海绵钛加工的质量控制

贺高峰，芦雯(龙佰集团股份有限公司，河南 焦作 454191)

0 引言

海绵钛作为四氯化钛和金属镁反应的产物，它呈现疏松多孔的海绵状，不能直接使用，需要经过熔铸加工成钛锭或者研磨加工成钛粉[1]。钛锭能应用到各类钛材、钛合金生产中，所以海绵钛是钛粉及其他钛构件的核心原料。18 世纪末期，英国牧师兼业余矿物学家、德国化学家先后分别从黑色的磁铁矿砂和非磁性的氧化物中发现了一种新元素，新元素在当时被他们分别命名为墨纳坤和钛土，而后证明这两种物质实际上是同一种元素的氧化物。所以就以神话中大力神的名字来命名这种新元素为钛，钛元素从第一次发现到得到纯金属钛，历经百年[2]。

钛的下游应用领域十分广泛，许多行业都会涉及到钛金属合金的大量使用，例如载人火箭外壳、飞行器的外壳、潜水设备中都有钛金属的身影，这些都显示出了钛金属的重要性。

现阶段，国内钛金属海绵钛生产呈现着良好的发展态势，但生产中存在的问题导致国内钛产品和国外发达国家所生产的钛产品之间存在着鲜明的差距。企业要想在竞争中得到进一步的发展，需要全面掌握国内外海绵钛生产现状，做好准备[3]。目前，国内的海绵钛产品和国外相比，综合质量偏低，没有高端产品的优势，高端产品还需要依赖进口，这些情况就直接影响了海绵钛产业的发展。未来，海绵钛发展趋势将朝着产能利用率提升和高端产品方向发展。

1 海绵钛产业生产现状

我国在20 世纪60 年代开始海绵钛工业化生产，海绵钛的生产直接决定钛金属的冶炼水平，还影响着相关合金材料的应用。我国海绵钛生产企业的建设浪潮出现在21 世纪初期，这一时期国内的海绵钛生产水平低，产能不足，时常短缺，所以海绵钛的价格不断上升。在这种情况下，越来越多的资本投入海绵钛产业，逐步提高了海绵钛的生产能力、生产质量和生产效率。

海绵钛加工是一个物理加工的过程。一般情况下，最后一个阶段就是让海绵钛的钛坨从反应罐顶出，然后剥离去除表面杂质形成钛坯，再将其切割成一定数量的钛块。整个海绵钛加工过程分为几个部分，海绵钛主要生产流程如图1 所示。

图1 海绵钛的主要生产流程示意图

海绵钛生产工艺技术主要包括了Na 还原法和Mg 还原法，对这两个类型进行分析，将为下文所探讨海绵钛生产流程中的优化打下坚实基础。

Na 还原法的生产过程包括了沸腾、熔盐和竖炉3 种方式。在这3 种方式中，沸腾氯化是最显著的方式，现阶段中国、日本、美国大多通过这种方式。另外的熔盐法是部分国家采用的，竖炉法在当今基本上已经被淘汰。沸腾法一般是以钙、镁含量低的高品位、富钛料为原料，熔盐法则使用含高钙镁的原料来进行操作。沸腾氯化通过细颗粒的富态量和固体石油焦还原剂，进行氯化反应，从而制取四氯化钛。熔盐氯化就是将细磨的钛渣或金红石以及石油焦悬浮在熔盐介质中，并通入氯气，然后来制备四氯化钛。竖炉氯化这种方式是将被氯化的钛渣与石油焦细磨，然后加黏合剂均匀制团，并经过焦化，再将制成的团块堆料放置在竖炉铝化炉中呈固体状态的情况下借助氯气作用来进行提取，这种方法在当前时代因为经济成本和操作原因已经被淘汰。

Mg 还原法是在温度900 ℃的氩气环境下，四氯化钛和金属镁反应，可以得到海绵状的金属钛和氯化镁，借助真空蒸馏去除海绵钛中的氯化镁和过剩的镁，从而获得纯钛[4]。精制四氯化钛中制取金属钛分为了还原、蒸馏两大步骤，这两个步骤都是分阶段进行的，但是当前随着时代的发展，海绵钛制备已经趋向联合化开展。

2 海绵钛产业面临的挑战

进过几十年的发展，我国海绵钛产业进入了一个新的发展阶段，供给能力大幅提升，化解了市场供需矛盾。但随之而来的产能过剩、产品结构性矛盾以及“三废”处理凸显出来，给产业发展带来了新的挑战。

2.1 海绵钛产业产能过剩问题突出

在当前阶段，国内海绵钛的生产呈现着良性化态势，但在这个过程中也具有显著的挑战。

随着海绵钛生产企业的大量投资，目前海绵钛产业已经出现了产能严重过剩等问题，产能过剩达到50%以上。而且国内海绵钛产品参差不齐，一些专业水平不足的产品的硬度无法达到国际上先进的产品标准要求[5]。

我国海绵钛产能过剩主要体现在结构性过剩上，低端的海绵钛产品大量过剩，而优质的海绵钛却供不应求。我国高端钛材制造能力不足，钛材大部分为初级产品，应用领域也相对中低端。航空航天、船舶制造等行业高端用钛比例与全球钛材需求结构相比偏低。

2.2 杂质元素影响海绵钛产品质量

海绵钛中的主要杂质元素包括：Fe、O、Cl、C、N、Si、Mn、H，海绵钛产品中杂质元素含量和产品的布氏硬度将直接决定最终产品等级，因此对最终产品中所含有的杂质元素以及布氏硬度的情况，让其保持在低水平，就能够提高产品质量。如果杂质含量过多，布氏硬度上升，那么整体产品的质量就相对偏低。海绵钛的硬度既是杂质元素的综合指标，也是质量综合指标。在所有的杂质中，对其影响较大的杂质元素包括Fe、Cl、N、O、C。有效控制海绵钛中杂质元素的引入途径，这对整个海绵钛产品质量的提升，有着非常关键的意义。海绵钛产品中分为爬壁钛和钛坨两大部分。爬壁钛主要是粘在反应器上的海绵钛，一般含杂质氯、铁较高，质量比钛坨中心部分要差。海绵钛坨根据杂质分布的不同情况能够分为帽部、中心部、底皮和边皮等几个部位。

帽部就是指钛坨上较为疏松的产品，中心部是指钛坨揭去帽部和底皮，剥去边皮后的中间部分的产品，底皮就是最下层的部分，边皮是从侧边剥下的部分，通过围绕不同部分进行化验，能够发现整个海绵钛中铁含量在钛坨中心部分最低，其次是上部，越接近器壁和底部的含量越高。底皮和边皮是含铁最高的部位，因此围绕这些情况对加工过程中可能引入的杂质进行分析，能发现海绵钛加工流程中可能会让杂质进入其中，另外还包括了分裂筛分过程中机器磨损和铁皮碎屑。

2.3 海绵钛生产中的环保问题有待解决

海绵钛工业化生产本身属于易产生重污染的有色金属冶炼业，整个链条中会产生很多有害的副产物、废渣和严重污染环境的废水，如果不能做好废物的综合处理，将会对周边环境造成影响，甚至威胁人们的生命安全。

3 提升海绵钛综合质量的有效途径

毫无疑问，钛市场未来将由高端需求主导。随着“十四五”规划和军队现代化建设进入加速期，军工装备等高端领域用钛将大幅提升。国家大力推进的深海发展计划和大飞机发展国产化，对高端钛材需求将呈现快速增长态势，这为海绵钛企业改善供应结构提供了有利的市场机遇，通过相应的技术手段提高产品综合质量是海绵钛生产企业的当务之急。

3.1 严格控制加工过程

要了解海绵钛的加工流程，以及认识海绵钛中含有的杂质元素，要对海绵钛综合质量进行控制，首先就是围绕加工过程进行控制。海绵钛的质量和加工过程中引入的杂质有密切关系，所以在加工过程中，对边皮和底皮的处理一定要高度重视。为防止产品综合质量受到影响，对分离出的海绵钛坨表面一定要清理，因为这些钛坨表面会含有一些缺陷的产品，钛坨底部也会有缺陷的情况，存在这些缺陷的钛密度较大，硬度较高，污染面积高，而且含有较多低能量钛。如果在加工操作时，没有对这些部分进行处理，直接进入到后续加工，就会给整个产品质量带来影响。同时，加工作业时也容易损害设备，引发着火事故。而人工利用风镐是无法将其分离的，需要借助专业设备将其整体切下，这部分切片后的将要单独处理。此外在进行加工过程中，切片控制需要高度注意，海绵钛在进行分裂筛分作业前，一定要按照要求的粒度切制，然后展开整个切片过程，切片中掌握好进刀量，围绕着钛坨底部缺陷情况做好观测，将底部缺陷部分全部清除，并且单独收集，这样能够减少不符合分裂设备要求粒度的产品。

在实际风险控制中，海绵钛经过分类筛选后，还需要经过人工检测台的分拣作业，并在混料后再次进行分解。这个过程中会出现正品海绵钛中混杂有缺陷钛和废钛产品的情况，要借助人工分拣，避免这些有问题的产品进入到最终产品中，给整个产品质量带来消极影响。产品中会有这样一种情况，就是某一元素偏高，这个情况也会直接造成海绵钛质量的整体下降。而海绵钛加工处理过程是一个物理过程，没有办法进行精准控制，所以无法依靠海绵钛中化学成分的改变来提升综合质量。面对这种情况，就要对产品中的元素含量配比优化调整，这样才能够提高整体产品的质量。可以选择两个批次中不同单一杂质含量偏高的海绵钛，按照相关的分析后，对其中含有的杂质元素进行分析，了解其存在的原因，然后做出优化，保障后期的海绵钛产品质量都能够达到最优化。

3.2 综合把控生产装备

现阶段海绵钛生产装备主要包括了生产四氯化钛阶段的生产装备，还原蒸馏工艺阶段的生产装备，以及钛坨破碎工艺的生产装备。对这些装备一定要定期做好全面的检查和优化，调查了解装备存在的各种问题。然后不断引进新装备技术，帮助装备的效果更好发挥。海绵钛生产工艺Kroll 法在当今世界是技术水平最成熟和最稳定的一种方法。这种方法在投入使用后经历时代的考验非常可靠，是现阶段公认的生产海绵钛最好的工艺手段，而且在今后很长的一段时间内还将是主流的生产工艺。但是这种方法也存在一定的缺陷，例如生产流程过长。生产时间间隙和周期过长，就会造成生产成本过高、损耗过大的情况，这些损耗会进一步影响到整个世界对钛矿资源的研究开发利用。所以需要围绕着相关层面的生产技术、生产工艺流程，不断进行优化，找到对环境更加友好的工艺来进行应用，只有这样才能够最终生产出高质量的海绵钛产品，提升行业整体竞争力。

在海绵钛企业对相关设备进行检测时，还要遵循精简实用的原则，围绕企业实际的需要对设备进行检测，要保证人员和设备的安全性，坚持方便操作的原则，做好日常的管理[6]。围绕实际，在选择装备时一定要选择新型优质装备，装备使用过程中及时做好定期检查，当装备出现问题就要即刻的检查维修，不得已的情况下，还需要进行更换。现阶段国内海绵钛生产企业正在逐步发展，为了提高企业的竞争力，需要对产品的质量进行把控，这样才能帮助企业更好地顺应当前激烈的竞争。在这个过程中，企业要把握好海绵钛生产的全过程，利用新技术、新设备来帮助海绵钛产业稳步发展。

4 结语

综上所述，现阶段对海绵钛的高质量要求分为了多个层面，为了保障整个海绵钛产品的最终质量，要从生产原料层面做好把控，在加工过程中做好整个加工环节的把握，然后围绕着具体的生产设备进行全面把控，这样才能够保障整个海绵钛的生产质量。

2020 年全球海绵钛产能在34.1 万吨，海绵钛高端产能主要集中在日美两国，他们在技术上都处在领先阶段。我国是海绵钛生产大国，但高端产品的生产能力不足。因此，我国的海绵钛产业要通过提升产品质量，增强综合竞争力，通过对技术和设备改进与提升，把控好海绵钛的加工质量，让海绵钛产业能够实现绿色可持续发展。