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鈦的用途和應用領域

[ 信息發布:本站 | 發布時間:2019-01-22 | 瀏覽:61 ]

鈦的產業鏈

  • 鈦產業鏈可以分為以下四個部分:
  • 1. 鈦鐵礦、金紅石等原始礦產的選礦,通過物理方法取得品位更高的精礦
  • 2. 通過對精礦的再加工提純,制取高純度的二氧化鈦,用于鈦白粉行業。
  • 3. 通過對二氧化鈦的氧化、還原等工藝手段生成四氯化鈦,制取中間產品海綿鈦
  • 4. 通過對海綿鈦的熔鑄加工,制取晶體結構致密的鈦錠,用于生產鈦材及各種鈦合金
  • 海綿鈦
  • 鈦白粉及其應用
  • 鈦金屬和鈦合金應用
  • 鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬,鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導熱率低、無毒無磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強等特性,廣泛應用于航空、航天、化工、石油、電力、醫療、建筑、體育用品等領域。世界上許多國家都已經認識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進行研究開發,并得到了實際應用。
  • 2011年,全球商業航空的消費比例達到46%,軍用鈦材比例為9%(主要為軍用航空),整個航空領域消耗鈦材比例超50%;工業消耗鈦材比例為43%,新興市場消費鈦材比例為2%。
  • 鈦制品需求結構在地區上存在明顯差異。在擁有發達的航空航天和軍工國防工業的北美和歐盟地區,尤其是美國,大約50%以上的鈦制品需求來自于航空航天和軍工國防領域。而在日本,來自化工等行業的工業用鈦占據了需求的主導地位。據日本鈦協會統計,航空航天只占到日本鈦需求的2%-3%。與日本的情況頗為類似,我國鈦制品需求大部分來自化工和能源領域,航空航天只占到10%。雖說中國已成為全球最大的鈦金屬生產國和消費國之一,不過大部分生產一直局限于等級較低的鈦,用于自行車架、高爾夫球桿或化工行業使用的防腐管材。 但是近年來航空航天用鈦量在亞洲地區出現明顯增長,可見,鈦市場的前景比較光明。
  • 航空航天領域
  • 航空航天領域用鈦大國集中在西方國家,尤其是美國,60%的鈦材都應用到這個領域。亞洲國家,日本和中國在此領域中鈦的投入量均在10%左右。但是近年來隨著亞洲航空航天的飛速發展,鈦在航空航天領域的消費量將會隨之增長。從全球角度來看,航空業對鈦市場起著決定性的作用,從歷史上看,鈦行業大的周期輪回都和航空業的冷暖密切相關。
  • 2011年,全球鈦材產量達到14.8萬噸,其中商用航空用鈦材約6.4萬噸,未來全球經濟增長對航空運輸的需求量依然巨大,預計未來20年新增飛機需求約在3萬架左右,同時,新型飛機對鈦的需求量高于老式飛機,預計20年內商用飛機對鈦材的平均需求量將達到40噸/架;據此推算,未來20年全球商用航空領域新增鈦材需求約120萬噸,年復合增長率約17%,平均每年新增6萬噸鈦材需求,民用航空用鈦材領域將呈現快速增長。軍用航空領域也將出現新的機會;由于全球地緣政治形勢緊張,全球各國軍費開支增加,軍用航空領域也有望出現新的需求。
  • 民用客機
  • 鈦合金在飛機的主要用途如下:
  • (1)減輕結構重量、提高結構效率:先進的戰技性能(如超音速飛機)要求飛機具有比較低的結構重量系數(即:機體結構重量/飛機正常起飛重量),而鈦合金具有強度接近中強鋼但密度小的特點,代替結構鋼和高溫合金,能大幅度減輕結構重量,同時也能節省費用;以發動機為例,有統計數據顯示,飛機發動機的質量每降低一公斤,使用費用可降低約220-440美元。
  • (2)符合高溫部位的使用要求:鈦合金具有耐熱性好的特點,如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下長期工作,因此在飛機的高溫部位(如后機身等)可取代因高溫使用性能不能滿足要求的鋁合金;TC11能在500℃下長期工作,在發動機的壓氣機部位可取代高溫合金和不銹鋼。
  • (3)符合與復合材料結構相匹配的要求:為減輕結構重量和滿足隱身要求,先進飛機大量使用復合材料,鈦合金與復合材料的強度、剛度匹配較好,能獲得很好的減重效果。同時,由于二者電位比較接近,不易產生電偶腐蝕,因此相應部位的結構件和緊固件宜采用鈦合金。
  • (4)符合高抗蝕性和長壽命的要求:鈦合金具有較高的疲勞壽命和優良的耐腐蝕性能,可以提高結構的抗腐蝕能力和壽命,滿足先進飛機、發動機高可靠性和長壽命的要求。
  • 軍事飛機
  • 軍用武器的開發與采購不斷向著輕便、靈活方向發展,為了滿足戰斗機對戰斗性能要求,除了采用先進的設計技術外,還必須采用額性能優良的材料以及先進的工藝制造技術。大量選用鈦合金、提高先進鈦合金應用水平就是重要措施之一。自20世紀60年代以來,國外軍用飛機的鈦量逐年增加,當前歐美設計的各種先進軍用戰斗機和轟炸機中鈦合金用量已經穩定在20%以上,并且新機型的用鈦量占比正在大幅提升。
  • 汽車行業
  • 降低燃油消耗、減少有害廢棄物(CO2、NOX 等)排放已經成為汽車行業技術進步的主要動力和方向之一。研究表明,輕量化是實現節省燃料、減少污染的有效措施。汽車的質量每降低10%,燃料消耗可節省8%-10%,廢氣排放可減少10%。在駕駛方面,汽車輕量化后加速性能提高,車輛控制穩定性、噪音、振動方面也都有改善。從碰撞安全性考慮,汽車輕量化后,碰撞時慣性小,制動距離減少。
  • 汽車輕量化的首選途徑就是用高比強度的輕質材料,如鋁、鎂、鈦等替代傳統的汽車材料(鋼鐵)。2009年全球汽車用鈦量已達3000噸。鈦在賽車上的應用已有許多年的歷史目前賽車幾乎都使用了鈦材,日本汽車用鈦已超過600噸,隨著全球汽車工業的發展,汽車用鈦還在快速增加。
  • 汽車使用鈦的優點有:減輕重量,降低燃料消耗;改善動力傳輸效果,降低噪音;減少振動,減輕部件載荷;提高車的持久性及環境保護。
  • 醫療行業
  • 化工行業
  • 鈦具有優良的耐腐蝕性能、力學性能和工藝性能,被廣泛應用于國民經濟許多部門。特別是在化工生產中,用鈦代替不銹鋼、基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對增加產量,提高產品質量,延長設備使用壽命,減少消耗,降低能耗,降低成本,防止污染,改善勞動條件和提高勞動生產率等方面都有十分重要的意義。
  • 鈦金屬已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一,并在化工裝置中已確立了他的耐腐蝕地位。作為化工設備中的理想材料,鈦也愈來愈引起工程技術人員的重視。
  • 經過多年的推廣,鈦及其合金已作為一種優異的耐腐蝕結構材料在化工生產中得到了廣泛應用。目前鈦設備的應用已從最初的純堿與燒堿工業擴展到氯酸鹽、氯化銨、尿素、有機合成、染料、無機鹽、農藥、合成纖維、化肥、和精細化工等行業,設備種類已從小型、單一化發展到大型、多樣化。
  • 調查結果表明鈦換熱器占57%,鈦陽極占20%,鈦容器占16%,其他占7%。在化學工業中以“兩堿”為主,化工設備中鈦換熱器用量最大。
  • 近年來,我國鈦材的生產技術提高迅速,航空航天用鈦,軍事用鈦,汽車用鈦等增長都很迅速,尤其是航空航天領域,有趕超化工用鈦的趨勢。總體而言,化工用鈦的技術含量小,產品附加值低,化工用鈦比例不可避免會逐步下降。
  • 海洋工程
  • 隨著科學技術的發展和陸地資源日趨枯竭,人類開發利用海洋已經提到日程上來了。鈦對于海水有優異的耐蝕性能,大量運用于海水淡化、艦船、海洋熱能開發和海底資源開采等領域。
  • 早在20世紀60年代,我國就已經開始了對鈦及鈦合金在船舶及海洋工程裝備上的應用研究,并做了大量工作,已基本形成了牌號較多、性能各異、品種規格齊全的船用鈦合金體系。由于鈦及鈦合金自身所具備的特性,使其在艦船以及海工裝備的應用上具有得天獨厚的優勢,因而被廣泛應用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇以及螺旋槳推進器、海水管路、冷凝器、熱交換器等。
  • 在艦船應用方面,目前我國艦船用鈦量非常少,占船舶總重量的比例不超過1%,艦船及海工裝備用鈦及鈦合金領域發展潛力巨大。此外,在海水淡化以及濱海電站方面,由于我國目前海水淡化以及濱海電站市場需求巨大,在進一步降低鈦合金成本以及提高產品質量穩定性的情況下,鈦的市場應用前景將非常廣闊。
  • 日常生活
  • 鈦在日常生活中的應用非常廣泛,可謂無處不在,例如高爾夫球頭、自行車車架、網球拍、輪椅、眼鏡架等都會應用到鈦。
  • 鈦以其輕質、強度高的特性在體育用品中的應用,從最早的網球拍、羽毛球拍逐步擴展到了高爾夫球頭、球桿以及賽車等。2008年我國體育休閑占總消費量的13%,其中僅高爾夫球頭和球桿的用鈦量就超過了1000噸。鈦合金做成的自行車車架也頗受歡迎,目前有近50價公司生產鈦自行車,美國早已是最大的鈦自行車生產商和消費國。鈦輕質的特點也應用到眼鏡架中,而且鈦又不易與皮膚發生過敏,并且鈦表面經陽極處理可有絢麗色彩,因此從20世紀80年代初就開始應用于鏡架中。
  • 近幾年,鈦在人類日常生活中的應用在不斷擴展,且發展速度很快,應用技術也更趨成熟、完善。在鈦的日常生活品應用方面,美國和日本走在前面。
  • 海綿鈦是指用鎂或鈉還原四氯化鈦獲得純度為98.5%-99.7%的海綿狀金屬鈦。是鈦工業生產中的最主要原料。海綿鈦是整個鈦金屬生產中的一個初級產品,需經過進一步的熔鑄得到鈦錠即工業純鈦,然后才能加工成相應的鈦材或鈦合金。
  • 海綿鈦的制取:目前工業上主要有鎂熱還原法(Kroll)法、鈉熱還原法(Hunter法)和熔鹽電解法。鎂熱還原法的優點是還原劑鎂可以循環使用,單爐產能大。相對的,鈉熱還原法產品質量更好,金屬雜質含量低,但是單爐生產能力小,鈉耗量大。而熔鹽電解法尚處于半工業試驗階段。
  • 鈦白粉學名二氧化鈦(TiO2),是一種十分穩定的氧化物,具有優良的光學和顏料性能,主要用作白色無機顏料。它的無毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被認為是目前世界上性能最好的一種白色顏料,廣泛應用于涂料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖、橡膠、化妝品等工業。
  • 鈦白粉工業生產方法有硫酸法和氯化法兩種:硫酸法生產工藝成熟,設備簡單,但缺點是生產流程長,對環境污染嚴重;氯化法技術先進,產能大,產品質量高,白度和粒度分布范圍窄,同時,氯氣還可以循環使用,缺點就是對原料要求太嚴格,原料必須是TiO2含量 90%-95%的天然或人造金紅石或鈦渣。
  • 硫酸法鈦白粉生產工藝
  • 氯化法鈦白粉生產工藝
  • 二氧化鈦有三種晶體形態,分別為金紅石型、銳鈦型和板鈦型。其中板鈦型不能用作顏料使用,在工業中作為顏料使用的主要是銳鈦型和金紅石型鈦白粉。
  • 銳鈦型鈦白粉具有純度高、粒子細小均勻、光學性能好、折射力強、消色力高、遮蓋力強,且吸油量低、水分散性高等優點,主要用于涂料、油墨、化纖、橡膠、玻璃、化妝品、肥皂、塑料和造紙等工業。金紅石型鈦白粉除具有銳鈦型鈦白粉的優點外,還具有更好的耐候性和遮蓋力,主要用于高級工業顏料、有光乳膠涂料、塑料,有較高消色力和耐曬要求的橡膠材料、高級紙張涂料層和蠟紙等。從顏料性能看,金紅石型鈦白粉優于銳鈦型鈦白粉,金紅石型鈦白粉中又以經表面包覆處理的產品居多。2010年,我國金紅石型鈦白粉占鈦白粉總量的57%,遠低于世界90%的水平。未來我國金紅石型鈦白粉比重還有較大的提升空間。
  • 目前,鈦白粉行業正在經歷三大調整:(1)世界鈦白粉產量增長相對緩慢,而亞太地區尤其是我國的鈦白粉產量快速增長,世界鈦白粉行業向亞太地區尤其是我國進行轉移的態勢非常明顯;(2)隨著下游對鈦白粉性能提出更高的要求,對鈦白粉進行包膜處理成為重要手段,各種專用型鈦白粉不斷涌現,鈦白粉行業由通用品向專用品方向發展方興未艾;(3)鈦白粉分為銳鈦型和金紅石型兩種類型,銳鈦型鈦白粉盡管因其較高的性價比仍舊占據部分市場份額,但是金紅石型鈦白粉以其優異的性能仍是行業未來發展的大趨勢。在我國鈦白粉產品結構中,金紅石型鈦白粉所占的比例不斷提升,約占57%,但是仍然遠遠低于世界90%的比例。我國鈦白粉產品結構正積極向金紅石型鈦白粉方向轉變。綜上所述,我國鈦白粉行業尤其是專用金紅石型鈦白粉前景依然看好。
  • 鈦在醫療領域有著廣泛的應用。鈦與人體骨骼接近,對人體組織具有良好的生物相容性、無毒副作用。人體植入物是與人的生命和健康密切相關的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較,使用鈦及鈦合金的優勢主要有以下幾點:1 質輕;2 彈性模量低;3無磁性;4 無毒性;5 抗腐蝕性;6 強度高、韌性好。外科植入物中的鈦合金用量正以每年5%-7%的速度增長。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節、肱骨、顱骨、膝關節、肘關節、肩關節、掌指關節、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘等上百種金屬件移植到人體中,取得了良好的效果,被醫學界給予了很高的評價。

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