海綿鈦是怎么造出來的

    一坨海綿鈦從冷凝器中被移出，它看起來真的很丑，灰不拉幾，像一堆千瘡百孔的廢渣。然而工人師傅卻用極為潔凈的容器，小心翼翼搬運(yùn)，在干凈如洗的油壓機(jī)和顎式破碎機(jī)上將其碎成小塊，用襯有塑料薄膜的鍍鋅鐵桶進(jìn)行包裝，包裝后還要抽真空、充氬氣，放在干燥的庫房里，準(zhǔn)備高價(jià)出售。

    這樣看來，這坨海綿鈦絕非等閑之輩了。那么，它是什么來頭呢？

    大約150億年前，宇宙源于一次大爆炸，然后便有了物質(zhì)。最原始的元素H和He產(chǎn)生之后，星系開始孕育，恒星開始形成，太陽系稍后出現(xiàn)，距今46億年前地球誕生了，鈦元素大約就是那個(gè)時(shí)候來到了地球。

    或許更早，在地球沒有誕生之前，鈦已經(jīng)由一些較輕的元素聚變而生成。

    在鈦元素生成之后的漫長歲月里，它是怎么跟其他元素反應(yīng)而生成礦石的，這個(gè)大概沒人說的清楚，地質(zhì)學(xué)家能講清楚的，是在某個(gè)地質(zhì)年代，地殼劇烈運(yùn)動(dòng)，火山猛烈噴發(fā)，金紅石，鈦鐵礦這些鈦的礦物質(zhì)便從地表以下翻騰出來，經(jīng)風(fēng)化，沖蝕，沉積的作用，在全球各地形成了巨大的礦床。

    鈦是生性活波的元素，跟大多數(shù)元素都能發(fā)生反應(yīng)，而它的命運(yùn)也因這活潑的個(gè)性注定坎坷不平。

    鈦的生性活波，冶煉異常困難，是稀有的貴金屬

    大約3000年前，人類已經(jīng)掌握了冶鐵技術(shù)，金屬元素鐵便早早的進(jìn)入了人類文明史，見證人類農(nóng)耕文明的興衰，參與工業(yè)文明的蓬勃發(fā)展，直到現(xiàn)代，鋼鐵仍是最為顯赫的金屬族元素，沒有之一。與鐵的榮耀相比，鈦則顯得默默無聞，在漫長的歲月里，它只是靜靜的躺在礦床上，似乎永遠(yuǎn)沒有被人類發(fā)現(xiàn)的可能。

    時(shí)間終于來到了距今200余年前的1791年，英國的一個(gè)名叫格雷戈?duì)柕哪翈煹谝淮伟l(fā)現(xiàn)了它，但是那哥們卻忘了給它起名字，四年后的1795年，德國人克拉普魯斯，在研究金紅石的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了鈦，并以希臘神話中的大力神泰坦(Titans)給它命名。前面說到鈦的化學(xué)性質(zhì)活波，因此從礦物中將其分離提純異常困難，這大概也是人類很晚才發(fā)現(xiàn)它的一個(gè)重要原因。好在這個(gè)德國人最終分離出了純鈦，德國人定是花了很大的力氣，才完成了這一壯舉，否則他怎么會(huì)將鈦起名為大力神呢？

    鈦這個(gè)大力神雖被德國人費(fèi)了九牛二虎之力分離了出來，但卻仍舊默默無聞了許久。這依然跟它的天性有關(guān)，性格決定命運(yùn)。因?yàn)殁伒幕畈▊€(gè)性，冶煉異常困難，又因?yàn)楫?dāng)時(shí)的已知儲(chǔ)量很少，所以一直被認(rèn)為是稀有的貴金屬。

    戰(zhàn)爭促進(jìn)科技的進(jìn)步，這是有著自殘傾向的人類語言。但是無論如何卻在鈦的身上應(yīng)驗(yàn)了，兩次世界大戰(zhàn)，飛機(jī)扮演了越來越重要的角色，誰搶占了制空權(quán)，誰將贏得戰(zhàn)役的勝利。為此，美國軍方不惜血本，要造出更高性能的戰(zhàn)機(jī)。那為什么要選擇價(jià)格昂貴的鈦合金來制造飛機(jī)呢？(鈦合金是純鈦經(jīng)過合金化冶金的產(chǎn)物，如果把海綿鈦比作豬肉原料的話，鈦合金類似于豬肉經(jīng)過烹飪加佐料而做成的毛氏紅燒肉)，這當(dāng)然是因?yàn)樗鯇こ５膬?yōu)異性能，這次，鈦的命運(yùn)開始改變了！他在材料世界，將一鳴驚人。

    鋼鐵作為結(jié)構(gòu)材料，雖然結(jié)實(shí)抗造，強(qiáng)度很高，然而密度太大，用在飛行器上過于笨重。鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料，雖然密度小，抗氧化，做出的零件輕巧耐用，但是強(qiáng)度不高，耐熱性能不好，飛機(jī)巡航速度達(dá)到一定高度便會(huì)軟化，不能委以重任。鈦合金卻綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，巧妙的避開了兩者的不足，強(qiáng)度高，密度小，又具有良好的耐熱和耐低溫性能，且耐腐蝕性能優(yōu)異，幾乎永不生銹，選用鈦合金制造飛機(jī)，不僅能減輕機(jī)身重量，節(jié)省燃料，而且可以提高飛行性能，延長壽命，在當(dāng)時(shí)，這樣的金屬簡直是為制造飛機(jī)而生的(斗轉(zhuǎn)星移，如今航空領(lǐng)域叱咤風(fēng)云的還有復(fù)合材料)。

    鑒于鈦無與倫比的優(yōu)異性能，針對(duì)鈦的冶煉和加工技術(shù)從未停止。

    第二次世界大戰(zhàn)后的1948年，美國人終于用鎂還原法制出了2噸海綿鈦，從此拉開了鈦工業(yè)化的帷幕。鈦被大規(guī)模應(yīng)用之后，其優(yōu)異性能日益得到人們的青睞，不僅飛機(jī)工業(yè)越來越離不開他，建造宇宙飛船，發(fā)射火箭、導(dǎo)彈離了他也是萬萬不能的。不僅在天上大顯身手，因?yàn)殁伳秃Ｋg的優(yōu)異性能，他被更多的應(yīng)用于建造艦船，核潛艇，接受驚濤駭浪的洗禮。

    隨著鈦在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，鈦的冶煉和加工制造成本也因?yàn)榧夹g(shù)的進(jìn)步而逐漸降低，鈦的價(jià)格終于不像原來那么高不可攀，民用領(lǐng)域也漸漸瞄上了他，體育器材，醫(yī)療器械，環(huán)境工程等領(lǐng)域都越來越多的出現(xiàn)了他的身影。

    如前所述，人類要飛得更高，潛得更深，生活的更舒適，就需要性能更加優(yōu)異的材料，鈦及鈦合金既能耐高溫，又能抗腐蝕，既有高強(qiáng)度，又有低密度，生物相容性又好，他作為萬能金屬一時(shí)獨(dú)占鰲頭，人們稱鈦為金屬中的戰(zhàn)斗機(jī)，生物金屬，未來金屬，這些名號(hào)令人眼花繚亂。

    鈦是46億歲的老人了

    不過鈦是46億歲的老人了。在這些眼花繚亂的稱號(hào)背后，他清楚的知道隱藏著什么。他想提醒人類的是，多關(guān)注自然和宇宙，讓自己的欲望少一些，這其實(shí)是挺嚴(yán)肅的話題。是什么引起了他的這番思考呢，當(dāng)然是他是冶煉過程。

    有色冶金=高耗能+高排放=霧霾滿神州，你懂得！

    前已述及，鈦的冶煉異常困難，因?yàn)樗幕瘜W(xué)性質(zhì)太過活潑，跟元素周期表里的大多數(shù)元素都能反應(yīng)。其實(shí)鈦的整個(gè)冶煉過程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，要想把他分離提煉出來可不是一件簡單容易的事情。拿鈦的金紅石礦來說，人類需要先用氯把他從TiO2那里拽出來，生成TiCl4，然后再用比鈦更活潑可愛的鎂，把他從TiCl4里還原出來，然后再在真空的環(huán)境中把蒸餾，鈦被蒸餾出來渾身疏松而多孔，形似海綿，這便是他名字的由來了。

    鈦的整個(gè)冶煉過程是個(gè)電解還原的過程，需要用到大量的電，從來沒有哪種金屬的冶煉用過如此之多的電，以至于他的價(jià)格幾乎是用電費(fèi)堆出來的——每得到一頓海綿鈦，需要3000～4000 kW?h的電量，工業(yè)用電價(jià)格，1度電0.989元，僅僅電費(fèi)都快趕上售價(jià)了，又因?yàn)樗羞^程都要在特殊設(shè)備，特殊環(huán)境(因?yàn)殁伜芑畈?中進(jìn)行，因此他的冶煉成本及其高昂，高昂的成本意味著鈦的冶煉對(duì)環(huán)境極不友好，其實(shí)鈦冶煉廠就是一個(gè)巨大的化工廠，高耗能，高排放，高污染。

    海綿鈦的生產(chǎn)過程中，既有氣體廢物氯氣、氯化氫及四氯化鈦產(chǎn)生，而且有鹵化物等固體廢物產(chǎn)生，廢水自不必說，鈦冶煉排放的廢水中含有大量的鹽酸HCl。氣體廢物的處理，要采用2級(jí)水洗和2級(jí)堿洗，尾氣方能達(dá)標(biāo)；而固體廢物由于產(chǎn)量較大，產(chǎn)生環(huán)節(jié)多，組分復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行安全可靠的處理相對(duì)困難；廢水的處理，如果是在法治不健全的國家，就只能呵呵了。

    如果要算一本投入和產(chǎn)出的帳，巨大的環(huán)境成本自然要算進(jìn)去的。但是人類往往有自己的小算盤，他們是用貨幣結(jié)算的物種，而貨幣的歷史僅有短短的數(shù)千年，不要忘了，鈦他老人家已經(jīng)46億歲了。

    其實(shí)在過去5年間，在中國，鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)生了嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩。在2000年中國的鈦產(chǎn)量僅為區(qū)區(qū)2000噸，而到了2013年，中國海綿鈦產(chǎn)能已超過15萬噸，而實(shí)際需求不超過6萬噸，供大于求是造成海綿鈦價(jià)格倒掛的主要原因。這讓人想起一些事情，2013年中國鋼產(chǎn)能已超過10億噸，而實(shí)際需求僅為6.6億噸，鈦產(chǎn)業(yè)和鋼鐵產(chǎn)業(yè)，相差一萬倍的體量，但命運(yùn)卻如此相似，不禁令人唏噓不已。

    鋼鐵因?yàn)楫a(chǎn)能過剩，價(jià)格早已比白菜還便宜，一頓鋼2600塊，一公斤鋼2塊6，一斤白菜1塊5，這是一位鋼企老總親自去菜市廠調(diào)研的結(jié)果。

    鈦是不是有著不一樣命運(yùn)呢，大家一提起他，就會(huì)聯(lián)想到航空的殲十，C919，核潛艇，航天的嫦娥探月工程，甚至3D打印的鈦合金頭蓋骨，鈦簡直就是高新材料的代名詞。身份如此高貴，價(jià)格肯定不菲，如果這樣想你就圖樣圖森跑了，這是一個(gè)神奇的國度，鈦雖為稀有金屬，價(jià)格卻很低廉，說出來可能你都不信，2006年，鈦的價(jià)格曾高達(dá)30萬元/噸，如今已跌至4.3萬元/噸，跟中國的房價(jià)完全是兩個(gè)路數(shù)。在市場面前大家的命運(yùn)都是相同的，供不應(yīng)求，價(jià)格上漲，供過于求，價(jià)格下跌，這是鐵律，是鈦律。

    4萬多一噸的海綿鈦，前面已經(jīng)提到，光是冶煉廠的電費(fèi)恐怕都不夠，價(jià)格和市場，大約是治愈政府勃起的投資欲望最好的鎮(zhèn)靜劑了。

    換句話說，在環(huán)境保護(hù)呼聲日益高亢的今天，人們談霾色變，靠吃資源和環(huán)境的經(jīng)濟(jì)模式是沒有前途的，鈦業(yè)的發(fā)展只是求大，將死路一條，中國并不是俄羅斯，并非資源富足的地區(qū)，鈦產(chǎn)業(yè)的前途在深加工和高附加值的領(lǐng)域。

    其實(shí)除了鈦產(chǎn)業(yè)，之前的鎂鋁，稀土，如今的鋼鐵業(yè)，自始至終沒有走出賤賣資源，污染環(huán)境的老路，表面上我們賺的是外匯，發(fā)展的是經(jīng)濟(jì)，其實(shí)丟的是創(chuàng)造力，失去的是未來。也許會(huì)有人說，后進(jìn)國家莫不如此，五六十年代的日本，七八十年代的韓國，如今的中國，將來的東南亞，這是一個(gè)梯隊(duì)，這種宿命論，也許說的事實(shí)，但是總覺太沒出息，別人嘗過的辛酸，我們?cè)偃テ穱L一遍，這不是一種創(chuàng)造性的思維。

    現(xiàn)實(shí)已然嚴(yán)峻，未來仍需暢想，隨著冶煉和加工技術(shù)的進(jìn)步，鈦的應(yīng)用場景將越來越廣闊，軍工、民用將全面開花。期望今日的產(chǎn)能過剩，在不遠(yuǎn)的將來能夠逐漸消化，鈦這種未來金屬能夠有令人欣慰的未來。