術(shù)改造的必要條件，為將其整體發(fā)展水平推入到世界前列奠定了基礎(chǔ)。從裝備角度來看，美國的海綿鈦生產(chǎn)裝備較為完善，所使用的沸騰氯化爐直徑在3.05 m 左右，能夠達到生產(chǎn)150 t/d 的目標。整個海綿鈦的工業(yè)生產(chǎn)流程已經(jīng)完成了計算機聯(lián)網(wǎng)背景下的全過程自動控制的相關(guān)任務(wù)。整體來看美國的海綿鈦生產(chǎn)管理水平相較中國要高得多，但仍略微落后于日本。

2.2 日本的海綿鈦工業(yè)

日本的海綿鈦主要來源為東邦與大阪兩個工廠，所使用的生產(chǎn)工藝為鎂還原(真空蒸餾)，原料來源為進口。產(chǎn)出產(chǎn)品主要供出口，少數(shù)供給國內(nèi)。日本的海綿鈦工廠具有生產(chǎn)技術(shù)先進與產(chǎn)品品質(zhì)高等優(yōu)勢，生產(chǎn)出的海綿鈦純度較高。從裝備水平來看，其所使用的沸騰氯化技術(shù)從美國引進，早在20 世紀80 年代就已經(jīng)達到了8 t，鎂耗費為10 kg/t 海綿鈦左右，各類指標均處于世界前列。全部的生產(chǎn)過程均由計算機控制，包含了還原、蒸餾、包裝以及電解等工序。

2.3 中國的海綿鈦工業(yè)

我國的海綿鈦工廠以電爐冶煉的高鈦渣為主要的氯化原料，配合使用銅絲與浮閥塔將釩除去，并同時起到四氯化鈦的凈化作用，最后使用鎂還原蒸餾的方式生產(chǎn)出海綿鈦。我國自主研究出的沸騰氯化生產(chǎn)系統(tǒng)，由于融入了獨聯(lián)體熔鹽的氯化技術(shù)，配合先進的海綿鈦破碎與蒸餾聯(lián)合爐等系統(tǒng)，持續(xù)提升我國產(chǎn)出海綿鈦產(chǎn)品的質(zhì)量。但目前，在海綿鈦的工藝控制與產(chǎn)品質(zhì)量方面，相較部分國家仍存在一定差距。

3 國外海綿鈦工業(yè)發(fā)展整體趨勢分析

3.1 鎂法的完善

經(jīng)過多年發(fā)展，世界的鈦工業(yè)已經(jīng)較為成熟，在設(shè)備、工藝等方面各個國家之間的差距已經(jīng)逐漸縮小。因此，目前多個國家確定了鎂法完善的努力方向，期望通過使用含二氧化鈦94%以上的高品位富鈦料提高海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量，配合使用產(chǎn)能更高與尺寸更大的沸騰氯化爐與礦物油除釩裝置，實現(xiàn)產(chǎn)量提高與效率提升的目標[3]。從鎂電解角度來看，傾向于使用無隔板電解槽，在對鈦坨進行破碎的基礎(chǔ)上配合使用自動化的大型破碎裝置。各個工序的推行建立在計算機的自動化控制之上，以減少人工操控成本。此外，各國也提高了對環(huán)境保護的重視，采取合適方式以降低對環(huán)境所產(chǎn)生的污染。總結(jié)來看，生產(chǎn)連續(xù)化、控制自動化以及質(zhì)量高純化為各個國家在海綿鈦生產(chǎn)環(huán)節(jié)所努力的目標，也是當(dāng)下使用鎂法的整體趨勢。

3.2 對鈦新式生產(chǎn)方法的探索

克勞爾法是海綿鈦工業(yè)化常用的工藝，即金屬鎂還原四氯化鈦得到鈦金屬，但由于原料成本高，電及其他能源消耗大等原因，使得海綿鈦的整體成本始終處于較高水平，對其他行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用海綿鈦產(chǎn)品較為不利。為尋求低成本海綿鈦生產(chǎn)方法，各個國家均進行了相關(guān)研究，例如：等離子法、液態(tài)高溫高壓法等，進行了不同層次的實驗研究與實踐。以電解法為例，在某些層面其相關(guān)指標與工業(yè)化生產(chǎn)的要求已經(jīng)較為接近，但仍無法取代現(xiàn)有方法，從這一點來看，使用鎂還原法仍然是較長一段時間內(nèi)海綿鈦的主要生產(chǎn)方式。

3.3 投資多元化

鈦工業(yè)在發(fā)展過程中呈現(xiàn)出了投資多元化的特點，以歐洲、日本為例，均成立了鈦工業(yè)聯(lián)合生產(chǎn)體制，并通過各個國家的合作加強實現(xiàn)優(yōu)勢互補目標。當(dāng)下在鈦市場上，已經(jīng)逐漸在投資多元化的背景下形成了以購銷合同為主的市場局面，并將在未來長時間維持此種市場發(fā)展態(tài)勢，為海綿鈦產(chǎn)品銷量的提高奠定堅實基礎(chǔ)。

4 對我國鈦工業(yè)發(fā)展的建議對策

4.1 充分發(fā)揮西部鈦資源優(yōu)勢

我國九成以上的優(yōu)質(zhì)鈦礦資源儲存在西部，以遵義鈦工廠與寶雞有色金屬加工廠為例，我國八成以上的海綿鈦產(chǎn)品均產(chǎn)自于西部的工廠。因此，想要將西部鈦資源儲備優(yōu)勢予以充分發(fā)揮，實現(xiàn)海綿鈦產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量的雙重提升目標，關(guān)鍵在于明確西部開發(fā)要點，建立專業(yè)的鈦工業(yè)生產(chǎn)基地，以促使鈦工業(yè)逐漸成為我國西部支柱性產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)西部經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展的根本目標。

4.2 挖潛改造老廠擴大規(guī)模效益

老廠挖潛儼然成為世界范圍內(nèi)海綿鈦工業(yè)生產(chǎn)能力提升的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)有的幾家主要的海綿鈦工廠均是使用老廠挖潛方式實現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模擴大的目標。我國海綿鈦市場需求巨大，建設(shè)時機已經(jīng)較為成熟，因此更應(yīng)抓住這一生產(chǎn)機遇，通過使用新式技術(shù)對老廠原有的技術(shù)線路與生產(chǎn)系統(tǒng)進行改造，從而建設(shè)出更大經(jīng)濟規(guī)模的海綿鈦工廠，為滿足不斷上漲的海綿鈦行業(yè)需求提供完備條件。

4.3 加快科研進程，提高海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量

我國的部分海綿鈦工廠具有布局分散與規(guī)模較小的特點，其中尤以設(shè)備陳舊與自動化程度不足問題最為突出，也是影響海綿鈦生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。如此背景下，海綿鈦企業(yè)不僅自身經(jīng)濟收益無法保證，且由于海綿鈦市場的持續(xù)擴張極容易導(dǎo)致出現(xiàn)價高受阻后果，最終影響到企業(yè)針對海綿鈦產(chǎn)品的科研投資進程，獲取科研成果緩慢，增大了與其他國家在海綿鈦產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的差距[4]。由于鈦的重要性逐漸明晰，戰(zhàn)略地位的提升使得國家開始逐漸加大了對鈦工業(yè)的扶持力度，為各個海綿鈦生產(chǎn)工廠提供了較多的扶持條件，創(chuàng)設(shè)了促進發(fā)展的有利環(huán)境。從科學(xué)技術(shù)更新與進步的角度來看，應(yīng)吸收其他國家的先進研究經(jīng)驗，加大技術(shù)投入力度，邁入科研單位集中進行科研攻關(guān)的方向。通過對各個工序的生產(chǎn)機械化、自動化的強化，并配合經(jīng)濟技術(shù)指標的優(yōu)化條件，為最大限度發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備能力奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4.4 強化工藝設(shè)備大型化工作

克勞爾法的完善與鈦生產(chǎn)方式的創(chuàng)新，儼然已經(jīng)成為現(xiàn)階段鈦工業(yè)發(fā)展的重要方向與最終目標。因此，需要明確自動化、機械化、大型化的發(fā)展方向，消除新式方法的工藝發(fā)展隱患，將更多精力放在克勞爾法的完善層面，繼而促使我國加快大型沸騰氯化爐的應(yīng)用，建立與海綿鈦產(chǎn)品生產(chǎn)特點相匹配的大型礦物油除釩裝置，引進先進的多極性電解槽，并將先進的自動生產(chǎn)技術(shù)融入到實際的海綿鈦生產(chǎn)工序中，為我國海綿鈦生產(chǎn)裝置優(yōu)化水平的進一步提升筑實基礎(chǔ)。

4.5 加快集團化步伐

國外鈦工業(yè)兼并聯(lián)合的聲音越來越大，進而使得國際市場中海綿鈦產(chǎn)品呈現(xiàn)出了市場壟斷的趨勢。建立幾家聯(lián)合對海綿鈦市場進行瓜分的跨行業(yè)企業(yè)集團，是另一個層面上的鈦工業(yè)大型化表現(xiàn)。此種趨勢的出現(xiàn)，要求各個部門應(yīng)保證決策制定的及時性，以聯(lián)合擴建等方式，以盡早形成包含氯堿工業(yè)、產(chǎn)品加工下游企業(yè)的大型企業(yè)集團。通過兼并整合促使整體實力提升，從而達到盡快占領(lǐng)國內(nèi)市場的鈦工業(yè)發(fā)展目的。在積累足夠經(jīng)驗與資本的基礎(chǔ)上，即可迅速參與到國際市場進行市場份額的競爭。若不如此，將極有可能出現(xiàn)外部鈦工業(yè)聯(lián)合蠶食國內(nèi)海綿鈦市場份額的情況，不利于我國工業(yè)經(jīng)濟的長效穩(wěn)定發(fā)展。

4.6 加強鈦新工藝方法研究

克勞爾法不僅流程較長且繁雜工序較多，這就導(dǎo)致鈦產(chǎn)品的價格始終居高不下。早在鈦工業(yè)結(jié)構(gòu)形成的早期，國外諸多企業(yè)就意識到了這一問題，進行了大量的技術(shù)研究，期望發(fā)現(xiàn)新的成本更低的海綿鈦生產(chǎn)方法。我國在電解法領(lǐng)域同樣投入了大量精力，但在近些年來這一研究工作已經(jīng)陷入了瓶頸，相關(guān)研究活動幾乎停止。為避免出現(xiàn)在鈦提取競爭方面被國外趕超的情況，就應(yīng)加大在海綿鈦產(chǎn)品生產(chǎn)新工藝的研究力度，以確保將研究新成果及時投入到規(guī)?；a(chǎn)。近些年來更應(yīng)以國外市場的相關(guān)要求為前提，明確電解法的應(yīng)用重點，加速對低成本民用鈦以及海綿鈦合金的相關(guān)研究進程，從而實現(xiàn)海綿鈦新制法的規(guī)模化應(yīng)用目標，降低海綿鈦的生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語

綜上所述，我國鈦資源較為豐富，且目前正處于國內(nèi)海綿鈦市場蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時期，是重要的工業(yè)發(fā)展機遇。全球一體化的經(jīng)濟發(fā)展背景下，面對越來越激烈的市場競爭形勢，更需要我國相關(guān)部門明確這一重要的海綿鈦產(chǎn)品發(fā)展契機，從而獲取到更多的發(fā)展機遇，為我國鈦工業(yè)未來的持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。