简介概要

钛冶金的进展和发展方向探讨

来源期刊：稀有金属2002年第5期

论文作者：邓国珠

关键词：钛资源; 人造金红石; 高钛渣; 钛白; 海绵钛; 金属钛; 钛材;

摘要：论述了我国钛冶金的进展、存在的问题和同世界先进水平相比之下的差距.针对我国加入WTO所面临的形势,探讨了促进钛工业的发展应采取的措施. 其中包括: 加强钛资源的勘探,实现钛原料(钛矿、人造金红石,高钛渣)的规模化生产,保持钛白生产高水平持续发展,重点发展金属钛生产,加强管理和研究新技术大幅度降低钛制品生产成本,促进金属钛更广泛应用.

稀有金属 2002,(05),391-396 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.05.017

钛冶金的进展和发展方向探讨

北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所北京100088

摘要：

论述了我国钛冶金的进展、存在的问题和同世界先进水平相比之下的差距。针对我国加入WTO所面临的形势 , 探讨了促进钛工业的发展应采取的措施。其中包括 :加强钛资源的勘探 , 实现钛原料 (钛矿、人造金红石 , 高钛渣 ) 的规模化生产 , 保持钛白生产高水平持续发展 , 重点发展金属钛生产 , 加强管理和研究新技术大幅度降低钛制品生产成本 , 促进金属钛更广泛应用。

关键词：

钛资源;人造金红石;高钛渣;钛白;海绵钛;金属钛;钛材;

中图分类号： TF823

收稿日期：2002-07-03

基金：国家科技部“十五”科技攻关项目;

Discussion on the Achievement and the Developing Trend in Titanium Metallurgy

Abstract：

Recent achievements in titanium metallurgy in China are reviewed. Strategies to promote the advancement of titanium metal and titanium dioxide industry are also proposed on the basis of analyzing and comparing the status and technical trend of China with that of the world. The strategies are as follows: to strengthen survey for titanium mineral reserve, to realize large scale production of titanium feedstocks (including titanium mineral, synthetic rutile, and high titania slag) , to keep continual development of titanium dioxide at high-technical level, to enhance production of titanium metal and to develop new technologies for decreasing cost of titanium products and promoting extensive use of titanium metal.

Keyword：

titanium mineral resources; synthetic rutile; high titania slag; titanium dioxide; titanium sponge; titanium metal; titanium mill;

Received： 2002-07-03

1 我国钛冶金的进展、存在问题和差距

我国从事钛的开发研究和生产已走过了近半个世纪, 与美、日、俄比较, 起步并不算太晚, 但因我国经济发展水平等各方面原因, 我们的发展速度相比之下是很缓慢的, 钛和钛白的生产曾长时间处于停滞不前的徘徊状态。近年来随着我国经济的快速发展, 钛和钛白生产取得了较大的进展, 并开始向规模化方向发展。针对我国加入WTO所面临的严峻形势, 回顾一下所取得的进展, 找一找存在的差距和问题, 研究和探讨一下今后的发展战略是十分必要的。

1.1 进展

在钛矿资源开发利用方面, 攀枝花钛资源的利用已由试验研究阶段开始向产业化方向发展。选钛厂原设计能力为年产5万吨, 通过技术改造和扩建2001年已达到年产20万吨, 并正在继续进行扩建, 最终可望达到40万吨规模, 成为我国最大的钛矿生产厂和重要的钛矿供应基地。攀钢还正在按规划逐步实施建设大型化钛渣厂、人造金红石厂、氯化法钛白厂和金属钛厂, 把攀钢建设成为钢铁钒钛基地。承钢也在建设规模较大的选钛厂。云南有丰富的内陆钛砂矿资源, 近几年来钛矿的开采利用有了较快的发展, 全省年产钛矿能力达数十万吨, 成为我国5个主要钛矿供应地区之一。海南、广东和广西省也开始采取措施将采选厂向规模化方向发展, 以有利于保护资源、保护环境。

在制造富钛料的研究开发方面, 盐酸法人造金红石产业化技术的研究已列入“十五”国家重点科技攻关计划, 并正在顺利实施, 可望通过研究提供一条适合我国钛资源特点和可大型化生产高品位富钛料的工艺技术路线 ^[1] 。

钛白生产发展很快, 全国几十家钛白生产企业, 总计年产能力达40万吨, 钛白生产量已居世界前几位的国家。钛白厂的规模也有了扩大, 全国已有万吨级工厂数十个, 最大的济南裕兴化工总厂年产能达2.3万吨。钛白产品品种也有所增加, 中高档钛白所占比例上升。在氯化法生产钛白技术研究开发方面, 锦州铁合金 (集团) 公司的技术攻关取得了重要进展, 连续运行时间达到规定要求, 试制产品达万吨, 产品质量达到杜邦公司R902水平 ^[2] 。

海绵钛生产技术有了长足的进步。在抚顺铝厂率先研究成功炉产2 t Ⅰ型镁还原-蒸馏联合炉生产海绵钛新工艺之后; 在遵义钛厂又研究成功炉产5 t倒U型联合炉生产海绵钛新工艺, 2001年炉产8 t联合炉的试验也已通过技术鉴定。这些研究成果都已用于生产, 使我国生产海绵钛的主要技术和设备已接近国际先进水平。另外, 遵义钛厂采用了110 kA无隔板电解槽电解镁生产技术, 可望更好地实现氯镁循环大幅度降低氯耗方面有所进展, 以缩短在技术经济指标与国际先进水平的差距。遵义钛厂通过2001年的扩建, 海绵钛年产能力已达几千吨, 并已经国家批准通过高技术产业化示范工程扩建达到经济型规模。同时, 遵义钛厂已改制组建了遵义钛业股份有限公司, 并有望争取上市实现跨越式发展 ^[3] 。

在钛材生产方面, 宝鸡有色金属加工厂通过不断技术进步和技术改造, 已具有年产数千吨钛材能力。该厂不仅能按国家技术标准生产钛材, 还能按国际标准生产出口钛材, 近年来批量出口欧、美等国, 其部分产品已通过美、英、法一些航空公司的质量认证, 这表明该厂的生产技术和设备水平已达到或接近国际先进水平。该厂已改制组建了宝鸡钛业股份有限公司, 并已上市为今后进一步发展创造了条件。

钛材民用成效显著, 我国80%的钛材用于民用工业, 应用范围涉及石油化工、氯碱、制盐、制药、冶金、电力、轻纺、体育用品、工艺美术品、医疗器械、人造外科植入物等十几个行业, 应用钛材的经济效益和社会效益十分显著 ^[4,5,6] 。

1.2 差距和问题

我国钛工业已形成了一个较完整的体系, 并在近几年取得了一些重要进展, 但与国际先进水平比较, 仍然有相当大的差距和存在一些问题需要研究解决。

1.2.1 尚未发现大型的砂矿床

钛矿在地球上的储量是相当丰富的 ^[7] , 目前经济技术条件下具有利用价值的钛矿资源主要是海滨和内陆砂矿中的钛铁矿和金红石矿, 其次是高品位的钛铁矿和金红石岩矿。澳大利亚、南非和印度等国拥有十分丰富的海滨砂矿, 重砂中有用矿物钛铁矿、金红石和锆英石的含量高, 矿床非常集中, 适合于大规模开采。加拿大和挪威等国拥有丰富的高品位钛铁矿岩矿, 矿中钛铁矿含量高达35%~75%, 是世界上少有的富矿。我国是钛资源储量较丰富的国家, 但砂矿资源分布很分散。海南岛的海滨砂矿储量最大, 但经过多年无序开采, 能适合于规模化开采的矿床已不多。云南是发现内陆砂矿最多的省区, 但矿床分散, 矿层薄, 也不适合于规模化开采。

四川攀西地区和河北承德地区拥有十分丰富的钒钛磁铁矿, 按矿中TiO₂含量计算总TiO₂储量达数亿吨, 但其中可以作为钛矿回收利用的只有粒状钛铁矿, 它在原矿中的含量只有百分之几, 其余大部分的含钛矿物是目前不具有利用价值的钛磁铁矿等。钒钛磁铁矿不能单独作为钛矿开采, 铁、钒、钛矿物综合开采利用, 目前是从选铁尾矿中回收粒状钛铁矿, 回收钛铁矿的产量显然受钢铁厂规模的限制。

综上所述, 我国已发现的钛矿资源和当前小规模分散开采的局面, 与钛和钛白生产向大型化方向发展是不相适应的。实际上, 在近几年钛白生产大幅度增产的情况下, 已经出现了钛矿供不应求的局面, 已经从澳大利亚、越南和朝鲜等国进口钛矿。

1.2.2 生产规模偏小

从钛矿采选到最终产品钛白和金属钛, 与国外相比, 都存在工厂规模偏小的问题, 工厂规模一般相差十倍至几十倍。在国外, 钛矿采选厂规模平均年产50万吨左右, 最大的达年产250万吨; 富钛料工厂规模平均年产15万吨左右, 最大的钛渣厂年产达100万吨; 钛白厂规模平均年产7万吨左右, 最大的氯化法钛白厂年产达33万吨; 海绵钛厂规模平均年产2万吨, 最大的年产达4万吨。在我国, 钛矿采选厂规模平均万吨级, 最大的年产20万吨; 富钛料厂、海绵钛厂和钛材加工厂规模大多是千吨级; 钛白厂规模千吨级至万吨级。

1.2.3 技术和设备水平差距较大

富钛料生产技术, 国外有大型密闭电炉生产钛渣、还原锈蚀法和酸浸法生产人造金红石3种大型化工业生产方法 ^[8] ; 国内这3种方法可以说是处于小规模试生产阶段, 其中一些技术还不过关, 敞口电炉生产高钛渣技术不宜用于规模化生产; 还原锈蚀法中的还原技术不过关; 盐酸浸出法正在进行技术攻关。制造TiCl₄的技术, 国外沸腾氯化炉的最大直径5 m, 国内的最大直径1.2 m, 日产能相差几十倍。从TiCl₄中除钒技术, 国外采用廉价的矿物油和铝粉除钒法; 国内现采用铜丝除钒法只适宜用于小规模生产, 对国外使用的这二种方法还处于试验阶段。生产钛白的技术, 国外氯化法产能已超过硫酸法; 而国内还主要采硫酸法, 氯化法技术正在进行攻关, 还不完全过关; 硫酸法生产钛白技术与国外先进水平比较也有相当差距。钛材生产技术和装备的总体水平只相当于美、日等国家90年代初的水平, 装备老化, 配套不齐全, 缺少一些关键的先进设备 ^[9] 。

1.2.4 产品质量和经济指标的差距

硫酸法钛白产品质量还不能完全与国外产品相抗衡, 产品的某些指标达不到国外产品的水平, 产品品种少。海绵钛生产过程中的氯耗指标比日本高1倍, 总电耗高40%左右。钛材生产成本也较高, 在国际市场上还缺乏竞争力。

1.2.5 三废治理差距更大

国外先进的硫酸法生产钛白工艺己实现了无公害化, 我国硫酸法生产钛白的排出物与国家标准相差甚远, 对排出量最大的酸性废水还没有进行有效的治理。海绵钛生产过程中产生的某些废料还没有治理。

2 促进我国钛工业发展的思路探讨

2.1 加入WTO对我国钛工业发展的影响

我国加入WTO, 既给我国钛工业的发展带来了新的发展机遇; 同时也面临着严竣的挑战, 市场竞争将更激烈。

在钛白方面, 长期以来国外各大公司一面对中国严密封锁先进的生产技术; 一面将产品不断推向中国, 甚至不惜采取低价倾销政策, 其目的是全面占领和控制中国高档钛白市场。近年进口产品已占我国钛白总消费量的约40%, 几乎垄断了我国高档与专用钛白市场, 入世后这种情形只会愈演愈烈。已进入我国市场的各大公司将会继续全力以赴地巩固和扩大已有的市场领地, 未进入的也会伺机将产品推向中国。随着关税的减免, 氧化物最惠国进口税率为5.5%, 进口产品将会进一步降价冲击国内市场。另一方面, 国内氯化法生产钛白技术还不过关, 短期内难以建立大型化工厂; 一些国际大钛白商, 如美礼联、杜邦和亨茨曼等, 早就在我国调研, 找原料, 选厂址, 一旦时机成熟就会在我国建立年产10万吨级的大型化氯化法钛白厂, 直接与国内钛白厂争夺原料和产品市场, 竞争将会十分激烈。可见, 入世后我国钛白的发展形势将十分严竣; 如果不能在短期内建立技术水平和产品质量一流的大型钛白集团参与竞争的话, 国内高档钛白的市场将会长期被外商占领, 国内金红石钛白生产企业很可能会因竞争不过物美价廉的进口产品, 或再度转向生产锐钛型产品, 或勉强微利维持生产低档金红石型产品, 无法形成生产-科研-再生产 (更高水平) 的良性循环, 我国钛白的生产技术水平将可能长期处于落后状态。我国金属钛的生产, 长期受国际政治经济风云变幻和国际钛市场波动的影响。加入WTO后, 这种影响将会更严重。因为入世后进口钛产品税率进一步降低, 优惠国进口税率, 海绵钛及钛锭为3%, 钛材为8%。事实上, 生产和出口海绵钛及钛材的美国、日本和独联体国家均能享受我国的优惠税率, 所以我国钛制品的进口关税已是很低了, 不能给我国钛行业提供实际的保护。国外钛制品将会从两个方面冲击我国钛行业: 一是独联体国家廉价的海绵钛; 二是日本、美国和独联体国家高档钛材和成套钛设备等。而目前我国海绵钛和钛加工材的生产规模小, 技术经济指标也有相当差距, 造成了我国钛产品成本偏高, 缺乏与进口产品的竞争能力。这种现象如果不能在加入WTO后头几年里得到纠正, 我国金属钛生产的发展将可能会严重受挫。

另一方面, 也应该看到入世后给我国金属钛的发展带来了新的机遇, 特别是有了一个较为稳定和更公平的国际钛大市场, 有利于消除过去认为发展金属钛市场小和风险大的顾虑, 有利于下决心利用现有的技术、市场和出口产品的基础, 加大投人或利用引进外资向万吨级规模进军, 促成在规模、产品质量和品种全面与国际同行接轨, 这可能是一种必然的选择。否则, 我国金属钛工业的发展前景难以预测。

2.2 对策与措施

加入WTO以后, 我国钛工业面临严重的挑战。如果生产规模、生产技术和产品质量还是没有大的进步, 产品还不能在价格和质量方面与国外产品相竞争的话, 那么国内市场将会逐渐被国外产品占领, 国内钛工业就有被挤垮的危险。形势迫使我国的金属钛必须向规模化发展, 钛白的生产技术必须进步, 产品质量必须提高。因此, 应采取的对策和措施如下:

2.2.1 加强资源勘探和管理, 实现采选规模化对已发现的钛矿资源进行评估, 加强管理, 合理开采, 扩大采选规模, 选择条件较好的矿址建设几个较大的采选厂。对于现有不利于资源和环境保护的小型采选厂, 应制定相关政策, 关停一批落后企业。同时有必要加强地质勘探工作, 寻找新的钛矿资源和发掘大型钛砂矿床。从钛白生产发展的实际情况看, 由于国产矿质量差、矿源多变, 已成为制约我国钛白质量提高的重要因素之一, 也是引进技术未能达产达标的主要因素之一。可见, 建设可提供质量稳定矿源的大型采选厂, 是建设大型化钛白厂和钛冶炼厂的一个重要前提条件。

2.2.2 优先发展富钛料生产钛白和海绵钛生产的大型化, 必须首先实现富钛料生产的大型化。富钛料生产是目前我国钛冶金行业的一个簿弱环节, 产品数量和质量都不能满足发展的需要。硫酸法以低品位的钛铁矿为原料生产钛白产生大量的三废, 大型化钛白厂最好采用品位较高的钛渣为原料, 在水电资源丰富的攀枝花建设一个大型的酸溶性钛渣工厂是一直被关注的项目。高品位富钛料是氯化法生产钛白和海绵钛的原料, 目前国内的高钛渣和人造金红石工厂规模小, 技术和设备也很落后, 已不能适应钛白和海绵钛生产向规模化发展的需要。目前的高钛渣生产技术还不宜用于建设大型工厂, 因而急需进行改进研究。以含钙镁杂质较低的钛铁矿砂矿为原料, 不用沥青或纸浆为粘结剂, 实现机械化连续操作, 省去捣炉作业, 治理回收利用烟尘和废气余热, 获得高品位钛渣 (TiO₂相当量≥92%) 是改进研究的目标。盐酸浸出法生产人造金红石工艺已列入国家“十五”攻关计划, 应加快实施步伐建设万吨级示范工厂, 为利用含高钙镁的原生钛铁矿生产高品位富钛料闯出一条新路。

2.2.3 巩固钛白生产发展成绩, 实现高水平的持续发展硫酸法生产钛白获得了快速发展, 产品数量迅速增加, 按产量我国已跃居世界前几位的国家, 但在发展的同时也埋下了许多隐患。因此, 钛白生产今后发展的重点是提高技术水平和产品质量, 增加高档产品品种和治理好三废。在入世后的形势下, 应通过企业的兼并和强强联合, 增强经济实力, 加大技术改造和治理三废的投入, 建成几个能参与国际市场竞争的较大型的钛白联合企业集团, 这对巩固发展已取得的成绩和在更高水平的持续发展是十分重要的。加强氯化法生产钛白的技术攻关, 抓好高品位富钛料、大型沸腾氯化炉、 TiCl₄除钒新工艺、氧化和氯的循环、以及三废治理全流程的大型化技术, 只有这些技术过关了, 才有可能建立大型化氯化法钛白厂。

2.2.4 重点发展金属钛, 向万吨级规模进军 ^[3,9,10,11] 金属钛是宇航和国防工业关键的支撑材料之一, 在国民经济中各部门的应用也越来越广泛。目前我国钛材产量只占世界的6%, 随着经济的快速发展, 对金属钛的需求量增加, 已由原来的出口转向大量进口, 现每年都从国外进口海绵钛、钛材和钛设备。入世后的形势迫使我们必须向规模化方问发展。同时, 我国海绵钛和钛材的生产技术与国际先进水平差距较小, 已具有自行设计和建设较大型工厂的能力。因此, 重点发展金属钛生产不仅必要, 而且具备发展条件。特别攀枝花地区有钛资源, 也有丰富的水电资源, 是发展金属钛生产较理想的地区, 钛材加工可与钢铁生产联合发展, 可望发展成为我国金属钛生产基地 ^[12] 。

金属钛市场随着它的应用范围的变化和应用量的扩大更趋于稳定。钛已由军用为主转为民用为主, 由宇航工业为主逐渐在转向民用工业为主。目前全世界宇航工业用钛量只占总用量的40%, 而民用工业和民用品的用钛量比例已上升到60%。钛应用的这种变化, 有利于避免钛市场出现以前那种大起大落的波动局面。加入WTO之后, 面对的是一个较为稳定的和更大的国际钛市场, 发展金属钛生产的市场风险已大为降低。应该采取有效措加快金属钛的发展, 向万吨级规模进军, 以民用为基础带动航空和国防用钛, 为建设强大的国防做贡献。

金属钛的性能优良, 人们对它的发展寄予厚望, 被称为崛起的“第三金属”。然而钛的冶炼、加工和设备制造的工艺复杂, 能耗高, 成本高; 因而钛材价格是普通钢的十几倍至二十几倍, 是不锈钢的5~8倍, 严重地阻碍了钛的应用和发展。降低成本的途径主要有四条: 一是扩大生产规模; 二是促进企业技术进步和提高管理水平, 以降低原料和能量消耗, 提高冶炼厂的金属回收率、加工厂的成材率和设备制造厂的成品率; 三是研究新技术新工艺; 四是开发研制低成本新型钛合金。

2.2.5 研究新工艺大幅度降低生产成本, 促进钛更广泛的应用 ^{[13,14,15,16]} “制钛新工艺”一直是世界关注的热点研究课题, 单就电解法制钛工艺研究已花费了数千万美元的资金。然而, 近年“一步法炼钛”这个世界性难题的研究取得了进展, 英国剑桥和澳大利亚CECRI先后研究了几种不同的TiO₂电解法制钛新工艺, 制钛成本可降低50%左右。特别是剑桥FFC连续电解法, 它完全不同于过去的熔盐电解制钛方法, 是以TiO₂固体为阴极, 碳质材料为阳极, CaCl₂为电解质, 电解时阴极TiO₂被分解为金属钛和氧离子, 后者经电解质到阳极放电析出氧气, 这是一种直接把钛与氧分开而得到金属钛的新方法, 是一种绿色工艺, 不使用和不产生象氯气和TiCl₄这些强腐蚀性污染环境的化学物质。这个突破性进展震动了钛界乃至冶金界, 被称为是新千年里冶金工业辉煌的开始。为加快FFC法的开发应用, 英国成立了“British Titanium”公司, 该公司已完成了公斤级试验, 获得了成功, 并正在扩大试验规模和向产业化方向发展。

面对钛提取冶金可能要发生革命性变化的关键时期, 我们如何评价上述研究进展和如何规划今后的研究工作, 是一个值得重视的问题。 TiO₂电解法制造金属钛, 如果要以纯度高的采用氯化法或硫酸法制造的TiO₂为原料的话, 因为TiO₂制造过程本身就是一个较复杂和高污染的过程, 那么, TiO₂电解法本身的优越性将会大为降低。如果用TiO₂电解法来制造新型民用钛合金, 例如制造铁作为合金元素的钛合金, 则可以天然金红石或人造金红石为原料, 其它合金元素以氧化物形式加入, 这样制造的钛合金成本才会大幅度降低。总之, 应该加大新技术的研究开发力度, 研究冶炼和加工新工艺, 研制低成本新型钛合金。成本低廉的钛和钛合金的产业化, 必将大大促进钛民用量的迅速增加, 这是钛真正成为“第三金属”的希望所在。