浅析我国钛管材发展趋势

 

 

(宝钛集团有限公司 陕西 宝鸡 721014)

 

 要:本文对近期钛材市场发展情况进行了分析。钛材的优异特点使其拥有广泛的应用前景,未来在石油化工、航空航天、海洋工程中会有更多的应用。本文对钛无缝管和钛焊管的生产工艺、产品特点、市场应用情况进行了对比分析,并对国内市场管材新产品,生产商技术发展方向进行了探讨。对未来钛材尤其是钛管材在多个领域中的应用进行了展望。

关键词:钛管;  应用领域;  发展动向

 

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、我国钛工业背景及钛管应用领域简介

1948年美国用镁还原法生产2t海绵钛开始,人类迎来了钛工业时代;虽然真正的工业化始于20世纪50年代,但是钛材凭借着比重轻、强度高、耐腐蚀、导热系数低、耐高温性能好、可焊、无磁、生物相容性好等诸多优异的特性,得到了广泛的关注;但是由于过高的生产成本,阻碍了钛材在工业领域的大范围使用。近年来,科技的发展以及生产技术的进步使得钛材能够被加工成各种产品应用于众多领域,经过半个多世纪的发展,钛材料已经成为航空航天、海洋、石油化工、医疗等行业不可缺少的材料

 

 

1 2013年中国钛加工材在不同领域的销售量,t

 

化工

航空

航天

船舶

冶金

电力

医药

制盐

海洋

工程

体育

其他

合计

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

 

 

从表1的数据可以看出,化工行业仍旧是我国目前钛材消费市场占有比重最大的行业[1]。但是随着经济的持续发展,市场上其他行业对于钛材的需求也会有所增加。    

目前,石油化工等行业对于材料的耐腐蚀性有更高的要求,钛质管材以其良好的耐腐蚀性以及加工性能在石油化工和海洋工程等领域大量应用。从钛及钛合金管材生产技术现状来看,国际上从事钛产品生产的大公司,根据各自的技术水平和拥的有设备均有所侧重,而我国钛管生产企业几乎没有差别,虽然我国焊管厂陆续投产,焊管的产量逐年增加,但是国内主要管材生产厂仍以无缝管生产为主,市场应用也以无缝管为主。

  

 目前我国平均每年钛加工材的产量已达到5万吨,其中钛管的需求量相对稳定。

2、我国钛无缝管的生产工艺及产品特点分析

由于纯钛性能与普通钢材的性能相近,因此钛管生产工艺与钢管生产工艺有很大程度的相似,钛管的应用也一直以替代钢管为主。但是钛管的应用一直受到成本方面的制约。近年来随着市场变化,钛材生产商的增多,导致钛管价格逐渐下降,同时钛管的经济适用性也逐渐被大家认可,这使得管材的应用进一步扩大。

钛管主要分为无缝管和焊接管。目前市场上生产的钛无缝管普遍采用冷轧真空退火工艺,从钛铸锭经过锻造棒坯,制作成管坯,管坯经过多道次轧制及退火工艺,最终制作成钛管。在管坯的制作上,主要分为两种制作工艺,一种方式是钻孔挤压生产管坯,该方式钛金属消耗大,管坯壁厚均匀,选用合适的玻璃润滑剂成为挤压中的关键,且需要较大吨位的挤压机,设备投入较大;另一种方式是钢管生产中普遍采用的斜轧穿孔的方式,该方式钛金属消耗小,管坯厚度公差稍大,穿孔过程中,有时出现穿不透的现象,顶头被卡在坯料中,这是目前生产技术方面值得研究的技术难题。

虽然钛合金无缝管的加工技术比较成熟,但是由于现有设备限制,目前钛管材主要还是以低强度,低合金化的纯钛、钛钼镍等中低强度钛管材为主材,加工工艺仍以冷轧为主。而中高强度钛合金管材的生产,诸如Ti6Al4V材质管材,则需要采用温轧技术,即在轧管机上安装感应加热装置。由此可知,未来在钛无缝管的生产上,随着设备的大型化,辅助设备逐渐完善,技术不断优化,大规格无缝管及部分合金管材将会批量生产并广泛应用。

    现有钛无缝管生产工艺成熟,产品供货稳定,但是对于特殊要求的管材,钛无缝管生产难度较大,如钛及钛合金薄壁管,长度超过14m的超长钛管材;同时钛无缝管生产需要的工具、磨具较多,设备复杂,导致生产商产能有限,生产周期较长,无法满足市场对于薄壁管、超长管、低成本管的大量需求。

3、我国钛焊管的生产工艺及产品特点分析

基于上述钛无缝管的缺点,钛焊管应运而生。目前国际上大型钛焊管公司有日本钢铁公司和神户制钢公司、法国的Valtimet公司、俄罗斯的VSMPO公司等。20世纪80年代中期,宝鸡有色金属加工厂从美国引进了钛焊管生产线。从此结束了我国不能生产钛焊管的历史。制约我国钛焊管发展的主要因素是钛带生产技术不过关。直到2005年由宝钛股份发起、法国Valtimet公司提供技术支持、美国Timet公司供应钛带卷原料,三家共同出资组建西安宝钛美特法力诺焊管有限公司,组建了2条估计先进水平的全自动焊管生产线,该公司成为国内钛焊管领军企业。近年来随着我国电力工业的发展,每年将有2000MW全钛凝气器机组投入运行,全钛凝气器需要安装规格为25.4mmx0.5mm和25.4mmx0.7mm的钛管约25t,该部分钛管基本使用钛焊管,面对大量的市场需求,解决我国钛带卷生产技术难题迫在眉睫。

钛焊管作为一种相对独特的钛管产品,其生产工艺是由冷轧钛卷支撑管形后,采用钨极惰性气体保护焊焊合而成。由于钛材具有优异的耐海水腐蚀性能,钛焊管自产品投入市场后就逐渐替代不锈钢和铜合金管成为冷凝器和热交换器的首选材料,也因此广泛用于滨海电站、海水淡化、海域石油等需要海水作为冷却介质的冷凝器和热交换器。相较于钛无缝管,钛焊管可以用于制造壁厚更薄的管件,可以达到0.3mm-0.5mm,而钛无缝管的最小壁厚为0.9mm左右;同时钛焊管的生产原材料利用率高,生产效率高,经济效益好。

在发达国家,滨海电站和核电站中的冷凝器及凝汽器中焊管逐步替代钛薄壁无缝管,有较多研究关于钛焊管与无缝管的胀接性能、耐压性能、以及抗疲劳性能方面的对比,结果表明目前焊管的焊接质量均能满足苛刻的使用环境[2,3]。由于无缝管成品率低,生产周期长,造价高,而纯钛焊管的生产工序短,生产成本低,生产效率高,大力发展焊管是一种发展趋势。

从表2可见,钛比任何金属都耐海水腐蚀,即零腐蚀,是所有其他金属所不及的。同时,钛的抗水流冲击腐蚀能力最好,水速又不受限制。所以,钛管冷却器对于希望利用海水直接冷却的电厂特别适合。

 

 

2 不同金属耐海水腐蚀性能对比

金属

全浸区腐蚀率(mm/年)

浸汐区腐蚀率(mm/年)

抗冲击腐蚀能力

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

 

 

较好

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

优良

Ti

0

0

0

0

优秀

 

钛焊管随着钛带的稳定供货,成本进一步下降,竞争更加激烈。有资料显示自2008年以来,海绵钛产能的膨胀式扩张,加快了我国钛带生产线的建设步伐,在钛带原料供应局势迅速改变和中国核电建设规划预期的刺激下,自2008年起中国大陆掀起了一股强劲的钛焊管生产线投资热潮。据不完全统计,已有50余条生产线陆续建成,产能超过12000吨。海关数据显示2010年我国进口钛焊管3032吨,但是随着金融危机的爆发,以及福岛电站核事故的发生,焊管市场一下进入了寒冬[4]2011年我国进口焊管只有2300吨[5]。目前国内钛焊管质量方面还有待提高,市场前景广阔,可以预见的是,钛焊管成本方面的优势,将促使未来钛焊管部分替代钛无缝管。

4、其他钛管的发展前景

4.1 大直径热挤压钛合金管的生产开发

随着经济发展,促使石油天然气钻探和开采步伐加快,用于油井、地热和天然气井管道等方面的大直径钛合金管热挤压管材的需求也随之增加。目前,美国将(48-610)mmx26mmx2600mm的Ti6Al4V-Ru合金管用作地热、海上钻井管道,美国RMI公司生产的650mmx(22-25)mmx350000mm超长Ti3Al2.5V-Ru合金管用于海底石油开采;挪威北海钻井支撑平台立管采用的是600mmx25mmx15000mm的Ti6Al4V Eli合金管;俄罗斯的公司将生产的含有Pd、Ru的合金及Ti6Al4V合金管用于石油开采方面[6]。我国在大直径热挤压钛合金管生产方面基本空白,失去市场占有率。

目前国外大规格钛合金管材,均采用热挤压法生产,技术成熟,关键在于是否具备大型挤压机以及高效的润滑剂,美国、俄罗斯等公司配有20000t挤压机,而美国雷诺公司的挤压机达27000t,美国的大直径钛合金挤压管生产居世界领先水平。目前我国已经能制造10000t挤压机,为生产较大直径的钛合金挤压管创造了条件。高效的润滑剂能够有效减少模具损耗,改善产品质量,可以进一步降低管材产品生产成本。

钛供应商加强与海洋装备制造商的联系,进一步推动钛制换热器、管道、阀门、紧固件等产品在海洋石油开采,船舶,海水淡化方面的应用开发;另一方面通过创新和技术提升,进一步降低成本,解决技术难点,不断推出新产品。

我国基本上还没有开展对海洋工程系统性的研究工作,与发达国家存在较大差距。

4.2 钛型管的生产开发

国际上对钛型管的研发过程比较缓慢,只有美国的公司采用挤压和拉伸法,生产出正方形、长方形、三角形、椭圆形等多种形状的钛管,成为世界上唯一一家生产钛型管的公司。由于钛合金在室温下成形具有各向异性显著、变形抗力大、塑性差、延伸率有限、成形困难、回弹显著等特点[7-8] , 钛材的弯曲工艺十分复杂,正因为这一原因,限制了钛型管的开发。目前钛型管的应用还不够广泛,用量不多,但是在建筑、体育及特殊工程等领域,市场潜力较大。我国也应当加大对于钛型管的技术研发。

5、结论

一方面,随着海绵钛厂技术改造升级,效率进一步提高,海绵钛的成本还将会有所降低,这直接导致钛加工材的成本降低,促进了钛材的市场应用。另一方面,残钛回收生产线的进一步完善,钛材的成本也会降低,相较于其他材质的管材,钛管材的价格会更具有竞争优势。

在钛管材的生产上,生产商的管材轧机逐步改造升级,钛管规格会进一步扩大。钛管材尺寸精度和产品质量会进一步提高,将会生产出更多的特色产品,以满足不同行业的需求。同时,目前钛产业集中度不高,生产商应以现有设备为基础,逐步进行设备改造升级,积极寻求合作,通过同大型钢厂合作,利用大型化设备拓展产品规格范围,开发新产品。

在钛焊管方面,随着钛带生产线的建立,钛带生产工艺的完善,带材产品质量稳步提高,使得钛焊管本身生产成本降低,价格稳定;随着钛管焊接质量的提高,将进一步扩大钛焊管市场占有率,并逐渐替代钛无缝管的使用。

 

 

参考文献:

[1]王向东,逯福生,贾翃,郝斌. 2013年中国钛工业发展报告[J]. 中国钛业,2014(1):3-8

[2]刘茵琪,贾祥亚,曹恒,马虹剑,张东东,孟娜. 薄壁纯钛焊管的性能研究[J]. 材料开发与应用,20134):1-5

[3]贾祥亚,李德雨,刘茵琪. 替代无缝钛管的焊接钛管应用性能研究[J]. 材料开发与应用,2014(8):40-42

[4]李长江. 中国钛焊管行业发展现状分析[J]. 钛工业进展, 2013(1): 5-7

[5]王向东,逯福生,贾翃,郝斌. 2011年中国钛工业发展报告[J]. 钛业工业进展,2012(4):1-6

[6]林永新,钛及钛合金管材生产技术现状[J]. 稀有金属快报. 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