賀高峰，蘆雯(龍佰集團(tuán)股份有限公司，河南 焦作 454191)

0 引言

海綿鈦?zhàn)鳛樗穆然伜徒饘冁V反應(yīng)的產(chǎn)物，它呈現(xiàn)疏松多孔的海綿狀，不能直接使用，需要經(jīng)過熔鑄加工成鈦錠或者研磨加工成鈦粉[1]。鈦錠能應(yīng)用到各類鈦材、鈦合金生產(chǎn)中，所以海綿鈦是鈦粉及其他鈦構(gòu)件的核心原料。18 世紀(jì)末期，英國(guó)牧師兼業(yè)余礦物學(xué)家、德國(guó)化學(xué)家先后分別從黑色的磁鐵礦砂和非磁性的氧化物中發(fā)現(xiàn)了一種新元素，新元素在當(dāng)時(shí)被他們分別命名為墨納坤和鈦土，而后證明這兩種物質(zhì)實(shí)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(fā)現(xiàn)到得到純金屬鈦，歷經(jīng)百年[2]。

鈦的下游應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，許多行業(yè)都會(huì)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(shè)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(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)鈦金屬海綿鈦生產(chǎn)呈現(xiàn)著良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，但生產(chǎn)中存在的問題導(dǎo)致國(guó)內(nèi)鈦產(chǎn)品和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家所生產(chǎn)的鈦產(chǎn)品之間存在著鮮明的差距。企業(yè)要想在競(jìng)爭(zhēng)中得到進(jìn)一步的發(fā)展，需要全面掌握國(guó)內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)現(xiàn)狀，做好準(zhǔn)備[3]。目前，國(guó)內(nèi)的海綿鈦產(chǎn)品和國(guó)外相比，綜合質(zhì)量偏低，沒有高端產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，高端產(chǎn)品還需要依賴進(jìn)口，這些情況就直接影響了海綿鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。未來，海綿鈦發(fā)展趨勢(shì)將朝著產(chǎn)能利用率提升和高端產(chǎn)品方向發(fā)展。

1 海綿鈦產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國(guó)在20 世紀(jì)60 年代開始海綿鈦工業(yè)化生產(chǎn)，海綿鈦的生產(chǎn)直接決定鈦金屬的冶煉水平，還影響著相關(guān)合金材料的應(yīng)用。我國(guó)海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)的建設(shè)浪潮出現(xiàn)在21 世紀(jì)初期，這一時(shí)期國(guó)內(nèi)的海綿鈦生產(chǎn)水平低，產(chǎn)能不足，時(shí)常短缺，所以海綿鈦的價(jià)格不斷上升。在這種情況下，越來越多的資本投入海綿鈦產(chǎn)業(yè)，逐步提高了海綿鈦的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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

圖1 海綿鈦的主要生產(chǎn)流程示意圖

海綿鈦生產(chǎn)工藝技術(shù)主要包括了Na 還原法和Mg 還原法，對(duì)這兩個(gè)類型進(jìn)行分析，將為下文所探討海綿鈦生產(chǎn)流程中的優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

Na 還原法的生產(chǎn)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(xiàn)階段中國(guó)、日本、美國(guó)大多通過這種方式。另外的熔鹽法是部分國(guó)家采用的，豎爐法在當(dāng)今基本上已經(jīng)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(jìn)行操作。沸騰氯化通過細(xì)顆粒的富態(tài)量和固體石油焦還原劑，進(jìn)行氯化反應(yīng)，從而制取四氯化鈦。熔鹽氯化就是將細(xì)磨的鈦渣或金紅石以及石油焦懸浮在熔鹽介質(zhì)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(xì)磨，然后加黏合劑均勻制團(tuán)，并經(jīng)過焦化，再將制成的團(tuán)塊堆料放置在豎爐鋁化爐中呈固體狀態(tài)的情況下借助氯氣作用來進(jìn)行提取，這種方法在當(dāng)前時(shí)代因?yàn)榻?jīng)濟(jì)成本和操作原因已經(jīng)被淘汰。

Mg 還原法是在溫度900 ℃的氬氣環(huán)境下，四氯化鈦和金屬鎂反應(yīng)，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(gè)步驟都是分階段進(jìn)行的，但是當(dāng)前隨著時(shí)代的發(fā)展，海綿鈦制備已經(jīng)趨向聯(lián)合化開展。

2 海綿鈦產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

進(jìn)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)海綿鈦產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，供給能力大幅提升，化解了市場(chǎng)供需矛盾。但隨之而來的產(chǎn)能過剩、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性矛盾以及“三廢”處理凸顯出來，給產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。

2.1 海綿鈦產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩問題突出

在當(dāng)前階段，國(guó)內(nèi)海綿鈦的生產(chǎn)呈現(xiàn)著良性化態(tài)勢(shì)，但在這個(gè)過程中也具有顯著的挑戰(zhàn)。

隨著海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)的大量投資，目前海綿鈦產(chǎn)業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了產(chǎn)能嚴(yán)重過剩等問題，產(chǎn)能過剩達(dá)到50%以上。而且國(guó)內(nèi)海綿鈦產(chǎn)品參差不齊，一些專業(yè)水平不足的產(chǎn)品的硬度無法達(dá)到國(guó)際上先進(jìn)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

我國(guó)海綿鈦產(chǎn)能過剩主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性過剩上，低端的海綿鈦產(chǎn)品大量過剩，而優(yōu)質(zhì)的海綿鈦卻供不應(yīng)求。我國(guó)高端鈦材制造能力不足，鈦材大部分為初級(jí)產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域也相對(duì)中低端。航空航天、船舶制造等行業(yè)高端用鈦比例與全球鈦材需求結(jié)構(gòu)相比偏低。

2.2 雜質(zhì)元素影響海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量

海綿鈦中的主要雜質(zhì)元素包括：Fe、O、Cl、C、N、Si、Mn、H，海綿鈦產(chǎn)品中雜質(zhì)元素含量和產(chǎn)品的布氏硬度將直接決定最終產(chǎn)品等級(jí)，因此對(duì)最終產(chǎn)品中所含有的雜質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量。如果雜質(zhì)含量過多，布氏硬度上升，那么整體產(chǎn)品的質(zhì)量就相對(duì)偏低。海綿鈦的硬度既是雜質(zhì)元素的綜合指標(biāo)，也是質(zhì)量綜合指標(biāo)。在所有的雜質(zhì)中，對(duì)其影響較大的雜質(zhì)元素包括Fe、Cl、N、O、C。有效控制海綿鈦中雜質(zhì)元素的引入途徑，這對(duì)整個(gè)海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量的提升，有著非常關(guān)鍵的意義。海綿鈦產(chǎn)品中分為爬壁鈦和鈦坨兩大部分。爬壁鈦主要是粘在反應(yīng)器上的海綿鈦，一般含雜質(zhì)氯、鐵較高，質(zhì)量比鈦坨中心部分要差。海綿鈦坨根據(jù)雜質(zhì)分布的不同情況能夠分為帽部、中心部、底皮和邊皮等幾個(gè)部位。

帽部就是指鈦坨上較為疏松的產(chǎn)品，中心部是指鈦坨揭去帽部和底皮，剝?nèi)ミ吰ず蟮闹虚g部分的產(chǎn)品，底皮就是最下層的部分，邊皮是從側(cè)邊剝下的部分，通過圍繞不同部分進(jìn)行化驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)整個(gè)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(duì)加工過程中可能引入的雜質(zhì)進(jìn)行分析，能發(fā)現(xiàn)海綿鈦加工流程中可能會(huì)讓雜質(zhì)進(jìn)入其中，另外還包括了分裂篩分過程中機(jī)器磨損和鐵皮碎屑。

2.3 海綿鈦生產(chǎn)中的環(huán)保問題有待解決

海綿鈦工業(yè)化生產(chǎn)本身屬于易產(chǎn)生重污染的有色金屬冶煉業(yè)，整個(gè)鏈條中會(huì)產(chǎn)生很多有害的副產(chǎn)物、廢渣和嚴(yán)重污染環(huán)境的廢水，如果不能做好廢物的綜合處理，將會(huì)對(duì)周邊環(huán)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(zhì)量的有效途徑

毫無疑問，鈦市場(chǎng)未來將由高端需求主導(dǎo)。隨著“十四五”規(guī)劃和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)入加速期，軍工裝備等高端領(lǐng)域用鈦將大幅提升。國(guó)家大力推進(jìn)的深海發(fā)展計(jì)劃和大飛機(jī)發(fā)展國(guó)產(chǎn)化，對(duì)高端鈦材需求將呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，這為海綿鈦企業(yè)改善供應(yīng)結(jié)構(gòu)提供了有利的市場(chǎng)機(jī)遇，通過相應(yīng)的技術(shù)手段提高產(chǎn)品綜合質(zhì)量是海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

3.1 嚴(yán)格控制加工過程

要了解海綿鈦的加工流程，以及認(rèn)識(shí)海綿鈦中含有的雜質(zhì)元素，要對(duì)海綿鈦綜合質(zhì)量進(jìn)行控制，首先就是圍繞加工過程進(jìn)行控制。海綿鈦的質(zhì)量和加工過程中引入的雜質(zhì)有密切關(guān)系，所以在加工過程中，對(duì)邊皮和底皮的處理一定要高度重視。為防止產(chǎn)品綜合質(zhì)量受到影響，對(duì)分離出的海綿鈦坨表面一定要清理，因?yàn)檫@些鈦坨表面會(huì)含有一些缺陷的產(chǎn)品，鈦坨底部也會(huì)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(shí)，沒有對(duì)這些部分進(jìn)行處理，直接進(jìn)入到后續(xù)加工，就會(huì)給整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量帶來影響。同時(shí)，加工作業(yè)時(shí)也容易損害設(shè)備，引發(fā)著火事故。而人工利用風(fēng)鎬是無法將其分離的，需要借助專業(yè)設(shè)備將其整體切下，這部分切片后的將要單獨(dú)處理。此外在進(jìn)行加工過程中，切片控制需要高度注意，海綿鈦在進(jìn)行分裂篩分作業(yè)前，一定要按照要求的粒度切制，然后展開整個(gè)切片過程，切片中掌握好進(jìn)刀量，圍繞著鈦坨底部缺陷情況做好觀測(cè)，將底部缺陷部分全部清除，并且單獨(dú)收集，這樣能夠減少不符合分裂設(shè)備要求粒度的產(chǎn)品。

在實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)控制中，海綿鈦經(jīng)過分類篩選后，還需要經(jīng)過人工檢測(cè)臺(tái)的分揀作業(yè)，并在混料后再次進(jìn)行分解。這個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)正品海綿鈦中混雜有缺陷鈦和廢鈦產(chǎn)品的情況，要借助人工分揀，避免這些有問題的產(chǎn)品進(jìn)入到最終產(chǎn)品中，給整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量帶來消極影響。產(chǎn)品中會(huì)有這樣一種情況，就是某一元素偏高，這個(gè)情況也會(huì)直接造成海綿鈦質(zhì)量的整體下降。而海綿鈦加工處理過程是一個(gè)物理過程，沒有辦法進(jìn)行精準(zhǔn)控制，所以無法依靠海綿鈦中化學(xué)成分的改變來提升綜合質(zhì)量。面對(duì)這種情況，就要對(duì)產(chǎn)品中的元素含量配比優(yōu)化調(diào)整，這樣才能夠提高整體產(chǎn)品的質(zhì)量?？梢赃x擇兩個(gè)批次中不同單一雜質(zhì)含量偏高的海綿鈦，按照相關(guān)的分析后，對(duì)其中含有的雜質(zhì)元素進(jìn)行分析，了解其存在的原因，然后做出優(yōu)化，保障后期的海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量都能夠達(dá)到最優(yōu)化。

3.2 綜合把控生產(chǎn)裝備

現(xiàn)階段海綿鈦生產(chǎn)裝備主要包括了生產(chǎn)四氯化鈦階段的生產(chǎn)裝備，還原蒸餾工藝階段的生產(chǎn)裝備，以及鈦坨破碎工藝的生產(chǎn)裝備。對(duì)這些裝備一定要定期做好全面的檢查和優(yōu)化，調(diào)查了解裝備存在的各種問題。然后不斷引進(jìn)新裝備技術(shù)，幫助裝備的效果更好發(fā)揮。海綿鈦生產(chǎn)工藝Kroll 法在當(dāng)今世界是技術(shù)水平最成熟和最穩(wěn)定的一種方法。這種方法在投入使用后經(jīng)歷時(shí)代的考驗(yàn)非?？煽浚乾F(xiàn)階段公認(rèn)的生產(chǎn)海綿鈦?zhàn)詈玫墓に囀侄?，而且在今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)還將是主流的生產(chǎn)工藝。但是這種方法也存在一定的缺陷，例如生產(chǎn)流程過長(zhǎng)。生產(chǎn)時(shí)間間隙和周期過長(zhǎng)，就會(huì)造成生產(chǎn)成本過高、損耗過大的情況，這些損耗會(huì)進(jìn)一步影響到整個(gè)世界對(duì)鈦礦資源的研究開發(fā)利用。所以需要圍繞著相關(guān)層面的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝流程，不斷進(jìn)行優(yōu)化，找到對(duì)環(huán)境更加友好的工藝來進(jìn)行應(yīng)用，只有這樣才能夠最終生產(chǎn)出高質(zhì)量的海綿鈦產(chǎn)品，提升行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力。

在海綿鈦企業(yè)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，還要遵循精簡(jiǎn)實(shí)用的原則，圍繞企業(yè)實(shí)際的需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，要保證人員和設(shè)備的安全性，堅(jiān)持方便操作的原則，做好日常的管理[6]。圍繞實(shí)際，在選擇裝備時(shí)一定要選擇新型優(yōu)質(zhì)裝備，裝備使用過程中及時(shí)做好定期檢查，當(dāng)裝備出現(xiàn)問題就要即刻的檢查維修，不得已的情況下，還需要進(jìn)行更換?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)正在逐步發(fā)展，為了提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，需要對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行把控，這樣才能幫助企業(yè)更好地順應(yīng)當(dāng)前激烈的競(jìng)爭(zhēng)。在這個(gè)過程中，企業(yè)要把握好海綿鈦生產(chǎn)的全過程，利用新技術(shù)、新設(shè)備來幫助海綿鈦產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)海綿鈦的高質(zhì)量要求分為了多個(gè)層面，為了保障整個(gè)海綿鈦產(chǎn)品的最終質(zhì)量，要從生產(chǎn)原料層面做好把控，在加工過程中做好整個(gè)加工環(huán)節(jié)的把握，然后圍繞著具體的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行全面把控，這樣才能夠保障整個(gè)海綿鈦的生產(chǎn)質(zhì)量。

2020 年全球海綿鈦產(chǎn)能在34.1 萬噸，海綿鈦高端產(chǎn)能主要集中在日美兩國(guó)，他們?cè)诩夹g(shù)上都處在領(lǐng)先階段。我國(guó)是海綿鈦生產(chǎn)大國(guó)，但高端產(chǎn)品的生產(chǎn)能力不足。因此，我國(guó)的海綿鈦產(chǎn)業(yè)要通過提升產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)綜合競(jìng)爭(zhēng)力，通過對(duì)技術(shù)和設(shè)備改進(jìn)與提升，把控好海綿鈦的加工質(zhì)量，讓海綿鈦產(chǎn)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。