鈦製產品價格昂貴的原因

最近，筆者常接觸到的玄妙（？）環境中經常出現「鈦」這個關鍵字。特別是剛好看到一篇討論從廢材中再生製造鈦的論文，其中提及了鈦這個金屬元素的重要性與價格昂貴的原因，是維基百科或相關網路資料比較少提及的，因此想要整理分享出來。

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屬於輕金屬之一的鈦（密度４．５），具有高比強度、優秀的耐腐蝕性、而且對人體親和性良好（對人體無毒），因此經常使用在航太、化工、生醫、運動等等關聯領域中。

不過，最主要的使用市場還是在航太工業之中，因此在新冠疫情爆發的２０２０年前後、各國封城的影響，一度讓鈦金屬的使用激減。不過在２０２２年新冠疫情逐漸淡去之後經濟陸續恢復正常，在飛機上經常使用到的泛用鈦合金（即一般所謂的Ｔｉ６４合金）的用量又快速回升起來。

而鈦的生產方式，是從鈦礦之中去除雜質的冶煉工程中產出所謂的海綿鈦（Titanium Sponge，如下圖），再從海綿鈦中精煉成各式產品需要的鈦素材。

當然，鈦素材的特性品質好壞，就會大大受到海綿鈦這樣的「粗原料」的品質影響。

目前海綿鈦的世界生產量第一名是中國大陸，約佔總體的６０％；第二名是日本，其市佔率約２０％。另外由於排名第三的俄羅斯與第五的烏克蘭正處於戰爭狀態，造成兩國的生產與物流狀況變得很不穩定，長期影響到全體市場的供給量不足。

更糟糕的是，能有效提高Ｔｉ６４合金強度的釩（V）礦石，其產量由中國大陸與俄羅斯包辦了將近全世界的八成。

因此從以上可知，Ｔｉ６４ 合金可以說是一種伴隨著巨大地緣政治風險的材料。換句話說，要生產出Ｔｉ６４合金除了需要確保海綿鈦的穩定供應之外，從資源戰略的角度來看，市場上也強烈期望能夠製造出使用價格便宜且不會像釩（Ｖ）那樣集中於特定國家或地區的成分，仍能保持高強度的鈦合金。

原本可算是資源上十分豐富的鈦（是地球上地殼組成元素中的第九名），很有成為僅次於鋁的常用金屬的潛力。然而，它的普及量與鐵或鋁相比卻是壓倒性地少。這主要是因為鈦的原料價格高昂，而根本的主要原因則是來自於從鈦礦石（鈦鐵礦）中提煉海綿鈦的冶煉程序。

目前，為了降低／去除鈦礦石中所含的氧與鐵等雜質，主要是透過稱為「克羅爾法（Kroll process）」的鎂還原法，來進行金屬鈦的分離／精製，這正是現行主要的大量生產方式。

然而這種克羅爾法通常需要１０天到 ２ 週的生產時間，可說是一種生產效率低下的製程。同時，在冶煉過程中，每單位體積的消耗能量約為鋼鐵的二十倍之多。其結果不僅使海綿鈦成本高昂，也被視為高環境負擔（不環保）的材料。

此外，當上述的還原反應在高溫下於不鏽鋼製容器中緩慢進行時，與容器接觸的海綿鈦表層部分會因容器的主要成分：鐵而發生擴散／濃化的問題。同時還會混入相當於雜質的氧，但這要完全抑制掉是極為困難之事。

這些不可避免的雜質含量增加時，就可能會導致鈦素材的延展性降低。因此，為了確保鈦材料的品質，會將超過規範上限的鐵與氧等雜質富集的表層部分切除，而這些部位並不會再被回收為鈦（鈦廢材）。

而這樣的海綿鈦廢材，大約會佔整體原材的１０～１５％，等於是降低產出海綿鈦的良率，也就等於是提升鈦素材價格的根源。

＊這些廢料雖然主要可被再利用為鋼鐵添加劑，但由於其價格不高，因此業界強烈希望能夠開發出這些廢材有更高附加價值的用途。