淺析我國鈦管材發展趨勢

 

 

(寶鈦集團有限公司 陜西 寶雞 721014)

 

 要:本文對近期鈦材市場發展情況進行了分析。鈦材的優異特點使其擁有廣泛的應用前景,未來在石油化工、航空航天、海洋工程中會有更多的應用。本文對鈦無縫管和鈦焊管的生產工藝、產品特點、市場應用情況進行了對比分析,并對國內市場管材新產品,生產商技術發展方向進行了探討。對未來鈦材尤其是鈦管材在多個領域中的應用進行了展望。

關鍵詞:鈦管;  應用領域;  發展動向

 

THE ANALYSIS OF DEVELOPMENT TREND OF CHINESE TITANIUM TUBE

JIN Yu

(Baotigroup Ltd. Shannxi Baoji 721014)

 

Abstract: The Author analysis the recent development trend of Titanium materials. With the excellent properties, titanium have a good application prospect. There would be much more application in the Oil, Chemical industry, Aerospace, Aviation and Ocean engineering in future. A Comparative analysis for the progress product feature, application and market information of titanium seamless tube and welded tube. Investigate the new products and the development of technical of Chinese market. Prospect the application in several filed of titanium materials, especially for the titanium tube.

Key word: Titanium tube;  Application field;  Development status

 

1、我國鈦工業背景及鈦管應用領域簡介

1948年美國用鎂還原法生產2t海綿鈦開始,人類迎來了鈦工業時代;雖然真正的工業化始于20世紀50年代,但是鈦材憑借著比重輕、強度高、耐腐蝕、導熱系數低、耐高溫性能好、可焊、無磁、生物相容性好等諸多優異的特性,得到了廣泛的關注;但是由于過高的生產成本,阻礙了鈦材在工業領域的大范圍使用。近年來,科技的發展以及生產技術的進步使得鈦材能夠被加工成各種產品應用于眾多領域,經過半個多世紀的發展,鈦材料已經成為航空航天、海洋、石油化工、醫療等行業不可缺少的材料

 

 

1 2013年中國鈦加工材在不同領域的銷售量,t

 

化工

航空

航天

船舶

冶金

電力

醫藥

制鹽

海洋

工程

體育

其他

合計

21,778

4,666

352

2,631

5,706

538

1,676

880

2,151

891

所占比例

(%)

52.77

11.31

0.86

6.38

13.83

1.30

4.06

2.13

5.21

2.15

 

 

從表1的數據可以看出,化工行業仍舊是我國目前鈦材消費市場占有比重最大的行業[1]。但是隨著經濟的持續發展,市場上其他行業對于鈦材的需求也會有所增加。    

目前,石油化工等行業對于材料的耐腐蝕性有更高的要求,鈦質管材以其良好的耐腐蝕性以及加工性能在石油化工和海洋工程等領域大量應用。從鈦及鈦合金管材生產技術現狀來看,國際上從事鈦產品生產的大公司,根據各自的技術水平和擁的有設備均有所側重,而我國鈦管生產企業幾乎沒有差別,雖然我國焊管廠陸續投產,焊管的產量逐年增加,但是國內主要管材生產廠仍以無縫管生產為主,市場應用也以無縫管為主。

  

 目前我國平均每年鈦加工材的產量已達到5萬噸,其中鈦管的需求量相對穩定。

2、我國鈦無縫管的生產工藝及產品特點分析

由于純鈦性能與普通鋼材的性能相近,因此鈦管生產工藝與鋼管生產工藝有很大程度的相似,鈦管的應用也一直以替代鋼管為主。但是鈦管的應用一直受到成本方面的制約。近年來隨著市場變化,鈦材生產商的增多,導致鈦管價格逐漸下降,同時鈦管的經濟適用性也逐漸被大家認可,這使得管材的應用進一步擴大。

鈦管主要分為無縫管和焊接管。目前市場上生產的鈦無縫管普遍采用冷軋真空退火工藝,從鈦鑄錠經過鍛造棒坯,制作成管坯,管坯經過多道次軋制及退火工藝,最終制作成鈦管。在管坯的制作上,主要分為兩種制作工藝,一種方式是鉆孔擠壓生產管坯,該方式鈦金屬消耗大,管坯壁厚均勻,選用合適的玻璃潤滑劑成為擠壓中的關鍵,且需要較大噸位的擠壓機,設備投入較大;另一種方式是鋼管生產中普遍采用的斜軋穿孔的方式,該方式鈦金屬消耗小,管坯厚度公差稍大,穿孔過程中,有時出現穿不透的現象,頂頭被卡在坯料中,這是目前生產技術方面值得研究的技術難題。

雖然鈦合金無縫管的加工技術比較成熟,但是由于現有設備限制,目前鈦管材主要還是以低強度,低合金化的純鈦、鈦鉬鎳等中低強度鈦管材為主材,加工工藝仍以冷軋為主。而中高強度鈦合金管材的生產,諸如Ti6Al4V材質管材,則需要采用溫軋技術,即在軋管機上安裝感應加熱裝置。由此可知,未來在鈦無縫管的生產上,隨著設備的大型化,輔助設備逐漸完善,技術不斷優化,大規格無縫管及部分合金管材將會批量生產并廣泛應用。

    現有鈦無縫管生產工藝成熟,產品供貨穩定,但是對于特殊要求的管材,鈦無縫管生產難度較大,如鈦及鈦合金薄壁管,長度超過14m的超長鈦管材;同時鈦無縫管生產需要的工具、磨具較多,設備復雜,導致生產商產能有限,生產周期較長,無法滿足市場對于薄壁管、超長管、低成本管的大量需求。

3、我國鈦焊管的生產工藝及產品特點分析

基于上述鈦無縫管的缺點,鈦焊管應運而生。目前國際上大型鈦焊管公司有日本鋼鐵公司和神戶制鋼公司、法國的Valtimet公司、俄羅斯的VSMPO公司等。20世紀80年代中期,寶雞有色金屬加工廠從美國引進了鈦焊管生產線。從此結束了我國不能生產鈦焊管的歷史。制約我國鈦焊管發展的主要因素是鈦帶生產技術不過關。直到2005年由寶鈦股份發起、法國Valtimet公司提供技術支持、美國Timet公司供應鈦帶卷原料,三家共同出資組建西安寶鈦美特法力諾焊管有限公司,組建了2條估計先進水平的全自動焊管生產線,該公司成為國內鈦焊管領軍企業。近年來隨著我國電力工業的發展,每年將有2000MW全鈦凝氣器機組投入運行,全鈦凝氣器需要安裝規格為25.4mmx0.5mm和25.4mmx0.7mm的鈦管約25t,該部分鈦管基本使用鈦焊管,面對大量的市場需求,解決我國鈦帶卷生產技術難題迫在眉睫。

鈦焊管作為一種相對獨特的鈦管產品,其生產工藝是由冷軋鈦卷支撐管形后,采用鎢極惰性氣體保護焊焊合而成。由于鈦材具有優異的耐海水腐蝕性能,鈦焊管自產品投入市場后就逐漸替代不銹鋼和銅合金管成為冷凝器和熱交換器的首選材料,也因此廣泛用于濱海電站、海水淡化、海域石油等需要海水作為冷卻介質的冷凝器和熱交換器。相較于鈦無縫管,鈦焊管可以用于制造壁厚更薄的管件,可以達到0.3mm-0.5mm,而鈦無縫管的最小壁厚為0.9mm左右;同時鈦焊管的生產原材料利用率高,生產效率高,經濟效益好。

在發達國家,濱海電站和核電站中的冷凝器及凝汽器中焊管逐步替代鈦薄壁無縫管,有較多研究關于鈦焊管與無縫管的脹接性能、耐壓性能、以及抗疲勞性能方面的對比,結果表明目前焊管的焊接質量均能滿足苛刻的使用環境[2,3]。由于無縫管成品率低,生產周期長,造價高,而純鈦焊管的生產工序短,生產成本低,生產效率高,大力發展焊管是一種發展趨勢。

從表2可見,鈦比任何金屬都耐海水腐蝕,即零腐蝕,是所有其他金屬所不及的。同時,鈦的抗水流沖擊腐蝕能力最好,水速又不受限制。所以,鈦管冷卻器對于希望利用海水直接冷卻的電廠特別適合。

 

 

2 不同金屬耐海水腐蝕性能對比

金屬

全浸區腐蝕率(mm/年)

浸汐區腐蝕率(mm/年)

抗沖擊腐蝕能力

平均

最大

平均

最大

 

Cu

0.04

0.08

0.02

0.18

90Cu10Zn

0.04

0.05

0.03

 

不好

70Cu30Zn

0.05

0.1

 

 

較好

22Zn2Al0.02As

0.02

0.18

 

 

良好

7%Al2%Si

0.03

0.08

0.01

0.05

良好

BFe30-1-1

0.008

0.03

0.05

0.3

優良

Ti

0

0

0

0

優秀

 

鈦焊管隨著鈦帶的穩定供貨,成本進一步下降,競爭更加激烈。有資料顯示自2008年以來,海綿鈦產能的膨脹式擴張,加快了我國鈦帶生產線的建設步伐,在鈦帶原料供應局勢迅速改變和中國核電建設規劃預期的刺激下,自2008年起中國大陸掀起了一股強勁的鈦焊管生產線投資熱潮。據不完全統計,已有50余條生產線陸續建成,產能超過12000噸。海關數據顯示2010年我國進口鈦焊管3032噸,但是隨著金融危機的爆發,以及福島電站核事故的發生,焊管市場一下進入了寒冬[4]2011年我國進口焊管只有2300噸[5]。目前國內鈦焊管質量方面還有待提高,市場前景廣闊,可以預見的是,鈦焊管成本方面的優勢,將促使未來鈦焊管部分替代鈦無縫管。

4、其他鈦管的發展前景

4.1 大直徑熱擠壓鈦合金管的生產開發

隨著經濟發展,促使石油天然氣鉆探和開采步伐加快,用于油井、地熱和天然氣井管道等方面的大直徑鈦合金管熱擠壓管材的需求也隨之增加。目前,美國將(48-610)mmx26mmx2600mm的Ti6Al4V-Ru合金管用作地熱、海上鉆井管道,美國RMI公司生產的650mmx(22-25)mmx350000mm超長Ti3Al2.5V-Ru合金管用于海底石油開采;挪威北海鉆井支撐平臺立管采用的是600mmx25mmx15000mm的Ti6Al4V Eli合金管;俄羅斯的公司將生產的含有Pd、Ru的合金及Ti6Al4V合金管用于石油開采方面[6]。我國在大直徑熱擠壓鈦合金管生產方面基本空白,失去市場占有率。

目前國外大規格鈦合金管材,均采用熱擠壓法生產,技術成熟,關鍵在于是否具備大型擠壓機以及高效的潤滑劑,美國、俄羅斯等公司配有20000t擠壓機,而美國雷諾公司的擠壓機達27000t,美國的大直徑鈦合金擠壓管生產居世界領先水平。目前我國已經能制造10000t擠壓機,為生產較大直徑的鈦合金擠壓管創造了條件。高效的潤滑劑能夠有效減少模具損耗,改善產品質量,可以進一步降低管材產品生產成本。

鈦供應商加強與海洋裝備制造商的聯系,進一步推動鈦制換熱器、管道、閥門、緊固件等產品在海洋石油開采,船舶,海水淡化方面的應用開發;另一方面通過創新和技術提升,進一步降低成本,解決技術難點,不斷推出新產品。

我國基本上還沒有開展對海洋工程系統性的研究工作,與發達國家存在較大差距。

4.2 鈦型管的生產開發

國際上對鈦型管的研發過程比較緩慢,只有美國的公司采用擠壓和拉伸法,生產出正方形、長方形、三角形、橢圓形等多種形狀的鈦管,成為世界上唯一一家生產鈦型管的公司。由于鈦合金在室溫下成形具有各向異性顯著、變形抗力大、塑性差、延伸率有限、成形困難、回彈顯著等特點[7-8] , 鈦材的彎曲工藝十分復雜,正因為這一原因,限制了鈦型管的開發。目前鈦型管的應用還不夠廣泛,用量不多,但是在建筑、體育及特殊工程等領域,市場潛力較大。我國也應當加大對于鈦型管的技術研發。

5、結論

一方面,隨著海綿鈦廠技術改造升級,效率進一步提高,海綿鈦的成本還將會有所降低,這直接導致鈦加工材的成本降低,促進了鈦材的市場應用。另一方面,殘鈦回收生產線的進一步完善,鈦材的成本也會降低,相較于其他材質的管材,鈦管材的價格會更具有競爭優勢。

在鈦管材的生產上,生產商的管材軋機逐步改造升級,鈦管規格會進一步擴大。鈦管材尺寸精度和產品質量會進一步提高,將會生產出更多的特色產品,以滿足不同行業的需求。同時,目前鈦產業集中度不高,生產商應以現有設備為基礎,逐步進行設備改造升級,積極尋求合作,通過同大型鋼廠合作,利用大型化設備拓展產品規格范圍,開發新產品。

在鈦焊管方面,隨著鈦帶生產線的建立,鈦帶生產工藝的完善,帶材產品質量穩步提高,使得鈦焊管本身生產成本降低,價格穩定;隨著鈦管焊接質量的提高,將進一步擴大鈦焊管市場占有率,并逐漸替代鈦無縫管的使用。

 

 

參考文獻:

[1]王向東,逯福生,賈翃,郝斌. 2013年中國鈦工業發展報告[J]. 中國鈦業,2014(1):3-8

[2]劉茵琪,賈祥亞,曹恒,馬虹劍,張東東,孟娜. 薄壁純鈦焊管的性能研究[J]. 材料開發與應用,20134):1-5

[3]賈祥亞,李德雨,劉茵琪. 替代無縫鈦管的焊接鈦管應用性能研究[J]. 材料開發與應用,2014(8):40-42

[4]李長江. 中國鈦焊管行業發展現狀分析[J]. 鈦工業進展, 2013(1): 5-7

[5]王向東,逯福生,賈翃,郝斌. 2011年中國鈦工業發展報告[J]. 鈦業工業進展,2012(4):1-6

[6]林永新,鈦及鈦合金管材生產技術現狀[J]. 稀有金屬快報. 2005, (2):4

[7]Richard W Davies, Mohammad A Khaleel, William C Kinsel,et al.Anisotropic yield locus evolution during cold pilge ring of titanium alloy tubing [ J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 2002 .124(2):125-134

[8] P M MacKenzie, C A Walker, J McKelvie.A method for evaluating the mechanical performance of thin walled titanium tubes [ J]. Thin-Walled Structures ,2007.45:400-406

 

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