海綿鈦加工的質量控制

賀高峰，蘆雯(龍佰集團股份有限公司，河南 焦作 454191)

0 引言

海綿鈦作為四氯化鈦和金屬鎂反應的產物，它呈現疏松多孔的海綿狀，不能直接使用，需要經過熔鑄加工成鈦錠或者研磨加工成鈦粉[1]。鈦錠能應用到各類鈦材、鈦合金生產中，所以海綿鈦是鈦粉及其他鈦構件的核心原料。18 世紀末期，英國牧師兼業余礦物學家、德國化學家先后分別從黑色的磁鐵礦砂和非磁性的氧化物中發現了一種新元素，新元素在當時被他們分別命名為墨納坤和鈦土，而后證明這兩種物質實際上是同一種元素的氧化物。所以就以神話中大力神的名字來命名這種新元素為鈦，鈦元素從第一次發現到得到純金屬鈦，歷經百年[2]。

鈦的下游應用領域十分廣泛，許多行業都會涉及到鈦金屬合金的大量使用，例如載人火箭外殼、飛行器的外殼、潛水設備中都有鈦金屬的身影，這些都顯示出了鈦金屬的重要性。

現階段，國內鈦金屬海綿鈦生產呈現著良好的發展態勢，但生產中存在的問題導致國內鈦產品和國外發達國家所生產的鈦產品之間存在著鮮明的差距。企業要想在競爭中得到進一步的發展，需要全面掌握國內外海綿鈦生產現狀，做好準備[3]。目前，國內的海綿鈦產品和國外相比，綜合質量偏低，沒有高端產品的優勢，高端產品還需要依賴進口，這些情況就直接影響了海綿鈦產業的發展。未來，海綿鈦發展趨勢將朝著產能利用率提升和高端產品方向發展。

1 海綿鈦產業生產現狀

我國在20 世紀60 年代開始海綿鈦工業化生產，海綿鈦的生產直接決定鈦金屬的冶煉水平，還影響著相關合金材料的應用。我國海綿鈦生產企業的建設浪潮出現在21 世紀初期，這一時期國內的海綿鈦生產水平低，產能不足，時常短缺，所以海綿鈦的價格不斷上升。在這種情況下，越來越多的資本投入海綿鈦產業，逐步提高了海綿鈦的生產能力、生產質量和生產效率。

海綿鈦加工是一個物理加工的過程。一般情況下，最后一個階段就是讓海綿鈦的鈦坨從反應罐頂出，然后剝離去除表面雜質形成鈦坯，再將其切割成一定數量的鈦塊。整個海綿鈦加工過程分為幾個部分，海綿鈦主要生產流程如圖1 所示。

圖1 海綿鈦的主要生產流程示意圖

海綿鈦生產工藝技術主要包括了Na 還原法和Mg 還原法，對這兩個類型進行分析，將為下文所探討海綿鈦生產流程中的優化打下堅實基礎。

Na 還原法的生產過程包括了沸騰、熔鹽和豎爐3 種方式。在這3 種方式中，沸騰氯化是最顯著的方式，現階段中國、日本、美國大多通過這種方式。另外的熔鹽法是部分國家采用的，豎爐法在當今基本上已經被淘汰。沸騰法一般是以鈣、鎂含量低的高品位、富鈦料為原料，熔鹽法則使用含高鈣鎂的原料來進行操作。沸騰氯化通過細顆粒的富態量和固體石油焦還原劑，進行氯化反應，從而制取四氯化鈦。熔鹽氯化就是將細磨的鈦渣或金紅石以及石油焦懸浮在熔鹽介質中，并通入氯氣，然后來制備四氯化鈦。豎爐氯化這種方式是將被氯化的鈦渣與石油焦細磨，然后加黏合劑均勻制團，并經過焦化，再將制成的團塊堆料放置在豎爐鋁化爐中呈固體狀態的情況下借助氯氣作用來進行提取，這種方法在當前時代因為經濟成本和操作原因已經被淘汰。

Mg 還原法是在溫度900 ℃的氬氣環境下，四氯化鈦和金屬鎂反應，可以得到海綿狀的金屬鈦和氯化鎂，借助真空蒸餾去除海綿鈦中的氯化鎂和過剩的鎂，從而獲得純鈦[4]。精制四氯化鈦中制取金屬鈦分為了還原、蒸餾兩大步驟，這兩個步驟都是分階段進行的，但是當前隨著時代的發展，海綿鈦制備已經趨向聯合化開展。

2 海綿鈦產業面臨的挑戰

進過幾十年的發展，我國海綿鈦產業進入了一個新的發展階段，供給能力大幅提升，化解了市場供需矛盾。但隨之而來的產能過剩、產品結構性矛盾以及“三廢”處理凸顯出來，給產業發展帶來了新的挑戰。

2.1 海綿鈦產業產能過剩問題突出

在當前階段，國內海綿鈦的生產呈現著良性化態勢，但在這個過程中也具有顯著的挑戰。

隨著海綿鈦生產企業的大量投資，目前海綿鈦產業已經出現了產能嚴重過剩等問題，產能過剩達到50%以上。而且國內海綿鈦產品參差不齊，一些專業水平不足的產品的硬度無法達到國際上先進的產品標準要求[5]。

我國海綿鈦產能過剩主要體現在結構性過剩上，低端的海綿鈦產品大量過剩，而優質的海綿鈦卻供不應求。我國高端鈦材制造能力不足，鈦材大部分為初級產品，應用領域也相對中低端。航空航天、船舶制造等行業高端用鈦比例與全球鈦材需求結構相比偏低。

2.2 雜質元素影響海綿鈦產品質量

海綿鈦中的主要雜質元素包括：Fe、O、Cl、C、N、Si、Mn、H，海綿鈦產品中雜質元素含量和產品的布氏硬度將直接決定最終產品等級，因此對最終產品中所含有的雜質元素以及布氏硬度的情況，讓其保持在低水平，就能夠提高產品質量。如果雜質含量過多，布氏硬度上升，那么整體產品的質量就相對偏低。海綿鈦的硬度既是雜質元素的綜合指標，也是質量綜合指標。在所有的雜質中，對其影響較大的雜質元素包括Fe、Cl、N、O、C。有效控制海綿鈦中雜質元素的引入途徑，這對整個海綿鈦產品質量的提升，有著非常關鍵的意義。海綿鈦產品中分為爬壁鈦和鈦坨兩大部分。爬壁鈦主要是粘在反應器上的海綿鈦，一般含雜質氯、鐵較高，質量比鈦坨中心部分要差。海綿鈦坨根據雜質分布的不同情況能夠分為帽部、中心部、底皮和邊皮等幾個部位。

帽部就是指鈦坨上較為疏松的產品，中心部是指鈦坨揭去帽部和底皮，剝去邊皮后的中間部分的產品，底皮就是最下層的部分，邊皮是從側邊剝下的部分，通過圍繞不同部分進行化驗，能夠發現整個海綿鈦中鐵含量在鈦坨中心部分最低，其次是上部，越接近器壁和底部的含量越高。底皮和邊皮是含鐵最高的部位，因此圍繞這些情況對加工過程中可能引入的雜質進行分析，能發現海綿鈦加工流程中可能會讓雜質進入其中，另外還包括了分裂篩分過程中機器磨損和鐵皮碎屑。

2.3 海綿鈦生產中的環保問題有待解決

海綿鈦工業化生產本身屬于易產生重污染的有色金屬冶煉業，整個鏈條中會產生很多有害的副產物、廢渣和嚴重污染環境的廢水，如果不能做好廢物的綜合處理，將會對周邊環境造成影響，甚至威脅人們的生命安全。

3 提升海綿鈦綜合質量的有效途徑

毫無疑問，鈦市場未來將由高端需求主導。隨著“十四五”規劃和軍隊現代化建設進入加速期，軍工裝備等高端領域用鈦將大幅提升。國家大力推進的深海發展計劃和大飛機發展國產化，對高端鈦材需求將呈現快速增長態勢，這為海綿鈦企業改善供應結構提供了有利的市場機遇，通過相應的技術手段提高產品綜合質量是海綿鈦生產企業的當務之急。

3.1 嚴格控制加工過程

要了解海綿鈦的加工流程，以及認識海綿鈦中含有的雜質元素，要對海綿鈦綜合質量進行控制，首先就是圍繞加工過程進行控制。海綿鈦的質量和加工過程中引入的雜質有密切關系，所以在加工過程中，對邊皮和底皮的處理一定要高度重視。為防止產品綜合質量受到影響，對分離出的海綿鈦坨表面一定要清理，因為這些鈦坨表面會含有一些缺陷的產品，鈦坨底部也會有缺陷的情況，存在這些缺陷的鈦密度較大，硬度較高，污染面積高，而且含有較多低能量鈦。如果在加工操作時，沒有對這些部分進行處理，直接進入到后續加工，就會給整個產品質量帶來影響。同時，加工作業時也容易損害設備，引發著火事故。而人工利用風鎬是無法將其分離的，需要借助專業設備將其整體切下，這部分切片后的將要單獨處理。此外在進行加工過程中，切片控制需要高度注意，海綿鈦在進行分裂篩分作業前，一定要按照要求的粒度切制，然后展開整個切片過程，切片中掌握好進刀量，圍繞著鈦坨底部缺陷情況做好觀測，將底部缺陷部分全部清除，并且單獨收集，這樣能夠減少不符合分裂設備要求粒度的產品。

在實際風險控制中，海綿鈦經過分類篩選后，還需要經過人工檢測臺的分揀作業，并在混料后再次進行分解。這個過程中會出現正品海綿鈦中混雜有缺陷鈦和廢鈦產品的情況，要借助人工分揀，避免這些有問題的產品進入到最終產品中，給整個產品質量帶來消極影響。產品中會有這樣一種情況，就是某一元素偏高，這個情況也會直接造成海綿鈦質量的整體下降。而海綿鈦加工處理過程是一個物理過程，沒有辦法進行精準控制，所以無法依靠海綿鈦中化學成分的改變來提升綜合質量。面對這種情況，就要對產品中的元素含量配比優化調整，這樣才能夠提高整體產品的質量。可以選擇兩個批次中不同單一雜質含量偏高的海綿鈦，按照相關的分析后，對其中含有的雜質元素進行分析，了解其存在的原因，然后做出優化，保障后期的海綿鈦產品質量都能夠達到最優化。

3.2 綜合把控生產裝備

現階段海綿鈦生產裝備主要包括了生產四氯化鈦階段的生產裝備，還原蒸餾工藝階段的生產裝備，以及鈦坨破碎工藝的生產裝備。對這些裝備一定要定期做好全面的檢查和優化，調查了解裝備存在的各種問題。然后不斷引進新裝備技術，幫助裝備的效果更好發揮。海綿鈦生產工藝Kroll 法在當今世界是技術水平最成熟和最穩定的一種方法。這種方法在投入使用后經歷時代的考驗非常可靠，是現階段公認的生產海綿鈦最好的工藝手段，而且在今后很長的一段時間內還將是主流的生產工藝。但是這種方法也存在一定的缺陷，例如生產流程過長。生產時間間隙和周期過長，就會造成生產成本過高、損耗過大的情況，這些損耗會進一步影響到整個世界對鈦礦資源的研究開發利用。所以需要圍繞著相關層面的生產技術、生產工藝流程，不斷進行優化，找到對環境更加友好的工藝來進行應用，只有這樣才能夠最終生產出高質量的海綿鈦產品，提升行業整體競爭力。

在海綿鈦企業對相關設備進行檢測時，還要遵循精簡實用的原則，圍繞企業實際的需要對設備進行檢測，要保證人員和設備的安全性，堅持方便操作的原則，做好日常的管理[6]。圍繞實際，在選擇裝備時一定要選擇新型優質裝備，裝備使用過程中及時做好定期檢查，當裝備出現問題就要即刻的檢查維修，不得已的情況下，還需要進行更換。現階段國內海綿鈦生產企業正在逐步發展，為了提高企業的競爭力，需要對產品的質量進行把控，這樣才能幫助企業更好地順應當前激烈的競爭。在這個過程中，企業要把握好海綿鈦生產的全過程，利用新技術、新設備來幫助海綿鈦產業穩步發展。

4 結語

綜上所述，現階段對海綿鈦的高質量要求分為了多個層面，為了保障整個海綿鈦產品的最終質量，要從生產原料層面做好把控，在加工過程中做好整個加工環節的把握，然后圍繞著具體的生產設備進行全面把控，這樣才能夠保障整個海綿鈦的生產質量。

2020 年全球海綿鈦產能在34.1 萬噸，海綿鈦高端產能主要集中在日美兩國，他們在技術上都處在領先階段。我國是海綿鈦生產大國，但高端產品的生產能力不足。因此，我國的海綿鈦產業要通過提升產品質量，增強綜合競爭力，通過對技術和設備改進與提升，把控好海綿鈦的加工質量，讓海綿鈦產業能夠實現綠色可持續發展。