（洛陽雙瑞萬基鈦業(yè)有限公司，河南洛陽 471003）

1 鈦的用途及發(fā)展前景

鈦具有熔點(diǎn)高、無磁性、熱膨脹系數(shù)低、高的比強(qiáng)度和比剛度以及耐腐蝕性能好、耐生物侵蝕等許多突出優(yōu)點(diǎn)，是自20世紀(jì)以來迅速發(fā)展的一種十分重要的耐蝕輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，被國家列為戰(zhàn)略金屬，也被譽(yù)為“太空金屬”和“海洋金屬”，是國家重大工程中不可替代的重要資源，對(duì)國防、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義，目前我們國家的大飛機(jī)、核電、海洋開發(fā)等重大工程都在大量用到鈦金屬。隨著我國“海洋開發(fā)、建設(shè)海洋強(qiáng)國”國家發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，“深海空間站”、“萬米深潛器”和“全鈦深海裝備”等國家重大科技專項(xiàng)的實(shí)施，我國鈦工業(yè)發(fā)展迎來了最好的發(fā)展契機(jī)。預(yù)計(jì)未來20年全球新增民用航空航天鈦材需求量約120萬噸，中國海洋工程用鈦量可達(dá)5萬噸以上。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域鈦合金主要用于制造植入人體內(nèi)的醫(yī)療器件、假體、人造器官和輔助治療設(shè)備，作為人體組織和器官再生與修復(fù)材料重要分支的生物醫(yī)學(xué)鈦合金材料存在著巨大市場(chǎng)。生物醫(yī)用金屬材料保持著15%-20%年銷售增長(zhǎng)率，其中生物醫(yī)用鈦合金的增長(zhǎng)趨勢(shì)尤為明顯。鋼鐵、電力、醫(yī)療、汽車、軌道交通[1]等領(lǐng)域用鈦量也將有很大的增長(zhǎng)期望。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)鈦的需求量一直以20%～30%的速度增長(zhǎng)。

2 海綿鈦行業(yè)現(xiàn)狀

海綿鈦處于鈦產(chǎn)業(yè)鏈的前端，是“海綿鈦--鈦鑄錠--加工材--鈦制品”這個(gè)鈦產(chǎn)業(yè)鏈的重要原料，是整個(gè)鈦產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)，決定了鈦產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，影響到鈦產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

目前能夠生產(chǎn)海綿鈦的國家只有中國、日本、美國、俄羅斯、哈薩克斯坦和烏克蘭六個(gè)國家，我國鈦加工材以中低端的板材、棒材和管材為主，約占鈦材總產(chǎn)量的50%、20%和10%。其中，鈦板材產(chǎn)品以“片式”軋板為主，冷熱軋帶卷產(chǎn)品少；管材產(chǎn)品以無縫管為主，焊管少。我國鈦加工材以中低端產(chǎn)品為主，產(chǎn)品附加值低[2]。不可否認(rèn)，國內(nèi)海綿鈦主要集中在中低端產(chǎn)品市場(chǎng)，而適用于航空領(lǐng)域的高端海綿鈦卻是一個(gè)短板，國內(nèi)海綿鈦企業(yè)生產(chǎn)智能化程度低是制約產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、能耗的一個(gè)重要因素。目前為止，國內(nèi)海綿鈦生產(chǎn)過程中涉及還蒸、氯化、電解、成品加工等關(guān)鍵工序，而這些工序中的溫度、壓力、料速、風(fēng)速、液位等關(guān)鍵工藝參數(shù)大多是手動(dòng)調(diào)節(jié)，控制精度低，導(dǎo)致產(chǎn)品O、N、C間隙元素波動(dòng)大、能耗水平高、環(huán)保效果較差、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差。

圖1 低密度夾雜缺陷

圖2 純鈦管嚴(yán)重裂紋

其中影響海綿鈦質(zhì)量的主要因素是雜質(zhì)元素含量過高和分布不均勻的問題，以及海綿鈦的疏松度、布氏硬度等，其中雜質(zhì)元素C、N、O含量的波動(dòng)為主要因素，是因?yàn)楹＞d鈦在生產(chǎn)和鈦合金熔煉中，

雜質(zhì)元素C、N、O間隙式地溶入鈦中，使鈦的晶格產(chǎn)生較大歪曲，對(duì)提高強(qiáng)度、降低塑性和韌性的影響很大，這些元素稱為間隙元素，間隙元素C、N、O的含量偏高，不僅會(huì)對(duì)其冷加工性能及成品材的機(jī)械性能有很大的影響，甚至還會(huì)導(dǎo)致鈦的鑄錠或坯料無法加工成材，造成嚴(yán)重?fù)p失。此外這些間隙元素一旦存在海綿鈦中，在后續(xù)鈦加工階段是無法消除的，產(chǎn)生的夾雜缺陷也非常難以檢出。

在鈦材高端應(yīng)用領(lǐng)域，如航空領(lǐng)域，美國FAA（聯(lián)邦航空局）就曾報(bào)道，1962年-1990年間，美國有25起鈦合金冶金缺陷引起的飛行事故，有不少飛行事故是由于鈦合金零件的早期斷裂而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效的，而其中影響最為嚴(yán)重的冶金缺陷就是C、N、O夾雜物。

飛機(jī)材料國產(chǎn)化的要求為國內(nèi)鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機(jī)遇。而毋庸置疑，國際航鈦市場(chǎng)進(jìn)入門檻較高，時(shí)間較長(zhǎng)，需要各種生產(chǎn)系統(tǒng)管理質(zhì)量認(rèn)證、產(chǎn)品質(zhì)量的體系認(rèn)證和過程管理等認(rèn)證才能進(jìn)入這一市場(chǎng)。時(shí)至今日，我國僅有1-2家企業(yè)有如此榮耀，但其所擁有的資質(zhì)數(shù)量為數(shù)不到10個(gè)，而如全球最大的航鈦生產(chǎn)商阿維森馬公司在2004-2008年就達(dá)到了274個(gè)質(zhì)量體系認(rèn)證，從而一舉成為國際航鈦生產(chǎn)的壟斷性企業(yè)。這一門檻限制了我國鈦工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入航鈦的速度和規(guī)模，由此帶來的需求對(duì)國內(nèi)大多數(shù)鈦企業(yè)而言并不是可供應(yīng)實(shí)現(xiàn)的需求[3]。

3 第二代海綿鈦產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)以及對(duì)高端鈦材的需求，使得雙瑞萬基對(duì)海綿鈦品質(zhì)的要求孜孜以求，2015年以二期海綿鈦項(xiàng)目建設(shè)為契機(jī)，在充分利用一期生產(chǎn)技術(shù)和管理經(jīng)營的基礎(chǔ)上，二期工程全部采用具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營，產(chǎn)品定位為高端鈦材市場(chǎng)用航空級(jí)海綿鈦，可滿足國內(nèi)外航空級(jí)等高端海綿鈦市場(chǎng)需求。2016年4月，雙瑞萬基在業(yè)界率先提出了基于雙瑞萬基自主研發(fā)的海綿鈦2.0技術(shù)的第二代海綿鈦。

表1 雙瑞萬基普通海綿鈦和二代海綿鈦標(biāo)準(zhǔn)

第二代海綿體有以下特點(diǎn)：

（1）該技術(shù)實(shí)現(xiàn)間隙元素C、N、O含量超低化；比第一代海綿鈦低30%到50%，且海綿鈦坨中任何一處氮含量均不大于0.02%；

（2）可全流程追溯31種雜質(zhì)元素，遠(yuǎn)超國標(biāo)及國際標(biāo)準(zhǔn)要求的9種雜質(zhì)元素；

（3）海綿鈦疏松度達(dá)到國際先進(jìn)水平，桶裝密度達(dá)到≤1.4g/cm3；

（4）單批次50-100噸大噸位供貨，產(chǎn)品一致性好，批次內(nèi)每個(gè)桶內(nèi)的產(chǎn)品等級(jí)均在同一級(jí)別；

（5）高純充氬，氬氣純度達(dá)到99.9999%。

第二代海綿鈦給客戶帶來的價(jià)值是：

（1）低間隙元素使得熔煉時(shí)產(chǎn)生的氣體少，熔煉真空度穩(wěn)定，波動(dòng)小；

（2）鈦間殘留低價(jià)物、Cl等雜質(zhì)含量低，熔煉時(shí)對(duì)泵腐蝕??；

（3）冷彎角可做到180度不斷折，板材鍛造不易裂，損耗少，成材率高；

（4）單批次大噸位供貨，產(chǎn)品成分均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。這被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是我國五十年代至今首次海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量大升級(jí)，將大幅提升我國鈦加工行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

4 第二代海綿鈦技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)品質(zhì)量

4.1 先進(jìn)的第二代海綿鈦技術(shù)

相比第一代海綿鈦，第二代海綿鈦的生產(chǎn)流程更趨向于智能化和自動(dòng)化。

在沸騰氯化方面，雙瑞萬基對(duì)氯化爐的爐型、爐殼材質(zhì)、耐火材料、氯氣分配盤、冷卻散熱系統(tǒng)進(jìn)行了不斷改進(jìn)，開發(fā)出氯化爐專用磚、氯化爐大型化專用散熱方式等，通過研究沸騰氯化過程的主要工藝參數(shù)，并確定沸騰氯化全過程自動(dòng)控制技術(shù)；氯化生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，控制要求高，危險(xiǎn)性大，通過自動(dòng)控制技術(shù)，使氯化爐內(nèi)溫度、壓力、送料速率等工藝參數(shù)得到精確控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線全自動(dòng)DCS控制連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，安全環(huán)境大大改善。

通過努力，雙瑞萬基已建成了一條完整的沸騰氯化和精制技術(shù)生產(chǎn)線，生產(chǎn)的四氯化鈦質(zhì)量達(dá)到國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YS/T655-2007）的一級(jí)指標(biāo)，為生產(chǎn)高品質(zhì)的海綿鈦提供了原料保證。并且可大量減少工業(yè)“三廢”排放，大大改善廠區(qū)周圍的空氣環(huán)境及作業(yè)環(huán)境。

在電解工藝方面，多級(jí)電解槽和超級(jí)電解槽技術(shù)，大大提高了電解電流效率，實(shí)現(xiàn)氯氣零排放；DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電解槽液位、溫度、壓力的智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電解槽液位的自動(dòng)控制；全密封高純鎂精煉技術(shù)，提高精鎂純度和產(chǎn)量，降低電耗，解決電解質(zhì)液面波動(dòng)對(duì)電解槽壽命的影響，增產(chǎn)增效節(jié)能，噸鎂電耗國際領(lǐng)先，重點(diǎn)危險(xiǎn)工位達(dá)到無人操作。

在技術(shù)引進(jìn)消化吸收的同時(shí)，雙瑞萬基更加注重可以大幅提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的自主研發(fā)。通過不懈努力，技術(shù)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了具有國際領(lǐng)先水平的智能化節(jié)能還蒸爐、首臺(tái)套海綿鈦智能分揀系統(tǒng)和大型高效破碎自動(dòng)布料系統(tǒng)及智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)，突破沸騰氯化和高純四氯化鈦精制技術(shù)、多級(jí)電解槽高純鎂精煉技術(shù)，建立國內(nèi)首條批量穩(wěn)定生產(chǎn)高品質(zhì)海綿鈦的生產(chǎn)線。使得海綿鈦0級(jí)品率達(dá)到70%以上，全流程綜合能耗≤20000 kwh；這中間最為驚艷的就是大型智能化還蒸爐，該爐型基于雙瑞萬基完全自主研發(fā)的全參數(shù)自動(dòng)控制、全封密一次組裝連續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)理念，將還蒸工序的電耗下降了50%，達(dá)到了國際頂尖水平。

2017年重點(diǎn)立足海綿鈦疏松度的改善，通過還蒸溫度調(diào)整、液位調(diào)控、加鎂量調(diào)試、料速調(diào)變、加料方式試驗(yàn)、破碎方式改善并優(yōu)化組合等上百次試驗(yàn)，至2017年底，海綿鈦疏松度取得建廠以來里程碑式改善，10噸爐桶裝密度可穩(wěn)定控制在1.4g/cm3以內(nèi)，鈦坨無硬心、無夾心氯化鎂，解決了建廠以來一直困擾公司的頭等難題，使產(chǎn)品質(zhì)量弱項(xiàng)得以彌補(bǔ)并反超對(duì)手，整體質(zhì)量品質(zhì)滿足二代海綿鈦的要求。

4.2 穩(wěn)步提高的第二代海綿鈦產(chǎn)品品質(zhì)

（1）0級(jí)品率

圖3 海綿鈦0級(jí)品率柱狀圖

圖3為第一代海綿鈦和第二代海綿鈦0級(jí)品率的對(duì)比，以及雙瑞萬基目前的現(xiàn)狀，2017年12月份，雙瑞萬基0級(jí)品率達(dá)到75%，基本和標(biāo)桿企業(yè)俄羅斯阿維斯瑪?shù)?級(jí)品率相當(dāng)，2018年有望達(dá)到第二代海綿鈦要求的80%～90%的目標(biāo)。

（2）批次穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性

圖4 海綿鈦單批次噸位

圖4為第一代海綿鈦和第二代海綿鈦單批次噸位的對(duì)比，以及雙瑞萬基目前的現(xiàn)狀，雙瑞萬基一代海綿鈦鈦單批次一次性勻料噸位數(shù)低，不能滿足客戶大噸位熔錠需求，目前通過勻料系統(tǒng)的升級(jí)，可滿足最大批次100T海綿鈦均勻混料，混合均勻度達(dá)到90%以上。目前通過某公司進(jìn)行加工的單批次超0A級(jí)海綿鈦，大批次鑄錠成分均勻，批次穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性非常好。

圖5 雙瑞萬基10噸3.3米鈦坨

圖6 雙瑞萬基2015-2017年桶裝密度曲線

（3）鈦坨疏松度

通過技術(shù)改進(jìn)，雙瑞萬基10噸爐海綿鈦的高度能做到3.3米，成為雙瑞萬基在鈦坨疏松度方面里程碑式的改善，海綿鈦的桶裝密度從2015年1.5 g/cm3降低至目前的1.4g/cm3以下。

自2016年4月提出第二代海綿鈦以來，海綿鈦的質(zhì)量一直在穩(wěn)步改善，截至目前，第二代海綿鈦產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了1000余噸，海綿鈦成品均勻，批次穩(wěn)定，疏松度好，得到了客戶的認(rèn)可。

目前雙瑞萬基產(chǎn)品方向重點(diǎn)走高端、特色路線，如轉(zhuǎn)子級(jí)海綿鈦、3D打印級(jí)海綿鈦、鐵預(yù)合金海綿鈦、氧預(yù)合金海綿鈦等，以客戶需求為導(dǎo)向，形成高針對(duì)性的產(chǎn)品細(xì)分，并通過精益化管理，使得公司成為海綿鈦行業(yè)的一顆耀眼的新星，引領(lǐng)整個(gè)鈦產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

5 第二代海綿鈦前景

（1）第二代海綿鈦的研發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)將促進(jìn)我國鈦在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，優(yōu)化我國鈦消費(fèi)結(jié)構(gòu)，引領(lǐng)我國海綿鈦生產(chǎn)技術(shù)步入國際先進(jìn)水平的行列，有效提升我國鈦產(chǎn)業(yè)鏈的整體技術(shù)水平。

（2）在海綿鈦冶煉工藝中，打破傳統(tǒng)的工藝路線，通過鎂電解槽節(jié)能降耗技術(shù)改進(jìn)、節(jié)能型智能還蒸裝備改進(jìn)、海綿鈦成品破碎分揀系統(tǒng)的改進(jìn)，使噸鈦電耗降低到1.8萬度以下，比國內(nèi)平均水平節(jié)能30%，實(shí)現(xiàn)高端海綿鈦的智能化生產(chǎn)，同時(shí)采用余熱回收技術(shù)及生產(chǎn)廢渣綜合利用技術(shù)，將海綿鈦廢渣、廢酸、廢氣綜合回收利用，實(shí)現(xiàn)海綿鈦的清潔生產(chǎn)。

（3）徹底解決我國海綿鈦全流程生產(chǎn)智能化水平低、產(chǎn)品能耗高、環(huán)保效果差和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，提升我國鈦生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，為下游鈦產(chǎn)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)原材料，使下游產(chǎn)品具備更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，獲得更大的市場(chǎng)空間，繼而促進(jìn)上、中游鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)鈦產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)。