本文來自微信公眾號：【晨（chén）源鈦業】
海洋工程用材料，要求必（bì）須具有高強度、耐海水熱液腐蝕、抗硫化腐蝕、抗微生物附著、高韌性（xìng）等特（tè）點。而鈦金屬質輕、高強、耐蝕（shí），特別對鹽水或海水和（hé）海洋大（dà）氣環境的侵蝕有免疫能力，是優質（zhì）輕型結構材料，被稱為海洋（yáng）金屬，是重要的戰略金屬（shǔ）材料。鈦金屬在海洋工程（chéng）中具有廣泛的用途，特別適於做輕型海（hǎi）工裝備，是海洋工程領域（yù）的新型關鍵材料之一，因此，充分（fèn）利用海洋材料——鈦及鈦合金，將有助於（yú）******海洋戰略的發展。本文【材（cái）料+】將（jiāng）從產業狀況（kuàng）這個角度深（shēn）度為大家解讀鈦合金材料。
鈦是地殼中分布***廣的元素之（zhī）一，占地殼重量的0.61%，列居第（dì）9位。鈦資源（yuán）僅次於鐵、鋁、鎂列居（jū）第4位。根據USGS 2017年的數據（jù），全球鈦礦（鈦鐵礦和金紅石）儲量約8.3億噸，其中鈦鐵礦占89%。我國（guó）鈦礦儲（chǔ）量約2.2億（yì）噸，占全球總儲（chǔ）量的26.4%，位居（jū）世界******。澳大利（lì）亞的（de）鈦礦（kuàng）儲量占世界儲量的21.2%，居世界第二[1]。
鈦精礦可（kě）主要用於製作鈦白（bái）粉，同時還能製作酸渣、四氯化鈦、海綿鈦。鈦白粉主要應用於塗料、塑料、油墨（mò）、造紙等領域；海（hǎi）綿鈦經（jīng）過熔鑄加工，可製取晶（jīng）體結構致密的鈦錠，用於（yú）生產鈦材及各種鈦合金，廣泛應用於航空、船舶、化學、冶金、電力（lì）、醫藥等領域。
全球鈦精礦市（shì）場主要由鈦白粉和海綿鈦組成。其中鈦（tài）白粉占全球鈦精（jīng）礦消費的90%，海綿鈦占4%，鈦白粉和海綿鈦的產量決定了鈦精礦的需求。
鈦適合海洋環（huán）境的特性[2]
公司發展至今已（yǐ）擁有一批******的進口設備 : 進口高精密CNC加工（gōng）銑床，CNC高精密加工車（chē）床，北京精密零件加工，進口模型批量真空製作機， 高亮度uv機，噴漆房，烤漆櫃，圖標（biāo）文字絲（sī）印機，鐳雕激光機（jī），噴砂機，打孔攻絲機（jī）、火花機、線切割設備等等。
1. 密度小（xiǎo）、強度高（gāo）、比強度大鈦的密度是4.51g/cm3，為（wéi）鋼的57％，鈦比重不到鋁的兩倍，強度是鋁3倍（bèi）。鈦的比強度是常用工業（yè）合金中***大的。高比強度可促進海（hǎi）工裝備（bèi）的小型化、輕量化，可增加（jiā）潛艇的航（háng）速、浮力和機動性，增加深潛器的下潛深度和有效載荷，因此，鈦是海洋工程必不可少的關鍵結構材料（liào）。海（hǎi）洋新材料之海洋金屬鈦合金1. 密度（dù）小、強（qiáng）度（dù）高、比（bǐ）強度大鈦的密度是4.51g/cm3，為（wéi）鋼的57％，鈦（tài）比重不到鋁的兩倍，強（qiáng）度是鋁3倍。鈦的比強度是常用工業合金中***大的。高比強度可促進海工（gōng）裝（zhuāng）備的小型（xíng）化、輕量化，可增加潛艇的航速（sù）、浮力和機動性，增加深潛器的下潛深度（dù）和有效載荷，因此，鈦是海洋工程必不可少的關（guān）鍵結構材料。
2. 耐蝕性能優異
鈦是目（mù）前已知材料中抗常溫海（hǎi）水（shuǐ）腐蝕性能***好的材料，即使在汙染的海水、熱（rè）海水（低於120℃）、海泥、流動海（hǎi）水中均具有良好的耐蝕性。其優（yōu）異的耐（nài）蝕性是由於它具有很（hěn）好（hǎo）的自鈍化性，當受到某種（zhǒng）程度的破壞時，表麵氧化（huà）膜或鈍化膜可以很快自行修複和恢複。也（yě）就是說，在海洋中，鈦幾乎是不可（kě）腐蝕的，鈦表麵有一層附著力強（qiáng）而堅韌的氧化膜，故耐蝕（shí）性超過其他（tā）金屬（shǔ）。
在抗腐蝕設備設計（jì）中，可大幅（fú）度減少承載結（jié）構件厚度方向的腐蝕裕量，大大節約建（jiàn）造材料；抗腐蝕設備可與主體（tǐ）進行同壽命設計，減少維護頻次，大大降低維護費用，還（hái）可提升裝（zhuāng）備服役能力；鈦製設備在海（hǎi）洋中使用時無需塗（tú）層保護，簡化了製造工藝，縮短了工期，降低了製造成本。
3. 耐海水衝蝕腐蝕和氣蝕
大部分材料都存在臨界速（sù）度，超過此速度表麵氧化膜就會被衝刷掉而使腐蝕加速發生。這種加速腐蝕就是衝蝕腐蝕。鈦（tài）管路的耐衝刷腐蝕能力遠高於銅及銅合金管，鈦在海水裏的臨界速度大於27米（mǐ）/ 秒。多種衝蝕腐蝕試驗表明鈦耐這種腐蝕（shí）的能力非常強。鈦允許采用較（jiào）小的管徑、較薄的管（guǎn）壁和較高的流速製（zhì）造管路係統，實現（xiàn）設備小型化、輕量化。同時，耐氣蝕實驗表（biǎo）明，鈦是***耐氣蝕破壞的金（jīn）屬之一。
4. 抗衝擊性能高
鈦及鈦合金的抗衝（chōng）擊性能***佳，這有利於海工裝備抵禦海浪周期性衝擊的能力，提高設備的安全可靠性。
5 無磁
鈦無磁性，非常適合用於必須將電磁波幹擾減少到***小（xiǎo）的地方。用於潛艇，可極大（dà）限度地降低潛艇的磁性物理場效應，從而減少其被反潛飛機磁探儀發現的（de）可能；對於鈦製船舶、艦艇可增加隱（yǐn）蔽性，避免受到磁性（xìng）水雷的攻擊。用於潛艇殼體，不會（huì）引起水（shuǐ）雷的爆炸。同（tóng）時，還有利於提高探測儀器及工具的抗（kàng）磁幹（gàn）擾能（néng）力，保證信號的準確性。
6. 高透（tòu）聲係數
鈦用做潛艇和航母的聲（shēng）呐導流罩（zhào）材料，可（kě）提高設備的聲呐探測（cè）靈敏度和探測距離（lí），提高裝備（bèi）的效能與安全可靠性。
7. 優良的加工性能
鈦金屬機械加工（gōng）性能好，可製成各（gè）種形狀、各種規格的實用（yòng）工（gōng）程材料，包括板（bǎn）、棒、管、絲、帶、箔、鍛件、鑄件、焊件等；絕大多數鈦及（jí）其合金具（jù）有良好的可焊性，焊縫強度係數可達0.9 以上；鈦金屬焊後（hòu）很少（shǎo）產生延遲裂紋，其設備一般無需焊後熱處理，有利於船舶和海洋工程等大（dà）型工程裝備的建造。
8. 綠色循環利用
鈦金屬製品在海洋環境（jìng）中的使用壽命長，報（bào）廢後經解體（tǐ）回爐，可加工成較低級別的鈦合金材料使用，且（qiě）其重量損失極少，回收率高。
海綿鈦
鈦工業的（de）流程較為簡單，可分為兩條路徑：一（yī）是（shì）以（yǐ）鈦鐵礦或（huò）金紅石為原料加（jiā）工生產出高純度的四氯化（huà）鈦，再用鎂作為（wéi）還原（yuán）劑將（jiāng）四氯（lǜ）化鈦中的鈦還原出來，即可得到海綿鈦；二是將原（yuán）料直接加工獲得鈦白粉。
據中（zhōng）國化工製造網的數據顯示，全球90%的（de）鈦被用來生產鈦白粉，隻有4%用在生產海綿鈦，6%用於其他方麵。我國是世界上四個擁（yōng）有從礦石處理到鈦材生產完整工業體係（xì）的******之一，也是鈦鐵（tiě）礦（kuàng）儲量***多的（de）******，但是產量***高的******是澳大（dà）利亞[3]。
全球目前僅有中國、日本、美國、俄羅（luó）斯、哈薩克斯（sī）坦和烏克蘭6個******生產海綿鈦， 且生產工藝全（quán）部采用（yòng）Mg還原法。中國海綿鈦生產能力位居******，占（zhàn）全球產能的49%，其次是日本19%和俄羅斯14%，哈（hā）薩克斯坦約占8%，美國（guó）約7%，烏克蘭3%。但中國近幾年行業平均開工率一直保持在50～60%的低位，遠低於國外80%左右的水平。2014年以來海綿鈦行業陷入全（quán）行業虧（kuī）損的困境，企業總（zǒng）體開工率持續降低。從其他（tā）******來看，美（měi）國、俄羅斯、烏克蘭的海綿鈦產量保持平穩，哈薩（sà）克斯坦及日本產（chǎn）量有所減（jiǎn）少。海洋新材料之海洋金屬鈦合金全球目前僅有中（zhōng）國、日本、美國、俄羅斯、哈薩克斯坦和烏克蘭（lán）6個******生產海綿鈦， 且生產工藝全部采（cǎi）用Mg還原法。中國海（hǎi）綿鈦生產能力位（wèi）居******，占（zhàn）全球產能的49%，其次是日本19%和俄羅斯14%，哈薩克（kè）斯坦約占8%，美國約7%，烏克蘭3%。但中國近幾年行業平均開工率一直保持在50～60%的低位，遠（yuǎn）低於國（guó）外80%左右的水平。2014年以來（lái）海綿鈦行業陷入全行業虧損的困境，企業總體開工率持續降低。從其他******來看，美國、俄羅（luó）斯、烏克蘭的海綿鈦產量保持平穩，哈薩克斯坦及日本產量有所減少。
鈦（tài）材加工（gōng）
由於熔煉工（gōng）藝複雜、加（jiā）工難度大，目前世界上僅有美國、俄羅斯、日本（běn）、中國四個（gè）******掌握完整的鈦工業生產技術，形成四強稱雄的格局（jú）。此外（wài）歐洲雖然沒有海綿鈦工業，但是鈦加工材和應用技術（shù）處於世界（jiè）******水平。鈦（tài）加工材（cái）生產國主要包括中國、美國（guó）、俄羅斯、日本（běn）、歐洲。自2010 年以來，中國鈦加工材（cái）產量已居（jū）世界******位。
世界各國由於軍事、經濟及工業水平的（de）不（bú）同，其鈦應用狀況有較大的差異。在消（xiāo）費結構方麵，美國和俄羅（luó）斯以軍事為主航空航（háng）天分別占（zhàn）70%和60%，民用工業占30%和40%；中國（guó）和日本以民用為主，約占（zhàn）80~90%，而航空及軍工占10~20%。美國是航（háng）空航（háng）天大國，也是世界上***大的軍事（shì）強國。近年來其鈦（tài）加工材的（de）55%用於航空（包括軍（jun1）用及民用航空器）、9%用於非（fēi）航空軍工，25%用於工業（yè），11%民用。與美國不同，日本鈦工業以民用為主。其鈦材消費結構為（wéi）： 化工32%、銷售業20%、汽車14%、民用11%、電力及海水淡化約10%、飛機6%、建築、土（tǔ）木及海洋約3%，及其他4%。
目（mù）前， 俄羅斯鈦材主要用於航空和艦船， 分別占（zhàn）65%及26%。歐洲鈦應用主要集中在航空工業和民用工業， 前者占（zhàn）60%左右，後者（zhě）占40%左右。歐洲有空中客車公司，有製造航空航天發動機的（de）法國SAFRAN 公司和英國羅-羅公司， 其鈦產業主要是圍繞這些企業需（xū）求來展開和（hé）發展的。
主要消費領域是化工（gōng）（約占52%）、電力（13%）、航空航天（11%）、體育休閑（5%）、冶金（6%）和真空製鹽（4%）等（děng）行業。根據30 家企業的統計，2015 年中（zhōng）國共生產鈦加工材48646t，從鈦（tài）產品（pǐn）結構方麵來看，板材占46.8%，棒材22.3%，管（guǎn）材13.2%，鍛件8.7%，鈦絲占0.9%、鑄件占3.3%，其他占4.8%。
由於鈦在高溫條件下化學性質******活潑，易與氧（yǎng）、氮（dàn）、碳、氫等元素發生反應，對提取純鈦造成極大影響，所以在鈦（tài）冶金（jīn）史上生產海綿（mián）鈦的工藝一直（zhí）比較複雜。至今海綿（mián）鈦的生產工藝出現過很多種，但真正大規模工（gōng）業化生產（chǎn）的隻有Kroll 法和Hunter 法，其他的方（fāng）法或已淘汰，或仍停留在實（shí）驗室（shì）階段[4]。
Kroll 法（鎂熱還原法）
Kroll 法於1937 年由William Kroll 提出，並於（yú）1948 年實現海（hǎi）綿鈦的工業規模生產。該法是目前世界上應用***廣的海綿鈦生（shēng）產工藝。Kroll 法是在密閉的鋼製反應器中進行的（de）。將純金屬鎂放入反應器中並充滿惰性（xìng）氣體（tǐ），加熱使鎂熔化（huà），在800～900℃下，以一（yī）定的流速
通入TiCl4，使之與熔融的鎂反應。反應（yīng）式為:
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2
在反應溫度（dù）下，生成的MgCl2（熔點為714℃）呈液（yè）態，可以及時排放出來。在900～1000℃及一定（dìng）真空（kōng）度的條件下，將殘留的MgCl2和Mg真空蒸餾出去，獲得海綿狀金屬鈦（tài）。反應產物MgCl2電解再生Mg 和Cl2，循環再用（yòng）。
Kroll 法在實際生產中也顯露出（chū）一些問題：如生產過程中（zhōng）產生（shēng）的廢氣廢水對（duì）環境有汙染；反應中鎂的利用率低（約70％），損耗大；電解MgCl2消耗的能源很大，約（yuē）占總能耗的28％～34％。
Hunter 法（鈉熱（rè）還原（yuán）法）
Hunter 法發明（míng）於1910 年，流程與Kroll 法類似，但使用Na 為還原劑，基（jī）本反應式為:
TiCl4+4Na=Ti+4NaCl
由於鈦的低價化合物在熔鹽中溶解度較（jiào）高（gāo）。在反應中，大部分TiCl4首先（xiān）被Na 還原（yuán）為TiCl2
並溶解在熔（róng）融的NaCl 中，然後（hòu），這些TiCl2再被Na 進一步還原為（wéi）金屬鈦。整個還原過程均在惰性氣體Ar 保護下（xià）完成。
Kroll 法和Hunter 法均不能（néng）連續生產，在生產過程（chéng）中必須（xū）對反應爐進行裝料、高溫加熱（rè）、以（yǐ）及卸料操作，使其（qí）能（néng）耗高，周期長，生產成本比較高；且產（chǎn）品鈦呈海綿狀，必（bì）須對（duì）其進行雜質和固結等後（hòu）續加工，無法直接使用，使成本進一步增加。
由於Mg 比Na 更安全，且（qiě）Kroll 法生產的海綿鈦經過破碎後的粒度更適合（hé）於熔煉，Cl-含量（liàng）較低，生產成本更低，見（jiàn）上表，因此Kroll 法逐漸取代了Hunter 法，成為當前海綿鈦生產的主導工業生產（chǎn）法。世界上***後（hòu）一家采用Hunter 法生產海綿鈦（tài）的工廠已於1993 年關閉。
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