材料选材的重要性(钛谷中崛起的“中国钛”——宝钛股份公司深度研究)

Posted 2023-05-29

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材料选材的重要性(钛谷中崛起的“中国钛”——宝钛股份公司深度研究)

（华安证券研究所分析师：郑小霞）

公司是我国最大的以钛及钛合金为主的专业化稀有金属生产科研基地，目前已形成成熟的购、产、销一体的生产经营模式。主导产品钛材年产量位居世界同类企业前列，钛合金熔炼技术、熔炼用中间合金制备技术、加工成型技术、无损检测技术等方面处于国内领先水平，达到国际先进水平。

1 中国钛谷中崛起的高端钛材巨头

1.1 背靠宝钛集团，老牌钛材企业

宝鸡钛业股份有限公司成立于 1999 年 7 月 21 日,由宝钛集团有限公司(原宝鸡有色金属加工厂)作为主发起人设立。并作为中国钛工业第一股于 2002 年 4 月 12 日在上海证券交易所成功上市。公司是中国的钛及钛合金生产、科研基地,是国家高新技术企业,所在地被誉为“中国钛城”、“中国钛谷”。

图表 1 宝钛股份股权结构

1.2 多品系钛产品，客户遍及全球

公司主要从事钛及钛合金的生产、加工和销售，是中国最大的钛及钛合金生产、科研基地。公司拥有国际先进、完善的钛材生产体系，主要产品为各种规格的钛及钛合金板、带、箔、管、棒、线、锻件、铸件等加工材和各种金属复合材产品，广泛应用于高精尖领域和氯碱化工、电力、冶金、医药及海洋工程等国民经济重要领域。

公司在国内市场处于领先地位，在国际市场口碑极高。2016 年荣获“大运工程”钛材唯一金牌供应商，并连续三届获得中国航天科技集团优秀供应商，同时也是美国波音、法国空客、法国斯奈克玛、美国古德里奇、加拿大庞巴迪、英国罗尔斯－罗伊斯等公司的战略合作伙伴。公司采用国际先进水平的技术标准和质量体系，获得通过了美国波音公司、法国宇航公司、空中客车公司、英国罗罗公司、欧洲宇航工业协会和美国 RMI 等多家国际知名公司的质量体系和产品认证，囊括了进入世界航空航天等高端应用领域所有的通行证，并成为国际第三方质量见证机构以及分析检测基地。

1.3 行业景气度高，业绩再创新高

2021 年，国内钛行业市场整体向好，中低端产品市场受益于 PTA 化工行业需求推动，同比呈现明显增长态势，高端产品市场受益于航空航天等领域升级换代、国产化提升影响，需求旺盛，钛行业市场延续稳定增长态势，但同时钛行业市场高端产品产能不足，中低端产品竞争激烈、产品趋同化、同质化矛盾依然明显，供需结构仍有待进一步改善。随着国民经济结构战略性调整以及产业转型升级，未来钛行业在航空、航天、大飞机、船舶、石化、信息技术、高端装备制造、新能源、新材料、生活用钛、深海等产业上仍有较大的发展机遇。

2 “空间金属”，行业空间潜力巨大

钛在金属材料王国中被称为“全能金属”，是继铁、铝之后极具发展前景的“第三金属”、“战略金属”及“空间金属”。纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度比钢小 43%，比轻金属镁稍大一些。钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm，与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点 1942K，比黄金高近 1000K，比钢高近 500K。有些钢的强度高于钛合金，但钛合金的比强度（抗拉强度和密度之比）却超过优质钢。

由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，目前已广泛应用在航空航天、石油化工、生物医学、环境保护等领域。工业纯钛塑性好，成形性能优良，可制成厚板、薄板、棒材、丝材、管材、锻件和铸件等，易于熔焊和钎焊，但强度低，耐热温度只有 300℃，只能用于有耐蚀要求而强度要求不高的场合。

钛合金是以钛为基加入其他合金元素形成的合金。钛有两种同质异晶体，当温度低于 882.5℃时为密排六方结构，成为α钛，当温度高于 882.5℃时为体心立方结构，成为β钛。根据钛的两种晶体结构的不同特点，添加适量的合金元素，改变其相变温度及组分含量可以获得不同微观组织的钛合金。

根据相的组成，钛合金可以分为三类：α合金一般用于制造使用温度在 500℃以下的耐热或耐腐蚀零件；β合金一般用于制造使用温度在 350℃以下的零件；α+β合金一般用于制造使用温度在 400℃以下有一定高温强度要求的发动机零件或低温用零件。

2.1 钛冶炼：需关注镁锭价格变动对成本及工艺的冲击

1791 年英国牧师 W．Gregor 在黑磁铁矿中发现了一种新的金属元素。1795 年德国化学家 M．H．Klaproth 在研究金红石时也发现了该元素，并以希腊神 Titans 命名之。1910 年美国科学家 M．A．Hunter 首次用钠还原 TiCI4制取了纯钛。1940 年卢森堡科学家 W．J．Kroll 用镁还原 TiCl4制得了纯钛。从此，镁还原法（又称为克劳尔法）和钠还原法（又称为亨特法）成为生产海绵钛的工业方法。美国在 1948 年用镁还原法制出 2t 海绵钛，从此开始了钛的工业化生产。我国于 1955 年在原北京有色金属综合研究院开始钛生产工艺的研究工作，1958 年以 10Kg/炉的实验室规模制取了第一批海绵钛。1959 年在抚顺铝厂扩大至 100Kg/炉的小规模生产，为我国的海绵钛生产奠定了基础。

与其他金属相比，钛及其合金是高化学活性金属，在熔融状态下几乎与所有耐火材料发生化学反应，且不能在大气中进行熔炼，必须在真空或惰性气氛下进行，因此钛合金的熔炼技术难度较大，目前只有少数国家掌握了钛合金的熔炼技术。

钛材加工行业主要包括四个阶段，首先是将钛矿制备为纯度（质量）99.1%～99.7%的海绵钛和钛白粉；其次，可熔炼符合要求的海绵钛得到钛锭，或添加中间合金熔炼为钛合金铸锭，并将铸锭加工成钛及钛合金坯料；第三，通常根据不同客户的需求和不同应用领域的特殊要求，采用锻造、轧制、挤压、拉拔等工艺的变形处理、热处理和机械加工等生产出不同规格（形状）的钛产品，如棒材、板材、管材、丝材等品种并直接应用于终端客户；最后，在部分行业和工业品产业中，可通过深加工工艺钛材制造成钛零件和钛装备，如钛自行车架、钛高尔夫球头、钛餐具等产品。

图表 12 钛材加工行业详细流程图

2.1.1 钛矿端：钛矿石对外依赖程度较高

钛矿端，根据美国地质调查局数据显示，全球钛矿储量呈现先增长后降低趋势。2012 年全球钛矿储量达 6.5 亿吨，此后被发现的钛储量不断增长，直至 2018 年达到顶峰 8.8 亿吨，随着 2019 年钛产量大幅增长，全球钛储量首次出现下降，2020 年降至 7 亿吨。就产量而言，2019 开始，全球钛铁矿产量出现了明显的增长，主要是中国地区产量的大幅增长导致的，2018 年中国钛铁矿产量仅为 85 万吨，2019 年增长至 230 万吨，增长了近两倍，主要原因为全球制造业向中国靠拢，中国钛应用市场迅速发展。

全球钛资源主要分布在澳大利亚、南非、加拿大、中国和印度等国。据产业信息网数据显示，2020 年中国拥有的钛铁矿储量最高，达到 2.3 亿吨，约占全球总储量的 32.86%;其次为澳大利亚地区，储量达 1.5 亿吨，占全球总储量的 21.43%。

中国钛矿分布于 10 多个省区。钛矿主要为钒钛磁铁矿中的钛矿、金红石矿和钛铁矿砂矿等。钒钛磁铁矿中的钛主要产于四川攀枝花地区；金红石矿主要产于湖北、河南、山西等省；钛铁矿砂矿主要产于海南、云南、广东、广西等省（区）。钛铁矿的TiO2保有储量为3.57亿吨，居世界首位。钛矿矿床类型主要为岩浆型钒钛磁铁矿，其次为砂矿。从成矿时代来看，原生钛矿主要形成于古生代，砂钛矿则于新生代形成。

我国钛资源较丰富，其特点是：资源丰富、储量大、分布广；原生矿多，砂矿少；钛铁矿多，金红石矿少；贫矿多，富矿少；均为多金属共生矿。产量较大的矿石主要以岩矿型钒钛磁铁矿形式存在，便于开采利用的金红石型钛矿非常少。同时国内钛矿提纯技术不够发达，选冶技术有限，产出的钛精矿品位较低，高品质钛精矿十分依赖进口。

钛矿物通常与许多矿物伴生，是一种由多种矿物组成的复合矿物，无论是钛铁矿还是金红石，从构造它的不同矿区的结构性质和组成特点来看，用一种选矿手段极难分选出品味高而杂质少的钛精矿，因此在选别钛矿时，各种方法应反复交替进行组合才能达到较为理想的分选效果。

图表 19 理查兹湾矿物采选流程

图表 20 广西北海选矿厂工艺流程图

2.1.2 富钛料：高钛渣在富钛料中占主导

富钛料是采用氯化法制备钛白粉以及海绵钛生产的重要原料。由于富钛料的用途不同，对产品性能的要求也不同。自然界产出的钛矿石，通常经选矿富集成天然金红石精矿及钛铁矿精矿两种精矿，前者 TiO2品位高（一般在 93%-95%以上），杂质含量少，是钛冶金和钛白粉生产的优质原料，但其储量有限，价格也归，不能将其作为长期稳定供应的原料形态。后者储量大，但 TiO2 含量较低（大多在 45%-60%左右），铁氧化物和其他杂质氧化物总量较高，如果直接入炉氯化，势必大大增加氯耗，且使得氯化过程复杂化，增加了收尘、淋洗分离作业的困难性。所以钛铁矿精矿不宜直接氯化，而应通过不同的方法处理成富集人造金红石或熔炼成钛渣等“富钛料”才能作为氯化原料。

盐酸法工艺的基本原理是用适宜浓度的盐酸处理钛铁矿，浸出钛铁矿中的杂质，得到富钛料。对于我国氯碱行业而言，最具优势的金红石生产工艺是盐酸法。一方面氯碱企业本身副产大量的盐酸，采用该工艺生产可以有效利用，形成产业链上的结合;另一方面，我国生产的钛精矿大部分是高钙镁岩矿，如采用其他生产方法，很难除去矿中的钙镁杂质，这会严重影响人造金红石在氯化过程中的氯化效率等，而盐酸法人造金红石生产工艺则很好地克服了这个缺点。盐酸法可有效除去钛精矿中的杂质铁和大部分 CaO、MgO、Al2O3、MnO 等，获得含 TiO2 90%～96%的高品质人造金红石，适合处理各种类型的钛精矿。

图表 22 盐酸浸出法制取富钛料流程示意图

图表 23 硫酸浸出法制取富钛料流程示意图

硫酸浸出法适用于处理氧化铁含量高的钛铁矿。硫酸浸出法是以硫酸法钛白废酸为原料的人造金红石生产技术，先用还原剂将钛铁矿中的 Fe3+还原为 Fe2+，然后利用硫酸法钛白生产排出的废稀硫酸进行加压浸出除去 Fe，再经富集、锻烧得到人造金红石。这两种方法具有“三废排放量少”、废酸循环利用的优点，但副流程长，生产成本较高，生产过程中设备严重腐蚀，同时造成环境污染，因而限制了其在工业化方面的应用。

盐酸浸出法及硫酸浸出法均可称酸浸法，该法是在所有富钛料的制备中最终都会用到的一种手段，应用极其成熟和广泛。因此，国内各企业根据产品的纯度、制备方法的效率及节约能耗等方向的重点技术路线进行了大量的专利布局。

图表 24 国内酸浸法制备富钛料的技术演进图

还原－锈蚀法生产的人造金红石具有粒度均匀、颜色稳定，工艺流程短、产能大，还原剂和燃料煤种分布广，投资少、成本低，宜规模化生产等优势，适合高品位（TiO2 品位＞54.0wt.%）的风化钛砂矿。还原锈蚀法指的是在回转窑中，首先还原钛精矿中的氧化铁，在还原工序中以煤作为还原剂和燃料，经过磁选后可除去大部分铁，再用稀的氨溶液锈蚀除去剩下的微量铁，在锈蚀过程中产生的废水和赤泥再经过过滤分离后可得到 TiO2含量 92%- 94%的人造金红石。

图表 25 还原锈蚀法制取富钛料流程示意图

图表 26 选择氯化法制取富钛料流程示意图

选择性氯化法突出优势是工艺流程短，生产效率高，除铁和除杂效果好，对于含钙镁型钛铁矿具备较好适用性,主要集中在用低杂质含量的钛精矿砂矿除铁富集钛，对钙、镁、硅等杂质去除能力有限，且多数工艺对高钙、镁、铝、硅含量的原生岩矿适用性不好。选择氯化法以钛精矿为原料，主要利用各种氧化物与氯气的反应能力不同，在一定的碳还原条件下，通过控制适当的工艺条件，使比 TiO2反应能力强的氧化物优先氯化，从而留下金红石型二氧化钛使 TiO2得到富集。

电炉熔炼的工艺过程比较简单，金属铁可以直接作为产品，生产中产生的电炉煤气可以回收循环利用，是一种高效的冶炼钛资源的方法。电炉熔炼法包括敞开式电弧炉熔炼、半封闭式电弧炉熔炼和封闭式电弧炉熔炼。电炉熔炼法的主要工艺流程是钛精矿经混料、造团后与还原剂(石油焦或无烟煤)一同放入矿热电弧炉内，在1600～1800℃的条件下进行熔炼，产物分别凝聚为钛渣和金属铁，根据生铁和钛渣的密度和磁性不同，把钛氧化物和铁分开。高钛渣在世界富钛料中占主导地位，具备规模大，效率高，工艺简单，设备易大型化，三废少且易于治理，副产生铁和电炉煤气经济附加值高等优点。

图表 27 电炉熔炼法制取富钛料流程示意图

图表 28 国际上钦渣冶炼典型技术汇总表

2.1.3 四氯化钛：液态化氯化为主流方式

沸腾氯化及熔盐氯化是制备粗 TiCl4最为广泛的方法。TiCl4是生产海绵钛和氯化法钛白粉的重要原材料，在有碳存在下用氯气氯化高钛渣及金红石制得的。目前制备粗 TiCl4的方式有竖式电炉氯化、连续式竖炉氯化、沸腾氯化及熔盐氯化等四种，其中沸腾氯化及熔盐氯化法具有粉料入炉、不用制团、反应速度快、生产能力强及生产效率高等特点，目前应用最为广泛。

图表 29 富钛料制取纯钛的路径

图表 30 粗 TiCl4制备方式比较

我国工业化生产 TiCl4 的主流方法是沸腾氯化法，也称流态化氯化。首先将该法用于生产 TiCl4的当属德国的拜耳公司，但到目前为止，美国杜邦公司沸腾氯化的生产规模、工艺水平与技术指标均处于世界领先地位，日本也普遍采用该生产方法。

图表 31 沸腾氯化制取粗四氯化钛流程示意图

沸腾氯化法以氯气为流体和氯化剂，使高钛渣与石油焦的混合料在沸腾炉内处于悬浮状态，固体和气体处于激烈的相对运动中，并在 950～1050℃高温下通过加碳氯化反应制取 TiCl4。其优点在于反应过程传质、传热效果良好，且操作简单连续、生产效率和产量较高。但沸腾氯化法对原料的要求较高，若直接采用低品位高钙镁钛渣作为原料，氯化过程中极易生成高粘度、不易挥发的 CaCl2和 MgCl2化合物，进而引起炉料结块，堵塞筛板，破坏反应床，影响沸腾氯化过程的正常进行。因此，沸腾氯化法制备TiCl4工艺采用的原料中 TiO2的含量通常≥92%，CaO+MgO含量≤1.5%。

与沸腾氯化法不同，液态熔盐介质为钛原料的氯化反应提供了良好的反应界面，同时熔盐还是提高反应区氯浓度的有效催化剂，避免沸腾氯化法中 CaCl2和 MgCl2等杂质氯化物的不利影响、并对气态产物 TiCl4 有净化效果，可有效提高最终产品的质量，采用熔盐氯化工艺制取 TiCl4 时具有更宽阔的原料适应窗口。熔盐氯化工艺主要优点是能处理钙镁氧化物质量分数较高(一般≥2.5%)、二氧化钛质量分数低的原料。因此，针对我国钛资源铁、钙、镁杂质含量高的特点，选择熔盐氯化法处理低品位钛原料制备 TiCl4显得尤为重要，同时也是提升我国钛资源高效规模化利用水平的有效途径。

除去粗四氯化钛中的杂质产出纯四氯化钛的过程，为四氯化钛制取过程的最后一个重要环节。未经精制的粗四氯化钛是一种淡黄色或红棕色浑浊液，含有许多杂质，成分十分复杂。重要的杂质有 SiCl4、AlCl3、FeCl3、FeCl2、VOCl3、TiOCl2、Cl2、HCl 等。按杂质与 TiCl4沸点的差异分为高沸点杂质、低沸点杂质和沸点相近杂质。这些杂志极容易影响钛白粉或海绵钛的力学性能，《钛冶炼工艺》一书提及一个例子，当 TiCl4中含有 0.2%的 VOCl3，可使海绵钛含氧量增加 0.0052%，布氏硬度增加 4。

对于成分复杂的粗 TiCl 的精制，通常是找出高沸点杂质中的 FeCl3、低沸点杂质的 SiCl4和沸点相近杂质中的 VOCl3分别作为关键组分，把一个多组分体系的分离看作是由关键组分SiCl4-TiCl4-VOCl3-FeCl3四组分体系的分离。关键组分分离合格，则表明粗 TiCl4精制合格。

图表 35 四氯化钛精制设备流程图

图表 36 粗四氯化钛制备精四氯化钛流程示意图

目前，全球 90%以上的钛精矿资源用于生产制造钛白粉，约有 5%用于生产海绵钛金属。四氯化钛的生产是一项较为复杂的工序，随着中国工业力量的壮大，四氯化钛的发展正在不断加强。但是目前并没有完善的生产工艺。而四氯化钛的生产还存在巨大的潜力，想要充分挖掘，就需要加强对制作工艺的研究，从而扩大生产产量，并解决能源紧张等问题，从而为四氯化钛的生产提供充分的条件。

2.1.4 海绵钛：价格及工艺取决于镁价格

海绵钛为制取工业钛合金的主要原料，海绵钛生产是钛工业的基础环节，它是钛材、钛粉及其他钛构件的原料。海绵钛就是金热还原法生产出的海绵状金属钛，纯度%（质量）为 99.1～99.7，杂质元素%（质量）总量为 0.3～0.9，杂质元素氧%（质量）为 0.06～0.20，硬度(HB)为 100～157，海绵钛产品按化学成分及布氏硬度分为 7 个等级(牌号)：MHT-95、MHT-100、MHT-110、MHT-125、MHT-140、MHT-160、MHT-200。

由于钛在高温条件下化学性质十分活泼，易与氧、氮、碳、氢等元素发生反应，对提取纯钛造成极大影响，所以在钛冶金史上生产海钛的工艺一直比较复杂。至今海绵钛的生产工艺出现过很多种，但正大规模工业化生产的只有 Kroll 法和 Hunter法，其他的方法也正在陆续改进中。

Hunter 法发明于 1910 年，流程与 Kroll 法类似，但使用 Na 为还原剂，由于钛的低价化合物在熔盐中溶解度较高。在反应中，大部分 TiCl4首先被 Na 还原为 TiCl2并溶解在熔融的 NaCl 中，然后，这些 TiCl2再被 Na 进一步还原为金属钛。整个还原过程均在惰性气体 Ar 保护下完成。

图表 39 Hunter 法流程图

Kroll 法于 1937 年由 William Kroll 提出，并于 1948 年实现海绵钛的工业规模生产。该法是目前世界上应用最广的海绵钛生产工艺。Kroll 法是在密闭的钢制反应器中进行的。将纯金属镁放入反应器中并充满惰性气体，加热使镁熔化，在 800～900℃下，以一定的流速通入 TiCl4，使之与熔融的镁反应。在反应温度下，生成的 MgCl2（熔点为 2714℃）呈液态，可以及时排放出来。在 900～1000℃及一定真空度的条件下，将残留的 MgCl2和 Mg 真空蒸馏出去，获得海绵状金属钛。

图表 40 Kroll 法流程图

图表 41 镁热法海绵钛生产的成本

从技术角度拉长时间轴来看，由于电解 MgCl2 消耗的能源很大，约占总能耗的28％～34％，因而企业会根据镁锭价格来选择是否将反应产物 MgCl2电解再生 Mg 和Cl2循环再用。根据有色金属网数据，民营企业海绵钛成本略低于国有企业，全流程企业海绵钛成本明显优于半流程企业。全流程企业生产一吨海绵钛需要补充镁锭0.15 吨左右，半流程企业需要镁锭 1.1 吨左右。因而若镁锭价格过高，企业则偏好将产物电解进行循环利用，暨全流程海绵钛生产工艺，若镁锭价格低较低，企业则偏爱不将产物进行循环利用，暨半流程海绵钛生产工艺。

因此镁锭短期价格决定海绵钛价格走势，长期价格却可以影响海绵钛的生产方式。

近年来，也出现了诸如电化学还原法（FCC 法）、钙热还原法（OS 法）、PRP 工艺（预制还原过程），这些方法都向着低成本、环保、节能的方向发展研究，这也是钛金属生产的未来趋势。

2.1.5 钛熔炼：真空自耗电弧熔炼最常用

目前钛及钛合金铸锭的工业化生产中应用最广泛的是真空自耗电弧熔炼和冷床炉熔炼。只有小部分钛粉可以直接利用，大部分海绵钛及钛粉仍需进一步制成致密金属钛进而制成各种钛加工材，才能供终端客户制造出不同的设备和制件。自 20 世纪 50 年代以来，全世界已发展了多种钛熔炼方法，包括真空自耗电弧熔炼 VAR、电子束冷床熔炼 EBCHM、等离子束冷床熔炼 PACHM、感应壳熔炼等，也可采用一些复合方法，如 VAR+EB、VAR+PAM。此外电子束冷床炉和等离子冷床炉近年来发展迅速。

图表 44 真空自耗电弧炉结构示意图

图表 45 真空自耗电弧熔炼工艺流程示意图

生产钛及钛合金铸锭的主要方法仍为真空自耗电弧熔炼，并可能在今后较长一段时间占据熔炼工艺的主导地位。真空自耗电弧炉是将压制好的自耗电极作为负极，铜坩埚作为正极，在真空或惰性气氛中，将自耗电极在电弧高温加热下迅速熔化，形成熔池并进行搅拌，一些易挥发杂质将加速扩散到熔池表面被去除，合金的化学成分经过搅拌可达到充分均匀。

该技术的优点是熔炼速度快，工艺自动化程度高、操作简单、可生产大型铸锭，可满足一般工业要求。劣势在于熔炼易偏析合金元素较多的钛合金时，仍然会出现宏观和微观偏析。

冷床炉熔炼给钛熔炼带来了一定的经济和技术优点，使得廉价原材料能够得到充分利用，并且有极好的收得率和高的生产率。冷床炉在设计上将熔炼过程分为 3个区域：熔化区、精炼区和结晶区。

冷床炉根据热源不同，可分为电子束冷床炉和等离子束冷床炉。电子束冷床炉以电子束为加热源，在高电压下，电子从阴极发出，经阳极加速后形成电子束，在电磁透镜聚焦和偏转磁场的作用下轰击原料，电子的动能转变成热能，使原料熔化，可以熔化各种高熔点金属。

图表 47 冷床炉熔炼的工艺流程

图表 48 电子束冷床炉结构示意图

图表 49 离子束冷床炉结构示意图

2.2 钛材加工过程：设备及经验对钛材的质量至关重要

钛及钛合金的化学性能比较活泼，在高温状态极易氧化，对热加工（如铸造、锻造及焊接等）不利。除此之外，钛及钛合金的切削加工也较难，主要是钛在切削加工时容易粘刀，严重影响到钛及钛合金的表面质量。因此，钛及钛合金的加工与普通金属的加工有较大差异，对于钛及钛合金的加工，在方法上有其特殊的要求。随着加工技术的不断革新，可用于加工钛及钛合金的方法也越来越多。

图表 50 不同钛材的生产流程示意图

图表 51 钛及钛合金生产工艺流程

压力加工：对于室温塑性较差的钛合金，为了提高其可加工性，可采用温变形

图表 53 钛合金不同锻造工艺及温度示意图

图表 54 不同锻造方法的模具及锻件温度示意图

图表 55 钛板及冷轧制带材的典型生产流程示意图

图表 56 钛合金拉拔示意图

图表 57 钛合金普通旋压示意图

图表 58 钛合金剪切旋压和流动旋压示意图

近净成形：可制备传统方式及压力加工无法成形的复杂形状零件

近净成形技术可以实现复杂形状的钛合金零部件的近净尺寸成形，仅需少量加工或不加工就可作为构件使用，可减少原材料的投入成本和加工步骤，而且制品具有与传统工艺相近的组织和性能。

图表 60 TC4 钛合金翼芯、气瓶等温精密锻件示意图

图表 61 粉末冶金领域注射成形机及粉末注射成形工艺示意图

图表 62 爆炸成形工艺示意图

图表 63 河钢增材制造钛合金航空发动机零件

复合成形：适用于钛复合材料

复合成形主要包含钛金属复合成形及超塑性-扩散连接成形两种工艺，前者用于加工钛复合材料，已生产出了钛钢复合板、钛铜复合板、钛-异种金属过渡接头等复合材料及构件，后者则可代替螺接和铆接。

图表 65 爆炸复合示意图及复合行成的钛-钢板

图表 66 超塑性成形-扩散连接制作格状结构件示意图

热处理：改善组织及性能

钛合金常用的热处理方法为退火、固溶和时效处理。退火适用于各类钛合金，主要是为了获得最佳的力学性能，消除应力、提高塑性和稳定组织。固溶和时效处理是钛合金强化的主要手段。

图表 68 钛合金不同退货方式的温度示意图

图表 69 Ti-4.5Cr 等温转变动力曲线

2.3 行业需求端：化工领域及航空航天领域的空间巨大

钛是一种物理性能优良、化学性能稳定的材料。钛及其合金强度高、比重小，耐海水腐蚀和海洋气氛腐蚀，可以很好地满足人们在海洋工程方面应用的要求。经过钛业界人士和海洋工程应用研究人员多年的努力，钛已经在海洋油气开发、海港建筑、沿海发电站、海水淡化、船舶、海洋渔业及海洋热能转换等领域取得了广泛的应用。

图表 71 近三年来中国各类钛材所占比例

根据《2020 年中国钛工业发展报告》披露，在当前国家鼓励科技创新和内循环的大背景下，2020 年比 2019 年国内钛材需求量同比大幅增长了 50.7%，我国钛材消费领域呈现出不同的增长势头。除医疗行业用钛量受疫情影响略有下降外，其它行业均同比有一定的增长，尤其是海洋工程、体育休闲、船舶、航空航天和高端化工（PTA）行业，同比消费增长幅度高于三成。其中，主要是军工行业涉及的海洋工程、航空航天和船舶领域的用钛量增长幅度最大，上述三个领域的用钛量占总销量的29%，预计未来还将持续增长。

体育休闲用钛量的增长，主要是受国外疫情影响，国外盛行高尔夫球运动，导致钛制高尔夫球杆用钛量激增，需求量创近十年最高记录；在国内消费需求拉动下，高端化工装备（PTA）用钛量持续三年保持高速增长态势，2020 年增幅达 34.6%；传统行业制盐和电力的钛材需求增长幅度最小。从总量上来看，2020 年，我国在高端化工（PTA）、航空航天、船舶和海洋工程等中高端领域的钛加工材需求同比大幅增长，钛材需求总量同比增长了 28439t。分领域来看，由于化工（PTA）领域新扩建项目的需求拉动，钛材需求增长幅度最大（12223t），其次是航空航天（4628t）、海洋工程（4078t)、船舶（988t）和电力（525t）。

2.3.1 化工行业：多领域的旺盛需求推动销量逐年攀升

金属钛具有优秀的耐腐蚀性和力学性能，被广泛应用于很多部门。特别是化工应用中，用钛可以代替不锈钢作为耐腐蚀材料,这对延长设备使用年限、降低成本、防止污染和提高生产率等方面有着十分重要的意义。近年来，我国化工用钛的范围在不断扩大，用量逐年增加，钛已成为化工装备中主要的防腐蚀材料之一。钛作为一种用于化工装置中的耐腐蚀结构材料，已经成为化工设备中的理想材料。

化肥工业，需要使用钛材解决腐蚀问题的主要有尿素及联碱两个方面：

（1）由于合成尿素生产过程中的介质——氨基甲酸铵及过量氨、尿素以及水的液态混合物在高温高压下腐蚀性很强，尿素生产中的合成塔、二氧化碳汽提塔、一段分离器等与熔融尿素介质接触的高压设备用材必须采用钛材。实际使用也表明，钛材在尿素介质中比不锈钢有更好的抗局部腐蚀性能。尿素汽提塔也是我国目前自行设计、制造的较重型的钛衬里设备。

（2）联碱∶联碱厂都要受到高浓度氯化铵溶液对金属材料的强烈腐蚀，采用涂料保护效果不甚理想。只有采用钛材才能解决联碱生产中的设备腐蚀问题。此外，钛和钛合金可以用作化工装置（如氢氮气高压压缩机等）的阀片、弹簧及电化学阴极保护的阳极材料，以提高其耐疲劳腐蚀和使用寿命。

氯碱行业，由于钛在湿氯气、氯化物、含氯溶液中具有优良的耐腐蚀性能，不会发生点腐蚀及应力腐蚀现象，这是一般不锈钢都不能比拟的，也正是钛在制氯工业及与氯化物接触的许多工业部门中被大量用作设备耐蚀材料的原因，它解决了氯碱厂多年来存在的共同性腐蚀问题。因此，氯碱工业是钛制设备应用最多的部门之一，主要的钛制设备有湿氯冷却器、电解槽的金属阳极、脱氯塔加热管、含氯淡盐水真空脱氯用泵和阀门等。

图表 75 氯碱用钛电极

纯碱工业，纯碱是最基本的化工原料之一，它直接关系到国民经济的发展。纯碱生产过程中，气体介质多为 NH3和 CO2,液体介质多为 NaCl、NH4Cl、NH4HCO3和 Cl-浓度较高的溶液，使用碳钢、铸铁材质进行碳酸化反应的碳化塔小管、热母液冷却器、冷却器、结晶外冷器等主体设备，均不耐腐蚀，腐蚀泄漏严重，使用寿命不超过三年。

图表 76 纯碱厂蒸馏塔顶部氨冷凝器

图表 77 冷凝器采用钛管与铸铁管经济效益比较

石油化工领域，钛在有机化合物中，除了温度较高下的五种有机酸（甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸）外，都具有非常好的稳定性。因此，钛是石油炼制和石油化工中优良的结构材料，可以用来制作各种反应器、压力容器、热交换器、分离器配管、蒸馏塔顶凝缩器内衬等。海上油气开采要长期承受海水腐蚀和应力腐蚀。

国外广泛采用 Ti-6Al-4V 作为石油平台支柱、绳索支架、海水循环加压系统的高压泵、提升管及联结器等。因为 Ti-6A1-4V 不仅耐海水腐蚀，而且具有高韧性、高屈服强度和高疲劳极限。最近国外选择钛的预应力采油管接头，这种接头组装简便快捷、重量轻，并保持弹性密封性，钛是最佳的优选材料。我国的海洋石油工业正进入大规模开发阶段，当前平台的结构件和关键部件及设备均从国外进口，国内材料很少应用。但可以预期，钛将会在这里找到广阔的市场。

根据中国有色金属工业协会的统计，化工领域是我国钛材的最大的应用领域，2008-2020 年，我国化工用钛材销量呈波动增长，近五年来，实现持续增长。2020年，我国化工用钛材销售量为 4.78 万吨，同比增长 35.27%，占总销售量的 50.8%，过去五年的复合增速为 19.5%，我们预计未来化工领域钛材需求量仍将维持稳定增速增长。

2.3.2 航空航天行业：未来每年的需求量将达到上万吨

钛合金在军用飞机机体中用量已达 25%以上。根据国际航协的数据，燃油成本大约占航空总成本的 26%，而在国内部分民用航空公司，燃油成本甚至要占到 40%。机体结构材料每减轻一磅，便可带来近百万美元的经济效率，因此低密度就成为飞行器结构材料选材的重要原则。

此外，飞行器长期在大气层或者外层空间运行，在极端环境服役还要求具有极高可靠性及优良的飞行性能，因而飞行器的设计需要尽可能提高结构效率，且避免付出更多的重量代价，高比强度、高比模量等特性便成为选材的考量关键因素。综合比较下，低密度、高比模量及高比强度的钛合金是当下金属材料中的最优选择，其在军用飞机的占比也逐年大幅提升，已替代原有结构钢及铝材，成为飞行器结构的重要材料。目前，美国军用战机（F10、F16、F18、F117、F22 及 F35）、军用轰炸机（B1、B2）钛合金用量已提升至 25%-40%左右，运输机（C5、C17）的钛合金用量也达到了了 10%左右。

图表 85 常见飞机机身及起落架所用钛与钛合金

近年来，我国军用发动机钛合金用量已提升至 25%左右。根据《航空材料技术》一书，国外先进发动机上的钛用量通常保持在 20%-35%的水平，我国早期的涡喷发动机均不用钛，1978 年开始研制的涡喷 13 发动机的钛用量达到 13%，2002 年设计定型的第一个拥有完全自主知识产权的某涡喷发动机钛用量提升至了 15%，目前我国第一台拥有自主知识产权的涡扇发动机钛用量已经达到 25%。

图表 88 钛合金在航空发动机中的应用

图表 90 军用飞机发动机高端钛合金需求

2022 年 5 月 10 日晚间，中国东航（600115.SH）披露定增预案，拟募资不超过150 亿元投向 38 架飞机引进项目以及补充流动资金。在飞机引进计划中，机型包括4 架 C919 飞机、24 架 ARJ21-700 飞机、6 架 A350-900 飞机及 4 架 B787-9 飞机，预计于 2022 年-2024 年交付。2022 年 5 月 14 日，据中国商飞官网消息，当日 6 时 52分，编号为 B-001J 的 C919 大飞机从浦东机场第 4 跑道起飞，于 9 时 54 分安全降落，标志着中国商飞公司即将交付首家用户的首架 C919 大飞机首次飞行试验圆满完成。

图表 91 C919 材料应用分布示意图

图表 92 3D 打印的 C919 飞机登机舱门钛合金机构零件分布图

图表 93 商用飞机高端钛合金需求

2.3.3 医疗器械、海洋工程、电力等领域有望快速突破

医疗器械领域，医用钛合金作为一种新型合金，同时也是一种载体材料，被广泛应用于肢体植入、替代性功能材料、牙科、医疗器械等相关领域。钛及钛合金有：耐蚀性好、比强度高、弹性模量较低、耐疲劳、生物相容性好等特点。其中生物相容性好这一特点使其与其他金属相比具有独特的优势，因此在医学领域获得广泛青睐，但由于其耐磨性及工艺性能不高，致力于对其进一步的改进工作也在不断进行。

图表 94 SLM 中制造的 Ti6Al4V 微孔髋关节植入物的原型

近年来，随着全球居民生活水平的提高和医疗保健意识的增强，医疗器械产品需求持续增长。2020 年全球医疗器械行业市场规模为 4774 亿美元，同比增长 5.63%，预计到 2024 年全球医疗器械行业规模将达接近 6000 亿美元，2017-2024 年复合增长率为 5.6%，行业有望保持稳定增长，钛合金作为医疗器械领域重要的材料，潜在市场宽广。

海洋工程领域，海洋工程面临的主要问题是受海水电化学的严重腐蚀，钛材由于具有优越的耐腐蚀性能成为海洋领域的重要材料，主要用于结构件的防腐和减少与海水中的其他离子发生反应，提升海洋装备的寿命。钛金属在海洋工程中具有广泛的用途，特别适于做轻型海工装备，是海洋工程领域的新型关键材料之一。

图表 98 我国核电装机容量（万千瓦）

深海空间站主要用于进行海洋科学探索，被喻为海洋里的“天宫一号”，战略意义重大。我国从很早就开始深海空间站研制。

电力领域，电厂和核电站，由于用海水作冷却剂，因此凝汽器要用耐海水腐蚀、的钛材制造。为了发电站的运转率和安全性，发电厂的汽轮机动叶片及凝汽器都使用钛材。

2.4 行业供给端：十年结构调整及转型升级后梯队清晰

根据中国航空新闻网 2022 年 4 月 21 日新闻披露，从海绵钛环节来看，2021 年中国海绵钛产量占据全球 57%的份额，钛材供应链上，2020 年中国产量占据全球 50%的份额，但航空钛材产业链中，俄罗斯占据着重要地位。

从原料端来看，俄罗斯和乌克兰海绵钛产量约占全球总产量 16%。从航空钛材本身来看，虽然欧美主要航空器制造商在2014年克里米亚危机后就积极对相关材料进行储备并寻找俄罗斯钛材的替代供应商，然而成效并不显著。时至今日，源自俄罗斯的钛材仍旧在主流航空器 OEM中仍占据较大比例，波音航空钛材来源的约 35%，空客航空钛材来源的约 50%都源自俄罗斯。而像巴航工业以及其他更小的 OEM 企业，其航空钛材来源几乎 100%来自俄罗斯。

从进出口来看，海绵钛端，海绵钛进口金额及数量呈现逐渐上升趋势，2020 年双双下滑是受到国际疫情的干扰，2021 年出现小幅大幅回升。钛材端，中国钛材出口数量远大于进口数量。2018 年以来，中国进口数量不断下降，2021 年小幅回升，2021 年中国钛材进口量为 7175 吨，出口量为 21542 吨。从进出口金额情况来看，2021年中国钛材进口额为 4.71 亿美元，出口额为 5.62 亿美元，首次实现出口额大于进口额。

图表 103 我国近五年海绵钛进出口金额

图表 104 我国近七年锻轧钛及钛制品进出口量

图表 105 我国近七年锻轧钛及钛制品进出口金额

2020 年，我国钛加工行业通过近十年的结构调整和转型升级，已形成以宝钛集团有限公司、西部超导材料科技股份有限公司、湖南湘投金天钛金属股份有限公司和西部材料科技股份有限公司等国有大型企业为代表的一线龙头企业，他们以各自的多年行业技术积累和背景为依托，不论在产量还是利润水平方面，均取得了近十年来的最好水平；另外，以新疆湘润新材料科技有限公司、重庆金世利航空材料有限公司和陕西天成航空材料有限公司等为代表的民营企业，由于持续看好未来军工、医疗等高端领域市场需求，利用各自的实力在各自细分领域取得了突出的业绩。

图表 107 2020 年我国主要钛材生产企业在不同领域的应用情况统计（单位：吨）

根据我国国内 32家钛材生产企业的统计，2020年我国共生产钛加工材 97029 t，同比增长了 28.9%，已连续六年增长。在产业分布方面，从上述统计数据可以看出，海绵钛生产主要分布在辽宁地区，五家企业的产量占到全国的三分之一以上（34.6%），同比有所下降；钛及钛合金锭生产主要集中在陕西，14 家主要生产企业的产量占中国产量的 4 成以上（46.5%），同比有所增长；钛及钛合金棒材生产也主要集中在陕西，产量在 500t 以上的主要 7 家生产企业的产量占总量的 74.6%；陕西 4 家主要钛板材生产企业的产量占到全国 22.7%，同比有所减少；钛管的生产主要集中在长三角地区，主要 4 家生产企业的产量占全年总量的 34.4%，同比有所增长。

军用领域，宝钛股份、西部超导、西部材料、金天钛业为主要的供货商，从产品形态及专注领域来看，四家几乎无直接竞争关系。

军用航空材料的开发通过参与军工配套项目的形式进行，一般而言，从资质认证、参与预研，到正式实现规模生产和批量供应，需要至少 6-7 年时间。此外，军工企业在进行供应商筛选时，优先考虑可控：质量可控，供应可控，然后才考虑性能指标（满足设计要求前提下择优）因素。

3 ：重研发扩产能，六十载铸“中国钛”

3.1 设备打基础，材料促协同

公司研发实力雄厚，是国家高新技术企业，设立有国家级企业技术中心、钛及钛合金国际科技合作基地、陕西省钛锆镍工程技术中心、院士工作站、博士后工作站，与国内多所高校、科研院所建立产学研合作基地，依托完善的产、学、研体系和科研平台，以及研究机构的技术优势、信息优势、人才优势，为公司产品的技术研发、工艺改进、新产品开发等提供了强大的技术支持，有效提升了公司的核心竞争力和盈利能力。

依托公司强大的研发优势，公司顺利实施完成多项国家重大科技专项、863 计划项目、国家重点研发计划、国家发改委海洋工程研发及产业化项目，航空、航天、深海空间站等预研项目有序推进，4500 米潜水器钛合金载人球壳制造技术荣获 2018 年度中国有色金属工业科学技术奖一等奖，随着长征五号成功发射、神舟十二号载人飞船成功飞天、“奋斗者号” 的成功下潜，公司再一次为大国重器作出了贡献，也进一步确立了公司在航天和深海用钛领域的主导地位。

设备硬件体系方面，公司已建立起“海绵钛、熔铸、锻造、板材、带材、无缝管、焊管、棒丝材、铸造、原料处理”十大生产系统,拥有 2400kW 电子束冷床炉、15t 真空自耗电弧炉，2500t 快锻机、万吨自由锻以及钛带生产线 MB22-TI 型二十辊冷轧机等世界一流主体设备，代表了当今国际领先的装备水平。

公司拥有国内一流的钛及钛合金加工的专家队伍和高素质的员工队伍，2021 年专业化人才占 45%，形成了国内一流的稀有金属专业化员工队伍。

3.2 华神供原料，募投扩产能

宝钛华神方面，宝钛华神钛业有限公司成立于 2007 年，是由宝鸡钛业股份有限公司控股的股份制企业。公司位于辽宁省锦州市汤河子省级经济开发区，在行业内首先实现海绵钛“氯化+精制+还原+电解”的循环经济生产模式，拥有国内最先进的海绵钛生产技术，也是国内唯一实现全流程的钛锆铪生产企业。

根据 2021 年公司债券发布的跟踪评级报告可知，宝钛华神钛业有限公司海绵钛产品 50%左右用于对外销售，此外，宝钛华神负责投资的年产 12000 吨海绵钛生产线及年产 3000 吨四氯化锆生产线项目 2021 年年末建设进度达 90%，我们认为项目建设完毕后宝钛华神海绵钛将为宝钛原材料提供充足的助力。

公司募投项目方面，2019 年 10 月 17 日，公司发布公告，披露公司将募集资金进一步扩展钛材产能。2021 年 3 月 2 日公司官网发布新闻，宣布共向 13 位特定投资者发行股票 4751.1839 万股，发行价格 42.20 元／股，募集资金 20.05 亿元(扣除发行费用净额 19.68 亿元)，用于投资高品质钛锭、管材、型材生产线建设项目，宇航级宽幅钛合金板材、带箔材建设项目，检测、检验中心及科研中试平台建设项目以及补充流动资金。

我们认为，伴随着募投项目建设完毕，公司产能将进一步得到扩充，宝钛将进一步巩固和提升行业龙头地位，以实现建成世界钛业强企目标。

4 ：财务分析

4.1 收入利润分析：营收稳健发展

从整体来看，公司营收稳步增长，盈利能力持续提升。2021 年公司创新经营发展模式，优化产业链布局延伸，积极开拓市场空间，品牌效应逐渐显现，核心竞争力不断增强，全面推动经营业绩逆势增长。全年公司实现营业收入 52.46 亿元，同比增长 20.94%；归属于上市公司股东的净利润 5.60 亿元，同比增长 54.49%，这主要是报告期公司销售收入同比增长，毛利增加所致。同时受益于航空航天等领域升级换代、国产化提升，钛行业高端产品市场延续稳定增长态势，公司产品结构转型升级效果显著，盈利能力持续提升，总体趋势稳中有升。

4.2 成本费用分析：钛产品比重大

公司营业成本主要来源于钛产品。随着公司产品销量增加，公司营业成本逐年上涨。2019 年、2020 年和 2021 年，公司钛制品成本占比分别为 81.03%、83.74%和90.28%。2021 年公司营业成本为 40.25 亿元，同比增长 22.52%，其中钛制品营业成本达到 36.34 亿元，同比增长 32.10%，主要原因是钛产品销量增长迅速。从钛产品成本构成来看，原材料成本为 29.05 亿元，占比 79.95%，相比去年占比略有回落。

三费方面，近五年公司三项费用率均呈下降趋势，财务结构显著优化。2021 年公司销售费用为 0.49 亿元，同比增长 47.03%，主要是 2021 年销售人员绩效收入增加所致；管理费用为 1.99 亿元，同比减少 14.07%，主要是 2021 年公司的社保分配按部门变动调整所致；财务费用为 0.85 亿，同比减少 32.59%，主要是 2021 年公司的利息收入增长较多所致。公司科学统筹组织生产，提高管理运行效率，着力强化成本管控，有效降低运行成本，经营效率显著提升。

研发投入方面，公司不断深化与设计院所、高校和企业之间的技术交流合作，加大自主知识产权专利和材料研制，积极开展关键技术攻关，研发投入逐年增长。2021 年公司研发费用为 1.63 亿元，占营业收入的 3.11%，同比增长 0.99%。公司获得上级科技成果奖 6 项，获批专利授权 8 项。取得重大科研成果 700 余项，为国防现代化建设和尖端科技发展做出了巨大贡献。

风险提示

行业需求不及预期，募投建设进度不及预期，行业竞争加剧。

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精选报告来源：远瞻智库。点击进入：远瞻智库|文库-为三亿人打造的有用知识平台