海绵钛工业生产现状及发展

申庆飞，闫明，司华彬(龙佰集团股份有限公司，河南 焦作 454191)

0 引言

地壳中的钛含量占比在0.4%左右。其优异的性能使得该种金属获得了广泛关注，并在20 世纪40 年代实现了工业化生产的基本目标。我国钛元素储备量极为丰富，海绵钛的生产时间较早，但产能却仅仅只占据世界总量的2%左右。为充分发挥海绵钛的价值与优势，需要对目前海绵钛在世界的工业发展现状进行分析，同时制定我国海绵钛工业持续发展方案，完成从资源大国到生产大国的转变。

1 世界钛市场发展现状与整体趋势

作为最大的钛消费国家，美国每年消耗的海绵钛量占到了总量的50%，这就使得其需要进口大量海绵钛与原材料。虽然在航天领域美国获得了航天用钛的快速发展条件，但在其他领域却仍表现出了不足之处。因此，美国相关部门计划在5 年内改变以往航天钛占比较大的情况，大力发展其他行业中的钛用量[1]。在维持原有的航天用钛量不变的情况下，必然会使得美国对钛的需求量进一步提升，现阶段其已经开始大力发展其他行业钛的实际应用。

日本受美国影响，在美国对钛的军事需求量逐渐增大的背景下开始大力发展钛工业。而由于在20 世纪90 年代的美国军事战略改变，使得军工用钛量大大降低，这使得日本开始寻求将海绵钛应用到其他行业的途径，例如：建筑、医疗、生活用具等。经由多年发展，现阶段日本的海绵钛已经被实际应用在了海水淡化、石油加工等领域。近年来，虽然日本国内钛用量有所缩减，但整体来看在日本军工事业的持续发展背景下依然呈现出了海绵钛耗量持续提高的趋势。

欧洲由于自身无海绵钛的生产厂家，因此每年的用钛主要依赖于进口，其中航天方面约占比60%，民用占比在40%左右。美国与欧洲为冷战同盟，在如此背景下，欧洲军事层面用钛量在未来将有较为明显的增长表现。

我国的钛工业发展起源于20 世纪60 年代，经过约60 余年的发展，从钛矿开采至钛产品出厂，我国建立了一套完整的海绵钛生产体系，无论是在生产还是在加工领域均保持在世界前列。但我国的钛工业规模偏小，导致与我国在世界上的重要地位极度不匹配。民用与出口是传统钛工业发展的主要目标，现阶段从民用的实际情况来看，钛的民用质量获得了明显提升。受国内外相关政策的影响，我国的钛工业企业的数量也在逐渐增加，但由于部分企业规模较小且资本积累量过低，导致我国没有赶上海绵钛的利润高峰期，规模方面与其他发达国家相比仍有着一定差距。但伴随人们逐渐开始了解到钛的优良性能，使得钛的应用范围也在逐渐扩大，例如：化工、氯碱、发电等行业，海绵钛年消耗量均保持在5 000 t 以上。需要注意的是，大量的国外钛材厂家为满足利益获取需求，将材料进口或走私到我国，从而冲击了我国的钛加工市场。再加上我国在大型装置制造方面仍有一定差距，使得我国目前部分发电与化工需求仍然需要依靠欧美等国家[2]。若能够争取到这一部分的市场，将为我国在海绵钛生产方面提供较大规模的市场发展条件。

我国作为一个世界大国，综合实力不断提升。为进一步加强我国的军事力量，例如航空航天及先进武器系统组建等，对钛的需求量极大，这也是当下我国在军事工业层面所表现出的用钛主要发展趋势。

钛的寿命极长且具有耐损耗特点，因此钛需求量的提升主要来源于新领域拓展与旧领域的更新。综上所述，世界主要工业国家钛金属需求量逐渐提高，海绵钛的工业发展仍然呈现出了势头良好的趋势，具有广阔的工业发展前景。

2 世界海绵钛工业发展现状

2.1 美国的海绵钛工业

氯化是美国海绵钛生产的首要步骤，所需要的氯化富钛原料通常来源于外部购买，并在沸腾氯化工业的基础上制取四氯化钛，然后使用矿物油对产品进行净化，为后续海绵钛在镁的作用下还原生产奠定基础。美国海绵钛总量明显落后于日本、中国等国家，但其所使用的钛的沸腾氯化技术仍然处于世界领先状态，其特点主要体现在以下两个方面：第一是选择在四氯化钛除钒环节中，以矿物油作为加工原料，体现出了成本低与货源广的优势；第二是氦气扫除与酸浸目前已经基本被淘汰，现阶段主要使用真空蒸馏法。过去美国主要依赖于进口海绵钛，技术方面较为落后，直至融入日本技术后才获得了技术改造的必要条件，为将其整体发展水平推入到世界前列奠定了基础。从装备角度来看，美国的海绵钛生产装备较为完善，所使用的沸腾氯化炉直径在3.05 m 左右，能够达到生产150 t/d 的目标。整个海绵钛的工业生产流程已经完成了计算机联网背景下的全过程自动控制的相关任务。整体来看美国的海绵钛生产管理水平相较中国要高得多，但仍略微落后于日本。

2.2 日本的海绵钛工业

日本的海绵钛主要来源为东邦与大阪两个工厂，所使用的生产工艺为镁还原(真空蒸馏)，原料来源为进口。产出产品主要供出口，少数供给国内。日本的海绵钛工厂具有生产技术先进与产品品质高等优势，生产出的海绵钛纯度较高。从装备水平来看，其所使用的沸腾氯化技术从美国引进，早在20 世纪80 年代就已经达到了8 t，镁耗费为10 kg/t 海绵钛左右，各类指标均处于世界前列。全部的生产过程均由计算机控制，包含了还原、蒸馏、包装以及电解等工序。

2.3 中国的海绵钛工业

我国的海绵钛工厂以电炉冶炼的高钛渣为主要的氯化原料，配合使用铜丝与浮阀塔将钒除去，并同时起到四氯化钛的净化作用，最后使用镁还原蒸馏的方式生产出海绵钛。我国自主研究出的沸腾氯化生产系统，由于融入了独联体熔盐的氯化技术，配合先进的海绵钛破碎与蒸馏联合炉等系统，持续提升我国产出海绵钛产品的质量。但目前，在海绵钛的工艺控制与产品质量方面，相较部分国家仍存在一定差距。

3 国外海绵钛工业发展整体趋势分析

3.1 镁法的完善

经过多年发展，世界的钛工业已经较为成熟，在设备、工艺等方面各个国家之间的差距已经逐渐缩小。因此，目前多个国家确定了镁法完善的努力方向，期望通过使用含二氧化钛94%以上的高品位富钛料提高海绵钛产品质量，配合使用产能更高与尺寸更大的沸腾氯化炉与矿物油除钒装置，实现产量提高与效率提升的目标[3]。从镁电解角度来看，倾向于使用无隔板电解槽，在对钛坨进行破碎的基础上配合使用自动化的大型破碎装置。各个工序的推行建立在计算机的自动化控制之上，以减少人工操控成本。此外，各国也提高了对环境保护的重视，采取合适方式以降低对环境所产生的污染。总结来看，生产连续化、控制自动化以及质量高纯化为各个国家在海绵钛生产环节所努力的目标，也是当下使用镁法的整体趋势。

3.2 对钛新式生产方法的探索

克劳尔法是海绵钛工业化常用的工艺，即金属镁还原四氯化钛得到钛金属，但由于原料成本高，电及其他能源消耗大等原因，使得海绵钛的整体成本始终处于较高水平，对其他行业大规模应用海绵钛产品较为不利。为寻求低成本海绵钛生产方法，各个国家均进行了相关研究，例如：等离子法、液态高温高压法等，进行了不同层次的实验研究与实践。以电解法为例，在某些层面其相关指标与工业化生产的要求已经较为接近，但仍无法取代现有方法，从这一点来看，使用镁还原法仍然是较长一段时间内海绵钛的主要生产方式。

3.3 投资多元化

钛工业在发展过程中呈现出了投资多元化的特点，以欧洲、日本为例，均成立了钛工业联合生产体制，并通过各个国家的合作加强实现优势互补目标。当下在钛市场上，已经逐渐在投资多元化的背景下形成了以购销合同为主的市场局面，并将在未来长时间维持此种市场发展态势，为海绵钛产品销量的提高奠定坚实基础。

4 对我国钛工业发展的建议对策

4.1 充分发挥西部钛资源优势

我国九成以上的优质钛矿资源储存在西部，以遵义钛工厂与宝鸡有色金属加工厂为例，我国八成以上的海绵钛产品均产自于西部的工厂。因此，想要将西部钛资源储备优势予以充分发挥，实现海绵钛产品产量与质量的双重提升目标，关键在于明确西部开发要点，建立专业的钛工业生产基地，以促使钛工业逐渐成为我国西部支柱性产业，实现西部经济可持续性发展的根本目标。

4.2 挖潜改造老厂扩大规模效益

老厂挖潜俨然成为世界范围内海绵钛工业生产能力提升的重要基础，现有的几家主要的海绵钛工厂均是使用老厂挖潜方式实现生产规模扩大的目标。我国海绵钛市场需求巨大，建设时机已经较为成熟，因此更应抓住这一生产机遇，通过使用新式技术对老厂原有的技术线路与生产系统进行改造，从而建设出更大经济规模的海绵钛工厂，为满足不断上涨的海绵钛行业需求提供完备条件。

4.3 加快科研进程，提高海绵钛产品质量

我国的部分海绵钛工厂具有布局分散与规模较小的特点，其中尤以设备陈旧与自动化程度不足问题最为突出，也是影响海绵钛生产成本的关键因素。如此背景下，海绵钛企业不仅自身经济收益无法保证，且由于海绵钛市场的持续扩张极容易导致出现价高受阻后果，最终影响到企业针对海绵钛产品的科研投资进程，获取科研成果缓慢，增大了与其他国家在海绵钛产品生产环节的差距[4]。由于钛的重要性逐渐明晰，战略地位的提升使得国家开始逐渐加大了对钛工业的扶持力度，为各个海绵钛生产工厂提供了较多的扶持条件，创设了促进发展的有利环境。从科学技术更新与进步的角度来看，应吸收其他国家的先进研究经验，加大技术投入力度，迈入科研单位集中进行科研攻关的方向。通过对各个工序的生产机械化、自动化的强化，并配合经济技术指标的优化条件，为最大限度发挥现有设备能力奠定了坚实的基础。

4.4 强化工艺设备大型化工作

克劳尔法的完善与钛生产方式的创新，俨然已经成为现阶段钛工业发展的重要方向与最终目标。因此，需要明确自动化、机械化、大型化的发展方向，消除新式方法的工艺发展隐患，将更多精力放在克劳尔法的完善层面，继而促使我国加快大型沸腾氯化炉的应用，建立与海绵钛产品生产特点相匹配的大型矿物油除钒装置，引进先进的多极性电解槽，并将先进的自动生产技术融入到实际的海绵钛生产工序中，为我国海绵钛生产装置优化水平的进一步提升筑实基础。

4.5 加快集团化步伐

国外钛工业兼并联合的声音越来越大，进而使得国际市场中海绵钛产品呈现出了市场垄断的趋势。建立几家联合对海绵钛市场进行瓜分的跨行业企业集团，是另一个层面上的钛工业大型化表现。此种趋势的出现，要求各个部门应保证决策制定的及时性，以联合扩建等方式，以尽早形成包含氯碱工业、产品加工下游企业的大型企业集团。通过兼并整合促使整体实力提升，从而达到尽快占领国内市场的钛工业发展目的。在积累足够经验与资本的基础上，即可迅速参与到国际市场进行市场份额的竞争。若不如此，将极有可能出现外部钛工业联合蚕食国内海绵钛市场份额的情况，不利于我国工业经济的长效稳定发展。

4.6 加强钛新工艺方法研究

克劳尔法不仅流程较长且繁杂工序较多，这就导致钛产品的价格始终居高不下。早在钛工业结构形成的早期，国外诸多企业就意识到了这一问题，进行了大量的技术研究，期望发现新的成本更低的海绵钛生产方法。我国在电解法领域同样投入了大量精力，但在近些年来这一研究工作已经陷入了瓶颈，相关研究活动几乎停止。为避免出现在钛提取竞争方面被国外赶超的情况，就应加大在海绵钛产品生产新工艺的研究力度，以确保将研究新成果及时投入到规模化生产。近些年来更应以国外市场的相关要求为前提，明确电解法的应用重点，加速对低成本民用钛以及海绵钛合金的相关研究进程，从而实现海绵钛新制法的规模化应用目标，降低海绵钛的生产成本。

5 结语

综上所述，我国钛资源较为丰富，且目前正处于国内海绵钛市场蓬勃发展的关键时期，是重要的工业发展机遇。全球一体化的经济发展背景下，面对越来越激烈的市场竞争形势，更需要我国相关部门明确这一重要的海绵钛产品发展契机，从而获取到更多的发展机遇，为我国钛工业未来的持续发展奠定坚实基础。