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鈦及鈦合金應用領域

來源:admin   發布日期:2018-07-31

一. 鈦的應用

我們現在在這工作的每一個人對鈦都有一個初步的認識,都知道鈦是一種比重輕,耐腐蝕,耐熱性好等許多優良性能,被譽為“未來金屬”“二十一世紀金屬”是具有發展前途的新型結構材料。它有類是鋁材的金屬色澤,大家也解了一些鈦材的有關知識。咱們先從海綿鈦談起,我國的鈦礦儲量是世界已探明儲量的64%左右,從礦石工業類型上看,我國鈦資源主要是原生釩鈦磁鐵礦巖礦,其次是外生鈦鐵礦沙礦,第三是金紅石巖礦,第四是金紅石沙礦,我國鈦精礦產能只要分布在四川攀枝花,海南,廣西,攀枝花是我國最大的鈦精礦供應基地,占中國市場的90%以上。鈦資源主要用來生產鈦白,金屬鈦(海綿鈦),含鈦鋼以及鈦焊絲和涂料。海綿鈦主要是通過鎂還原和鈉還原(蒸餾法)二種方法,其它方法還沒有工業化生產。2008年底,中國海綿鈦產量達到6萬噸,居世界第一。鈦加工材2.7萬噸左右,寶鈦2008年鈦加工材1.1萬噸。鈦錠生產約5萬噸。寶鈦只占1/5多。在中國化工用鈦是第一大戶,占全國用鈦量的44%左右,航空航天占17%左右,體育休閑領域的用鈦量為16%,排行第三。(據2007年統計)。在美國歐洲,鈦材主要用于航空航天領域,約占60%,在日本,鈦材主要用于化工.電力等領域,約占50%。而在中國,主要應用于化工.體有休閑等領域,約占70%。國外主要鈦材生產企業有美國鈦金屬,Timet,RTI國際金屬公司,Allegheny,日本的神戶制鐵.住友鈦和新日鐵。俄羅斯的VSMPO-AVISMA。

      鈦棒是怎樣加工出來的,以前我們沒有接觸鈦的時候,對鈦都有一種神秘的感覺。的確,鈦是一種新興的金屬,在20世紀如果說到鈦,我們無論老少很多人會感到很陌生,不要說全國,就是咱們寶雞號稱是中國鈦城,知道鈦的人也不是很多。所以把鈦稱作稀有金屬,曾經成立的中國稀有稀土集團中就有寶鈦集團和遵義鈦業的身影,其實鈦元素在地球上并不是一個稀缺元素,在所有元素中排行老十,之所以把它排入稀有金屬,主要是冶煉困難,工藝復雜,造成生產成本高,所以市場售價就高。鈦材的價格大約是不銹鋼的十倍,是普通鋼的100倍左右。一般的地方是用不起的,到現在為止也只是用在航天航空軍工化工醫療等用得起或者非用不可的地方。中國民用市場在70年代中期才大量推廣應用。現在隨著鈦金屬應用越來越廣泛,以及鈦的產能逐年大幅提高,知道和認識鈦的人越來越多了。現在鈦的應用除了國防工業的飛機,火箭,導彈,潛艇以外,化工,醫學,體育,汽車,建筑,日常生活都有鈦及鈦合金的應用。而且今后鈦的事業這塊蛋糕會越做越大,發展越來越快,應用越來越廣泛。鈦是個朝陽產業。所以我們大家都應該對我們的企業未來充滿信心。    為什么今天先講鈦的應用,原因是我們每天都在鈦行業里工作,就應該知道我們所生產的產品都用在哪些地方,不然,親戚朋友問到你們鈦是干什么的,都用在什么地方,答不上來會很尷尬的。銷售部門的人知道了這些就知道到哪去找市場,質量部門的人知道了這些,就知道鈦材料的標準為什么要這樣要求。鈦元素是英國分析化學家格列高爾在1789年在英國的默納陳河谷中發現的,雖然他興趣極濃,但是并沒有引起人們的重視,直到二十世紀四五十年代才開始開發鈦的應用,到現在也只有50多年的歷史,最開始那是1954年美國人第一次煉出了鈦合金,也就是Ti—6AI—4V, 鈦的最早的應用是從航空工業開始的,后來在研制火箭.導彈.人造衛星.和航天器材時就考慮到鈦的許多優點,也成為這些領域使用的重要材料之一。到現在也已經廣泛的應用在民用及日用產品上。遍及各個行業。下面從12個方面講:

1.        航空領域:

鈦材料過去和現在最大的用戶都是航空業,現在無論是軍用還是民用飛機都廣泛使用鈦及鈦合金材料,而且用量直接影響到鈦工業的興衰,如果世界經濟步入衰退,將會直接反應在世界的航空工業上,出行坐飛機的人少了,各國航空業蕭條了,飛機訂單就會少了,用鈦量也就少了。2001年美國9.11事件發生之后,世界航空業曾有過短暫一段低潮時期,出現了短期的調整,結果鈦行業也萎縮一段時間,目前美國爆發出次級債的風波,導致經濟又處于一個動蕩和緩慢衰退時期,世界經濟也受到一定的影響,但目前還看不出對鈦工業有多大地影響。鈦在飛機上應用主要有以下幾個地方。

(一)是發動機,每一個發動機用鈦量占發動機總重量的20~30%,主要是壓氣機的部件,包括葉片.輪轂.入口導向閥.和外殼。

(二)是飛機骨架,這方面用鈦的量也很大,因為鈦合金的比強度高,做骨架鈦是所有金屬材料中的首選,大家知道我們國家也要制造大飛機,其中一個很重要的硬件就是大噸位的鍛造機,目前世界上最大的鈦合金模鍛機是俄羅斯的有七點五萬噸,現在在西安閻良已經立項,準備上八萬噸的模鍛機,第一期工程上四萬噸的,投資1.95億元,2009年年底投產,第二期工程上八萬噸的,投資八點五億元。這些模鍛機鍛的什么材料呢,就是鈦合金材料的飛機骨架。尤其是機架的中段和后段。中段是機翼和機身連接段,是機架受力最大的部位,后段是發動機的安裝部位同樣是受力的重要部位。

(三)是起落架.支撐架等。飛機許多失事就是在起落之時,因為飛機起落時負荷和沖擊力很大,所以對起落架的要求很高。選擇鈦合金既保證高強度耐沖擊的性能要求,也比選用優質鋼材重量輕。

(四)是機翼外皮和內部固定用的鉚接件,有的飛機選擇鈦材料做機翼外皮,主要是一些軍用飛機,一架飛機上的鉚釘和緊固件上萬個,我們國家生產冷熱鉚釘和緊固件的專業標準件廠就有三四個,他們的工廠就是只生產各個型號的螺栓螺帽,鉚釘,絕大部分都是鈦和鈦合金材料的。。

那么一架飛機要用多少鈦呢?舉一個例子,大家都聽說過美國的波音747飛機,一架這個飛機用鈦達到35噸。俄羅斯的蘇-27ck用鈦達8噸,美國早期的F—15用鈦7噸,占其機體總重量的25%,后期的F—15用鈦量增加到8噸4,美國的F/A—22是世界上真正意義上的第四代戰機,到2007年7月已經交付100架,這種機型是美國戰斗機中使用鈦合金與復合材料最多的一種機型,一架F/A—22機體鈦合金使用毛胚量達到驚人的36噸。加工好的鈦件占飛機總重量的41%。全球總共有多少架軍用飛機和民用飛機沒有見到統計資料,但是我們可以從這里知道航空業是鈦行業的大買家。所以航空業興,鈦業也就興。國外很多企業選擇中國的鈦產品,原因是我們的價格優勢。

2.  航天領域

鈦和鈦合金在火箭.導彈及宇宙飛船工業中,可用于高壓容器,燃料貯箱,火箭發動機及導彈殼體。飛船艙蒙皮及結構骨架.主起落架.登月艙等。

目前世界上每年用于宇宙航行的鈦已經達到一千噸以上。航天產品使用鈦量接近于航空,美國航天飛機比普通軍用及民用飛機用鈦更多,美國哥倫比亞航天飛機的機身.發動機支架和發動機的壓氣機.垂直尾翼.升降舵輔助翼全部都是鈦材料制做的。各個國家每年要發射許多火箭,用于把各種人造衛星送上天,火箭的發動機只是沒有飛機那樣大的骨架,發動機的壓氣機也是大量選擇鈦材料。據報道,國外的國際空間站上也廣泛選用鈦材料加工部件。“水星”號宇宙飛船的座艙用鈦168公斤,占其總重量的80%,“阿波羅”飛船在托架.緊固體.夾具.機械艙.登月艙.液壓罐等器件總共用鈦1180Kg.全世界的導彈品種很多,數量很大,無論是一般導彈還是洲際導彈,每一個導彈不論大小也都有一個發動機,它的葉片和發動機機身都是鈦材料的,它的燃料氧化劑箱也都是鈦制的,這要用多少鈦材料大家只能估計,因為那個國家也不會公布它有多少枚導彈的。

3.  其他軍工領域

在海洋的腐蝕環境下,軍艦和潛艇都廣泛的選用鈦材料,例如潛艇的耐壓殼體.船舵,軸托架,球閥.滅火泵.熱交換器.冷卻器,船殼聲納導流罩,動力裝置的噴水推進系統的推進器和推進器軸,.艦船管道系統.鑄件等。除了武器系統外很多地方都是鈦材料做成的。據報道,俄羅斯生產的一種全鈦潛艇,每艘用鈦達3000~3500噸,這種潛艇可以使潛水深度翻一倍。可以在深達4500米的深海中航行。同時由于總重量下降就使速度大幅提高。其他艦船上的一些設備如冷凝器.蒸汽發生器.閥門.大型法蘭.魚雷發射器.鞭狀天線.泵體等都使用鈦材料制造。另外在炮筒.裝甲車.工兵裝備.新型戰車等部分裝置也有采用鈦材料的。例如現在的迫擊炮的底座就是鈦合金的。

4.  化工系統

在石油化工.化肥.酸堿.鈉.氯氣及海水淡化等工業中,鈦及鈦合金可用作制造熱交換器.反應塔.蒸餾器.洗滌塔.合成器.高壓釜.閥門.導管.泵.管道等。

從用量來講,化工系統是鈦行業在民用方面的一個大用戶,2007年全國10家大型鈦設備企業的產值就達13億6千181萬元,由于鈦及鈦合金在許多酸,堿,鹽類介質中具有優異的耐蝕性,同時具有重量輕,比強度高等優點,因此在化工,石油,海洋工程等領域被廣泛應用。雖然用鈦材成本要高一些,但綜合壽命周期,強度,環境影響這幾方面,使用鈦材還是劃算一些,可以獲得顯著的經濟效益。在化工領域主要有五個方面:

(1). 純堿工業

純堿,學名是碳酸鈉,它是基本的化工原料之一,市場需求量很大。采用氨堿法或者聯合制堿法設備都會受到氯化鈉和氯化銨等介質的強烈腐蝕,如果用鋼或者不銹鋼,就得經常更換設備,經常停產維修,損失很大,而用鈦材5年以上完好無損,這個鈦材用的很值。過去純堿工業用于冷卻結晶氯化銨母液的外冷器采用碳鋼材料,壽命只有1~4年,而采用鈦材每年腐蝕率只有0.001mm/年。至少可以用幾十年以上。

(2).氯堿工業

氯堿工業就是用咱們吃的食鹽通過電解生產出氫氧化鈉和氯產品,如鹽酸和次氯酸鈉。氫氧化鈉是造紙行業主要的原料,次氯酸鈉被廣泛的用在消毒的方面。過去一直用石墨電極作為電解用的不溶性陽極,在實際生產中出現了許多問題,比如,由于石墨不耐高溫和鹽水腐蝕,使得其使用壽命一般僅為4~9個月,也由于石墨陽極被腐蝕,造成極距逐漸增大,耗電量也就增大,另外由于石墨被腐蝕脫落,進入堿液,降低了堿液的質量。換成鈦陽極后,耐高溫鹽水腐蝕,導電性能優良,極距變化很小,槽電壓穩定,陽極使用壽命可以達到10年以上。而且堿液的質量有明顯的提高。綜合效益大幅提高。(鈦陽極就是在鈦管里穿入與內徑一樣大的純銅棒,用軋制的辦法再加工成各種形狀,截成一定長度,再把一頭用鈦密封住就行了。)所以在這個行業里都在大量使用鈦陽極。

(3).漂白粉行業

漂白粉是氯產品之一,漂白粉在紡織印染行業大量使用。生產漂白粉的設備由于要接觸濕氯氣,次氯酸根等強腐蝕介質,因而腐蝕問題十分嚴重,設備維修工作量很大,經常停產維修,一般企業的開工率很低,特別是反應塔的橫臂和刮板,腐蝕十分嚴重。

使用了鈦橫臂和鈦刮板后,運行情況良好,效果十分顯著,取得了較好的經濟效益,維修及更換設備的費用大幅降低,漂白粉產量明顯增加。

(4)尿素工業

尿素是主要的化學肥料之一,是一種優質高效的氮肥。這幾年國內外尿素生產規模很大,尿素合成塔的腐蝕問題很大,過去使用不銹鋼材料制造合成塔,存在局部腐蝕問題,而且使用溫度限制在190℃以內,超過這個溫度腐蝕速度會成倍增加,這就限制了合成尿素的溫度,是尿素的轉化率很低,采用純鈦襯里的尿素合成塔,不但解決了腐蝕問題,而且還使合成尿素的轉化率提高。在尿素生產的設備里氣提塔,分解系統,往復式高壓甲銨泵,減壓閥等現在都用鈦材料制造。

(5)其他化工

化工行業還有以內酰胺,順丁烯二酸酐,丙烯,丙酮,對苯二甲酸,乙醛等很多的品種,生產設備也廣泛用到鈦材料,主要是用鈦板和鈦管生產裝置中的反應釜,和連接管道。而且反應釜的使用壽命都是一定的 ,更新換代也很頻繁,有的反應釜個頭很大,一個都有幾噸或者幾十噸重,另外,在處理腐蝕性物質如硝酸.有機酸.鹽酸.硫化氫等時還大量使用了鈦容器.熱交換器.罐.攪拌器.冷卻器及管道系統,所以全國的鈦行業的壓力容器廠家多的很,每年要消耗大量的鈦板和鈦管。

5.  鈦設備在石油工業中的應用

石油通過精煉生產出汽油,柴油,煤油等產品,但是原油中含有硫化物,氯化物,對設備腐蝕十分嚴重,尤其是石油精煉設備如初餾塔,常壓塔頂部,塔頂冷凝器采用鈦材制造的上述設備取得良好的效果,基本上解決了設備的腐蝕問題。

煉油廠在催化裂化,工藝水處理,加氫精制,脫硫,不飽和分離,氫提純,重整,管式蒸餾和聚合反應等工藝中廣泛的使用了鈦設備。

6.  鈦設備在冶金工業的應用

隨著冶金工業的快速發展,鈦材作為強度高,耐腐蝕的結構材料得到了推廣和應用。在濕法冶金過程中,由于設備接觸堿,酸及各種腐蝕性強的氣體,煙塵,傳統的鋁合金,耐酸不銹鋼等材料不能滿足生產工藝的需要,限制了濕法冶金的發展。鈦設備的使用,對于提高生產效率,解決濕法冶金常見的跑,冒,滴,漏等現象及減少環境污染等方面具有重要的意義。

(1). 鈦設備在電解鎳生產中的應用

電解鎳生產中,設備接觸含酸量很高的溶液和活性離子,而鈦的耐蝕性優異,因而成為制造電解鎳設備的理想材料。

電解鎳生產中的陰極母板與不銹鋼母板相比具有更好的經濟效果和優越的使用性能,如,沉積鎳皮不易沾板,剝離容易,剝離率提高,鈦母板的始極片平整,剛性好,電解時電流密度均勻等。另外電解鎳生產設備中的加熱器,泵,閥門等也大量使用了鈦材料。

(2).  鈦設備在電解銅生產中的應用

電解銅生產設備陰極輥原來都是用鋼陰極輥筒,由于電解液的腐蝕,導致輥筒表面出現點蝕,影響了銅箔的質量,而且定期打磨輥筒也浪費了人力財力。使用了鈦輥筒后就解決了這些問題。另外,電解銅生產中的加熱器,陰極母板等大部分都是鈦材制造的。

(3)  其他金屬的濕法冶金

          鈦設備還用于鈷,鋅,鋁,汞等冶煉,鎢酸提純等,冶金工業中主要設備有電解槽,反應器,洗滌塔,熱交換器,攪拌器,蒸發裝置,收塵裝置等等,均取得了顯著的效益。國外還有用鈦泵輸送氯化物,氯化鈉,氯化鉀,稀鹽酸時,泵的壽命比鑄鐵泵或不銹鋼泵提高5—20倍,液體損失減少五分之三,氯化車間的鈦儲槽能使用3—4年,而鋼制儲槽只能用2個月。

7.  鈦設備在電力工業的應用

   火電站和核電站的凝汽器是發電機組的重要設備,主要是在沿海的電力工業,這些企業要利用海水降溫凝汽,而海水中含有大量的泥沙,懸浮物質,海生物,

  和各種腐蝕性物質,在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴重。傳統的凝汽器是用銅合金管,銅合金管在海水環境中被腐蝕的速率很高,經常遭到嚴重破壞,凝汽器運行一年左右就腐蝕泄露。我國早在上個世紀七十年代開始電站凝汽器用鈦管的研究,寶鈦集團承擔了冷軋薄壁無縫鈦管的研制任務,所提供的鈦管在金山熱電廠,鎮海電廠等凝汽器中使用后,取得了顯著的經濟效益,鈦管比銅管在這相同的環境下壽命提高了4—6倍,保證了電廠穩定安全生產。

8.  鈦設備在海洋工程的應用

目前,海洋工程用鈦已經成為鈦產品民用的一個重要領域。

(1)海洋油氣開發

   海上石油開采設備主要包括采油平臺和附屬設備,附屬設備有原油冷卻器,升油管,泵,閥,接頭和夾具等。這些設備都與海水及原油中的硫化物,氨,氯等介質接觸。由于鈦在這些介質中具有優異的耐蝕性,所以早在70年代美國在其油田中就使用了鈦制造的近海石油平臺支柱,同時用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。美國在北海油田鉆井平臺上使用了100個鈦熱交換器。

鈦鉆探管的使用壽命較長,其重量僅為不銹鋼的一半,而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍, 使用壽命是不銹鋼的10倍,在2000年就有美國的幾家公司把鈦鉆探管應用于海上采油。

(2) 海水淡化

早期的海水淡化裝置使用銅合金,碳素鋼等材料,因為這些材料不耐海水腐蝕,生產效率低,很快被耐海水腐蝕性能優異的鈦材料所代替。在海水淡化中,鈦的主要應用是淡化裝置的加熱傳熱管,日本一家公司為沙特建造日產淡水3萬噸的蒸餾裝置10臺,用鈦管3200噸,平均日產1萬噸的裝置需要用鈦107噸,我國的天津,山東等地已建或在建海水淡化工程用鈦量大約是250噸。

  (3)造船業

鈦及鈦合金在船舶中的應用十分廣泛,如船體結構件,深海調查船和海洋熱能轉換,海洋漁業。如現在沿海地區使用鈦金屬網進行人工養殖,鈦金屬網在海上基本上不被腐蝕,多年使用不用更換。用鈦管制造的熱交換器給海水加溫,保證所養育的魚所需的溫度。在海洋熱能轉換領域,美國,日本的溫差發電站的主要設備蒸發器,凝縮器及海水吸管,環路系統等都使用了鈦制設備,均取得了良好的效果。

9.  醫學應用

醫學上的鈦的應用主要有兩個方面一是制藥,二是人體植入

(1) 鈦設備在制藥工業的應用

在制藥生產過程中,設備接觸鹽酸,硝酸,醋酸,硫酸及其鹽類和有機溶劑等介質,設備腐蝕現象很嚴重。若經常停產維修,就會影響生產,況且設備的腐蝕會直接影響藥品的質量。所以現在許多制藥企業在制藥設備中的氣流干燥裝置,管道,螺旋加料機,加熱器,旋風分離器的設備都選用鈦材料,一方面腐蝕速率僅為0.008—0.003mm/a,最重要的是保證了藥品的質量不會因為設備的銹蝕而受到影響。

     (2) 鈦材料在人體上的應用

因為鈦具有較高的強度.較低的模量.以及良好的生物相容性,現在已經成為醫療上常用人體骨骼替代材料,用鈦制造髖關節.肘關節,骨螺釘.膝關節.骨板.牙科植入件(也就是口腔醫院講的種植牙,價格很高),義齒支架,冠橋,和正牙絲,外科器械.心律調節器盒等。甚至現在發展到鈦合金精鑄假肢。有的小孩牙齒長得不整齊需要矯正,口腔醫院就會用鈦鎳合金制成的記憶合金絲進行矯正,有的人血管在某個部位狹窄,醫生就會建議植入鈦材料做成的血管支架,現在人從頭到腳都可以用鈦材料更換部件,美國有一個68歲的彼德.霍頓心臟有嚴重的疾病,醫生為了挽救他的生命,在他的心臟中安裝了一個鈦金屬設備,幫助他的心臟泵輸血液,他靠這個裝置又活了七年半,成為人造心臟活的最長的一個人。但是,醫用鈦材在質量要求上是最嚴格最挑剔的,特別是金相上的要求可以說是最嚴格的,比軍工要求還要高。既不能有低倍上的偏析,高倍的組織要求要很均勻。

10.   體育用品

咱們在電視上看到有的高收入人群打高爾夫球,那個球桿上的擊球的頭部就是鈦合金制造的,咱們附近的

亞鈦用品廠就是專門生產高爾夫球桿上的擊球盒,是鑄造方法生產的。另外有全鈦自行車,鈦制羽毛球拍,網球拍,賽馬比賽騎手的坐鞍等。

11.   汽車制造行業

由于鈦是一種質量輕,高強度,高彈性,耐蝕性好的材料,應用在汽車上可以起到減重,節能,減震,降噪,減少污染,延壽提高汽車安全性和舒適型的綜合作用,是實現汽車輕量化的理想材料,只是由于鈦材料的高價格而不能廣泛的應用到普通汽車,現在只是用在高檔車和賽車上,目前公認的汽車可用鈦替代的零件主要有彈簧,連桿,氣門,氣門座,搖臂,排氣管,消音器,門鏡框,前擋板,后擋板,車門,門側蓋,緊固件,掛耳螺帽,車輪等。美國和日本相繼在汽車上采用鈦材料,早在1956年美國就制造出“火鳥2“型全鈦汽車,日本的三菱和本田公司相繼在一些高檔車和賽車上應用鈦材料替代鋼材料,2006年奧迪美國公司就推出鈦版2006奧迪車。

12.   其他領域

最近美國一家摩托車公司推出一款全鈦車架和全鈦排氣筒的高檔摩托車,車身重199.5公斤,發動機是V2型,全球限量只有十臺,每臺價格是27.5萬美元。在美洲女性佩戴的首飾有COI鈦金手鏈,鈦金戒指,鈦金耳環,鈦金項墜,鈦金鉆石戒指,現在國內生產的鈦金首飾也相當精美。文化方面用鈦現在不是太多,只是在一些數碼相機,.筆記本電腦等高端產品的外殼有采用鈦材料的。另外在建筑的屋頂上使用鈦材料的已經不少了,除了日本外,咱們中國已經在國家大劇院首開先例了。另外,在日用方面也有不少的新東西,有鈦拐杖,鈦茶葉盒,鈦餐具,還有鈦制外殼的手表,中國神五飛船上的楊立偉就是佩帶著鈦合金手表遨游太空21小時23分鐘。神六上的兩位宇航員戴的則是重量僅為94克采用鈦金屬材料制作的手表,大大提高了表面硬度和耐腐蝕性能,比鈦合金手表又上升了一個新的高度。這個工藝沒有報道過,但很有可能使用離子氮化的辦法。

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