1、鈦的基礎知識一、鈦元素Ti與人類應用數千年的金銀銅鐵相比，人類認識鈦元素的時間并不長。1789年，人們發現了一種未知的新元素，其原子序數為22，原子核由22個質子和20-32個中子組成。6年后的1795年，一位德國化學家Martin Heinrich Klaproth在研究來自匈牙利的礦物“金紅石”（請您記住這個詞）時，發現了含有這種新元素的白色氧化物。最終，他將這種元素命名為，鈦，元素字母Ti, 全稱Titanium，源自希臘神話中大地之子的拉丁語:Titans。這個偶然的拉丁語命名，確實很有預見性，因為它的意思是力大無比的巨人。重量輕：鈦的密度只有4.51克/立方厘米，是鋼的57%，銅的5

2、0%。耐高溫：比如航空器在2.2馬赫時，表面溫度會達到220以上，這時鋁合金機械性能開始下降。達到3馬赫時，表面溫度會達到230以上，這時不銹鋼機械性能也開始下降。而高溫鈦合金，500仍可以保持很好的強度性能。耐低溫：鈦合金在-196的低溫條件下也能保持良好的塑性，不像鋼那樣容易變脆，因此是航空航天的液氫貯箱的好材料。耐腐蝕：純鈦在空氣中非常容易形成一層致密、附著力強、惰性極大的氧化膜，在315以下耐腐蝕性都極強，而且氧化膜即使被機械磨損，也會很快自愈再生。因此，鈦與碳氫化合物幾乎不反應，這一性質使得鈦閥門和管道接頭在石油化學工業廣泛應用。同樣因為耐腐蝕，鈦可以在海水中長期浸泡無恙（見表1）。

3、表1：各金屬在不同海水中腐蝕83天的情況低磁性：鈦基本上沒有磁性，用鈦建造的軍艦、潛艇可以避免磁性水雷的攻擊。蘇聯的一艘臺風級核潛艇采用9000噸鈦合金做外殼，也是利用了鈦的耐腐蝕和低磁性的性質。此外，還有三項功能，主要表現在鈦合金，而不是純鈦上。能記憶：鈦合金在低溫下施加外力塑性變形，除去外力后加溫到一定程度，能恢復到原來形狀。比如中國研制 的鈦鎳Ti-50Ni50合金, 就有2個溫度-形狀記憶點：0-37，和100-130。能超導：鈦合金在絕對溫度0.4K時具有超導性能。比如中國研制的的超導合金主要就是鈮鈦Nb-Ti合金強度高：鈦的比強度比較高，高純鈦的抗拉強度250MPa,工業純鈦在30

4、0-600MPa,鈦合金的抗拉強度更高，甚至 超過1200MPa。相比之下，純鐵的抗拉強度只有170MPa。合金鋼的抗拉強度雖然也更高，但重量數倍 于鈦合金。鈦的上述優良品質，使得它在航空航天、石油化工、海洋船舶、兵器制造、醫療器械等尖端科學和體育生活領域，都有著非常廣闊的應用空間。認識到這一點，科學家、工業家和投資家的眼光，很快就聚焦到了有關鈦的另一個問題上：二、鈦資源很多人以為鈦很昂貴，是因為鈦資源很少。這話說對了一半。鈦確實很貴，但鈦資源并不少。鈦在地殼中的含量為0.61%, 大多以二氧化鈦TiO2的形式存在。0.61%, 這是什么概念呢？這相當于銅、鎳、錫、鉛、鋅等一般有色金屬總和還要

5、多十幾倍!那位皺眉了那為什么很多教科書，都說鈦是“稀有金屬”呢？主要原因有兩個：找到具有開發價值的鈦礦很難，就是找到了提煉和加工也很難。說到這里，兵器迷嘆了口氣。為什么呢？因為這兩個難，中國都占全了，而且還要在難前面加上“特別“兩個字。先說礦：我國鈦資源非常豐富，總地質儲量8.7億噸，為世界第一。鈦礦主要分布在四川、云南、廣東、廣西和海南五省區，其中攀枝花地區的特大釩鈦磁鐵礦蘊藏量占世界鈦總儲量的35%。朋友樂了，這不是好事嗎？咋還難呢？原因是，鈦礦有兩種。金紅石礦：就是本文開頭提到的德國科學家發現的鈦礦石。這種礦石理論上含TiO2達100%。實際上，國外的金紅石精礦含量可達95-96%, 成

6、分單純，選礦冶煉都很方便。中國的鈦礦中，金紅石礦只有2%，主要在山西代縣和河北棗陽一代，規模很小，其他98%都是另一種礦，叫鈦鐵礦：鈦鐵礦，其TiO2理論含量值50%左右。中國攀枝花鈦鐵礦TiO2含量只有10-12%，相當于國外金紅石精礦的九分之一左右。您別嫌低，在中國鈦鐵礦里，這就是富礦了。其他礦區，如河北承德大廟礦區，只有5%，更多的是含量更低，沒有開采價值的貧礦。好像咱中國的事兒，就沒有特簡單的。網上流行“復雜中國”這個詞，這是無奈，也是現實。中國的鈦礦多為鈦釩鐵共生巖礦，成分復雜，勘探難度之大，選礦成本之高，可想而知。據說當年，攀枝花鋼鐵集團，冶煉鋼材后的礦渣就堆放在一個角落，無人問津

7、。后來還是日本人對攀鋼考察的時候提出要購買我們的礦渣，可就是不說為什么。萬幸中國人多了個心眼，說不忙，“回去研究研究”誰說官僚主義沒優點來著？這不，“研究研究”才發現，這渣里面富含鈦。恍然大明白之余，當即回絕了日本。經過幾十年的努力，用廢渣開發出一個全球最大的釩鈦磁鐵礦來。這個，兵器迷后面還有詳述。這日本人，讓人又恨又怕：恨的是老是要占中國的便宜，硬著不行偷著來；怕的是他們也確實厲害，萬里之外他都能聞到肉味，我們眼皮底下卻是睜眼瞎，要不是他們提醒，我們什么時候才能發現這廢渣山是聚寶盆，哎！找到了礦，下一步就是冶煉生產。三、海綿鈦的生產鈦的生產，雖然早在1908年，挪威和美國就開始用硫酸法試制鈦

8、，1910年又在實驗室中第一次用鈉法成功制鈦，但是硫酸法的污染極其嚴重，鈉的成本又太高。因此，直到1940年，盧森堡冶金專家克勞爾用鎂還原四氯化鈦，制備出純鈦，才發展成至今最為廣泛使用的鎂還原制鈦法。1948年，美國杜邦公司(DUPONT)，用鎂還原制鈦法制造了成噸的工業鈦，這標志鈦的工業化生產真正開始。大致的過程是：先把二氧化鈦用氯制成四氯化鈦，再用鎂還原成鈦。這樣制成的鈦成品，疏松多孔，狀似海綿，所以業內一般稱之為海綿鈦，見下圖圖1：海綿鈦鎂還原法的基本化學過程如下：TiO2+Cl2 TiCl4 TiCl4+Mg Ti +MgCl2工藝原理如下圖示意：圖2：鎂還原-真空蒸餾法制海綿鈦基本工

9、藝圖請注意上圖，國外金紅石精礦，可以不需要經過電爐熔煉環節，直接進入沸騰氯化。而中國的低品位鈦鐵礦，需要經過混捏制團干燥和1800的電爐熔煉，才能得到和金紅石一樣高純度的TiO2。本來咱就是發展中國家，底子薄，可鈦工業的起步階段，成本就比別人高一大塊這天底下的事兒，上哪兒說理去？中國人沒金紅石，就下功夫捉摸，如何在攀鋼貧礦冶煉的廢渣中，也能制造出高純度鈦。難啊，這渣里邊鈦不少，可雜質太多，氧化鈣CaO氧化鎂MgO就有7-9%，其他的雜質不下30多種好比豆腐掉在煤灰里，看見好東西你也挑不出來啊。你還別說，中國科技工作者和工藝師傅，百折不撓，苦心修煉，硬是成功的將高鈦渣的沸騰氯化工藝突破了，能從雜

10、質混雜的鈦渣中將鈦氯化為四氯化鈦。這下子，堆積如山的攀枝花高鈦廢渣，可找到變廢為寶的出路了功夫不負有心人啊。直到今天，高鈦渣氯化沸騰工藝，全球咱中國獨一份，那不是一般的牛。當然，話也說回來，人家有現成的高品位金紅石，也不用費勁開發這樣的工藝了。咱這個，叫窮人有窮人的過法，或者，窮人有窮人的志氣。鎂還原法的海綿鈦生產過程雖然歷經多種改進，但始終涉及有毒氯氣和貴金屬鎂，而且反應過程中耗費大量的電能。有沒有方便和便宜點的方法呢？有。劍橋大學材料和冶金系的Derek J.Fray,Tom W.Farthing和George Zheng Chen，偶然在試驗中發現了一種固體TiO2直接還原為鈦的方法。工

11、藝簡單迅捷，成本可以比鎂還原法降低30-40%。這種方法遂以三位科學家的姓氏字母縮寫為FFC劍橋法，工業學名熔鹽電解法。意大利的氧化鈦和美國活性金屬公司都建立了FFC劍橋法的小規模制鈦工廠。但這種方法的缺點是材料純度要求高，工藝參數復雜，總體上仍然處于探索階段。根據全球五金網2013年7月報道，攀鋼釩鈦資源綜合利用相關科學問題研究課題組基本解決了FFC劍橋法的陽極穩定制備、陽極穩定溶解、陰極產物雜質控制三大技術難題，設計開發出200安培500安培級電解中間試驗裝置，并投入運行。這填補了我國熔鹽電解法制備金屬鈦相關基礎理論研究的空白。依托該成果，攀鋼將逐步破解熔鹽電解法低成本工業制鈦工藝的技術難

12、題。屆時，中國的制鈦成本和能耗將有望大幅度降低。讓我們拭目以待吧。四、鈦材的生產多孔疏松狀的海綿鈦制造出來以后，要先制造成各種規格的標準鈦材，否則是不能直接成為工業用鈦的。而鈦材的生產，則要通過一系列工藝手段，先制成鈦錠。鈦錠的生產工藝順序如下：將海綿鈦經過破碎-過篩-烘干-壓制電極塊，然后在真空自耗電弧爐（VAR爐）中進行一次電極焊接-二次電極焊接-二次熔煉-扒皮，最后取樣檢驗，生成合格的鈦錠瞅見沒？鈦的生產過程中，熔煉、電解、焊接.多次用到了巨量電能。鈦工業，整個一個電老虎啊！有了鈦錠，就可以繼續加工：鈦錠的絕大部分，加工成鈦材，其余的加工成鈦粉。從海綿鈦到真正的鈦材制品，殘料率高達80-

13、85%，這進一步提升了產品的成本。選礦艱難（對于中國）、工藝復雜、耗能巨大、殘料率高，這四種因素，是鈦材昂貴的最主要原因。這個行當，真不是一般國家干的了的。鈦材包括板、帶、箔、棒、管、絲等多種規格型號，其中既有工業純鈦鈦材，也有加入合金元素有的合金鈦材。我們從寶雞富士特鈦業有限公司的產品可以略見一斑，見下圖：圖3：鈦錠圖4：鈦絲圖5 鈦管圖6 鈦板圖7 鈦棒五：鈦工業的總結衡量一個國家的鈦工業規模，有兩個基本指標:海綿鈦產量和鈦材產量。海綿鈦產量反映的是原料生產能力,鈦材產量反映的是產品深加工能力。如果再要考察鈦產業的自我保障潛力，則要將其鈦礦物儲量和產量也納入比較的范疇。按照這個思路，整理一

14、下這個產業的巨頭，他們是：鈦礦物儲量最多國家：中國、巴西、印度、加拿大、挪威、南非鈦礦物產量最高國家：澳大利亞、加拿大、挪威、美國、俄羅斯、中國生產海綿鈦最多的國家：美國、日本、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯坦、中國.生產鈦材最多的國家: 美國、俄羅斯、日本、中國、英國、法國、德國、意大利.大家可以看出，擁有從鈦礦資源-礦石處理-海綿鈦生產-鈦材生產和鈦設備研發制造的完整鈦產業的國家只有3個: 美國、俄羅斯、中國。而日本是唯一沒有大規模鈦礦資源卻擁有完整鈦加工工業的國家，而且其技術先進，勝過中國不得不讓人佩服。讓我們來看看世界海綿鈦的生產情況：1947年，美國在世界上首次實現海綿鈦的工業化生產,當年

15、生產出2噸海綿鈦，1957年即達到1.5萬噸海綿鈦。1952年，日本開始生產海綿鈦1954年，蘇聯開始生產海綿鈦1972年，世界海綿鈦產量達到20萬噸的歷史最高紀錄。1990年，世界海綿鈦產量9.7萬噸。此后10年，冷戰結束導致鈦工業萎縮，美蘇英都有眾多海綿鈦工廠倒閉2000年，世界海綿鈦產量下降到5.33萬噸的低谷。2001年，鈦工業隨著航空航天和民用鈦材料的應用推廣，生產開始復蘇2006年，世界海綿鈦的產量達到13.08萬噸2012年，世界海綿鈦產量再度達到20萬噸。現在來看看中國的情況,根據中國有色金屬工業協會數據:1954年，北京有色金屬研究總院開始進行海綿鈦制備工藝研究。1956年，

16、國家將鈦當作戰略金屬列入了12年發展規劃。1958年，撫順鋁廠實現了海綿鈦工業試驗，成立了中國第一個海綿鈦生產車間。同時在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦加工材生產試驗車間。1970年9月，遵義海綿鈦廠投產1980年，中國海綿鈦產量達到2800噸。由于大多數人對鈦金屬認識不足，鈦材的高價格也限制了鈦的應用，鈦加工材的產量僅200噸左右。此后鈦生產量大幅度下降。1999年，海綿鈦產量恢復到2800噸,與1980年相同,鈦材產量2000噸2002年，海綿鈦產量3328噸，2003年，海綿鈦產量4112噸。其中遵義鈦廠3000噸，撫順鈦廠1000噸2004年，海綿鈦產量4809噸2006年，海綿

17、鈦產量18037噸,鈦材產量約12500噸,鈦粉產量1381噸. 生產海綿鈦的企業數量增加到10家. 2008年，海綿鈦產量49682噸，鈦錠3.4萬噸，鈦加工材2.4萬噸2010年，海綿鈦產量已達54661噸，鈦加工材近3.8萬噸，2011年，14家海綿鈦生產企業總產量64952噸，鈦加工材50962噸2012年，海綿鈦產量為51557噸。目前，中國海綿鈦和鈦加工材的單廠產能，已經達到年產5000噸的基本經濟規模。制造設備比較完善，如先進的海綿鈦混布料系統，EB爐和VAR爐。VAR爐最大達到可制鈦錠15噸，最大扁錠鑄錠達到370毫米1340毫米5000毫米，滿足了海洋工程用鈦合金錠型的要求。

18、技術總體跟上了世界先進水平。值得注意的是，上述EB爐，即電子束冷床爐熔煉 (EBM) , 是全球鈦及鈦合金鑄錠最先進的生產設備。而目前能夠生產EB爐設備的國家只有德國、美國和烏克蘭。EB爐比傳統的真空自耗電弧爐VAR爐設備成本低，雜質成分控制更好，而且避免了多次重熔，減少能源消耗。中國的EB爐基本是進口的。額手上的資料，只有青海聚能鈦業有限公司的“EB爐”國產化項目，在“中子槍”和“電源柜”兩大關鍵技術上有所突破。據公開報道，2013年該公司一期3000噸鈦及鈦合金鑄錠EB爐已安裝調試完畢，但尚無投產的報道。中國目前的鈦基礎工業，大致以分為三個層次一、以攀鋼為首的鈦礦選冶生產基地二、以遵義和撫順為首的海綿鈦生產基地三、以寶雞、沈陽、寶鋼為首的鈦材加工基地。其中，寶雞鈦業專業化程度最高、加工設備最系統化、產品規格最多。鈦材以軍用為主，民用鈦材出口到波音，麥道，羅-羅等著名公司。以沈陽有色金屬加工廠、撫順特鋼板材有限責任公司、沈陽東方鈦業有限公司等單位為主形成了東北鈦加工及設備制造集團，中小企業多。以寶鋼集團上海五鋼有限公司、南京寶鈦中惠集團有限公司、張家港市宏大鋼管廠等單位為主，形成了長江三角洲鈦加工及其設備制造集團。以民用鈦材為主。好，夠多了。我們最后講一個中國鈦材生產的故事，作為第一篇的結尾。在鈦材生產中，值得一提的是鈦帶卷。因為中國過去半個多世紀以來，鈦材中的