方兴未艾——崛起的第二代海绵钛

（洛阳双瑞万基钛业有限公司，河南洛阳 471003）

1 钛的用途及发展前景

钛具有熔点高、无磁性、热膨胀系数低、高的比强度和比刚度以及耐腐蚀性能好、耐生物侵蚀等许多突出优点，是自20世纪以来迅速发展的一种十分重要的耐蚀轻质结构材料，被国家列为战略金属，也被誉为“太空金属”和“海洋金属”，是国家重大工程中不可替代的重要资源，对国防、国民经济建设和社会发展具有极其重要的战略意义，目前我们国家的大飞机、核电、海洋开发等重大工程都在大量用到钛金属。随着我国“海洋开发、建设海洋强国”国家发展战略的实施，“深海空间站”、“万米深潜器”和“全钛深海装备”等国家重大科技专项的实施，我国钛工业发展迎来了最好的发展契机。预计未来20年全球新增民用航空航天钛材需求量约120万吨，中国海洋工程用钛量可达5万吨以上。医学领域钛合金主要用于制造植入人体内的医疗器件、假体、人造器官和辅助治疗设备，作为人体组织和器官再生与修复材料重要分支的生物医学钛合金材料存在着巨大市场。生物医用金属材料保持着15%-20%年销售增长率，其中生物医用钛合金的增长趋势尤为明显。钢铁、电力、医疗、汽车、轨道交通[1]等领域用钛量也将有很大的增长期望。随着我国国民经济的高速发展，对钛的需求量一直以20%～30%的速度增长。

2 海绵钛行业现状

海绵钛处于钛产业链的前端，是“海绵钛--钛铸锭--加工材--钛制品”这个钛产业链的重要原料，是整个钛产业链的基础，决定了钛产业技术水平，影响到钛产业链的发展。

目前能够生产海绵钛的国家只有中国、日本、美国、俄罗斯、哈萨克斯坦和乌克兰六个国家，我国钛加工材以中低端的板材、棒材和管材为主，约占钛材总产量的50%、20%和10%。其中，钛板材产品以“片式”轧板为主，冷热轧带卷产品少；管材产品以无缝管为主，焊管少。我国钛加工材以中低端产品为主，产品附加值低[2]。不可否认，国内海绵钛主要集中在中低端产品市场，而适用于航空领域的高端海绵钛却是一个短板，国内海绵钛企业生产智能化程度低是制约产品质量稳定性、能耗的一个重要因素。目前为止，国内海绵钛生产过程中涉及还蒸、氯化、电解、成品加工等关键工序，而这些工序中的温度、压力、料速、风速、液位等关键工艺参数大多是手动调节，控制精度低，导致产品O、N、C间隙元素波动大、能耗水平高、环保效果较差、产品质量稳定性差。

图1 低密度夹杂缺陷

图2 纯钛管严重裂纹

其中影响海绵钛质量的主要因素是杂质元素含量过高和分布不均匀的问题，以及海绵钛的疏松度、布氏硬度等，其中杂质元素C、N、O含量的波动为主要因素，是因为海绵钛在生产和钛合金熔炼中，

杂质元素C、N、O间隙式地溶入钛中，使钛的晶格产生较大歪曲，对提高强度、降低塑性和韧性的影响很大，这些元素称为间隙元素，间隙元素C、N、O的含量偏高，不仅会对其冷加工性能及成品材的机械性能有很大的影响，甚至还会导致钛的铸锭或坯料无法加工成材，造成严重损失。此外这些间隙元素一旦存在海绵钛中，在后续钛加工阶段是无法消除的，产生的夹杂缺陷也非常难以检出。

在钛材高端应用领域，如航空领域，美国FAA（联邦航空局）就曾报道，1962年-1990年间，美国有25起钛合金冶金缺陷引起的飞行事故，有不少飞行事故是由于钛合金零件的早期断裂而导致发动机失效的，而其中影响最为严重的冶金缺陷就是C、N、O夹杂物。

飞机材料国产化的要求为国内钛合金在航空领域的应用提供了机遇。而毋庸置疑，国际航钛市场进入门槛较高，时间较长，需要各种生产系统管理质量认证、产品质量的体系认证和过程管理等认证才能进入这一市场。时至今日，我国仅有1-2家企业有如此荣耀，但其所拥有的资质数量为数不到10个，而如全球最大的航钛生产商阿维森马公司在2004-2008年就达到了274个质量体系认证，从而一举成为国际航钛生产的垄断性企业。这一门槛限制了我国钛工业产品进入航钛的速度和规模，由此带来的需求对国内大多数钛企业而言并不是可供应实现的需求[3]。

3 第二代海绵钛产品优势

激烈的市场竞争以及对高端钛材的需求，使得双瑞万基对海绵钛品质的要求孜孜以求，2015年以二期海绵钛项目建设为契机，在充分利用一期生产技术和管理经营的基础上，二期工程全部采用具有完全自主知识产权的技术设计、建设、运营，产品定位为高端钛材市场用航空级海绵钛，可满足国内外航空级等高端海绵钛市场需求。2016年4月，双瑞万基在业界率先提出了基于双瑞万基自主研发的海绵钛2.0技术的第二代海绵钛。

表1 双瑞万基普通海绵钛和二代海绵钛标准

第二代海绵体有以下特点：

（1）该技术实现间隙元素C、N、O含量超低化；比第一代海绵钛低30%到50%，且海绵钛坨中任何一处氮含量均不大于0.02%；

（2）可全流程追溯31种杂质元素，远超国标及国际标准要求的9种杂质元素；

（3）海绵钛疏松度达到国际先进水平，桶装密度达到≤1.4g/cm3；

（4）单批次50-100吨大吨位供货，产品一致性好，批次内每个桶内的产品等级均在同一级别；

（5）高纯充氩，氩气纯度达到99.9999%。

第二代海绵钛给客户带来的价值是：

（1）低间隙元素使得熔炼时产生的气体少，熔炼真空度稳定，波动小；

（2）钛间残留低价物、Cl等杂质含量低，熔炼时对泵腐蚀小；

（3）冷弯角可做到180度不断折，板材锻造不易裂，损耗少，成材率高；

（4）单批次大吨位供货，产品成分均匀，质量稳定。这被业内认为是我国五十年代至今首次海绵钛产品质量大升级，将大幅提升我国钛加工行业的核心竞争力。

4 第二代海绵钛技术发展及产品质量

4.1 先进的第二代海绵钛技术

相比第一代海绵钛，第二代海绵钛的生产流程更趋向于智能化和自动化。

在沸腾氯化方面，双瑞万基对氯化炉的炉型、炉壳材质、耐火材料、氯气分配盘、冷却散热系统进行了不断改进，开发出氯化炉专用砖、氯化炉大型化专用散热方式等，通过研究沸腾氯化过程的主要工艺参数，并确定沸腾氯化全过程自动控制技术；氯化生产连续性强，控制要求高，危险性大，通过自动控制技术，使氯化炉内温度、压力、送料速率等工艺参数得到精确控制，实现生产线全自动DCS控制连续稳定运行，降低劳动强度，安全环境大大改善。

通过努力，双瑞万基已建成了一条完整的沸腾氯化和精制技术生产线，生产的四氯化钛质量达到国内行业标准（YS/T655-2007）的一级指标，为生产高品质的海绵钛提供了原料保证。并且可大量减少工业“三废”排放，大大改善厂区周围的空气环境及作业环境。

在电解工艺方面，多级电解槽和超级电解槽技术，大大提高了电解电流效率，实现氯气零排放；DCS控制系统实现对电解槽液位、温度、压力的智能控制技术，实现电解槽液位的自动控制；全密封高纯镁精炼技术，提高精镁纯度和产量，降低电耗，解决电解质液面波动对电解槽寿命的影响，增产增效节能，吨镁电耗国际领先，重点危险工位达到无人操作。

在技术引进消化吸收的同时，双瑞万基更加注重可以大幅提升企业核心竞争力的自主研发。通过不懈努力，技术团队成功研发了具有国际领先水平的智能化节能还蒸炉、首台套海绵钛智能分拣系统和大型高效破碎自动布料系统及智能仓储系统，突破沸腾氯化和高纯四氯化钛精制技术、多级电解槽高纯镁精炼技术，建立国内首条批量稳定生产高品质海绵钛的生产线。使得海绵钛0级品率达到70%以上，全流程综合能耗≤20000 kwh；这中间最为惊艳的就是大型智能化还蒸炉，该炉型基于双瑞万基完全自主研发的全参数自动控制、全封密一次组装连续生产设计理念，将还蒸工序的电耗下降了50%，达到了国际顶尖水平。

2017年重点立足海绵钛疏松度的改善，通过还蒸温度调整、液位调控、加镁量调试、料速调变、加料方式试验、破碎方式改善并优化组合等上百次试验，至2017年底，海绵钛疏松度取得建厂以来里程碑式改善，10吨炉桶装密度可稳定控制在1.4g/cm3以内，钛坨无硬心、无夹心氯化镁，解决了建厂以来一直困扰公司的头等难题，使产品质量弱项得以弥补并反超对手，整体质量品质满足二代海绵钛的要求。

4.2 稳步提高的第二代海绵钛产品品质

（1）0级品率

图3 海绵钛0级品率柱状图

图3为第一代海绵钛和第二代海绵钛0级品率的对比，以及双瑞万基目前的现状，2017年12月份，双瑞万基0级品率达到75%，基本和标杆企业俄罗斯阿维斯玛的0级品率相当，2018年有望达到第二代海绵钛要求的80%～90%的目标。

（2）批次稳定性和产品一致性

图4 海绵钛单批次吨位

图4为第一代海绵钛和第二代海绵钛单批次吨位的对比，以及双瑞万基目前的现状，双瑞万基一代海绵钛钛单批次一次性匀料吨位数低，不能满足客户大吨位熔锭需求，目前通过匀料系统的升级，可满足最大批次100T海绵钛均匀混料，混合均匀度达到90%以上。目前通过某公司进行加工的单批次超0A级海绵钛，大批次铸锭成分均匀，批次稳定性和产品一致性非常好。

图5 双瑞万基10吨3.3米钛坨

图6 双瑞万基2015-2017年桶装密度曲线

（3）钛坨疏松度

通过技术改进，双瑞万基10吨炉海绵钛的高度能做到3.3米，成为双瑞万基在钛坨疏松度方面里程碑式的改善，海绵钛的桶装密度从2015年1.5 g/cm3降低至目前的1.4g/cm3以下。

自2016年4月提出第二代海绵钛以来，海绵钛的质量一直在稳步改善，截至目前，第二代海绵钛产量已经达到了1000余吨，海绵钛成品均匀，批次稳定，疏松度好，得到了客户的认可。

目前双瑞万基产品方向重点走高端、特色路线，如转子级海绵钛、3D打印级海绵钛、铁预合金海绵钛、氧预合金海绵钛等，以客户需求为导向，形成高针对性的产品细分，并通过精益化管理，使得公司成为海绵钛行业的一颗耀眼的新星，引领整个钛产业链的发展。

5 第二代海绵钛前景

（1）第二代海绵钛的研发和稳定生产将促进我国钛在航空航天领域的应用，优化我国钛消费结构，引领我国海绵钛生产技术步入国际先进水平的行列，有效提升我国钛产业链的整体技术水平。

（2）在海绵钛冶炼工艺中，打破传统的工艺路线，通过镁电解槽节能降耗技术改进、节能型智能还蒸装备改进、海绵钛成品破碎分拣系统的改进，使吨钛电耗降低到1.8万度以下，比国内平均水平节能30%，实现高端海绵钛的智能化生产，同时采用余热回收技术及生产废渣综合利用技术，将海绵钛废渣、废酸、废气综合回收利用，实现海绵钛的清洁生产。

（3）彻底解决我国海绵钛全流程生产智能化水平低、产品能耗高、环保效果差和产品质量不稳定的问题，提升我国钛生产技术，实现清洁生产，降低生产成本，为下游钛产业提供优质原材料，使下游产品具备更强的市场竞争力，获得更大的市场空间，继而促进上、中游钛产业的发展，实现钛产业的良性循环。