中国战略性矿产——钛

学术 2024-11-15 22:06 北京

钛，作为一种被誉为“太空金属”、“海洋金属”、“现代金属”和“战略金属”的稀有金属，其战略地位不言而喻。尽管在自然界中钛的存在分散并难以提取，但其相对丰富，在所有元素中居第十位，主要矿石有钛铁矿及金红石，广布于地壳及岩石圈之中。钛及钛合金对一个国家的国防、经济及科技的发展具有至关重要的战略意义，钛工业发展水平更是一个国家综合实力的重要标志。

在航空航天领域，钛及钛合金的应用广泛且深入。航空航天工业是研制和应用钛及钛合金最早的部门，飞机和发动机中钛的应用是制造高性能飞行器的关键。例如，如果没有钛，实际上就不可能制造出Ma2.7的超音速飞机。钛在航天工业中也发挥着重要作用，它减轻了发射重量、增加了射程、节省了费用，是航天工业的热门材料。火箭、导弹和航天工业中常用钛制作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体等关键部件。

图1 航空航天应用

海洋工程是钛材的另一大应用领域。钛材在海洋装备中具有优异的性能，如质轻、热膨胀系数低、无磁性、导热率与热传递速率匹配良好、透声性好等。这些特性使得钛材成为制造船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件等海洋装备的理想材料。例如，美国的Alvin深潜器和日本的“深海6500”载人球壳都采用钛材制备，以增加下潜深度和提高使用寿命。

在新能源领域，钛的应用同样不可忽视。钛具有优异的高温性能和耐腐蚀性，使其成为制造地热发电装置中冷凝器、汽轮机、泵、配件和管道的理想材料。在热能和核能发电装置中，钛制的冷凝器和热交换器使用寿命长达40年，显著提高了采热实收率，延长了地热井的寿命。此外，钛还具有良好的可逆吸、放氢性能，是储氢合金的良好原料，有潜力应用于锂电池、太阳能电池等新型电池材料中。

生物医疗领域也是钛材的重要应用领域之一。钛及钛合金具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，因此被广泛应用于临床医学和口腔医疗中。它们可以作为人造骨头和关节植入人体中，对人体中失效的骨头和关节进行替换，如替换髋关节、脊椎等。此外，钛材还可以用于制作固定螺钉、骨折固定板以及种植牙齿、义齿支架等医疗器械。

一、钛的基本概述

（一）定义与性质

钛是一种具有银白色光泽的过渡金属，其独特的物理化学性质使其在多个领域具有广泛的应用价值。钛的熔点高达1668°C，比重相对较轻（约为4.5g/cm³），同时展现出优异的机械强度。它耐低温性能良好，能在极低的温度下保持其物理和化学性质的稳定。此外，钛的耐磨蚀性出色，能够在恶劣的环境条件下长期保持其完整性。

图2 钛

钛的线钛塑性良好，这意味着它可以在加工过程中轻松地被塑造成各种形状。同时，钛不易氧化，即使在高温下也能保持其金属光泽。其还原性强，可以与其他元素形成多种化合物。

钛的氧化物——二氧化钛，同样具有独特的性质。二氧化钛无毒，具有良好的物理化学稳定性，折射指数高，使得它在光学领域有着广泛的应用。此外，二氧化钛还具有很强的白度、着色力、遮盖力、耐温性和抗粉化性，这些特性使其成为多种工业产品的理想原料。

（二）主要化合物及应用

钛的主要化合物包括二氧化钛和钛酸盐等。

1.二氧化钛

二氧化钛是一种重要的白色颜料，广泛应用于涂料、塑料、造纸、油墨等行业。其优异的白度和遮盖力使得它成为这些行业中不可或缺的原料。

图3 二氧化钛

在涂料行业中，二氧化钛可以增加涂料的白度和耐久性，提高涂层的遮盖力和抗老化性能。

在塑料行业中，二氧化钛可以作为增白剂和遮光剂，提高塑料制品的白度和抗紫外线性能。

在造纸行业中，二氧化钛可以增加纸张的白度和不透明度，提高纸张的质量和美感。

在油墨行业中，二氧化钛可以作为白色颜料和填充剂，提高油墨的遮盖力和印刷效果。

2.钛酸盐

钛酸盐在电子、陶瓷、化工等领域有着重要应用。

例如，钛酸钡是一种重要的电子陶瓷材料，具有优异的压电性能和介电性能，广泛应用于电子元件和传感器中。

图4 钛酸钡

其他钛酸盐如钛酸钾、钛酸钠等也在陶瓷、玻璃、催化剂等领域发挥着重要作用。

二、中国钛矿资源状况

（一）储量与分布

中国是世界上钛矿资源储量较为丰富的国家之一，其钛矿资源具有分布广泛、类型多样的特点。已探明的钛矿储量主要分布在四川攀西、河北承德、云南、海南、广西和广东等地区，这些地区构成了中国钛矿资源的主要产区。

图5 中国矿产资源分布示意图（钛矿）

四川攀西地区：四川攀西地区是中国钛矿资源最为丰富的地区之一，其储量在全国占据重要地位。攀西地区的钛矿主要以原生钛铁矿和钒钛磁铁矿为主，这些矿石不仅储量大，而且品位较高，具有较高的开发利用价值。

河北承德地区：河北承德地区也是中国重要的钛矿资源产地之一。该地区的钛矿主要以原生钛铁矿为主，矿石质量稳定，易于开采和加工。

云南、海南、广西和广东：这些地区主要以钛铁砂矿资源为主，储量相对丰富。钛铁砂矿是一种重要的钛资源，通过选矿和冶炼等工艺可以提取出高品质的钛产品。

河南、湖北和山西：这些地区则主要分布着金红石矿资源，虽然数量相对较少，但金红石是生产高端钛材的优质原材料，因此具有极高的经济价值。

（二）矿石类型

中国的钛矿主要有钛铁矿、金红石和钛磁铁矿等类型。这些不同类型的钛矿在化学成分、物理性质和开发利用价值等方面存在差异。

钛铁矿：钛铁矿是中国钛矿资源中最主要的一种类型，也是提取钛和二氧化钛的主要矿物。钛铁矿具有储量丰富、分布广泛、易于开采和加工等特点，是中国钛工业的重要原料来源。

图6 钛铁矿

金红石：金红石是一种高品质的钛矿物，其钛含量高达95%以上，是生产高端钛材的优质原材料。金红石的储量相对较少，但因其独特的物理化学性质而具有极高的经济价值。

图7 金红石

钛磁铁矿：钛磁铁矿是一种含有铁、钛等多种元素的复合矿物，其中钒钛磁铁矿是四川攀枝花地区特有的钛矿类型。这种矿石不仅含有较高的钛含量，还富含钒等稀有金属元素，具有极高的综合利用价值。

图8 钛磁铁矿

三、中国钛矿的开采与加工

（一）开采技术与现状

钛矿的开采方法因矿石类型和地质条件而异，主要包括露天开采和地下开采两种方式。在中国，钛矿开采技术不断发展，但仍面临一些挑战。

露天开采：适用于矿体较浅、规模较大的钛矿。这种方法通过挖掘地表矿坑，使用大型机械设备进行采掘，具有效率高、成本低的优势。然而，它也可能对地表环境造成较大影响，需要采取有效的环保措施。

地下开采：适用于矿体较深、规模较小的钛矿。通过开挖矿井和坑道，使用井下设备进行采掘，这种方法可以有效减少对地表的破坏。但地下开采技术难度相对较大，成本也较高。

目前，中国在一些钛矿开采地区仍面临着开采难度大、成本高、资源回收率低等问题。这主要是由于钛矿资源往往分布在地质条件复杂、交通不便的地区，给开采工作带来了很大困难。此外，一些地区的钛矿品位较低，也增加了开采和加工的成本。

（二）选矿与加工工艺

钛矿的选矿工艺主要包括重选、浮选、磁选等方法，这些方法的目的是提高钛矿的品位和回收率。

重选：利用矿石的密度差异进行分选，适用于密度差异较大的钛矿。通过摇床、螺旋溜槽等设备，可以将钛矿与其他杂质分离开来。

浮选：适用于一些难以通过重选和磁选分离的矿石。通过添加药剂，使钛矿颗粒附着在气泡上浮出，从而与杂质分离。浮选技术具有适应性强、分选效率高的优点。

磁选：利用钛矿的磁性进行分选。钛矿具有磁性，可以通过磁选机将其与非磁性矿物分离。磁选技术具有操作简单、成本低的优点。

在钛矿加工方面，中国已经形成了较为完整的产业链。钛矿的加工主要包括钛精矿的冶炼、海绵钛的生产以及钛材的加工制造等环节。

钛精矿的冶炼：将选矿后的钛精矿进行冶炼，得到高纯度的钛产品。这一环节需要采用先进的冶炼技术和设备，以确保产品质量和降低生产成本。

海绵钛的生产：海绵钛是钛材加工的重要原料。通过熔盐电解法或碘化法等方法，可以将钛精矿转化为海绵钛。中国海绵钛的产量已经位居世界前列，但高端海绵钛的生产技术仍有待提高。

钛材的加工制造：将海绵钛进行熔炼、锻造、轧制等工艺处理，得到不同规格和形状的钛材。中国在钛材加工领域已经具备了一定的技术实力和生产能力，但在高端钛材加工技术方面仍有待突破。

四、中国钛产业发展现状

（一）产业规模与结构

中国钛产业主要分为钛矿采选、钛白粉生产、海绵钛至钛材生产三大板块，涵盖了从钛矿开采到钛材加工制造的全过程。近年来，中国钛产业呈现出稳步增长的态势，各类主要产品产量与需求量连创新高，已成为全球钛工业的重要生产基地之一。

钛矿采选：中国拥有丰富的钛矿资源，主要分布在四川、河北、云南、海南等地。随着开采技术的不断进步和资源的有效整合，中国钛矿采选业规模持续扩大，为下游产业提供了稳定的原料供应。

钛白粉生产：钛白粉是一种重要的无机颜料，广泛应用于涂料、塑料、造纸等领域。中国钛白粉生产企业众多，其中龙佰集团、中核钛白等企业规模较大，技术先进，具有较强的市场竞争力。

海绵钛至钛材生产：海绵钛是生产钛材的重要原料，经过熔炼、锻造、轧制等工序可加工成各种钛材。中国海绵钛及钛材生产企业数量不断增加，产能持续提升，产品质量和技术水平不断提高，满足了国内外市场的需求。

（二）主要企业与市场竞争

中国钛行业的龙头企业有龙佰集团、中核钛白、惠云钛业、宝钛集团等，这些企业在钛矿采选、钛白粉生产、海绵钛及钛材加工等领域具有较强的竞争力。

龙佰集团：作为全球最大的钛白粉生产企业之一，龙佰集团在钛矿采选、钛白粉生产及海绵钛生产方面均处于行业领先地位。公司不断加大技术创新和研发投入，提升产品质量和生产效率，市场竞争力持续增强。

中核钛白：中核钛白是中国钛白粉行业的知名企业之一，拥有先进的生产技术和完善的销售网络。公司注重产品质量和品牌建设，积极开拓国内外市场，取得了良好的经营业绩。

惠云钛业：惠云钛业是一家专注于钛白粉生产的企业，拥有较为完整的产业链和较强的技术实力。公司不断加强技术创新和产品研发，提高产品质量和附加值，市场竞争力不断提升。

宝钛集团：宝钛集团是中国钛材生产的龙头企业之一，拥有先进的生产设备和工艺技术，能够生产各种规格和型号的钛材产品。公司注重技术创新和产品质量提升，在国内外市场上享有较高的声誉。

随着中国钛产业的不断发展，越来越多的企业进入该领域，市场竞争日益激烈。为了保持竞争优势，企业需要不断加强技术创新和研发投入，提升产品质量和生产效率，降低成本和能耗，加强品牌建设和市场拓展。同时，政府也需要加大对钛产业的支持力度，推动产业升级和转型发展，提高整个产业的竞争力和可持续发展能力。

五、钛在各领域的应用

（一）航空航天领域

钛合金凭借其高强度、低密度以及出色的耐热性能，在航空航天领域发挥着举足轻重的作用。在飞机制造中，钛合金被广泛应用于大梁隔框等结构框架件，以及锻造钛风扇、压气机盘、叶片、发动机罩和排气装置等关键部件。这些应用不仅提升了飞机的结构强度和稳定性，还有效减轻了飞行器的重量，从而提高了其飞行性能和可靠性。在航天领域，钛合金同样表现出色，被用于制造人造卫星外壳、飞船蒙皮、火箭发动机壳体和导弹等关键部件，为航天器的成功发射和运行提供了有力保障。

（二）舰船制造与海洋工程领域

钛的耐腐蚀性、高强度和低密度等特性使其成为舰船和海洋工程设备的理想材料。在舰船制造中，钛合金被广泛应用于核潜艇、深潜器、原子能破冰船等各类舰艇的制造，以及螺旋桨推进器、鞭状天线、海水管路等舰船设备的制造。这些应用不仅提高了舰船的耐用性和可靠性，还降低了维护成本。在海洋工程中，钛还广泛应用于海水淡化、海洋石油钻探和海洋热能转换电站等领域，为海洋资源的开发和利用提供了有力支持。

图9 舰船应用

（三）化工与冶金领域

钛及其合金在化工和冶金领域同样具有广泛的应用。在化工领域，钛及其合金因其良好的耐腐蚀性和高温稳定性，被用于制造化工反应釜、换热器和蒸发器等设备，有效提高了化工生产的效率和安全性。在冶金领域，钛作为合金元素被加入到钢中，可以显著改善钢的性能，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性，从而满足各种复杂工况下的使用需求。

图10 锻造钛合金

（四）医疗与生物领域

钛在医疗与生物领域的应用也备受瞩目。由于其良好的生物相容性和耐腐蚀性，钛不会对人体组织产生不良反应，因此被广泛应用于医疗器械的制造中。例如，人工关节、牙科植入物和心脏起搏器等医疗器械都采用了钛合金材料。这些应用不仅提高了医疗器械的耐用性和可靠性，还为患者的康复和生活质量提供了有力保障。

图11 医疗应用

（五）其他领域

除了上述领域外，钛还在电子、电力、汽车、体育用品和建筑等领域有着广泛的应用。在电子领域，钛被用于制造电子元件和电极材料；在电力领域，钛被用于制造发电机和变压器的关键部件；在汽车领域，钛被用于制造汽车发动机零部件和轻量化车身结构；在体育用品领域，钛被用于制造高尔夫球杆等高端运动器材；在建筑领域，钛被用于制造建筑装饰材料和结构件等。这些应用不仅丰富了钛的应用领域，还推动了相关产业的发展和进步。

图12 钛钢

六、中国钛产业面临的挑战与机遇

（一）面临的挑战

资源保障问题：中国虽然钛矿资源储量丰富，但高品质的、易于开采的钛矿资源相对有限。随着钛产业的快速发展，对钛矿资源的需求日益增加，资源保障压力逐渐显现。如何有效开发和利用有限的钛矿资源，确保钛产业的可持续发展，是当前面临的重要挑战。

技术创新能力不足：在高端钛材加工制造和钛合金研发方面，中国与国际先进水平相比仍存在一定差距。技术创新能力不足限制了高性能钛材在航空航天、海洋工程等高端领域的应用。因此，加强技术创新，提升自主研发能力，是提升中国钛产业竞争力的关键。

环境污染问题：钛矿开采和加工过程中会产生大量废渣、废水和废气，对环境造成污染。随着环保意识的提高，如何实现钛产业的绿色发展，减少环境污染，成为亟待解决的问题。

市场竞争压力：全球钛市场竞争激烈，中国钛产业面临着来自国际钛企业的竞争压力。同时，国内市场也存在产能过剩、产品同质化等问题。为了提升市场竞争力，需要加强产业整合和结构调整，优化资源配置。

（二）发展机遇

市场需求增长：随着全球经济的持续发展和科技的不断进步，航空航天、海洋工程、新能源、生物医疗等领域对钛及其合金的需求不断增加。这为中国钛产业提供了广阔的市场空间，为钛产业的发展带来了巨大机遇。

政策支持：国家对战略性新兴产业的支持力度不断加大，钛作为一种重要的战略性矿产资源，将受益于相关政策的扶持。产业发展规划、财政补贴、税收优惠等政策措施将促进钛产业的转型升级和可持续发展。

技术进步推动：近年来，中国在钛矿开采、选矿、冶炼、加工等领域的技术不断取得突破，为钛产业的发展提供了有力支撑。随着科技的不断创新，新材料研发、先进制造技术等将进一步推动钛产业的发展，提高产品质量和生产效率。

国际合作机遇：中国与独联体国家等在钛工业领域的合作不断深化，双方在资源开发、技术交流、产业合作等方面具有广阔的合作空间。通过加强国际合作，可以实现优势互补，共同推动全球钛工业的发展，为中国钛产业提供更多发展机遇。

七、发展战略与建议

（一）资源勘查与开发

策略：加大对钛矿资源的勘查力度，利用现代地质勘查技术和方法，寻找更多优质钛矿资源。同时，提高资源开发利用效率，加强对低品位钛矿资源的综合回收利用，确保钛产业的资源供应稳定。

实施路径：建立钛矿资源勘查与开发的长效机制，鼓励企业、高校和科研机构共同参与，形成产学研用紧密结合的勘查开发体系。加强国际合作，利用国外资源和技术，提升我国钛矿资源的勘查与开发能力。

（二）技术创新与升级

策略：加大对钛产业技术研发的投入，加强与高校、科研机构的合作，开展关键技术攻关，提升我国在高端钛材加工制造、钛合金研发等领域的技术水平。

实施路径：建立技术创新平台，支持企业、高校和科研机构开展联合研发，推动产学研深度融合。鼓励企业加大研发投入，引进和培育高端技术人才，提升自主创新能力。加强国际合作与交流，引进国外先进技术和管理经验，推动钛产业向高端化、智能化、绿色化方向发展。

（三）产业结构与布局

策略：加强钛产业的整合与重组，淘汰落后产能，优化产业结构，提高产业集中度。同时，根据资源分布和市场需求，合理布局钛产业，形成产业集群，提高产业协同效应和竞争力。

实施路径：制定钛产业发展规划，明确产业发展方向和重点。鼓励企业兼并重组，形成一批具有国际竞争力的钛产业集团。加强区域合作，推动钛产业在资源富集区、市场需求区和交通便捷区形成产业集群。

（四）环境保护与治理

策略：在钛矿开采和加工过程中，严格遵守环境保护法律法规，加强废渣、废水、废气的治理和综合利用，实现钛产业的可持续发展。

实施路径：建立健全环境保护制度，加强环境监管和执法力度。推广清洁生产技术，提高资源利用效率，减少污染物排放。加强生态修复和环境保护，推动钛产业与生态环境协调发展。

（五）应用领域与市场

策略：加强对钛及其合金在新兴领域的应用研究和推广，拓展市场空间。同时，积极开拓国际市场，提高中国钛产品的国际市场份额，增强中国钛产业的国际影响力。

实施路径：加强市场调研和需求分析，了解国内外市场需求和趋势。鼓励企业加大新产品研发力度，拓展钛材在航空航天、海洋工程、新能源、生物医疗等领域的应用。加强国际交流与合作，推动中国钛产品走向世界市场。

综上所述，通过加强资源勘查与开发、推动技术创新与升级、优化产业结构与布局、加强环境保护与治理以及拓展应用领域与市场等战略措施的实施，可以有效推动中国钛产业的健康、可持续发展。

致谢：中国经济网、央广网、搜狐网、百家号、中研网、网易等，百度及微信等网络媒体。

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