海绵钛在整个钛工业中处于极为重要的基础环节,它是制取工业钛合金的主要原料,更是钛材、钛粉以及其他众多钛构件的源头材料。
在钛产业链中,先是从钛铁矿、金红石等原始矿产进行选矿,获取品位更高的精矿后,经过一系列加工提纯制取高纯度的二氧化钛,随后通过对二氧化钛的氧化、还原等工艺手段生成四氯化钛,再进一步得到海绵钛这个中间产品。
前两篇我们介绍了从选矿到制备四氯化钛的过程。
今天我们讲制备海绵钛的工艺,注意镁热还原法是生产海绵钛的主要工艺,分为半流程法和全流程法。
海绵钛生产需要经过三个大的流程:氯化、还原蒸馏-精整、电解。
三个流程都具备,则称为全流程法,如果只具备还原蒸馏-精整,则称为半流程。
全流程的主要工序为:
①利用石油焦(主要元素为碳)还原钛渣,并通入Cl2进行氯化形成粗TiCl4;
②通过铝粉除钒、硫化氢除钒、铜丝除钒以及矿物油除钒等方法获得精TiCl4;
③在800-900℃下,以一定的流速通入精TiCl4,使之与电解的Mg发生还原反应:TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2;
④在反应温度下,生成的MgCl2呈液态,可以及时排放出去,在900-1000℃及一定真空度的条件下,将残留的MgCl2和过剩的Mg真空蒸馏出去,获得纯净的海绵钛;
⑤MgCl2经过电解工艺可分解为Mg和Cl2重复利用,只需少量补充Mg与Cl2的损耗。
中国海绵钛市场总体可以分为六个阶段,即为1955至1959年的萌芽期,20世纪60年代至70年代的启动期,1970-1982年的震荡期,1982-1990年的高速发展期,1990-2015年的震荡期和2015-2023年的成熟期。
中国钛工业起步于20世纪50年代。1955年11月在重工业部有色金属综合研究所用镁还原法成功制出海绵钛。1958年在抚顺铝厂实现了海绵钛工业试验,成立了中国第1个海绵钛生产车间,同时在沈阳有色金属加工厂成立了中国第1个钛加工材生产试验车间。
20世纪60年代-70年代,在国家的统一规划下,中国先后建设了以遵义钛业为代表的10余家海绵钛生产单位。遵义钛业是20世纪60年代我国三线建设重点厂矿之一,1966年正式建厂。
1970-1982年,多家海绵钛企业倒闭,海绵钛产量下降。因海绵钛生产工艺复杂、技术难度大,加之规模偏小难以抵挡国外海绵钛企业的竞争,中国国内的10多家海绵钛企业纷纷倒闭或破产,仅剩下遵义钛业和抚顺钛厂两家。1980年前后,中国海绵钛产量达到2,800吨,由于当时大多数人对钛金属认识不足,钛材的高价格也限制了钛的应用,钛加工材的产量仅200吨左右,钛工业陷入困境。
1982-1990年,国家政策促进海绵钛的生产及应用。1982年7月中国成立了跨部委的全国钛应用推广领导小组,专门协调钛工业的发展事宜。改革开放之后,在国务院的推动下,中国的钛工业高速发展,应用范围不断拓宽,行业生产规模不断扩大,但大部分产品都是纯度相对较低的低端产品,高端产品主要依靠进口。
1990-2015年,经济下行压力导致海绵钛增长态势转变。2013年前后,由于宏观经济下行压力逐渐增加,下游需求产品结构升级转化,在供给侧结构性改革的作用下,中国海绵钛市场出现显著的下滑,产能利用率逐渐走低,大量产能停产,2015年中国海绵钛产能迅速下降至8.80万吨。
2015年后中国海绵钛生产缓慢恢复,2017年中国海绵钛产业飞速发展,产量已居世界第一。
2015年至2023年间中国国内海绵钛产量由5.9万吨持续增长至21.8万吨。同时,在航空航天、海洋工程、高端化工(石化、环保等)、军工等行业需求拉动下,行业结构性调整初见成效,产业结构开始由低端走向高端。