海綿鈦生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展

1、我國海綿鈦生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展前景鄧國珠（北京有色金屬研究總院）1、生產(chǎn)狀況我院1954年開始研究金屬鈦的制造技術(shù)，1958年開始建立小規(guī)模生產(chǎn)裝置。上世紀(jì)60年代和70年代初，在撫順、上海、遵義、寶雞和沈陽建立海綿鈦和鈦材加工工廠，形成了從礦石、海綿鈦、鈦材、設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用的完整的金屬鈦生產(chǎn)和應(yīng)用體系。至今，世界上只有美國、俄羅斯、日本和中國具有這樣的鈦生產(chǎn)和應(yīng)用體系。但是，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和鈦需求市場的影響，我國金屬鈦生產(chǎn)的發(fā)展速度是緩慢的，到1985年海綿鈦年產(chǎn)量才突破千噸。從1985年至2003年的近二十年間，海綿鈦年產(chǎn)量一直在1000噸至3000噸間徘徊。近幾年的發(fā)展速度才加快，2004年

2、產(chǎn)量達(dá)到4,800噸，2005年9,500噸，2006年達(dá)到18,000噸。按年產(chǎn)量，居世界第四（表1）。到2006年，我國才有了年產(chǎn)萬噸級規(guī)模的海綿鈦工廠。與此同時，鈦材和應(yīng)用也達(dá)到了相應(yīng)的規(guī)模。表1近年來各國海綿鈦產(chǎn)量（t/a）國別中國日本美國俄羅斯哈薩克斯坦烏克蘭2004年2,41023,5008,00026,00013,0007,0002005年9,51030,5949,00027,00017,0008,4002006年18,00036,99512,00027,00018,0008,400在最近幾年間我國掀起了海綿鈦投資“熱”，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國有近三、四十家大小企業(yè)介入投資海綿鈦。其

3、中，有三家年產(chǎn)5000t規(guī)模的工廠已初步建成和部分投產(chǎn)，還有一些年產(chǎn)小于5000t規(guī)模的工廠也已在建或已投產(chǎn)。從去年開始，發(fā)展到一個新階段，出現(xiàn)一批國有大型企業(yè)公司投資建設(shè)大型化海綿鈦工廠，目前有的已進(jìn)入設(shè)計階段。今年我國海綿鈦產(chǎn)量預(yù)計達(dá)到30,000噸。其中，只有大約一半是工藝和設(shè)備較配套的產(chǎn)能，另一半則是不配套的產(chǎn)能。不配套的產(chǎn)能，主要是在20052006年間海綿鈦價格上漲，在暴利的刺激下建立起來的小生產(chǎn)線。這些生產(chǎn)線，大部分只有還原一真空蒸儲系統(tǒng)，靠外購四氯化鈦和金屬鎂生產(chǎn)海綿鈦，副產(chǎn)的氯化鎂外銷，不能實現(xiàn)氯和鎂在生產(chǎn)中的循環(huán)使用，面臨著成本高和環(huán)境壓力，與國外的大型化工廠比較，缺乏競爭

4、力。2、技術(shù)狀況我國海綿鈦生產(chǎn)技術(shù)，依靠國內(nèi)力量不斷實現(xiàn)進(jìn)步?，F(xiàn)在主要工序都已采用了國際主流技術(shù)（表2）,如沸騰氯化技術(shù)、浮閥塔精儲技術(shù)、還原-蒸儲聯(lián)合法技術(shù)、還原-蒸儲過程計算機(jī)控制技術(shù)和無隔板梢電解鎂技術(shù)等。主要設(shè)備也已基本上實行了大型化，如直徑2.6m沸騰氯化爐、8t倒U型還原-蒸儲聯(lián)合爐和110KA無隔板鎂電解梢。表2國內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)技術(shù)比較國別中國日本美國俄羅斯哈薩克斯坦烏克蘭原料92%高鈦渣95%金紅石95%金紅石87%高鈦渣87%高鈦渣87%高鈦渣氯化(24卜1.2.6m沸騰訛爐小1.93m沸騰氯化爐(便b3m沸茅氯化爐()5m熔R氯化爐()5m熔R氯化爐()5m熔R氯化爐銅絲除

5、銳-浮閥塔精偏礦物油除鈾-浮閥塔精帽礦物油除鈾-浮閥塔精帽鋁粉除銳-泡罩塔精偏鋁粉除銳-泡罩塔精偏鋁粉除銳-泡罩塔精偏還原-蒸儲58t倒U型聯(lián)合爐，34tI型半聯(lián)合爐510t倒U型聯(lián)合爐810t倒U型聯(lián)合爐45tI型半聯(lián)合爐45tI型半聯(lián)合爐4耳tI型半關(guān)合爐鎂電解110KA無隔板電解槽無極性電解槽無隔板電解槽150170KA無隔板電解槽150170KA無隔板電解槽150170KA無隔板電解槽我國鈦資源以鈦鐵礦為主，且主要是含鈣鎂雜質(zhì)較高的低品位鈦鐵礦，所以生產(chǎn)海綿鈦主要是以含鈣鎂氧化物2.5%左右的高鈦渣(TiO2相當(dāng)量三92%)為原料，沸騰氯化大多采用無篩板沸騰氯化爐。粗四氯化鈦的精制，目

6、前以銅絲除鈕為主，并已有工廠使用礦物油除斜；四氯化鈦的精儲提純，早就使用了高效的浮閥精儲塔。鎂還原真空蒸儲制造海綿鈦，已全部采用聯(lián)合法，目前有5t、8t倒“U”型聯(lián)合法和3t、4t“I”型半聯(lián)合法兩種。海綿鈦的破碎，已采用剪切式破碎機(jī)，避免了產(chǎn)品在破碎過程中的氧化現(xiàn)象。電解氯化鎂制造金屬鎂，已采用了大型無隔板電解梢，但技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差，需進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。但與國外先進(jìn)水平比較，還存在較大差距，主要表現(xiàn)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、三廢治理、設(shè)備配套水平和自動控制等方面。3、海綿鈦質(zhì)量國外用戶最關(guān)心是中國海綿鈦的質(zhì)量。中國海綿鈦是采用國外相同的方法、相同的原料、相同的工藝和相同的設(shè)備生產(chǎn)的，即采用鎂還原-真

7、空蒸儲方法生產(chǎn)的：TiCl4+Mg(l)=Ti(s)+MgCl2(l)鈦鐵礦(TiOz5060%)經(jīng)過電爐熔煉制造出高鈦渣，高鈦渣經(jīng)沸騰氯化制造四氯化鈦，粗四氯化鈦經(jīng)精制提純獲得無色透明的精四氯化鈦(純度三99.95%)作為鎂還原的原料。鎂還原產(chǎn)生的MgCl2經(jīng)熔鹽電解獲得粗鎂，粗鎂經(jīng)過精煉提純制得精鎂(純度三99.92%)返回鎂還原使用。過程中需補(bǔ)充的外購來的鎂錠，也要經(jīng)過精煉提純后才使用。還原采用的工藝和設(shè)備目前有兩種不同類型。一種是在中國南方使用的“倒U型”聯(lián)合法(并聯(lián)法，圖1),它與日本和美國的生產(chǎn)工藝設(shè)備相同，在生產(chǎn)中使用的有爐產(chǎn)5t和8t兩種不同規(guī)格的反應(yīng)器，并已試驗了10t和12

8、t的反應(yīng)器。另一種是在中國北方使用的“I型”聯(lián)合法(串聯(lián)法)，它與獨聯(lián)體的生產(chǎn)工藝設(shè)備大同小異，在生產(chǎn)中使用的有爐產(chǎn)3t和4t兩種不同規(guī)格的反應(yīng)器。一些小廠也可能使用1t和2t的還原反應(yīng)器圖1“倒U型”聯(lián)合法生產(chǎn)海綿鈦示意圖鎂還原四氯化鈦生成海綿鈦的反應(yīng)，是在反應(yīng)器抽真空后充入鼠氣保護(hù)下進(jìn)行的。還原之后在高溫高真空下從海綿鈦孔隙中分離出殘留的鎂和氯化鎂，后者在冷凝器（另一個還原反應(yīng)器）中冷凝下來，這冷凝有鎂和氯化鎂的另一個還原反應(yīng)器再返回鎂還原使用。經(jīng)過真空蒸儲提純的海綿鈦，經(jīng)冷卻、取出、破碎、挑選，按不同級別充敏包裝。每一批產(chǎn)品都要經(jīng)過嚴(yán)格的分析檢驗合格后才能出售。所出售的海綿鈦必須符合國家

9、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（表3）。我國海綿鈦的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與國外的標(biāo)準(zhǔn)大同小異。但實際的產(chǎn)品也可能與國外的一流產(chǎn)品有差別，主要差別可能是產(chǎn)品中的氣體雜質(zhì)含量，例如氧和氮可能稍許偏高，布氏硬度可能稍許偏高。品等級012345產(chǎn)品牌號Ti<雜質(zhì)，F(xiàn)eSiClCNOMnMgHMHT-10099.70.060.020.060.020.020.060.010.060.005MHT-11099.60.100.030.080.030.020.080.010.070.005MHT-12599.50.150.030.100.030.030.100.020.070.005MHT-14099.30.200.030.150.030

10、.040.150.020.080.010化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%布氏硬度HBW/10/14700/30>100110125140160200表3中國海綿鈦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)MHT-16099.10.300.040.150.040.050.200.030.090.012MHT-20098.50.400.060.300.050.100.300.080.150.0304、需求狀況鈦的消費量與一個國家的綜合國力和發(fā)展程度成正比，隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷增長，綜合國力不斷增強(qiáng)，鈦的消費量增長速度較快，2003年需求量為10,000噸，2004年12,000噸，2005年13,000噸，2006年達(dá)14,000噸，20

11、07年預(yù)計超過15,000噸。目前的應(yīng)用主要集中在化工和石油化工（表4）。表4鈦在非航空領(lǐng)域的應(yīng)用比例（%）應(yīng)用領(lǐng)域化工和石化體育用品海洋工程電力冶金其它200455.723.102.825.642.5810.18200555.1527.702.381.856.736.20200642.2225.563.333.332.2223.33金屬鈦性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，對鈦的需求量會逐步增長。今后將大幅增長應(yīng)用的領(lǐng)域主要是航空、發(fā)電、石化、汽車、消費品、鋼鐵、海水淡化、船艦等。特別是鋼鐵，我國鋼鐵產(chǎn)量已達(dá)4億多噸，如果按照鈦鋼比為萬分之一的比例計算，對鈦的需求量應(yīng)為4萬多噸。按照USGS等機(jī)構(gòu)的

12、統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)外的海綿鈦產(chǎn)能預(yù)計將快速增長（表5）,2010年世界海綿鈦產(chǎn)能預(yù)計將超過24萬噸。而鈦的應(yīng)用盡管增長很快，但應(yīng)用增長仍會落后于產(chǎn)能量增長。據(jù)最樂觀的預(yù)測（日本先進(jìn)技術(shù)公司資料），到2010年世界鈦材市場將擴(kuò)大到12萬t,對海綿鈦的需求量將達(dá)1516萬t。因此，預(yù)計國內(nèi)外鈦市埸在今后一段時間內(nèi)將是供大于求的局面。表5世界海綿鈦產(chǎn)能及預(yù)測200520062007200820092010美國0.891.061.521.973.073.07俄羅斯3.003.203.203.203.404.40哈薩克斯坦2.002.302.402.502.502.50烏克蘭0.800.850.900.

13、951.001.05日本3.303.653.923.973.975.20中國1.202.503.504.756.008.00總計11.1913.5615.4417.3419.9424.225、發(fā)展前景預(yù)測5.1、 產(chǎn)能預(yù)測通過目前這一輪大規(guī)模的投資，預(yù)計到2010年我國海綿鈦產(chǎn)能和產(chǎn)量有可能居世界前列。到2010年，預(yù)計將有1012個年產(chǎn)5000t以上的、全流程配套的海綿鈦工廠，最大工廠規(guī)模將達(dá)15,00020,000t/a。總產(chǎn)能預(yù)計達(dá)到70,00080,000t/a,總產(chǎn)量預(yù)計將達(dá)50,000t/a。5.2、 技術(shù)進(jìn)步預(yù)測通過需求市場分析，面對國內(nèi)大量擴(kuò)新建海綿鈦廠的實際情況，將來所生產(chǎn)的

14、海綿鈦必然要面向國內(nèi)和國際兩個市場。參與市場競爭，要以產(chǎn)品的質(zhì)量和價格來競爭，而質(zhì)量和價格又取決于生產(chǎn)技術(shù)?？梢?，實現(xiàn)海綿鈦生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步，使生產(chǎn)技術(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全面達(dá)到國際先進(jìn)水平，是參與市場競爭和保持持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前在建和將要建的海綿鈦工廠，特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)用國內(nèi)外先進(jìn)的工藝技術(shù)，強(qiáng)調(diào)工藝流程和原料的完整配套，以實現(xiàn)氯和鎂完全循環(huán)利用，特別重視產(chǎn)品質(zhì)量與國際接軌，特別注意廢料治理和環(huán)境保護(hù)，建成在國內(nèi)外具有競爭能力的現(xiàn)代化工廠。(1)、工藝流程和設(shè)備完整配套生產(chǎn)海綿鈦工藝流程復(fù)雜，使用的原料較多，但主要原料氯和鎂是循環(huán)利用的(圖2),只需補(bǔ)充過程中損失的少量氯和鎂。高鈦渣圖2海綿鈦生產(chǎn)過程

15、中的氯、鎂循環(huán)新建廠都特別重視配套，不僅在設(shè)計時工藝流程和設(shè)備完全配套，而且考慮到原料的配套。有的公司已參與國外的采礦，將采用高品位天然金紅石為原料生產(chǎn)海綿鈦；并有自已的氯堿廠與海綿鈦工廠配套。這樣完整的配套工廠才有可能實現(xiàn)氯、鎂的完全循環(huán)利用，降低生產(chǎn)成本，減少廢料，才具有競爭力。不配套的工廠將逐漸被陶汰，因為液氯和四氯化鈦都是強(qiáng)腐性的毒氣，不適宜長途運輸，要長途運輸不僅運輸成本高，而且危險性很大，在國內(nèi)已多次發(fā)生重大事故。不配套工廠沒有鎂電解，外購四氯化鈦和金屬鎂不僅大幅增加成本，而且氯化鎂如不能利用，將產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題。(2)、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際水平提高產(chǎn)品質(zhì)量是海綿鈦廠生存的關(guān)鍵。在激

16、烈市場競爭中，如果產(chǎn)品質(zhì)量不能與國際接軌，工廠的生存將受到挑戰(zhàn)。新建工廠都把產(chǎn)品質(zhì)量放在第一位，目標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到獨聯(lián)體的水平，有的公司為達(dá)此目標(biāo)，全流程引進(jìn)獨聯(lián)體技術(shù)。海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量與原料純度和還-蒸的工藝、設(shè)備和操作有關(guān)。應(yīng)特別重視四氯化鈦純度對海綿鈦質(zhì)量的影響，因為四氯化鈦中的雜質(zhì)幾乎全部進(jìn)入海綿鈦中。精制工序生產(chǎn)出純度高的四氯化鈦(表6),是保證海綿鈦質(zhì)量的重要前提。表6獨聯(lián)體和日本精四氯化鈦雜質(zhì)含量(ppm)指標(biāo)VOSiFe總碳獨聯(lián)體三26至1三210三210至10日本住友至1/至10至10/四氯化鈦的純度主要與精制工藝有關(guān)，其次也與儲存和運輸有關(guān)。儲存和運輸過程中，如與大氣接觸，氧

17、、氮和水汽必然溶解到四氯化鈦中，造成產(chǎn)品的氣體雜質(zhì)含量增加。(3)、工藝技術(shù)力爭達(dá)到國際先進(jìn)技術(shù)A氯化工藝技術(shù)我國海綿鈦生產(chǎn)技術(shù)，與國外先進(jìn)水平比較，氯化工序存在較大差別，主要因為使用高鈣鎂的高鈦渣為原料，其中雜質(zhì)含量較高，凈氯耗量比較大，產(chǎn)生廢料比較多，給氯化工藝增加了技術(shù)難度。已有公司計劃采用國外高品位天然金紅石(>95%TiO2)為氯化原料，以減少廢料。目前國內(nèi)已有直徑2.42.6m的沸騰氯化爐投入運行。新建工廠不僅考慮采用更大的爐子，而還都特別注意改進(jìn)氯化爐后的收塵、冷凝和沉降過濾系統(tǒng)，減少排渣口，提高四氯化鈦回收率。B精制工藝技術(shù)四氯化鈦精制工序的除鈕工藝，目前還普遍采用銅絲除

18、銳，少數(shù)工廠采用礦物油除銳。銅絲除鈕是上世紀(jì)六十年代研究的技術(shù)，不僅除銳設(shè)備龐大、成本高，而且產(chǎn)生大量的含銅廢水難以治理?，F(xiàn)已研究了鋁粉除銳新工藝技術(shù)，該技術(shù)具有國際領(lǐng)先水平；與獨聯(lián)體鋁粉除鈕工藝技術(shù)不同，具有流程和設(shè)備更簡單、鋁粉用量更少、除銳成本更低、廢料更少等優(yōu)點。鋁粉除銳新工藝有望逐步取代銅絲除銳，和采用更高效精微技術(shù)相結(jié)合，將使四氯化鈦精制技術(shù)提高到一個嶄新水平。C還原-蒸儲工藝大型化還原-蒸儲聯(lián)合法，是新建工廠追求的重要技術(shù)。采用I型聯(lián)合法的公司，計劃引進(jìn)俄羅斯和烏克蘭開發(fā)的爐產(chǎn)5t7.5t的I型半聯(lián)合法技術(shù)。采用倒U型聯(lián)合法的公司，在設(shè)計時強(qiáng)調(diào)改進(jìn)還原反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，重點放在解決中心產(chǎn)品硬芯的有關(guān)技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化操作是值得重視的一項技術(shù)，如果還原-蒸儲過程中