海綿鈦生產裝備現狀分析

和奔流

（龍蟒佰利聯集團股份有限公司，河南 焦作 454191）

鈦金屬、海綿鈦等有色金屬的冶煉與應用，一定程度上反映了某個國家或是地區的經濟、科技發展水平。從黨的“十二五”計劃以來，鈦金屬的使用與發展就已經被視為重要項目，各前沿產業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、潛水勘探設備的發展，這都極大地考驗了鈦金屬及其合金的應用并做出了更高的要求。此前，國內的鈦金屬、海綿鈦生產行業雖然發展得較快，呈現出合理發展與競爭的蒸蒸日上的狀態，但是生產現狀存在的缺陷與國內外前沿水平的差距不可忽視，企業想要在競爭發展中存活下來，就必須加強對國內外生產現狀的掌握與理解，提前做好準備，合理實現研發、投資與經營戰略。

1 海綿鈦產業生產現狀

1.1 國內海綿鈦產業生產現狀

我國最早的海綿鈦工業化生產產業出現在建國時期，海綿鈦的生產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用。而第一次興起國內海綿礦生產企業建設的浪潮是在21世紀初期，當時由于國內外海綿鈦生產水平較低、產能不足、市場短缺導致了價格上漲迅速，不斷有國民經濟和社會經濟力量加入、加大投資力度，催生了海綿鈦生產企業的發展，逐漸提升國內海綿鈦的生產產能。

1.2 海綿鈦生產企業面臨的挑戰

（1）在國內海綿鈦生產產業大流行的時期，生產了很多批次的海綿鈦產品，銷往國內外企業，但這其中不乏許多企業技術專業水平不足，生產的個別批次的海綿鈦產品，HB硬度根本就無法達到生產要求水準，當時的生產能力并不足以支持企業生產更高硬度的海綿鈦。所以，海綿鈦生產產業一直以來都在面臨著挑戰，需要加強對產業前沿水平的技術學習和吸收，提高企業自身的行業競爭力與發展力。此外，還造成了海綿鈦生產產業的產能過剩，近些年來的穩步發展，更加劇了這一問題，其常年產能過剩百分之五十以上[1]。

（2）海綿鈦的工業化生產，屬于有色金屬的重金冶煉，整條產業鏈中會產生許多有害的副產物、廢渣和嚴重污染環境的廢水，如果做不好后期對廢物的處理與排放，則會嚴重影響周邊環境及常住人口的生命財產安全，企業能否科學合理地進行可持續化發展，工業三廢的處理是重中之重。

2 海綿鈦的主要生產工藝

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，在設備的高溫與氯氣的條件下發生氧化反應，生成四氯化鈦。此種方法可以有效氣態與固態的轉化，并且加速反應的進行，達到節省成本、提高生產效率的目的[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，并且給予適當的氯氣環境，生產四氯化鈦，最后生產出海綿鈦。

2.1.3 豎爐氯化

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

2.2 鎂還原法

鎂還原法的主要原理是，在880℃～950℃下的氬氣環境下，讓四氯化鈦與金屬鎂進行反應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，蒸餾的冷凝物可經熔化回收金屬鎂，氯化鎂經熔鹽電解回收鎂和氯氣，還能節省材料與成本。從精制四氯化鈦中制取金屬鈦，分為還原和蒸餾兩個步驟。在海綿鈦生產企業發展前期，還原、蒸餾一直都是分步進行的，而現今已逐漸趨向聯合化、大型化與工業化[3]。

3 海綿鈦生產裝備現狀

目前國內大部分大型的海綿鈦產業與鈦冶金企業都是鎂鈦聯合生產企業，多數廠家也一直采用較為普遍與穩定的還原-蒸餾一體化工藝。這種工藝也被稱為聯合法或半聯合法，它實現了原料Mg-Cl2-MgCl2的閉路循環[4]。

3.1 生產四氯化鈦階段生產裝備

四氯化鈦的生產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，通入氯氣環境下進行反應，生成四氯化鈦氣體，經過冷凝設備冷凝，得到液化態的四氯化鈦液體，最后進行過濾、蒸餾，得到四氯化鈦成品；以二氧化鈦、碳粉和淀粉為反應原料，將它們以一定比例進行混合后，通入氯氣環境并加以600℃高溫進行氯化反應得到粗產品，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、鈦鐵礦為原料經氧化還原反應制備四氯化鈦。而其中較為通用、技術較為成熟的兩種氯化制備方法，是通過高鈦渣中雜質含量不同區別選擇的，兩種氯化方法的核心決定因素都是氯化爐設備，因此，氯化爐的設備裝備設計與應用水平直接影響了四氯化鈦的制備生產水平。

目前，我國主要的海綿鈦生產企業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在上世紀70年代～80年代，在短短幾十年的發展歷程中，我國海綿鈦生產企業成功從最初的500mm直徑發展到2500mm氯化爐，但是在總體生產水平、業內平均生產水平與國外先進沸騰氯化產業還存在較大差距[5]。主要的缺陷在于：生產設備海綿鈦產能較小、能耗過大、工業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備與生產技術。大型熔鹽式氯化爐的引進與投入生產使用，極大地推動了我國有色金屬冶煉和鈦金屬制備的發展。四川省攀枝花市是我國海綿鈦的主產區，該地區是一個天然的生產原料大型釩鈦磁鐵礦的礦產區，占有我國超過百分之八十的釩鈦磁鐵礦礦產儲量，已經開采與發現的釩鈦磁鐵礦礦產儲量占世界總儲量的百分之三十左右，加之我國其他地區的鈦礦資源的開采開發與鈦礦資源的枯竭，日后海綿鈦生產企業還將主要選用熔鹽氯化法生產工藝進行四氯化鈦的制備。

3.2 還原-蒸餾工藝階段生產裝備

生產海綿鈦的生產產業鏈中，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、生產成本高、生產危險系數高和環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，分別有聯合法與半聯合法，其中聯合法還有I型還原蒸餾爐與倒U型還原蒸餾爐兩種工藝爐型。我國的海綿鈦生產產業中，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企業為例，于二十一實際初期從國外先進海綿鈦生產企業引進I型還原蒸餾爐與相應生產技術并很快地投入生產，雖然該種還原蒸餾爐需求環境較為嚴苛，生產能耗與對環境污染都較大，但是設備所需占地面積小并且可以實現串聯型垂直連接設備作業。相比之下，倒U型蒸餾還原爐生產過程中則能耗損失較小，成本較低，還原蒸餾流程實現時間短，設備操作比I型還原蒸餾爐簡單。

現今階段，國際上最為高端、先進的海綿鈦生產還原、蒸餾設備以日本為首，能達到每爐十噸的還原蒸餾產量，生產能耗及時間都大大縮短，源源不斷地投入應用于高精尖航空器、潛水器上。由此可得，我國行業內還原蒸餾階段生產裝備，不論是進口的I型還原蒸餾設備還是自主研發的還原蒸餾爐，與國際前沿技術與指標水平還相距甚遠，想要更有效地實現還原蒸餾階段的生產工作，生產企業務必引進更加高端的還原蒸餾裝備與技術，加大對于裝備的技術研發的投資投入。

3.3 鈦坨破碎工藝生產裝備

還原-蒸餾階段工藝完成后，得到的鈦坨要經過破碎工藝，即為使用一系列生產線對鈦坨進行破碎和篩選，達到指標與硬度要求的海綿鈦坨即可進行產品包裝成型。在企業現實生產中，絕大多數的企業對于海綿鈦坨的破碎處理主要都是使用國產生產設備，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水平低下，產能不達標，海綿鈦的成品合格率不足，而且篩選分裝環節大量使用人力資源，又費時又費力。反觀國際上前沿的破碎工藝生產線，都是以工業化、機械化與自動化為要求，使用前沿科技技術，生產線機械手與操作機器人取出并轉運鈦坨進行破碎，破碎工藝設備也較為高端，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節的影響，間接確保海綿鈦出產的高質量水平。

3.4 我國海綿鈦生產與國際間的差距

我國海綿鈦的工業化生產從始至今的發展已經超過七十年了，在如此長的時間跨度內，雖有某些其他相關行業的制造企業嘗試涉足其中，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。雖然國內海綿鈦生產企業也不少，但是大多數產能較低，實現工業自動化水平不高，技術水平不足。不過近些年來，隨著科技水平的進步，國內相關海綿鈦生產企業的生產技術也得到了提升，在某些領域還可以比肩國際前沿水平了，總體上技術水平的差異也依然存在，比如我國某頂尖海綿鈦生產企業的電耗對比日本頂尖海綿鈦生產企業約高出百分之五十，這便表明我國海綿鈦生產行業的氯化工藝、還原-蒸餾工藝與鎂電解工藝水平仍然存在很大差距。行業內有些企業采取不同角度，使用半流程法生產海綿鈦，但是這更加大了企業的發展難度，不夠成熟的技術水平導致了海綿鈦的成品率、生產成本、能耗方面的難以控制[6]。

4 海綿鈦生產工藝未來趨勢

作為當今世界上，技術水平最成熟、最穩定，應用范圍最廣大的海綿鈦生產加工工藝，Kroll法也經過了很長一段時間的發展與時代的生產考驗，常年來屹立不倒也證明了它的可靠性，是目前最好的生產海綿鈦的工藝手段，而且在今后很長一段時間內也無法被徹底淘汰、替換。但是它也存在一定的缺陷，如生產流程過長，生產時間間隙與周期過長，產能可能無法滿足個別行業、企業，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使用。所以，研究開發一種有利于可持續化發展，低成本低能耗的海綿鈦生產工藝是全世界共同努力的方向，在不久的將來，一定會有一種生產技術水平更高，能耗更低，對環境更友好的工藝取代現在的Kroll法生產海綿鈦。

5 結語

綜上所述，目前國內的海綿鈦生產企業正在飛速前進，企業更應該加強海綿鈦生產的專業集成度，有效提升企業市場競爭力，減少產能落后問題的出現。此外，從宏觀調控方面來看，當前產業行業狀況并不需要海綿鈦產能的提升，應當著重投入研發新技術、新生產裝備，把海綿鈦產業應用推向更深、更廣的領域。企業努力掌握與吸取行業內前沿企業的技術，開拓自己企業的市場與海綿鈦的運用新領域，落實好節能減排的國家號召，這樣就能促進中國海綿鈦產業的穩步發展。