攀西地區金屬鈦產業生產技術現狀及發展思考

鄒建新，劉杰慧，鄒清櫟，彭富昌

(1.成都工業學院，四川 成都 611730)(2.四川省釩鈦產業發展研究中心，四川 攀枝花 617000)(3.天津城建大學，天津 300384)

攀西地區(主要包括攀枝花市、涼山州片區)是國內外著名的“釩鈦之都”，該區域的鈦產業起步于鈦礦，發展于鈦白，目前專注于金屬鈦。現已建成的鈦產業主要包括氯化鈦渣、四氯化鈦、海綿鈦、鈦錠，而鈦材、鈦粉等產業尚處于起步階段。與寶雞、西安等地的金屬鈦產業相比，攀西地區在工藝與裝備方面存在明顯差距，甚至存在空白[1]。本文分析了攀西地區金屬鈦產業生產技術現狀，剖析存在的問題，提出了鈦及鈦合金關鍵生產技術發展思路，對今后攀西地區金屬鈦產業的發展具有指導意義。

1 工藝與裝備技術現狀

在鈦渣生產方面，既有企業以云南低鈣鎂鈦精礦為原料，采用10 000 kVA以下石墨電極電弧爐生產高鈦渣(TiO2品位88%～92%)，也有企業以攀西本地高鈣鎂鈦精礦為原料，采用25 000 kVA大型鈦渣電弧爐(烏克蘭引進)生產氯化鈦渣(TiO2品位74%～82%)。對引進的鈦渣電弧爐進行了多項改進，將大型自焙電極改為石墨電極，并采用了多點多時布料、間斷冶煉工藝、掛渣制度、長壽化爐體結構技術。此外，針對不同粒度的鈦精礦，采用不同的入爐處理工藝，微細粒級鈦精礦先造球再入爐，普通粒級鈦精礦則直接粉料入爐。同時，對電爐出渣口、出鐵口的材質和結構，以及電極結構與絕緣材料進行了優化，獲得了較好的經濟技術指標[2]。

在海綿鈦生產方面，主要工序與國內其他地區相似[3]。表1對攀西地區各企業海綿鈦生產工藝進行了對比。氯化工序既有采用沸騰氯化技術，也有采用熔鹽氯化技術，四氯化鈦精制過程主要采用鋁粉除釩方法。攀鋼集團有限公司海綿鈦分公司(以下簡稱攀鋼海綿鈦廠)采用熔鹽氯化法生產四氯化鈦，還原蒸餾采用I型爐半聯合工藝技術，而攀枝花鋼城集團有限公司鈦業分公司(以下簡稱鋼企海綿鈦廠)和攀枝花力興鈦業科技有限公司(以下簡稱攀枝花力興鈦業)2家海綿鈦企業采用沸騰氯化法和倒U型還蒸爐技術。其中，熔鹽氯化工序采用了單爐產能160 t/d的大型熔鹽氯化爐，爐子壽命達到41個月，實現了全攀西高鈣鎂鈦渣入爐氯化技術突破，鈦渣TiO2品位達74%～78%。但是，該鈦渣中鈣鎂含量達到8%，遠超國內外主流氯化工藝對鈦渣中鈣鎂含量的要求。沸騰氯化采用的是φ1.2～2 m無篩板氯化技術。粗四氯化鈦精制工序采用了精制殘液水解和泥漿蒸發回收處理技術。在還原-蒸餾工序，I型還蒸爐單爐產能為7.5 t，還蒸過程采用氬氣凈化系統，氬氣全部凈化后使用，還原副產物氯化鎂采用的是機械密封與特殊閥門開啟控制的下排方式；倒U型還蒸爐單爐產能為5～8 t。

表1 攀西地區各企業海綿鈦生產工藝對比Table 1 Comparison of titanium sponge production technology in Panxi area

3家企業所采用的鎂電解生產技術均不相同，流水線電解槽和多極電解槽均被使用。攀鋼海綿鈦廠220 kA流水線鎂電解槽技術采用了雙電解室、下插陽極、集中加料的頭槽、集中出鎂的尾槽、連續精煉等一系列設備和措施，實現了大循環系列電解槽的建立與穩定運行控制，電解槽壽命可達40個月[4]。但從實際運行情況來看，多極電解槽運行效果更好。

表2給出了攀西地區各企業海綿鈦生產消耗指標。伴隨技術進步與企業兼并托管，這些指標也在不斷優化[4]。針對三廢處理，鋼企海綿鈦廠采用制鈣工藝，解決了尾洗堿液的處理問題；利用廢鹽酸處理尾洗廢鹽水，有效實現了廢物的綜合利用。針對熔鹽氯化產生的大量副廢，攀鋼海綿鈦廠開發了氯化廢鹽系列綜合利用技術與裝備，可以二次利用氯化鈉、堿式碳酸鎂等物質，僅產生少量常規固廢。

表2 攀西地區各企業海綿鈦生產消耗指標對比Table 2 Comparison of consumption indexes of titanium sponge production in Panxi area

在鈦錠生產方面，既有企業采用電子束冷床爐(EB爐)熔煉，也有企業采用真空自耗電極電弧爐(VAR爐)熔煉。攀枝花云鈦實業有限公司(簡稱攀云鈦公司)從烏克蘭引進了1臺EB爐，功率為3150 kW，產能可達4000 t/a，并圍繞EB爐配備了壓塊料機、烘干爐、帶鋸床、龍門銑床、超聲波探傷儀、高壓水切割機等完整的配套設施。目前，攀云鈦公司第2臺和第3臺EB爐已建成并試產。這2臺自建的EB爐融合了烏克蘭先進的電子束槍控制、電子束槍冷卻及真空系統等技術，實現了從電子束槍、電子束掃描控制、高壓電源柜等關鍵系統到進料方式、循環冷卻、真空抽取及拉錠控制等配套系統的全流程國產化，單錠錠寬可達1550 mm，長度可達10 m，單錠質量可達15 t，使我國成為繼烏克蘭、德國、美國之后擁有EB爐制造技術的國家。攀鋼集團公司已著手在江油基地建設年產5000 t鈦坯、年回收殘鈦2000 t的EB爐生產線，作為鈦鋼聯產的原料供應源。

攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司(簡稱長城特鋼)采用國內主流的VAR熔煉技術，擁有真空感應熔煉爐、真空自耗電弧爐等特種冶煉設備(主要為3 t和10 t)，擁有配套齊全的鋼包精煉爐(LF爐, 40 t)、真空吹氧脫碳爐(VOD爐)等爐外精煉設備，擁有80 MN油壓機、自動稱混料系統、真空等離子焊箱。其中，真空等離子焊箱真空度可達1 Pa，可焊接直徑470～920 mm、長度6 m、質量12 t的電極；80 MN油壓機可壓制密度3.6 g/cm3以上的電極，單塊電極質量200 kg，壓制時間小于3 min[5]。

在鈦材生產方面，攀鋼集團公司本部、長城特鋼和攀鋼西昌二基地均可進行鈦材軋制。主體生產線包括精密無縫鋼管生產線、棒線材連軋生產線、鍛鋼生產線及鈦材專用生產線，這些生產線有利于實現鈦鋼聯產。主體裝備有45 MN液壓鍛造機、3150 t熱擠壓機組、φ825 mm初軋機、1000 t立式穿孔機及2000 t鍛壓機等。

攀鋼集團西昌鋼釩有限公司借鑒日本鈦鋼聯產的經驗，利用空閑軋機進行鈦材軋制。總體來看，鈦鋼聯產有利于發揮閑置產能，但由于軋制參數調整頻繁，導致鈦材質量不穩定。長城特鋼針對鈦合金大斷面坯料在軋制中頭尾存在大溫降而影響軋制穩定性和產品質量的問題，采用高速軋制技術，成功生產出單盤質量1 t的φ8.0 mm鈦合金線材。

攀枝花嘉翔鈦業科技有限公司采用傳統穿孔工藝，經過棒坯鉆孔、加熱、擠壓、軋制、退火、矯直等流程，可生產醫用及航空工業用微小口徑鈦毛細管。經優化工藝參數后，可獲得0.8～8 mm全系列口徑鈦管。攀枝花馳輝鈦鋯金屬材料有限公司采用鈦絲冷拔、鈦絲熱拔、超細水拉絲等技術生產鈦絲材，實現了鈦材精加工零的突破。攀枝花博鈦科技有限公司建設了型材、絲材加工生產線，可生產鈦合金異型材，彌補了非主流鈦型材產品的欠缺[6,7]。攀枝花市天民鈦業有限公司(以下簡稱天民鈦業)擁有VCF1.5T真空自耗電極電弧爐、VSC-150KG真空自耗電極電弧凝殼爐、VAF-1215立式真空除氣爐、20 MN海綿鈦擠壓機等生產設備。采用石墨型鑄造工藝、鍛造及擠壓鍛造工藝生產鈦鑄件和鈦鍛造件。存在的問題主要是自耗電極電弧爐和凝殼爐的生產能力有限。

在鈦粉生產方面，四川恒琿新材料科技有限公司采用常規氫化脫氫工藝，利用氫化脫氫設備、粉末粒度及其分布控制系列設備，經過氫化、破碎、球磨、脫氫、球化、分級、脫氧等工序，生產鈦粉末冶金、3D打印等鈦近凈成形技術所需的20～250 μm的球形鈦粉。天民鈦業基于普通氫化脫氫技術的100 t/a鈦合金粉末制造中試及產業化項目已建成試車。攀云鈦公司正著手建設超高速等離子旋轉電極法制備球形鈦粉生產線[8,9]。

2 攀西地區金屬鈦產業存在問題

2.1 鈦及輔助原料生產技術與裝備

在鈦及輔助原料生產技術與裝備領域，存在氯化鈦渣原料質量不高的問題，特別是鈣鎂含量太高；部分氯堿需外購，NaCl全部需要外購；除攀鋼海綿鈦廠外，其他公司所需金屬鎂主要靠外購；攀枝花輝達鎂業有限公司利用白云石生產金屬鎂，產能規模為2000 t/a，但鎂錠純度不能滿足需求，亟需提高；四氯化鈦氯化與精制的產品純度需提升，產品成本也需降低，副廢泄露現象亟需杜絕；鈦渣生產普遍采用中小型電爐(1800～6300 kVA)，爐型為敞口預焙電極，不能回收煤氣；除攀鋼海綿鈦廠外，其他企業的TiCl4生產均選用沸騰氯化爐，規格從φ1.2 m到φ2.0 m不等，與國外φ4.8 m的沸騰氯化爐相比在產能和控制水平上存在較大差距[2]。

2.2 海綿鈦生產技術與裝備

在海綿鈦生產技術與裝備領域，7.5 t的I型還蒸爐規格在國內外還算較大，但倒U型還蒸爐規格偏小，8 t乃至12 t還蒸爐是發展趨勢；海綿鈦還原過程中工藝參數有待優化，散熱效果需進一步提高，這關系到TiCl4加料速度，影響還原周期，也影響海綿鈦0級品率的提高；海綿鈦破碎工藝也待改進，破碎設備需升級改造，其不僅直接影響到溫升效應，還決定了海綿鈦的氧化程度；鎂電解與精煉在海綿鈦生產成本中所占比重較大，但生產流程尚不夠順暢，先進的多極槽技術是未來發展趨勢[10,11]；殘鈦回收率較低；需通過對整條生產線進行技術優化來解決環保問題[4]。

2.3 鈦錠生產技術與裝備

在鈦錠生產技術與裝備領域，大規格的VAR爐熔煉是行業內的主流技術，而攀西地區的VAR爐規格較小(主要指長城特鋼), 影響鈦錠中O、N等雜質含量。EB爐是國內外高品質鈦錠熔煉的首選設備，雖然攀云鈦公司已建成3條EB爐生產線，但EB爐熔煉工藝尚不夠成熟，操作人員生產經驗不足。攀西地區的海綿鈦電極塊焊接技術水平不高，影響熔煉成本和產品質量。

2.4 鈦材生產技術與裝備

在鈦材生產技術與裝備領域，存在加工過程損耗高(有的損耗率達到50%)、成材率低、加工材力學性能不高等問題；鑄造缺陷偏大、精密鑄造精度不高，制約了鑄件制品在高端領域的應用；各種管道、彎頭、三通、法蘭、焊環、換熱器、反應釜等鈦制品的加工精度還需提高, 功能也有待完善；鈦絲、鈦管精加工生產經驗缺乏。在攀西地區采取鈦鋼聯產模式運行初期，這些技術難點亟待解決。

2.5 鈦粉及其制品生產技術與裝備

在鈦粉及其制品生產領域，攀西地區剛起步。對于傳統的氫化脫氫技術，還有待進一步消化、吸收。天民鈦業鈦合金粉末制造中試線工藝流程雖已打通，但關鍵環節參數尚待優化改進。建設之中的等離子旋轉電極法生產線要順利投產，還需解決一系列工程技術問題。攀西本地研發機構已對該生產技術做了一些前期研究，有了一定的技術儲備。如攀鋼研究院通過感應線圈加熱，將鈦棒熔化，再通過高壓氣體將熔化后的液態鈦“吹碎”形成小液滴，下落凝固成為球形粉末，從而在實驗室打通了電極感應氣霧化法制備球形鈦及鈦合金粉末的工藝流程，但該技術尚需產業化驗證。在粉末冶金制品生產上尚未涉足，在高端3D打印用球形鈦粉的生產上，研發工作也剛起步[8]。

2.6 環保

金屬鈦產業的主要污染物包括氯化渣、尾氯、熱空氣、硅化物、氯化鐵、鹽酸霧、洗渣水、熔鹽渣和廢耐火材料等。其中，非熱平衡狀態排渣的影響更為突出。為此，必須強化工藝管理，對危廢渣采取專業渣場儲存，杜絕泄露。

3 攀西地區金屬鈦產業技術發展思路

3.1 鈦原料及輔料生產工藝與裝備方面

提高高鈦型高爐渣高溫碳化-低溫氯化提鈦技術的產業化技術經濟指標，發揮熱態高鈦型爐渣的優勢，設法降低TiCl4原料成本；逐漸通過優化、技改，將鈦渣電爐功率提升至12 500 kVA以上；擴大沸騰氯化爐規格，逐漸向φ4.8 m規格的國際標準靠攏；促進低品位高鈣鎂鈦渣熔鹽氯化制取TiCl4工藝與裝備技術走向成熟，在鈦礦原料供給充分、鈦渣成本明顯降低、可以使用TiO2品位低至74%的攀西本地高鈣鎂鈦渣熔鹽氯化制取TiCl4的基礎上，重點研究氯化過程中的流體場分布及其對氯化過程的影響。針對高鈣鎂低品位鈦渣熔鹽氯化過程中產生的尾氯、鹽酸霧，盡快提出廢氣處理的產業化解決方案[4]。

利用鹽酸可以回收循環使用的特點，攻克鹽酸法生產氯化用富鈦料產業化成本偏高的難題；針對使用低品位高鈣鎂鈦渣熔鹽氯化制取TiCl4帶來的氯化鈦渣原料品位顯著降低而造成的廢熔鹽量明顯增加問題，開展熔鹽氯化法廢熔鹽處理技術研發，確保環保達標；針對鋁粉除釩效果較好但成本較高的問題，開展低成本有機物除釩技術研發。

3.2 海綿鈦生產工藝與裝備方面

進一步優化鎂熱還原法生產高品質海綿鈦的工藝與裝備，針對傳熱過程對產品品級和生產效率的影響，重點研究還蒸過程中溫度場的分布及其對還原過程的影響，縮小0級海綿鈦及航空航天用海綿鈦與國外的差距，提高轉子級海綿鈦生產比率；通過技術改造，逐漸將倒U型還蒸爐的規格提升至8～12 t，提高TiCl4還原效率；優化海綿鈦破碎與分揀技術指標，采用剪切式破碎和盤式破碎，避免破碎過程對產品質量的影響，解決破碎機粘齒、漏料問題，以機械分揀代替人工分揀，提高生產效率；攻克多極鎂電解槽技改難題，逐漸將無隔板、流水線電解槽改造為多極槽，提高裝備使用壽命，降低生產成本，保證流水線和多極式電解槽穩定運行[12,13]。

3.3 鈦錠熔煉技術方面

改進大型鈦電極塊焊接工藝與裝備技術，采用真空等離子焊接技術，提高焊接過程的可操作性以及自動化、智能化水平，提高焊接效率及焊接質量穩定性；對小型VAR爐進行技改，廣泛使用10 t規格的大型VAR爐，提高生產效率，穩定鈦錠澆鑄質量；開展殘鈦回收熔煉試驗，提高回收率，為回收利用長城特鋼軋制產生的殘鈦奠定基礎；開展大型鈦錠VAR熔煉技術研究，針對VAR工藝中的電極-電弧-熔池系統，分析電弧特性及熱傳輸行為，研究熔池表面溫度、電弧弧長、熔煉電參數與電弧區、熔池表面狀態的關系，針對VAR工藝中的熔池-鑄錠-坩堝系統，分析熔煉電流、自感磁場分布、攪拌磁場對磁力和攪拌力的影響，研究熔煉工藝參數對鑄錠溫度場、熔池形狀、熔池流動行為及糊狀區等的影響規律，以期實現鈦合金錠組織細化和成分均勻性控制[14,15]。

在電子束冷床爐熔煉方面，進一步消化、吸收并創新電子槍熔煉技術，積累更多的操作經驗，并應用于攀鋼釩鈦園區新建生產線；開展等離子冷床爐(PAM)熔煉鈦錠技術的研發，以期得到化學成分和宏觀凝固組織均勻的鑄錠，高效去除雜質，提高成材率，降低生產成本；針對現有150 kg級凝殼-電極自耗爐容量過小的問題，引進大型凝殼-自耗電極熔煉與精鑄裝備，滿足高品質零部件精密鑄造需求。

3.4 鈦材及制品生產工藝與裝備方面

開展鈦合金等溫鍛造技術研發，保證金屬能夠在變形期間充分再結晶，降低變形抗力，實現近凈成形生產；研發寬幅超厚鈦合金板材加工技術，包括成分設計、組織設計、性能設計、高精度板形-板厚控制、全斷面組織均勻性控制等，特別需要提升幅寬2000 mm以上熱軋板和1000 mm以上冷軋板產品質量和批次穩定性；進行超薄鈦合金板材加工技術研究，特別是長期依賴于進口的厚度小于0.8 mm的超薄鈦合金板材，重點研究原料和冷軋前工序缺陷遺傳的影響規律及機理，研究高精度板形、平整度和尺寸精度的控制技術；整合國內鈦加工企業的優勢技術，重塑熔煉、鍛造、軋制、擠壓等各環節的鈦合金加工工藝，打造批次穩定的高品質鈦加工材供應鏈，將鈦材質量控制逐一分解到關鍵加工工序；進一步提升和推進細鈦絲、毛細鈦管精加工技術的成熟度和產業化進程，增大醫療及航空領域的供應量[16-18]。

開展大規格鈦合金棒材的生產技術開發，解決大規格鈦合金棒材組織性能均勻性和批次質量穩定性差的問題；以鈦/鋼復合板為切入點，開展復合板組坯工藝(表面光潔度、隔離劑選擇)、不同復合板種類的組料方式控制及軋制工藝、高精度板形-板厚控制工藝、鈦/鋼復合板的加熱漲縮均勻性控制等技術研發；開發無包套的鈦合金擠壓型材生產技術，減少銅金屬消耗；開展超薄板的激光焊接工藝研究、厚板/超厚板的真空電子束焊接、窄間隙磁控/淺弧TIG焊接以及攪拌摩擦焊接等工藝研發，提升鈦合金的焊接技術水平；針對國內在鈦合金型材、大型鈦合金寬厚板、航空緊固件用棒材、緊固件用絲材、大型鈦合金鑄件等鈦加工材在品種上還存在的缺項問題和產品品質問題，加大產業化研發，滿足鈦合金在航空航天等領域的應用需求；加強鈦基鑄件與鈦加工制品應用技術研究，通過全壽命成本分析鈦材的性價比，建立應用示范工程，轉變用戶觀念，拓展鈦的應用市場[16-20]。

3.5 鈦粉及其制品生產工藝與裝備方面

掌握并提升氫化脫氫法制備低氧球形鈦粉技術，利用熔化狀態下表面張力作用機制，實現鈦粉快速冷卻而保持球形；加大加快電極感應氣霧化法的產業化中試，盡快掌握這種全球工業化生產鈦合金粉末的主要方法；跟蹤研發球形鈦粉生產的旋轉電極法，貼近世界前沿生產技術；在粉末冶金方面，開發溫壓成形、注射成形、激光成形、噴射成形等鈦粉近凈成形技術，進一步降低鈦合金的生產成本，提高鈦制品的應用性能；開發鈦粉3D打印技術，特別是3D打印鈦合金部件所需的冷噴涂技術，實現粉末原料的多次循環使用，大幅提高粉末原料利用率[21]。

4 結 語

作為“中國釩鈦之都”的攀西地區，要將資源優勢轉化為經濟優勢，除了發揮鈦原料優勢外，只發展以鈦白粉為主的鈦化工產業，不足以彰顯釩鈦基地的實力，必須要在金屬鈦產業上拓展，做大做強海綿鈦工業，做好鈦錠熔煉，做精鈦材加工，開發3D打印用鈦粉項目。針對從四氯化鈦到海綿鈦，再到鈦錠，最后到鈦材的各個工序環節，厘清生產技術路徑，分輕重緩急進行研發，攻克技術難點，最終實現攀西地區金屬鈦產業生產技術的進步。