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​中国钛工业发展概述

来源:      2022-1-6 9:00:54      点击:
     1791年英国人格雷戈尔(W.Gregor)在黑磁铁中发现了钛这种新的金属元素。1795年德国化学家克拉普鲁斯(M.H.Klaproth)在金红石中也发现了该元素,并以希腊神话中天与地的儿子——泰坦神的名字命名其为 Titans。
    1910年美国科学家亨特(M.A.Hunter)首次用金属钠还原TiCl4 制取了可锻性金属钛,这就是著名的制备金属钛的享特法。
    1940年卢森堡科学家克劳尔(W.J. Kroll)用镁还原 TiCl4 制取了金属钛,形成了制备金属钛的主流方法——克劳尔法。克劳尔法制备的金属钛质量更好,生产过程的安全性更高,已成为目前海绵钛生产的唯一工业化方法。美国在1948年首先用克劳尔法生产海绵钛,随后日本在1952年、英国在1953年、苏联在1956年、中国在1958年相继开始生产海绵钛。
    钛及其合金之所以被人们广泛关注,是因为它具有一系列突出优点。钛的熔点为1668℃,比铁高出 138℃,属高熔点金属。常用钛合金 Ti-6AI-4V的熔点范围为 1540~1650℃,也高于铁的熔点。钛的密度为 4.51g/cm3,仅为铁的 57.4%,属轻金属,是轻金属中的高熔点金属。常用的Ti-6AI-4V 合金的密度更低,仅为4.42g/cm3。
     纯钛的强度不高,但钛合金的强度很高。常用的 Ti-6Al-4V 钛合金时效后的强度可高达1166MPa,与高强度钢相当。因此,钛合金的比强度很高,远超过镁合金、铝合金和高强度钢,是很好的结构材料。钛合金同时具有弹性模量低和屈服强度高的特征,因此钛合金是很好的弹簧材料。
     钛及其合金具有很好的耐腐蚀特性,特别是在含氯离子的盐浴中,其腐蚀速率几乎为零,因此广泛用作耐腐蚀材料。
     钛合金具有良好的高温性能,某些高温钛合金能在 600℃下稳定工作,特别是新型Ti-Al合金甚至能在 800~1000℃下稳定工作,是很好的航空发动机材料。
     钛合金还具有良好的低温性能,某些钛合金在-200℃条件下仍具有很好的塑性,适合用作宇航材料。
     钛及其合金无磁性,即使在很强的磁场中也不磁化。
     钛及其合金具有很低的阻尼特性,声波和振动在钛中的衰减很慢,适合用作声呐材料。
     钛及其合金与人体具有很好的生物相容性,适合用作人体植入材料。
     钛及其合金与碳纤维材料的热膨胀系数和电化学电位相近,具有很好的相容性,适合作复合材料。
     钛及其合金具有如此多的优点,在航空、航天、舰船、海上石油开采、海水淡化、真生制盐、化工、电力、冶金、纺织、造纸、食品、医疗、体育休闲等领域有广泛的应用,而人们称为“太空金属”、“海洋金属”和“智慧金属”。钛及其合金是重要的战略材料。
     中国钛工业是在国防建设和国民经济建设的需求拉动下,在党和政府的直接领导下发展起来的。中国钛工业的发展大体经历了创业、成长和崛起三个阶段。
     创业期涵盖 1954 年至 1978 年。在这段时间里,在国家的统一领导下,中国进行了钛勘探、采选、冶炼、加工、应用技术研究及工业试验;建立以遵义钛厂和宝鸡有色金属加工厂为代表的钛冶炼、加工骨干企业,实现了钛的产业化;建立了钛勘探、采选、冶炼、加工、应用和研究这一完整的钛工业体系;为国家许多重点国防工程和国民经济建设提供了急需的钛制品。
      成长期涵盖1979年至2000年,在这一时间里,中国钛工业在钛冶炼、加工、应用技术和新合金开发方面开展了大量的工作,取得了扎实的技术进步;进行富有开创性的钛及其合金的应用推广工作:以现代企业制度为目标,国有企业逐步开始改革改制,民营企业开始进入钛应用和钛加工领域;大量的钛制品在国民经济的各个部门得到较为广泛的应用。总之,成长期的22 年,中国钛工业的进步是渐进而扎实的,为新世纪的腾飞打下坚实的基础。
      2001年至今为崛起期,在这段时间里,中国钛工业伴随着国民经济长期持续快速发展,获得了暴发性增长。2000年中国海绵钛产量1751t、钛加工材产量 2206t,2010 年,中国海绵钛产量为 57770t,10年增长了32.0倍;2010 年中国钛加工材产量38323t,增长了 16.4倍。2010 年,遵义钛业股份有限公司海绵钛的产能达 24000t,产量达 14248t;宝钛集团钛锭产能达25000t,实际生产钛加工材也达13010t;中国已拥有了两个世界级的钛工业大厂,钛加工材在化工、航空、航天、体育休闲、电力、轻工等行业获得了广泛应用,2010 年中国钛消费达 35636t,已是一个用钛的大国。
     1954 年,北京有色金属研究总院(原重工业部有色金属综合研究所)成立了两个海绵钛研究组(电解法组和镁还原法组),开始进行海绵钛制备工艺研究,镁还原法组于1955 年11月制备得到海绵钛样品,纯度为99.2%。
      以北京有色金属研究总院镁还原法制取海绵钛的工艺研究为基础,1956年开始设计建设抚顺铝厂海绵钛试验车间,设计规模60t/a,并于1959年3月开始试生产海绵钛,当年生产海绵钛60t。
      1956年,北京有色金属研究总院成立课题组,开始钛及其合金加工工艺研究,于195年8月制备出直径65mm、重1kg 的钛锭,同年在东北轻合金加工厂挤出了我国第一钛管。
     1958年10月,三机部621所制备出直径80mm的钛合金锭,同年在沈阳有色金属加工厂轧制出1mm厚的BT3-1 钛合金板材。
     1959年9月,国家科委决定在沈阳有色金属加工厂建设钛熔铸厂(五一车间),于19年建成了中国第一个包括熔铸、锻造、轧制等工段的钛材生产车间。
    1964年10月开始筹建遵义钛厂(1965年5月决定建设规模为1000t/a),其于1970年9月17日生产出第一炉海绵钛,实现了钛系统的全流程投产。
    1965年3月,902厂(现宝钛集团和西北有色金属研究院)开始动工建设,该厂主要设备从美国、德国、日本等十多个国家引进,包括2台3t真空自耗电弧炉、3150t卧式挤机、2台12m真空退火炉、1200mm板材热轧机组和冷轧机组等,生产能力为1000t/a。1967年铸造车间投产,1968年管材车间投产,1969年锻造车间投产,1971年板材车间投产。该厂钛加工材的产量1970年为1.4t,1978年达到328.2t,约占当时全国产量的65%。
     除抚顺钛厂和遵义钛厂之外,20世纪六七十年代,中国还先后在上海第二冶炼厂、锦州铁合金厂、邢台有色金属冶炼厂、天津化工厂和湛江化工厂等建成了海绵钛生产线,但最后因为市场原因或技术原因而先后停产。除902厂之外,20世纪六七十年代上钢三厂钢五厂、抚顺钢厂和长城钢厂也以钢钛结合的模式生产各种钛加工材。
    20世纪六七十年代在钛冶炼和加工生产企业紧密布局建设的同时,我国冶金部有色金属研究院、上海冶金所、宝鸡稀有金属加工研究所(现西北院)、三机部621所(现北京航材院)、六机部725所(现船舶重工725所)、七机部703所(现航天703所)、中科院金属所、天津市冶金材料研究所、沈阳市冶金所,以及北京航空学院、西北工业大学、东北工学院等大学都积极开展钛治炼及加工技术研究,形成了产学研结合,共同发展钛工业的势头,也为中国钛工业的发展提供了坚实的技术基础。
     在大量研制和试用的基础上,1970 年形成了我国第一批海绵钛和钛加工材部颁标准,其中有一个海绵钛标准,一个含有21 个合金牌号的钛及钛合金牌号和化学成分标准,一个钛及钛合金板材标准和一个钛带标准,为我国钛制品的应用提供了技术支持。
     1982年7月党中央批准了方毂副总理的报告,成立了全国钛应用推广领导小组,叶志强和邱纯甫先后任组长。设立了全国钛应用推广领导小组办公室(全国钛办),李东英任主任。该项举措对我国钛工业的发展产生了非常深远的影响。
      为促进钛工业的发展,国家推出了一系列的优惠扶植政策,体现在如下几方面。
      ①  1980年11月,国家计委、国家进出口委给冶金部上报函件的批复“国务院领导批准同意以钛养钛方针”,即以1979上缴利润为包干基数,从1980年到1985年由于增产而增加的利润可以留给企业使用,用作“以钛养钛”建设资金。
      ②  国家税务总局批准钛材产品从1983年5月1日至1989年予以免税。
      ③  国家经委从1983~1988 年共拨给“全国钛办”新技术推广费1003万元,用于钛应用推广试验项目。
      ④  1987~1995年,国家经委技改局给钛设备使用单位拨给技改项目贷款共计21320万元。
      ⑤  钛产品出口享受免征关税、出口退税、贴息奖励政策。
     这些政策对拓宽钛材应用领域,促进钛工业的发展发挥了重要作用。
      1982年,沈阳有色金属加工厂实验并装备了中国第一条钛焊管生产线,宝鸡902 厂于1986 从美国引进了一条钛焊管生产线,形成了200t/a 钛焊管的生产能力。
      1983年8月,902 厂成立了钛设备分厂,形成了正规的钛设备生产能力。
      1983年,上钢五厂自行设计制造了海绵钛电子称料装置、机械混料装置等,建立了原材料的混料布料系统,902 厂则从1987 年开始引进设备,建设自己的混料布料系统。
      1985年,902厂从奥地利引进SXP13精锻机等设备,于1986年组建了精密钛棒材生产线。
      1987年,902 厂从美国引进 21 台套设备,建成了中国第一条具有先进水平的残钛回收生产线。
      1987年,902厂引进德国二手的 3300mm 四辊可逆轧制等设备,建成了一条钛宽板轧制生产线。
      1987年,上钢五厂自主设计建造了一条由 500t压机组成的小型等温模锻生产线,并逐步发展成由500t、800L、2000t、3000L、63001和 10000t 压机组成的系列等温模锻生产线,具备了 8000 件/a,最大锻件投影面积达 2.0m2的生产能力。
     “七五”期间,遵义钛厂等单位进行了无筛板沸腾氯化技术攻关和倒 U形5t联合炉制备海绵钛技术攻关,并取得成功。1990年$1200mm 沸腾氯化炉和倒 U形 5t 联合炉用于生产,并形成了 2000t/a海绵钛的生产能力。
     1991年,902厂购置了∅3000mm 轧环机,建设了一条中国唯一钛及钛合金环轧件生产线。
     1994年,航空621所、中船重工 725 所攻克了蜡模注射成形等技术难题,各自建设了自己的精密铸造生产线。
     1998年,902 厂装备了折弯机、油压机等设备,与板材轧机组合,建成了层状复合板及其制品生产线。遵义铉厂2001年,实现了还蒸过程的自动化操作;2001年自主开发的倒U形 8t 炉获得成功,并自筹资金将产能扩大到3000t/a; 2004 年∅2400mm 无筛板沸腾氯化炉试验成功,并转入工业化生产;2005年,年产5000t海绵钛现代生产技术与装备产业化示范工程取得成功,并使该厂产能超过10000t/a。
    2005年,民营企业——朝阳百盛锆钛股份有限公司建成了5000t/a的海绵钛生产能力,开始介入海绵钛的生产。
    2006年,遵义钛厂倒 U 形 12t 还蒸炉研制成功,并投人生产;抚顺钛业∅2.56m 大型沸腾氯化炉试验成功,并转人试生产。
    2008年,洛阳双瑞万基钛业公司的多极性电解槽开发成功;中国海绵钛总产能达71000t/a。
    2003年,宝钛集团引进 1台德国 ALD 公司的10t 真空自耗电弧炉,随后继续引进,截止到 2010年,共引进该型炉7台,形成了 25000t/a 的钛锭生产能力。
    2003年,西北有色金属研究院从德国引进了 1 台8t 真空自耗电弧炉和混料布料系统,随后再引进2台8t真空自耗电弧炉,形成了 8000t/a钛锭的生产能力。
    2006年,宝钛集团从德国引进的2500t快锻机投人使用;宝钢特钢建成了高合金钢长型材生产线,该线可生产高精度的钛及钛合金圆棒和方棒;西北有色金属研究院开始进行钛板带项目建设。
    2007年,宝钛集团从德国引进的2400kW电子束冷床炉投人使用;宝钢特钢从德国引进的4000t 快锻机和 1300t 径向精锻机投入使用。
    2008年,宝钢集团进行大卷重钛带、6000t挤压机等项目建设,并于2011年建成投入试生产;与此同时,湖南金天集团和昆钢集团建设的钛带生产线也均进入试生产;宝钛集团建设的万吨自由锻项目和大卷重钛带项目也将于2012年投产。
    通过以上叙述,我们可以看到钛产业的三个显著特征。
     钛产业是朝阳产业
     钛具有重量轻、比强度高、耐腐蚀等一系列优异特性,是优秀的轻质、高熔点结构材料、新型功能材料和重要的生物医用材料,在航空、航天、舰船、核能、化工、石油、冶金、电力、轻工、医疗、体育、环保及人们日常生活中广泛应用,市场前景随社会进步而日渐广阔。钛属稀有金属范畴,但钛资源丰富,能有效地满足社会发展的需要。中国、美国、俄罗斯、日本等国建立起完整的钛冶金、加工、应用和科研体系,欧洲等国也建立了先进的钛及其合金加工、应用、科研体系,为优质钛材料的生产提供了可靠的保障,因此钛是一种人们正努力研究、开发、应用的大用之材。中国钛产业仅57年的历史,世界钛产业也仅60余年的历史,钛产业确是前途远大的朝阳产业。
     钛产业是高技术产业
    钛氧化物的化学位很低,极为稳定,不能像铁那样通过碳还原制得,而必须通过氯化(将氧化物转型为氯化物如 TiCl4)、精馏精制提纯TiCL4、在惰气体保护下用镁还原得到海绵状金属钛、真空蒸馏提纯、精整等多道工序制取成品海绵钛;通常还配备镁电解、镁精制、氯气回收系统以实现海绵钛工厂的镁氯循环,以降低成本、低能耗,减少三废排放;因此,钛冶炼过程是一个复杂的冶金体系。
     金属钛的熔点高,高温活性强、易吸气、氧化;钛合金化学成分的一致性与组织结构一致性对材料的力学性能影响巨大,钛合金的形变抗力大、加工温区窄,因此钛合金材料的加工往往需要专门的加工设备,复杂而严格的加工技术条件。
     正是由于钛冶金、加工技术复杂,虽然钛及其合金应用越来越广泛,但除中国外,只有少数发达国家才有完整的钛冶金、加工技术和产业。印度、巴西、韩国等国家目前都在致力于发展本国的钛产业。
    钛产业水平是国家综合实力的象征
    在这里我们向大家提供两组有说服力的数据根据各国钛协会的统计,2010 年全世界生产钛加工材 11 万余吨,其中中国和美国各用3 万余吨,日本、俄罗斯和欧洲各用近 1 万吨,韩国和我国台湾地区各用5000t左右,世界其他地区钛消费量就很少了;美国、俄罗斯和欧洲 50%以上的钛材用在了航空领域,日本50%以上的钛材用在了传统工业领域(如化工、冶金、电力、建筑等),中国 50%以上的钛材用在了化工领域。航空航天仅用钛材10%左右。
    以上两组数据表明,越是发达的国家,工业规模越大的国家,用钛量越大,越是技术进的国家,越是将钛材用于航空航天工业,越是使用高端的钛材。
    上述结论的另一个佐证是,越是先进的飞机用钛量越大,如较早的波音 747 飞机和空300飞机的用钛率不超过 4%,而最近的宽体大型客机,空客380 的用钛率为10%,空350的用钛率达到14%,波音787的用钛率达到 15%。第三代战机的用钛率为 20%左右,而第四代战机的用钛率达 40%(如美国的F-22)。
    “十二五”、“十三五”时期仍将是中国的战略机遇期。尽管我们会遇到各种困难,但国人民发展的步伐是不可抗拒的,我们一定会克服各种困难,保持国民经济的健康、较快展。在今后的5~10 年间,中国将以举国之力实施自己的大飞机计划、四代机计划、探月程、天宫工程、核电工程、海洋开发工程等重大项目,而钛材就是这些重大工程的关键支撑材料。再考虑到化工、冶金、电力、医疗、汽车等领域对钛材不断增长的需求,我们有理相信,中国的钛工业还有很大的发展空间,前程远大。