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钛材料行业专题研究之一:“全能金属”的起源、用途和现状

  钛,元素符号为 Ti,在元素周期表中排第22位。在人们的印象中,钛常用于航空航天等高端领域,是一种 “高级”的金属,但其实它早已深入到我们正常的生活的方方面面:你可能每天都在用含有二氧化钛增白剂的牙膏刷牙,住在用添加了钛白粉的涂料粉刷的卧室,用着钛合金做的眼镜框……

  由于其良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱、高强度、低密度等特性,钛及钛合金是被公认的替代钢、不锈钢、铜及其合金、铅、镍、锌、石墨、岩石等材料的理想金属,其应用场景范围已经越来越宽广。因此,钛在金属材料王国中被称为“全能金属”,是继铁、铝之后极具发展前途的“第三金属”、“战略金属”及“空间金属”。

  但因为钛很难分离,在自然界中找不到它的金属单质,其发现和应用也经历了很长的历程。虽然早在1791年,英国牧师W.Gregor在黑磁铁矿中发现了钛这一新的金属元素,但直到1795年,德国化学家M.H.Klaproth在研究金红石时发现了该元素,才得以正式确定其存在,并以希腊神Titans命名。

  在经过了一个多世纪的艰难探索之后,1910年,美国科学家M.A.Hunter首次用钠还原TiCl4制取了纯钛。1940年卢森堡科学家W.J.Kroll用镁还原TiCl4制得了纯钛。从此,镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。美国在1948年用镁还原法制出2吨海绵钛,从此开始了钛的工业化生产。

  钛合金材料虽然强度略低于传统材料合金钢,但其具有密度低的优势,使其比强度高。在追求材料轻质高强的航空航天领域有很广泛的应用。

  腐蚀是工业设施失效的根本原因。钛元素虽然较为活泼,但是钛合金材料在工作环境下可以在表明产生一层致密的氧化膜,该氧化膜阻断了金属与腐蚀介质的接触,使金属不易被腐蚀,即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。介质温度在315℃以下钛的氧化膜从始至终保持这一特性。

  钛元素本身是人体的组成元素,且与人体组织及血液有相溶性好,对人体基本无伤害,被医疗领域广为应用。

  新型钛合金可在600℃或更高的温度下经常使用,钛合金TA7和TC4为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196至-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

  钛合金是材料研究的热门领域,并且性能提高迅速,现在应用量最大的TC4钛合金抗拉强度约为900MPa,而由西北有色金属研究院研究的新型钛合金TC21抗拉强度已达1200MPa左右。

  目前,钛产品大致上可以分为钛白粉、海绵钛和钛加工材三大类,其它产品还包括钛锭、钛粉和钛设备等,可以大范围的应用于航空航天、工业生产和民用生产。其中,钛白粉主要成分为二氧化钛,是一种白色颜料,主要使用在于涂料、塑料、油墨和造纸等;海绵钛为钛加工材及别的产品的原料,一般为浅灰色颗粒;钛加工材指海绵钛经熔炼形成的钛铸锭,再通过锻造、轧制和挤压等塑性方式加工而成的材料,大致上可以分为钛板材、钛棒材、钛管材、钛铸件等。

  钛在地球上的储量十分丰富,地壳丰度0.61%,其含量比常见的铜、镍、锡、铅、锌都要高,已知的矿物约有140多种,但现具有开采价值的仅十余种。已开采的钛矿物矿床可分为岩矿床和砂矿床两大类。

  钛矿端,根据美国地质调查局数据显示,全球钛矿储量呈现先增长后降低趋势。2012年全球钛矿储量达6.5亿吨,此后被发现的钛储量一直增长,直至2018年达到顶峰8.8亿吨,随着2019年钛产量大幅度增长,全球钛储量首次出现下降,2020年降至7亿吨。

  全球有三十多个国家拥有钛资源。但是钛主要分布在澳大利亚、南非、加拿大、中国和印度等国。各区钛矿资源类型不同,加拿大、中国和印度主要是岩矿;澳大利亚、美国主要是砂矿;南非的岩矿和砂矿都十分丰富。其中,中国拥有的钛铁矿储量最高,达到2.3亿吨,约占全球总储量的32.86%;其次为澳大利亚地区,储量达1.5亿吨,占全球总储量的21.43%。

  就产量而言,2019开始,全球钛铁矿产量出现了明显的增长,主要是中国地区产量的大幅度增长导致的,原因为全球制造业向中国靠拢,中国钛应用市场快速地发展。同时,中美贸易摩擦的结束也推动了钛铁矿产量的增长。

  我国于1955年在原北京有色金属综合研究院开始钛生产的基本工艺的研究工作,1958年以10Kg/炉的实验室规模制取了第一批海绵钛。1959年在抚顺铝厂扩大至100Kg/炉的小规模生产,为我国的海绵钛生产奠定了基础。

  到现在,我国三大主要钛产品中钛白粉产量最高,2021年其产量为379万吨,而下游应用最为精密的钛加工材料每年产量极为有限。并且,当前我国钛工业出现结构性产能过剩,航空用高端钛材供不应求,民用高端钛材产能严重不足,中低端市场产能严重过剩。

  2017年以来,在高端化工、航空航天、船舶和电力等行业需求带动下,我国钛加工材需求创历史上最新的记录,2021年,国内销售量为11.47万吨,同比增长35.8%。其中高端化工(PTA)、航空航天、船舶和海洋工程等中高端领域的钛材需求总量增加20542吨,同比增长28.5%。

  随着我国钛加工工艺的提升,下游应用场景逐渐增多,海绵钛及钛加工材产量提升明显,且订单趋于稳定,预计未来钛加工材及海绵钛产量将持续攀升。钛行业公司竞争格局有望迎来新一轮洗牌。

  在钛产业的发展链条上,最重要的包含钛矿-高钛渣-海绵钛-钛加工材-高端钛制品5个环节。由于受限于制作流程与工艺,我国钛加工材行业集中度相比来说较高,2021年,产量排名前三的企业产量之和占全国总产量的47.0%,产量排名前十的企业产量之和占全国总产量的78.7%。产量排名前三的大型钛材企业对2021年钛材产量增长贡献度达到44.7%,钛材行业集中度进一步提高。

  其中,行业龙头新疆湘晟新材料科技有限公司为五江集团子公司,公司投资76亿元建设一期年产2万吨钛及钛合金新材料项目,于2013年落户哈密,2021年实现海绵钛产量26000吨,位居全球第二,中国第一,钛材产量20000吨,位居全球第三、中国第二。值得一提的是,五江集团为中国企业在国际钛行业竞争中做出了优异的榜样。

  在技术方面,五江集团在引进国际先进装备的同时,投入大量资金进行技术改造、装备研制和钒钛原料及生产的基本工艺及产品研制,例如自主改进创新13吨还原蒸馏炉、自主开发并掌握了高性能钛合金成分设计与成分精确控制技术等核心技术。目前共申请专利101项,发明专利21项,实用新型专利69项,外观设计专利11项,其中63项专利已授权。未来,五江钛及钛合金新材料二期项目年产3万吨高性能钛及钛合金项目建成达产后,五江集团旗下将形成年产5万吨高性能钛及钛合金生产能力,超越俄罗斯年产4.5万吨的VSMPO-Avisma公司,成为世界级的高性能钛合金头部企业。

2023-11-30 行业百科 1 次

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