鋁硅鈦多元合金工程概念解讀

鋁硅鈦多元合金工程是國(guó)家重大科技成果產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目，鋁硅鈦多元合金一期年產(chǎn)1.5萬(wàn)噸工程，自1996年落戶河南省登封電廠集團(tuán)承建后，該集團(tuán)公司經(jīng)過(guò)8年攻關(guān)，在國(guó)家科委、國(guó)家發(fā)改委、河南省計(jì)委及有關(guān)科研部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)關(guān)懷支持下，經(jīng)過(guò)鄭州輕金屬研究院和登封電廠集團(tuán)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(guò)一年多的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其產(chǎn)品達(dá)到國(guó)家規(guī)定指標(biāo)要求，并于2003年7月經(jīng)過(guò)國(guó)家、省、市有關(guān)部門(mén)、專家的審核，一致通過(guò)竣工驗(yàn)收。

中國(guó)國(guó)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(wàn)噸示范工程項(xiàng)目，是根據(jù)國(guó)家“九·五”規(guī)劃，結(jié)合鄭州鋁資源優(yōu)勢(shì)，登封電廠集團(tuán)電力優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)鏈條優(yōu)勢(shì)而承建這個(gè)高科技項(xiàng)目的，一期工程投資2億元，除國(guó)家注入3000萬(wàn)元資本金和地方配套1000萬(wàn)元外，其余1.6億元資金全靠該集團(tuán)公司自籌，困難很大，但該公司站在攻克和拓展中國(guó)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(xiàng)目做為重中之重，在資金投入上千方百計(jì)保證落實(shí)，建設(shè)中即使遭遇亞洲金融經(jīng)濟(jì)危機(jī)的沖擊，但工程建設(shè)始終沒(méi)有因資金的短缺而停下。國(guó)家、省、市有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)多次現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)工作，極大地鼓舞了登封電廠集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)和鋁合金公司廣大干部職工，他們懷著對(duì)國(guó)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(yàn)。

鋁硅鈦多元合金用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)活塞、缸體、缸蓋等零件，壽命比普通合金延長(zhǎng)35%左右。在摩托車、汽車輪轂制造方面，其鑄造性能、機(jī)械加工性能、抗疲勞及抗沖擊等性能，均達(dá)到并超過(guò)美國(guó)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(fèi)達(dá)到了2521萬(wàn)噸，其中大約25%應(yīng)用于原鋁對(duì)摻法生產(chǎn)鋁硅系鑄造合金。在國(guó)際市場(chǎng)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(jì)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(chǎng)需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。

世界鋁產(chǎn)量增加的70%來(lái)自發(fā)展中國(guó)家，而發(fā)展中國(guó)家鑄造鋁合金的產(chǎn)量?jī)H占鋁消費(fèi)量的18%左右，比世界平均水平還差七個(gè)百分點(diǎn)，市場(chǎng)缺口很大，因此，在國(guó)際市場(chǎng)上，鋁硅鈦多元合金的市場(chǎng)應(yīng)用前景十分廣闊。

就中國(guó)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(fèi)水平，鑄造鋁合金的生 產(chǎn)能力應(yīng)達(dá)到年產(chǎn)120萬(wàn)噸以上，而當(dāng)時(shí)年產(chǎn)僅為50萬(wàn)噸左右，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿艽?，鋁硅鈦多元合金產(chǎn)業(yè)亟待發(fā)展。

同時(shí)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展和國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷完善，汽車、摩托車工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)等的發(fā)展，對(duì)高品質(zhì)鑄造鋁合金的總需求將達(dá)到60萬(wàn)噸/年，即使這樣，也僅為世界平均水平的一半，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿翱臻g十分巨大。

1997至2002年，中國(guó)共投資3000萬(wàn)元在河南省登封電廠集團(tuán)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(wàn)噸；二期擴(kuò)大為3萬(wàn)噸/年；依市場(chǎng)要求情況，通過(guò)滾動(dòng)發(fā)展，計(jì)劃最終規(guī)模為年產(chǎn)10萬(wàn)噸鋁硅鈦多元合金。2002年5月該項(xiàng)目一期工程已通過(guò)審核，順利試產(chǎn)。

該工程一期規(guī)模為1.5萬(wàn)噸/年，總投資19073萬(wàn)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(diǎn)，且保留了鋁土礦中大量稀有元素，實(shí)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(qiáng)度好、耐磨、耐腐蝕性能強(qiáng)、體積熱穩(wěn)定性能好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能強(qiáng)、易加工等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、機(jī)電產(chǎn)品、輕化工、航空、航天等行業(yè)。通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)和應(yīng)用檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到和超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有國(guó)際先進(jìn)水平。

該工程1993年列為國(guó)家重點(diǎn)火炬計(jì)劃項(xiàng)目，1997年11月，國(guó)家計(jì)委以技科技(1997)2167號(hào)文批復(fù)立項(xiàng)，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(jì)高技(1999)1346號(hào)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(cái)政預(yù)算內(nèi)專項(xiàng)資金投資計(jì)劃,國(guó)家注入資本金2000萬(wàn)元。

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999年國(guó)家計(jì)委批復(fù)的《可研》明確指出，通過(guò)該示范工程要解決三個(gè)主要問(wèn)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(yàn)和與之適宜的原料，以取得冶煉的最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；（2）、通過(guò)示范工程開(kāi)拓市場(chǎng)，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(guò)示范工程，對(duì)有關(guān)輔助設(shè)施進(jìn)行全面檢查，同時(shí)，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(shí)現(xiàn)銷售收入23680萬(wàn)元,實(shí)現(xiàn)利稅4760萬(wàn)元,其中利潤(rùn)3503萬(wàn)元。投資利潤(rùn)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(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

鋁硅合金廣泛應(yīng)用于不同的工業(yè)部門(mén)，如包裝業(yè)、汽車制造業(yè)、拖拉機(jī)制造業(yè)航空工業(yè)、鐵路運(yùn)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(mén)。鋁硅合金鑄造性能好，有很好的機(jī)械強(qiáng)度，耐腐蝕性能強(qiáng)，可以制得公差小而表面質(zhì)量高的鑄件；合金熔點(diǎn)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(qiáng)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(shí)的機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度增強(qiáng)。因此，開(kāi)發(fā)含鋁硅鈦合金或向鋁硅合金添加鈦被視為熱門(mén)技術(shù)。備受青睞。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、工藝性試驗(yàn)、600小時(shí)臺(tái)架耐久性試驗(yàn)以及5萬(wàn)公里、15萬(wàn)公里行車使用試驗(yàn)，結(jié)果證明該合金具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

試驗(yàn)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(shū)架、貨柜外觀優(yōu)美、輕巧堅(jiān)實(shí)，用于室內(nèi)裝飾、制作門(mén)窗，具有高強(qiáng)度、小比重、易維護(hù)、無(wú)污染、耐磨、耐腐蝕、經(jīng)久耐用的優(yōu)點(diǎn)。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(guò)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(shí)踐中可據(jù)此擬定配料方案，通常以Al203/SiO2表示（簡(jiǎn)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(guó)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(yè)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(chǎng)供求狀況，以及礦石質(zhì)量（雜質(zhì)多少）、價(jià)格、加工的難易程度等一系列經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的合理性評(píng)估。

上述礦物，可以單獨(dú)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(guó)鼓勵(lì)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(huì)相應(yīng)提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(guò)程發(fā)生結(jié)硬、渣多現(xiàn)象，同時(shí)降低精制費(fèi)用。加工時(shí)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(qiáng)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(guò)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(tuán)性能好。加工后的粉狀物料必須成球。球團(tuán)強(qiáng)度為160公斤/平方厘米，粒度為50～60毫米。團(tuán)料應(yīng)混合均勻，有良好的透氣性，同時(shí)又很密實(shí)。

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(jià)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(tuán)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(yùn)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(jì)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(guò)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(jì)效益。其原因有三：一是與電解法比較，電熱法工藝簡(jiǎn)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(lái)源多，價(jià)格便宜，不需要價(jià)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(hào)鑄造、變形合金。

技術(shù)專利資料

申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)： 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(jiǎn)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(qǐng)日： 1994年09月28日

公開(kāi)日： 1995年06月14日

授權(quán)公告日： 1998年03月04日

申請(qǐng)人/專利權(quán)人： 鄭州輕金屬研究院

申請(qǐng)人地址：河南省鄭州市上街區(qū)濟(jì)源路76號(hào)

發(fā)明設(shè)計(jì)人： 楊冠群顧松青田庚有 李求成

專利代理機(jī)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(hào)： 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(jì)技術(shù)指標(biāo)，但與單相單電極低頻爐比較，相形見(jiàn)絀。按交—直—交方式改造的單相單電極低頻爐，各項(xiàng)指標(biāo)先進(jìn)，操作容易，污染相對(duì)較小，便于向全密閉、自動(dòng)化過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

前蘇聯(lián)長(zhǎng)期試驗(yàn)研究及生產(chǎn)實(shí)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(jì)結(jié)果，其各項(xiàng)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(guò)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(guò)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(yùn)行的重要條件，否則會(huì)導(dǎo)致工藝紊亂，降低金屬實(shí)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(píng)價(jià)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(yùn)行的重要標(biāo)志。爐溫過(guò)高，金屬蒸發(fā)損失大，溫度過(guò)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(shí)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(jià)不同約在6000～7500元之間，售價(jià)按成份市價(jià)的85%計(jì)，約為10500元上下，每噸合金利稅3000元以上，年利稅在1000萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效益可觀，完全可在需求制約市場(chǎng)、競(jìng)爭(zhēng)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(guò)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(guó)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(guò)Al-Si共晶點(diǎn)(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。