方興未艾
——崛起的第二代海綿鈦

（洛陽雙瑞萬基鈦業有限公司，河南洛陽 471003）

1 鈦的用途及發展前景

鈦具有熔點高、無磁性、熱膨脹系數低、高的比強度和比剛度以及耐腐蝕性能好、耐生物侵蝕等許多突出優點，是自20世紀以來迅速發展的一種十分重要的耐蝕輕質結構材料，被國家列為戰略金屬，也被譽為“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，對國防、國民經濟建設和社會發展具有極其重要的戰略意義，目前我們國家的大飛機、核電、海洋開發等重大工程都在大量用到鈦金屬。隨著我國“海洋開發、建設海洋強國”國家發展戰略的實施，“深?？臻g站”、“萬米深潛器”和“全鈦深海裝備”等國家重大科技專項的實施，我國鈦工業發展迎來了最好的發展契機。預計未來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5萬噸以上。醫學領域鈦合金主要用于制造植入人體內的醫療器件、假體、人造器官和輔助治療設備，作為人體組織和器官再生與修復材料重要分支的生物醫學鈦合金材料存在著巨大市場。生物醫用金屬材料保持著15%-20%年銷售增長率，其中生物醫用鈦合金的增長趨勢尤為明顯。鋼鐵、電力、醫療、汽車、軌道交通[1]等領域用鈦量也將有很大的增長期望。隨著我國國民經濟的高速發展，對鈦的需求量一直以20%～30%的速度增長。

2 海綿鈦行業現狀

海綿鈦處于鈦產業鏈的前端，是“海綿鈦--鈦鑄錠--加工材--鈦制品”這個鈦產業鏈的重要原料，是整個鈦產業鏈的基礎，決定了鈦產業技術水平，影響到鈦產業鏈的發展。

目前能夠生產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，約占鈦材總產量的50%、20%和10%。其中，鈦板材產品以“片式”軋板為主，冷熱軋帶卷產品少；管材產品以無縫管為主，焊管少。我國鈦加工材以中低端產品為主，產品附加值低[2]。不可否認，國內海綿鈦主要集中在中低端產品市場，而適用于航空領域的高端海綿鈦卻是一個短板，國內海綿鈦企業生產智能化程度低是制約產品質量穩定性、能耗的一個重要因素。目前為止，國內海綿鈦生產過程中涉及還蒸、氯化、電解、成品加工等關鍵工序，而這些工序中的溫度、壓力、料速、風速、液位等關鍵工藝參數大多是手動調節，控制精度低，導致產品O、N、C間隙元素波動大、能耗水平高、環保效果較差、產品質量穩定性差。

圖1 低密度夾雜缺陷

圖2 純鈦管嚴重裂紋

其中影響海綿鈦質量的主要因素是雜質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，其中雜質元素C、N、O含量的波動為主要因素，是因為海綿鈦在生產和鈦合金熔煉中，

雜質元素C、N、O間隙式地溶入鈦中，使鈦的晶格產生較大歪曲，對提高強度、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，不僅會對其冷加工性能及成品材的機械性能有很大的影響，甚至還會導致鈦的鑄錠或坯料無法加工成材，造成嚴重損失。此外這些間隙元素一旦存在海綿鈦中，在后續鈦加工階段是無法消除的，產生的夾雜缺陷也非常難以檢出。

在鈦材高端應用領域，如航空領域，美國FAA（聯邦航空局）就曾報道，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致發動機失效的，而其中影響最為嚴重的冶金缺陷就是C、N、O夾雜物。

飛機材料國產化的要求為國內鈦合金在航空領域的應用提供了機遇。而毋庸置疑，國際航鈦市場進入門檻較高，時間較長，需要各種生產系統管理質量認證、產品質量的體系認證和過程管理等認證才能進入這一市場。時至今日，我國僅有1-2家企業有如此榮耀，但其所擁有的資質數量為數不到10個，而如全球最大的航鈦生產商阿維森馬公司在2004-2008年就達到了274個質量體系認證，從而一舉成為國際航鈦生產的壟斷性企業。這一門檻限制了我國鈦工業產品進入航鈦的速度和規模，由此帶來的需求對國內大多數鈦企業而言并不是可供應實現的需求[3]。

3 第二代海綿鈦產品優勢

激烈的市場競爭以及對高端鈦材的需求，使得雙瑞萬基對海綿鈦品質的要求孜孜以求，2015年以二期海綿鈦項目建設為契機，在充分利用一期生產技術和管理經營的基礎上，二期工程全部采用具有完全自主知識產權的技術設計、建設、運營，產品定位為高端鈦材市場用航空級海綿鈦，可滿足國內外航空級等高端海綿鈦市場需求。2016年4月，雙瑞萬基在業界率先提出了基于雙瑞萬基自主研發的海綿鈦2.0技術的第二代海綿鈦。

表1 雙瑞萬基普通海綿鈦和二代海綿鈦標準

第二代海綿體有以下特點：

（1）該技術實現間隙元素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種雜質元素，遠超國標及國際標準要求的9種雜質元素；

（3）海綿鈦疏松度達到國際先進水平，桶裝密度達到≤1.4g/cm3；

（4）單批次50-100噸大噸位供貨，產品一致性好，批次內每個桶內的產品等級均在同一級別；

（5）高純充氬，氬氣純度達到99.9999%。

第二代海綿鈦給客戶帶來的價值是：

（1）低間隙元素使得熔煉時產生的氣體少，熔煉真空度穩定，波動小；

（2）鈦間殘留低價物、Cl等雜質含量低，熔煉時對泵腐蝕??；

（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，產品成分均勻，質量穩定。這被業內認為是我國五十年代至今首次海綿鈦產品質量大升級，將大幅提升我國鈦加工行業的核心競爭力。

4 第二代海綿鈦技術發展及產品質量

4.1 先進的第二代海綿鈦技術

相比第一代海綿鈦，第二代海綿鈦的生產流程更趨向于智能化和自動化。

在沸騰氯化方面，雙瑞萬基對氯化爐的爐型、爐殼材質、耐火材料、氯氣分配盤、冷卻散熱系統進行了不斷改進，開發出氯化爐專用磚、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，并確定沸騰氯化全過程自動控制技術；氯化生產連續性強，控制要求高，危險性大，通過自動控制技術，使氯化爐內溫度、壓力、送料速率等工藝參數得到精確控制，實現生產線全自動DCS控制連續穩定運行，降低勞動強度，安全環境大大改善。

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生產線，生產的四氯化鈦質量達到國內行業標準（YS/T655-2007）的一級指標，為生產高品質的海綿鈦提供了原料保證。并且可大量減少工業“三廢”排放，大大改善廠區周圍的空氣環境及作業環境。

在電解工藝方面，多級電解槽和超級電解槽技術，大大提高了電解電流效率，實現氯氣零排放；DCS控制系統實現對電解槽液位、溫度、壓力的智能控制技術，實現電解槽液位的自動控制；全密封高純鎂精煉技術，提高精鎂純度和產量，降低電耗，解決電解質液面波動對電解槽壽命的影響，增產增效節能，噸鎂電耗國際領先，重點危險工位達到無人操作。

在技術引進消化吸收的同時，雙瑞萬基更加注重可以大幅提升企業核心競爭力的自主研發。通過不懈努力，技術團隊成功研發了具有國際領先水平的智能化節能還蒸爐、首臺套海綿鈦智能分揀系統和大型高效破碎自動布料系統及智能倉儲系統，突破沸騰氯化和高純四氯化鈦精制技術、多級電解槽高純鎂精煉技術，建立國內首條批量穩定生產高品質海綿鈦的生產線。使得海綿鈦0級品率達到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的全參數自動控制、全封密一次組裝連續生產設計理念，將還蒸工序的電耗下降了50%，達到了國際頂尖水平。

2017年重點立足海綿鈦疏松度的改善，通過還蒸溫度調整、液位調控、加鎂量調試、料速調變、加料方式試驗、破碎方式改善并優化組合等上百次試驗，至2017年底，海綿鈦疏松度取得建廠以來里程碑式改善，10噸爐桶裝密度可穩定控制在1.4g/cm3以內，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，使產品質量弱項得以彌補并反超對手，整體質量品質滿足二代海綿鈦的要求。

4.2 穩步提高的第二代海綿鈦產品品質

（1）0級品率

圖3 海綿鈦0級品率柱狀圖

圖3為第一代海綿鈦和第二代海綿鈦0級品率的對比，以及雙瑞萬基目前的現狀，2017年12月份，雙瑞萬基0級品率達到75%，基本和標桿企業俄羅斯阿維斯瑪的0級品率相當，2018年有望達到第二代海綿鈦要求的80%～90%的目標。

（2）批次穩定性和產品一致性

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比，以及雙瑞萬基目前的現狀，雙瑞萬基一代海綿鈦鈦單批次一次性勻料噸位數低，不能滿足客戶大噸位熔錠需求，目前通過勻料系統的升級，可滿足最大批次100T海綿鈦均勻混料，混合均勻度達到90%以上。目前通過某公司進行加工的單批次超0A級海綿鈦，大批次鑄錠成分均勻，批次穩定性和產品一致性非常好。

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

通過技術改進，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，海綿鈦的質量一直在穩步改善，截至目前，第二代海綿鈦產量已經達到了1000余噸，海綿鈦成品均勻，批次穩定，疏松度好，得到了客戶的認可。

目前雙瑞萬基產品方向重點走高端、特色路線，如轉子級海綿鈦、3D打印級海綿鈦、鐵預合金海綿鈦、氧預合金海綿鈦等，以客戶需求為導向，形成高針對性的產品細分，并通過精益化管理，使得公司成為海綿鈦行業的一顆耀眼的新星，引領整個鈦產業鏈的發展。

5 第二代海綿鈦前景

（1）第二代海綿鈦的研發和穩定生產將促進我國鈦在航空航天領域的應用，優化我國鈦消費結構，引領我國海綿鈦生產技術步入國際先進水平的行列，有效提升我國鈦產業鏈的整體技術水平。

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

（3）徹底解決我國海綿鈦全流程生產智能化水平低、產品能耗高、環保效果差和產品質量不穩定的問題，提升我國鈦生產技術，實現清潔生產，降低生產成本，為下游鈦產業提供優質原材料，使下游產品具備更強的市場競爭力，獲得更大的市場空間，繼而促進上、中游鈦產業的發展，實現鈦產業的良性循環。