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鈦是一種銀白色過渡金屬，具有熔點高、比強度大、生物相容性良好、耐蝕性強等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、醫(yī)療生物以及石油化工等領(lǐng)域。我國鈦資源十分豐富，儲量居世界第一，但海綿鈦的生產(chǎn)能力較弱，遠遠不能滿足國家經(jīng)濟發(fā)展的需求。

海綿鈦是鈦金屬單質(zhì)，一般為淺灰色顆粒或海綿狀，是鈦材、鈦粉及其他鈦產(chǎn)品的基礎(chǔ)原材料，把鈦鐵礦變成四氯化鈦，與金屬鎂反應(yīng)，就得到海綿狀多孔“海綿鈦”。海綿鈦廣泛應(yīng)用于化工、石油、輕工、冶金、紡織、建筑、醫(yī)療、體育、日常生產(chǎn)等領(lǐng)域。

1 中國海綿鈦行業(yè)發(fā)展概況

全球擁有海綿鈦生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)能力的國家有美國、俄羅斯、中國、日本、烏克蘭、哈薩克斯坦和印度7個國家。

21 世紀初，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國鈦工業(yè)迅速崛起，打破了世界鈦工業(yè)長期保持的俄、美、日三國鼎立的局面，躋身于世界鈦工業(yè)大國的行列。尤其是在 2010 年，海綿鈦和鈦加工材的產(chǎn)能及產(chǎn)量雙居世界第一，裝備水平也達到了世界一流，成為名副其實的鈦工業(yè)大國，但還不是鈦工業(yè)強國，部分產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)和品質(zhì)還不能滿足高端需求。

2019年，全球海綿鈦產(chǎn)量達210萬噸，較2018年增長了30萬噸;中國海綿鈦產(chǎn)能增長47.7%，產(chǎn)量達84萬噸。市場需求方面，2019年，國內(nèi)高端海綿鈦需求爆發(fā)，進口量大幅增長45.2%。在企業(yè)競爭格局方面，攀鋼鈦業(yè)、洛陽雙瑞、貴州遵鈦和朝陽百盛的年產(chǎn)量達10萬噸以上;在區(qū)域競爭格局方面，遼寧、四川是我國海綿鈦主要生產(chǎn)地。

從宏觀調(diào)控方面來看，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)行業(yè)狀況并不需要海綿鈦產(chǎn)能的提升，應(yīng)當(dāng)著重投入研發(fā)新技術(shù)、新生產(chǎn)裝備，把海綿鈦產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推向更深、更廣的領(lǐng)域。企業(yè)努力掌握與吸取行業(yè)內(nèi)前沿企業(yè)的技術(shù)，開拓自己企業(yè)的市場與海綿鈦的運用新領(lǐng)域，落實好節(jié)能減排的國家號召，這樣就能促進中國海綿鈦產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

2 海綿鈦生產(chǎn)工藝

目前生產(chǎn)海綿鈦的方法主要是鎂熱還原法。鎂熱還原法，又稱Kroll 法，1937 年由 William Kroll 提出，并于 1948 年實現(xiàn)海綿鈦的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。該法是目前世界上應(yīng)用最廣的海綿鈦生產(chǎn)工藝。

Kroll 法流程圖

Kroll 法是在密閉的鋼制反應(yīng)器中進行的。將純金屬鎂放入反應(yīng)器中并充滿惰性氣體，加熱使鎂熔化，在 800～900℃下，以一定的流速通入 TiCl4，使之與熔融的鎂反應(yīng)。反應(yīng)式為：

TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2

在反應(yīng)溫度下，生成的 MgCl（熔點為 2 714℃）呈液態(tài)，可以及時排放出來。在 900～1000℃及一定真空度的條件下，將殘留的 MgCl2 和 Mg真空蒸餾出去，獲得海綿狀金屬鈦。反應(yīng)產(chǎn)物 MgCl2 電解再生 Mg 和Cl2，循環(huán)再用。

Kroll 法在實際生產(chǎn)中也顯露出一些問題：如生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣廢水對環(huán)境有污染；反應(yīng)中鎂的利用率低（約 70％），損耗大；電解MgCl2 消耗的能源很大，約占總能耗的 28％～34％。

到目前為止，Kroll 法仍然是世界上普遍采用的生產(chǎn)海綿鈦工藝。其他生產(chǎn)工藝雖然沒能大規(guī)模工業(yè)化使用，但都向著低成本、環(huán)保、節(jié)能的方向發(fā)展研究，這也是鈦金屬生產(chǎn)的未來趨勢。希望這些生產(chǎn)工藝能早日完成工業(yè)化生產(chǎn)的突破，讓鈦金屬能更多的應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。

3 海綿鈦生產(chǎn)設(shè)備

目前國內(nèi)大部分大型的海綿鈦產(chǎn)業(yè)與鈦冶金企業(yè)都是鎂鈦聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)，多數(shù)廠家也一直采用較為普遍與穩(wěn)定的還原-蒸餾一體化工藝。這種工藝也被稱為聯(lián)合法或半聯(lián)合法，它實現(xiàn)了原料 Mg-Cl2-MgCl2的閉路循環(huán)。

還原-蒸餾一體化設(shè)備，分為倒“U”型和“I”型兩種。倒“U”型設(shè)備是將還原罐（蒸餾罐）和冷凝罐之間用帶閥門的管道連結(jié)而成，設(shè)專門的加熱裝置，整個系統(tǒng)設(shè)備在還原前一次組裝好。“I”型一體化工藝的系統(tǒng)設(shè)備如在還原前一次性組裝好，即稱為聯(lián)合法設(shè)備；而先組裝好還原設(shè)備，待還原完畢，趁熱再將冷凝罐組裝好進行蒸餾作業(yè)的系統(tǒng)設(shè)備則稱為串聯(lián)合設(shè)備，中間用帶鎂塞的“過渡段”連結(jié)。

4 我國鈦工業(yè)前景展望

相較于軍用航空鈦材生產(chǎn)占據(jù)主導(dǎo)地位的美、俄，民用鈦材優(yōu)勢明顯的日本；我國高端鈦材制造能力尚淺，鈦材大部分為初級產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域也相對中低端。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，未來增量空間廣闊。

產(chǎn)量決定價格走勢的時期已經(jīng)過去，鈦市場未來將由高端需求主導(dǎo)。隨著“十四五”規(guī)劃和軍隊現(xiàn)代化建設(shè)進入加速期，軍工裝備等高端領(lǐng)域用鈦將大幅提升。國家深海發(fā)展計劃和大飛機發(fā)展國產(chǎn)化穩(wěn)步推進，下游高端鈦材需求增長將倒逼上游海綿鈦供應(yīng)結(jié)構(gòu)不斷改善，未來高端海綿鈦將成為市場主流。

國內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)工藝很多，但真正實現(xiàn)工業(yè)化的少。我國海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該加強對關(guān)鍵技術(shù)的引進和吸收掌握，在海綿鈦生產(chǎn)的原料、氯化、精煉和電解等方面突破技術(shù)瓶頸，提升鈦產(chǎn)品的檔次和降低能耗。對我國海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)來說，應(yīng)積極從現(xiàn)有的生產(chǎn)方法的技改和新生產(chǎn)方法的研發(fā)入手，實現(xiàn)海綿鈦制備技術(shù)的跨越式發(fā)展。