鋁硅鈦多元合金工程工程背景

鋁硅鈦多元合金用于汽車發(fā)動機制造工業(yè)，具有良好的細(xì)化結(jié)晶組織的作用，有較高的耐熱、耐磨性能。用該合金制成的發(fā)動機活塞、缸體、缸蓋等零件，壽命比普通合金延長35%左右。在摩托車、汽車輪轂制造方面，其鑄造性能、機械加工性能、抗疲勞及抗沖擊等性能，均達(dá)到并超過美國A356鋁合金輪轂的性能。

利用鋁硅鈦多元合金獲得的快凝合金，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的合金，有希望取代150-300℃范圍內(nèi)使用的鈦基合金，可廣泛應(yīng)用于航天器制造工業(yè)中。另外，隨著民用建筑和裝飾材料工業(yè)的發(fā)展，該合金應(yīng)用的潛力更大。

2002年，全球原鋁消費達(dá)到了2521萬噸，其中大約25%應(yīng)用于原鋁對摻法生產(chǎn)鋁硅系鑄造合金。在國際市場上尤以含鈦的鋁硅系鑄造合金應(yīng)用最為普遍。隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鑄造鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，鋁硅鈦多元合金的市場需求也在持續(xù)增長。

世界鋁產(chǎn)量增加的70%來自發(fā)展中國家，而發(fā)展中國家鑄造鋁合金的產(chǎn)量僅占鋁消費量的18%左右，比世界平均水平還差七個百分點，市場缺口很大，因此，在國際市場上，鋁硅鈦多元合金的市場應(yīng)用前景十分廣闊。

就中國現(xiàn)有原鋁生產(chǎn)能力而言，如果達(dá)到世界平均鑄造鋁合金消費水平，鑄造鋁合金的生 產(chǎn)能力應(yīng)達(dá)到年產(chǎn)120萬噸以上，而當(dāng)時年產(chǎn)僅為50萬噸左右，市場發(fā)展?jié)摿艽?，鋁硅鈦多元合金產(chǎn)業(yè)亟待發(fā)展。

同時，隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展和國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷完善，汽車、摩托車工業(yè)、機械制造工業(yè)等的發(fā)展，對高品質(zhì)鑄造鋁合金的總需求將達(dá)到60萬噸/年，即使這樣，也僅為世界平均水平的一半，市場發(fā)展?jié)摿翱臻g十分巨大。

1997至2002年，中國共投資3000萬元在河南省登封電廠集團鋁合金有限公司建立了鋁硅鈦合金產(chǎn)業(yè)化示范基地，一期工程年產(chǎn)1.5萬噸；二期擴大為3萬噸/年；依市場要求情況，通過滾動發(fā)展，計劃最終規(guī)模為年產(chǎn)10萬噸鋁硅鈦多元合金。2002年5月該項目一期工程已通過審核，順利試產(chǎn)。

鋁硅鈦多元合金工程是國家重大科技成果產(chǎn)業(yè)化示范項目，鋁硅鈦多元合金一期年產(chǎn)1.5萬噸工程，自1996年落戶河南省登封電廠集團承建后，該集團公司經(jīng)過8年攻關(guān)，在國家科委、國家發(fā)改委、河南省計委及有關(guān)科研部門領(lǐng)導(dǎo)關(guān)懷支持下，經(jīng)過鄭州輕金屬研究院和登封電廠集團鋁合金有限公司廣大干部職工的共同努力，于2002年5月建成投產(chǎn)，又經(jīng)過一年多的各項實驗，其產(chǎn)品達(dá)到國家規(guī)定指標(biāo)要求，并于2003年7月經(jīng)過國家、省、市有關(guān)部門、專家的審核，一致通過竣工驗收。

中國國家重大科技成果產(chǎn)業(yè)化——鋁硅鈦多元合金工程一期年產(chǎn)1.5萬噸示范工程項目，是根據(jù)國家“九·五”規(guī)劃，結(jié)合鄭州鋁資源優(yōu)勢，登封電廠集團電力優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)鏈條優(yōu)勢而承建這個高科技項目的，一期工程投資2億元，除國家注入3000萬元資本金和地方配套1000萬元外，其余1.6億元資金全靠該集團公司自籌，困難很大，但該公司站在攻克和拓展中國高科技產(chǎn)業(yè)和延伸有色金屬行業(yè)新品種、新領(lǐng)域的高度，把該示范工程項目做為重中之重，在資金投入上千方百計保證落實，建設(shè)中即使遭遇亞洲金融經(jīng)濟危機的沖擊，但工程建設(shè)始終沒有因資金的短缺而停下。國家、省、市有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)多次現(xiàn)場協(xié)調(diào)工作，極大地鼓舞了登封電廠集團領(lǐng)導(dǎo)和鋁合金公司廣大干部職工，他們懷著對國家高技術(shù)重大產(chǎn)業(yè)示范工程的高度敬業(yè)和責(zé)任心，忘我工作，不分晝夜趕進(jìn)度，終使一期工程于2002年5月投產(chǎn)，并于2002年8月至2003年4月陸續(xù)完成了低鈦鋁合金和鋁硅鈦多元合金的生產(chǎn)試驗。

該工程一期規(guī)模為1.5萬噸/年，總投資19073萬元，采用有色金屬總公司鄭州輕金屬研究院的專利技術(shù)用除鐵鋁礬土直接電解法生產(chǎn)鋁硅鈦合金工藝。與傳統(tǒng)熔配法相比， 該工藝具有生產(chǎn)流程短、投資少、成本低等特點，且保留了鋁土礦中大量稀有元素，實現(xiàn)了礦物資源綜合利用。被稱之為金屬工業(yè)的一次革命。

鋁硅鈦多元合金具有高溫強度好、耐磨、耐腐蝕性能強、體積熱穩(wěn)定性能好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能強、易加工等特點，廣泛應(yīng)用于機械制造、機電產(chǎn)品、輕化工、航空、航天等行業(yè)。通過工業(yè)試驗和應(yīng)用檢測，各項指標(biāo)均達(dá)到和超過國家標(biāo)準(zhǔn)，具有國際先進(jìn)水平。

該工程1993年列為國家重點火炬計劃項目，1997年11月，國家計委以技科技(1997)2167號文批復(fù)立項，被列為“重大科技成果產(chǎn)業(yè)化示范工程”，1999年9月,又以計高技(1999)1346號文批復(fù)《可研》，并被列入1999年第二批高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中央財政預(yù)算內(nèi)專項資金投資計劃,國家注入資本金2000萬元。

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999年國家計委批復(fù)的《可研》明確指出，通過該示范工程要解決三個主要問題：（1）、要在160KA電解槽上尋求最佳的工藝條件、操作及管理經(jīng)驗和與之適宜的原料，以取得冶煉的最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)；（2）、通過示范工程開拓市場，形成系列產(chǎn)品，為該技術(shù)的全面推廣打下基礎(chǔ)；（3）、通過示范工程，對有關(guān)輔助設(shè)施進(jìn)行全面檢查，同時，尋找出最佳工藝條件，為技術(shù)推廣提供更多、更可靠的輔助技術(shù)裝備。

工程建成后，年可實現(xiàn)銷售收入23680萬元,實現(xiàn)利稅4760萬元,其中利潤3503萬元。投資利潤率達(dá)18.37%，投資利稅率達(dá)24.96%，投資回收期為6.94年。以上指標(biāo)均高于有色行業(yè)有關(guān)規(guī)定，項目經(jīng)濟效益顯著，具有較強的抗風(fēng)險能力。

鋁硅合金廣泛應(yīng)用于不同的工業(yè)部門，如包裝業(yè)、汽車制造業(yè)、拖拉機制造業(yè)航空工業(yè)、鐵路運輸業(yè)、儀器制造業(yè)、電子工業(yè)、建筑業(yè)及其它工業(yè)部門。鋁硅合金鑄造性能好，有很好的機械強度，耐腐蝕性能強，可以制得公差小而表面質(zhì)量高的鑄件；合金熔點低，可采用壓力鑄造法和成型鑄造法等先進(jìn)工藝制造零部件。

研究表明：由于鈦能與氧及氮強烈的化合，可用于煉鋼脫氧除渣。鈦具有細(xì)化合金組織能力，是有色金屬和某些合金鋼、鑄鋼的組成。向合金中加入0.1%～0.6%的鈦，不僅可以脫氧、凈化，而且能改善合金在常溫、高溫時的機械強度。含鈦硅鋁合金結(jié)晶組織細(xì)化，耐磨性、耐腐蝕性及

高溫強度增強。因此，開發(fā)含鋁硅鈦合金或向鋁硅合金添加鈦被視為熱門技術(shù)。備受青睞。實驗表明：向ZL108活 塞合金中，添加0.6%的鈦制作活塞、缸體、缸蓋等零件，經(jīng)實驗室試驗、工藝性試驗、600小時臺架耐久性試驗以及5萬公里、15萬公里行車使用試驗，結(jié)果證明該合金具有以下優(yōu)點：

1、良好的細(xì)化結(jié)晶組織；2、較強的耐磨性；3、較強的耐熱性?？梢哉f，該合金能使活塞使用壽命延長35%以上，具有明顯的經(jīng)濟效益。

試驗還表明：向Al—Si合金添加鈦，進(jìn)行變形加工，合金成型性良好。用該合金制作的書架、貨柜外觀優(yōu)美、輕巧堅實，用于室內(nèi)裝飾、制作門窗，具有高強度、小比重、易維護、無污染、耐磨、耐腐蝕、經(jīng)久耐用的優(yōu)點。向雜鋁中添加適量的鋁硅鈦合金，鑄造產(chǎn)品質(zhì)量明顯改善，產(chǎn)品成品率大大提高。

鋁硅合金冶煉工藝過程的熱力學(xué)研究顯示，合金高溫反應(yīng)方程如下：

mAl203 nSiO2 （3m 2n）C=2mAl nSi （3m 2n）CO。式中m及n為任意數(shù)。生產(chǎn)實踐中可據(jù)此擬定配料方案，通常以Al203/SiO2表示（簡化為A/S，以下同）。

可用于煉制鋁硅合金的礦物資源豐富而繁多，幾乎便及中國各地。低鐵鋁土礦、低鐵高鋁黏土、高嶺土、藍(lán)晶巖、紅柱石、硅線石，都是煉制鋁硅合金的重要原料，而粉煤灰、煤矸石、頁巖、葉臘石、硅石、紅硅土等是主要輔助原料。選用何種礦物作原料，取決于擬生產(chǎn)什么成分的合金及該合金的市場供求狀況，以及礦石質(zhì)量（雜質(zhì)多少）、價格、加工的難易程度等一系列經(jīng)濟技術(shù)上的合理性評估。

上述礦物，可以單獨使用某一種，例如A/S小于2的低鐵鋁土礦、黏土、藍(lán)晶石、紅柱石等，也可以兩種或多種礦石混合搭配，例如高嶺土與鋁土礦混合料，鋁土礦與紅硅土或硅石、粉煤灰混合料等。值得一提的是，中國鼓勵固體廢料資源化，例如粉煤灰、煤矸石，在原料中摻入量大于30%，可免征增值稅50%。在有些省如山西省，增值稅可全部免征，并免征所得稅5年，這會相應(yīng)提高經(jīng)濟效益和社會效益。

由于礦石中通常含有雜質(zhì)，因此必須經(jīng)加工精制予以清除。雜質(zhì)中最有害的Fe203，總量不易大于1.5%，先前也曾把TiO2與Fe203一樣看待。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)鈦在合金中是有益元素，因而成為物料中重要成份之一。其它如CaO、MgO等亦應(yīng)盡可能加以清除，以減少能耗，消除工藝過程發(fā)生結(jié)硬、渣多現(xiàn)象，同時降低精制費用。加工時務(wù)求磨細(xì)，這不但有利于除鐵，而且使物料比表面增大，提高熔煉反應(yīng)強度，提高熱效率，降低電

耗。

碳質(zhì)還原劑在很大程度上決定著爐料的理化性質(zhì)及工藝過程的指標(biāo)。要求還原劑具有很好的化學(xué)活性，較大的比表面，灰份少，電阻大，成團性能好。加工后的粉狀物料必須成球。球團強度為160公斤/平方厘米，粒度為50～60毫米。團料應(yīng)混合均勻，有良好的透氣性，同時又很密實。

可用作還原劑的碳質(zhì)材料有：精制煙煤、褐煤、木炭、石油焦和瀝青焦、酒糟、糠醛渣、苞米心等。由于精制煙煤具有良好的物理化學(xué)性能，價格低廉，易于取得，應(yīng)作為首選還原劑。精煤灰份應(yīng)不大于2.0%，F(xiàn)e203總量不大于0.5%。

制團常用粘結(jié)劑有瀝青、黏土、紙漿廢液、酒糟、糠醛渣等。

傳統(tǒng)的鋁硅鈦合金生產(chǎn)方法，是按比例將鋁、硅、鈦三種金屬重熔配制而成，成本高。向正常運行的電解槽內(nèi)添加專用的添加劑（含有少量的氧化硅、氧化鈦的復(fù)合氧化鋁）可以產(chǎn)出與添加劑的量及成份相應(yīng)的鋁硅鈦合金這種方法可使成本大大下降，獲得相當(dāng)高的經(jīng)濟效益。

電解法鋁硅鈦多元合金生產(chǎn)工藝是鋁硅鈦多元合金工程的主要技術(shù)，是鄭州輕金屬研究院的專利技術(shù)，是采用除鐵鋁土礦粉為原料，摻兌氧化鋁通過成份調(diào)配，并采用電解的方法生產(chǎn)新型鋁硅系鑄造合金---鋁硅鈦多元合金的一種新的工藝方法。

用熱電法在礦熱爐內(nèi)直接熔煉鋁硅鈦合金，有著更大的優(yōu)越性和更好的經(jīng)濟效益。其原因有三：一是與電解法比較，電熱法工藝簡單，流程短，所需投資少，且生產(chǎn)規(guī)模方便靈活；二是與電解法、合成法比較，合金成本低；三是電熱法所需的原材料來源多，價格便宜，不需要價格昂貴的氧化鋁、氟化鹽等。因此，推薦電熱法生產(chǎn)鋁硅鈦中間合金，以中間合金配制各種牌號鑄造、變形合金。

技術(shù)專利資料

申請?zhí)?專利號： 94116235

一種用電解法生產(chǎn)鋁硅鈦多元合金，它屬于有色金屬及其合金生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。它是采用電解法直接從原料（含鋁礦物）中生產(chǎn)出鋁硅鈦多元合金，原料的組成是氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、氧化鐵和稀有元素氧化物。將以上原料用電解槽在冰晶石體系電解質(zhì)中直接電解生產(chǎn)鋁硅鈦多元合金，電解質(zhì)的組成為冰晶石、氟化鋰、氟化鈣、氟化鎂和氯化鈉。該工藝大大簡化了生產(chǎn)流程，降低能耗和生產(chǎn)成本，縮短基建投資和建設(shè)周期。

申請日： 1994年09月28日

公開日： 1995年06月14日

授權(quán)公告日： 1998年03月04日

申請人/專利權(quán)人： 鄭州輕金屬研究院

申請人地址：河南省鄭州市上街區(qū)濟源路76號

發(fā)明設(shè)計人： 楊冠群顧松青田庚有 李求成

專利代理機構(gòu)：鄭州科維專利代理有限公司

代理人： 楊妙琴

專利類型： 發(fā)明專利

分類號： C25C3/06;C25C3/36

礦冶爐必須具有適應(yīng)鋁硅合金冶煉工藝的一切功能。大功率三相三電極爐，固然也可以正常地生產(chǎn)出合格合金，取得較好的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，但與單相單電極低頻爐比較，相形見絀。按交—直—交方式改造的單相單電極低頻爐，各項指標(biāo)先進(jìn)，操作容易，污染相對較小，便于向全密閉、自動化過渡，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

前蘇聯(lián)長期試驗研究及生產(chǎn)實踐證明，雖然三相三電極爐只要電極下能量密度夠大，可以用以煉制鋁硅合金，但是其功能不及單相單電極爐優(yōu)越。常年統(tǒng)計結(jié)果，其各項消耗都偏高，而且經(jīng)常發(fā)生工藝紊亂現(xiàn)象和故障。為了使Al203和SiO2還原過程順利進(jìn)行，最好是建立單一反應(yīng)區(qū)。三相三電極的生產(chǎn)工藝過程證明：鋁及硅的損失比單相單電極爐大，三相三電極爐鋁損失為7.6%，硅為22.5%；而單相單電極爐，分別為2.5%及15%。三相三電極爐的爐料損失，比單相單電極爐大20%～24%，所產(chǎn)出的合金中含鋁比較低，低約2%，其它消耗同樣偏高，尤其是能耗，高出15%～20%。

嚴(yán)格按比例配料，防止比例失調(diào)，是煉制鋁硅鈦合金工藝得以正常運行的重要條件，否則會導(dǎo)致工藝紊亂，降低金屬實收率。保持正常的物料平衡和熱平衡，鋁和硅的回收率可達(dá)88%以上。這是評價爐子的功能和工藝技術(shù)水平的最重要標(biāo)準(zhǔn)。

電弧功率集中，能量密度大，電弧穩(wěn)定，反應(yīng)區(qū)溫度穩(wěn)定保持在2050～2200度之間，是極其重要的，這是工藝正常運行的重要標(biāo)志。爐溫過高，金屬蒸發(fā)損失大，溫度過低，反應(yīng)不完全，造渣多。反應(yīng)產(chǎn)品應(yīng)迅速脫離反應(yīng) 區(qū)，應(yīng)以連續(xù)出爐方式使還原金屬及時排出。這是獲取低消耗、高產(chǎn)率的關(guān)鍵所在。而要做到連續(xù)出爐，每分鐘產(chǎn)量至少要達(dá)到5公斤以上。煉得的粗合金經(jīng)精制除雜、除鐵成份：Si30%～38%、Ti2%左右，F(xiàn)e不大于1.2%，其余為鋁，即可用于配制鋁硅鈦鑄造合金及變形合金。

一座6300kVA的單相單電極低頻爐，年產(chǎn)上述成份的鋁硅鈦中間合金3500噸。合金成本視電價不同約在6000～7500元之間，售價按成份市價的85%計，約為10500元上下，每噸合金利稅3000元以上，年利稅在1000萬元以上，經(jīng)濟效益可觀，完全可在需求制約市場、競爭激烈的格局中贏得用戶的歡迎。

工業(yè)上很重要的硅鋁合金可分為四類：

（1） 亞共晶硅鋁合金其中含有 9%～12%的硅。

（2）共晶硅鋁合金含 11%～13%的硅。

（3）過共晶硅鋁合金硅含量在 12%以上，主要是在 15%～20%范圍。

（4）硅含量在22%以上的，被稱作高硅鋁合金，其中以25%-70%為主，國際上硅含量最高可達(dá)80%。

耐磨鋁硅合金是指在含硅量超過Al-Si共晶點(硅11.7%)的鋁硅合金中，硅的顆?？擅黠@提高合金的耐磨性，組成一類用途很廣的耐磨合金。