铝硅钛多元合金工程

铝硅合金广泛应用于不同的工业部门，如包装业、汽车制造业、拖拉机制造业航空工业、铁路运输业、仪器制造业、电子工业、建筑业及其它工业部门。铝硅合金铸造性能好，有很好的机械强度，耐腐蚀性能强，可以制得公差小而表面质量高的铸件；合金熔点低，可采用压力铸造法和成型铸造法等先进工艺制造零部件。

研究表明：由于钛能与氧及氮强烈的化合，可用于炼钢脱氧除渣。钛具有细化合金组织能力，是有色金属和某些合金钢、铸钢的组成。向合金中加入0.1%～0.6%的钛，不仅可以脱氧、净化，而且能改善合金在常温、高温时的机械强度。含钛硅铝合金结晶组织细化，耐磨性、耐腐蚀性及

高温强度增强。因此，开发含铝硅钛合金或向铝硅合金添加钛被视为热门技术。备受青睐。实验表明：向ZL108活 塞合金中，添加0.6%的钛制作活塞、缸体、缸盖等零件，经实验室试验、工艺性试验、600小时台架耐久性试验以及5万公里、15万公里行车使用试验，结果证明该合金具有以下优点：

1、良好的细化结晶组织；2、较强的耐磨性；3、较强的耐热性。可以说，该合金能使活塞使用寿命延长35%以上，具有明显的经济效益。

试验还表明：向Al—Si合金添加钛，进行变形加工，合金成型性良好。用该合金制作的书架、货柜外观优美、轻巧坚实，用于室内装饰、制作门窗，具有高强度、小比重、易维护、无污染、耐磨、耐腐蚀、经久耐用的优点。向杂铝中添加适量的铝硅钛合金，铸造产品质量明显改善，产品成品率大大提高。

铝硅钛多元合金工程是国家重大科技成果产业化示范项目，铝硅钛多元合金一期年产1.5万吨工程，自1996年落户河南省登封电厂集团承建后，该集团公司经过8年攻关，在国家科委、国家发改委、河南省计委及有关科研部门领导关怀支持下，经过郑州轻金属研究院和登封电厂集团铝合金有限公司广大干部职工的共同努力，于2002年5月建成投产，又经过一年多的各项实验，其产品达到国家规定指标要求，并于2003年7月经过国家、省、市有关部门、专家的审核，一致通过竣工验收。

中国国家重大科技成果产业化——铝硅钛多元合金工程一期年产1.5万吨示范工程项目，是根据国家“九·五”规划，结合郑州铝资源优势，登封电厂集团电力优势、产业链条优势而承建这个高科技项目的，一期工程投资2亿元，除国家注入3000万元资本金和地方配套1000万元外，其余1.6亿元资金全靠该集团公司自筹，困难很大，但该公司站在攻克和拓展中国高科技产业和延伸有色金属行业新品种、新领域的高度，把该示范工程项目做为重中之重，在资金投入上千方百计保证落实，建设中即使遭遇亚洲金融经济危机的冲击，但工程建设始终没有因资金的短缺而停下。国家、省、市有关领导多次现场协调工作，极大地鼓舞了登封电厂集团领导和铝合金公司广大干部职工，他们怀着对国家高技术重大产业示范工程的高度敬业和责任心，忘我工作，不分昼夜赶进度，终使一期工程于2002年5月投产，并于2002年8月至2003年4月陆续完成了低钛铝合金和铝硅钛多元合金的生产试验。

该工程一期规模为1.5万吨/年，总投资19073万元，采用有色金属总公司郑州轻金属研究院的专利技术用除铁铝矾土直接电解法生产铝硅钛合金工艺。与传统熔配法相比， 该工艺具有生产流程短、投资少、成本低等特点，且保留了铝土矿中大量稀有元素，实现了矿物资源综合利用。被称之为金属工业的一次革命。

铝硅钛多元合金具有高温强度好、耐磨、耐腐蚀性能强、体积热稳定性能好、导热导电性能强、易加工等特点，广泛应用于机械制造、机电产品、轻化工、航空、航天等行业。通过工业试验和应用检测，各项指标均达到和超过国家标准，具有国际先进水平。

该工程1993年列为国家重点火炬计划项目，1997年11月，国家计委以技科技(1997)2167号文批复立项，被列为“重大科技成果产业化示范工程”，1999年9月,又以计高技(1999)1346号文批复《可研》，并被列入1999年第二批高技术产业化中央财政预算内专项资金投资计划,国家注入资本金2000万元。

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999年国家计委批复的《可研》明确指出，通过该示范工程要解决三个主要问题：（1）、要在160KA电解槽上寻求最佳的工艺条件、操作及管理经验和与之适宜的原料，以取得冶炼的最优技术经济指标；（2）、通过示范工程开拓市场，形成系列产品，为该技术的全面推广打下基础；（3）、通过示范工程，对有关辅助设施进行全面检查，同时，寻找出最佳工艺条件，为技术推广提供更多、更可靠的辅助技术装备。

工程建成后，年可实现销售收入23680万元,实现利税4760万元,其中利润3503万元。投资利润率达18.37%，投资利税率达24.96%，投资回收期为6.94年。以上指标均高于有色行业有关规定，项目经济效益显著，具有较强的抗风险能力。

矿冶炉必须具有适应铝硅合金冶炼工艺的一切功能。大功率三相三电极炉，固然也可以正常地生产出合格合金，取得较好的经济技术指标，但与单相单电极低频炉比较，相形见绌。按交—直—交方式改造的单相单电极低频炉，各项指标先进，操作容易，污染相对较小，便于向全密闭、自动化过渡，实现清洁生产。

前苏联长期试验研究及生产实践证明，虽然三相三电极炉只要电极下能量密度够大，可以用以炼制铝硅合金，但是其功能不及单相单电极炉优越。常年统计结果，其各项消耗都偏高，而且经常发生工艺紊乱现象和故障。为了使Al203和SiO2还原过程顺利进行，最好是建立单一反应区。三相三电极的生产工艺过程证明：铝及硅的损失比单相单电极炉大，三相三电极炉铝损失为7.6%，硅为22.5%；而单相单电极炉，分别为2.5%及15%。三相三电极炉的炉料损失，比单相单电极炉大20%～24%，所产出的合金中含铝比较低，低约2%，其它消耗同样偏高，尤其是能耗，高出15%～20%。

严格按比例配料，防止比例失调，是炼制铝硅钛合金工艺得以正常运行的重要条件，否则会导致工艺紊乱，降低金属实收率。保持正常的物料平衡和热平衡，铝和硅的回收率可达88%以上。这是评价炉子的功能和工艺技术水平的最重要标准。

电弧功率集中，能量密度大，电弧稳定，反应区温度稳定保持在2050～2200度之间，是极其重要的，这是工艺正常运行的重要标志。炉温过高，金属蒸发损失大，温度过低，反应不完全，造渣多。反应产品应迅速脱离反应 区，应以连续出炉方式使还原金属及时排出。这是获取低消耗、高产率的关键所在。而要做到连续出炉，每分钟产量至少要达到5公斤以上。炼得的粗合金经精制除杂、除铁成份：Si30%～38%、Ti2%左右，Fe不大于1.2%，其余为铝，即可用于配制铝硅钛铸造合金及变形合金。

一座6300kVA的单相单电极低频炉，年产上述成份的铝硅钛中间合金3500吨。合金成本视电价不同约在6000～7500元之间，售价按成份市价的85%计，约为10500元上下，每吨合金利税3000元以上，年利税在1000万元以上，经济效益可观，完全可在需求制约市场、竞争激烈的格局中赢得用户的欢迎。

传统的铝硅钛合金生产方法，是按比例将铝、硅、钛三种金属重熔配制而成，成本高。向正常运行的电解槽内添加专用的添加剂（含有少量的氧化硅、氧化钛的复合氧化铝）可以产出与添加剂的量及成份相应的铝硅钛合金这种方法可使成本大大下降，获得相当高的经济效益。

电解法铝硅钛多元合金生产工艺是铝硅钛多元合金工程的主要技术，是郑州轻金属研究院的专利技术，是采用除铁铝土矿粉为原料，掺兑氧化铝通过成份调配，并采用电解的方法生产新型铝硅系铸造合金---铝硅钛多元合金的一种新的工艺方法。

用热电法在矿热炉内直接熔炼铝硅钛合金，有着更大的优越性和更好的经济效益。其原因有三：一是与电解法比较，电热法工艺简单，流程短，所需投资少，且生产规模方便灵活；二是与电解法、合成法比较，合金成本低；三是电热法所需的原材料来源多，价格便宜，不需要价格昂贵的氧化铝、氟化盐等。因此，推荐电热法生产铝硅钛中间合金，以中间合金配制各种牌号铸造、变形合金。

技术专利资料

申请号/专利号： 94116235

一种用电解法生产铝硅钛多元合金，它属于有色金属及其合金生产技术领域。它是采用电解法直接从原料（含铝矿物）中生产出铝硅钛多元合金，原料的组成是氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化铁和稀有元素氧化物。将以上原料用电解槽在冰晶石体系电解质中直接电解生产铝硅钛多元合金，电解质的组成为冰晶石、氟化锂、氟化钙、氟化镁和氯化钠。该工艺大大简化了生产流程，降低能耗和生产成本，缩短基建投资和建设周期。

申请日： 1994年09月28日

公开日： 1995年06月14日

授权公告日： 1998年03月04日

申请人/专利权人： 郑州轻金属研究院

申请人地址：河南省郑州市上街区济源路76号

发明设计人： 杨冠群顾松青田庚有 李求成

专利代理机构：郑州科维专利代理有限公司

代理人： 杨妙琴

专利类型： 发明专利

分类号： C25C3/06;C25C3/36

铝硅钛多元合金用于汽车发动机制造工业，具有良好的细化结晶组织的作用，有较高的耐热、耐磨性能。用该合金制成的发动机活塞、缸体、缸盖等零件，寿命比普通合金延长35%左右。在摩托车、汽车轮毂制造方面，其铸造性能、机械加工性能、抗疲劳及抗冲击等性能，均达到并超过美国A356铝合金轮毂的性能。

利用铝硅钛多元合金获得的快凝合金，性能明显优于传统工艺生产的合金，有希望取代150-300℃范围内使用的钛基合金，可广泛应用于航天器制造工业中。另外，随着民用建筑和装饰材料工业的发展，该合金应用的潜力更大。

2002年，全球原铝消费达到了2521万吨，其中大约25%应用于原铝对掺法生产铝硅系铸造合金。在国际市场上尤以含钛的铝硅系铸造合金应用最为普遍。随着世界经济的不断发展，铸造铝合金应用领域的不断拓宽，铝硅钛多元合金的市场需求也在持续增长。

世界铝产量增加的70%来自发展中国家，而发展中国家铸造铝合金的产量仅占铝消费量的18%左右，比世界平均水平还差七个百分点，市场缺口很大，因此，在国际市场上，铝硅钛多元合金的市场应用前景十分广阔。

就中国现有原铝生产能力而言，如果达到世界平均铸造铝合金消费水平，铸造铝合金的生 产能力应达到年产120万吨以上，而当时年产仅为50万吨左右，市场发展潜力很大，铝硅钛多元合金产业亟待发展。

同时，随着中国经济的持续、稳定发展和国家产业结构的不断完善，汽车、摩托车工业、机械制造工业等的发展，对高品质铸造铝合金的总需求将达到60万吨/年，即使这样，也仅为世界平均水平的一半，市场发展潜力及空间十分巨大。

1997至2002年，中国共投资3000万元在河南省登封电厂集团铝合金有限公司建立了铝硅钛合金产业化示范基地，一期工程年产1.5万吨；二期扩大为3万吨/年；依市场要求情况，通过滚动发展，计划最终规模为年产10万吨铝硅钛多元合金。2002年5月该项目一期工程已通过审核，顺利试产。

铝硅合金冶炼工艺过程的热力学研究显示，合金高温反应方程如下：

mAl203 nSiO2 （3m 2n）C=2mAl nSi （3m 2n）CO。式中m及n为任意数。生产实践中可据此拟定配料方案，通常以Al203/SiO2表示（简化为A/S，以下同）。

可用于炼制铝硅合金的矿物资源丰富而繁多，几乎便及中国各地。低铁铝土矿、低铁高铝黏土、高岭土、蓝晶岩、红柱石、硅线石，都是炼制铝硅合金的重要原料，而粉煤灰、煤矸石、页岩、叶腊石、硅石、红硅土等是主要辅助原料。选用何种矿物作原料，取决于拟生产什么成分的合金及该合金的市场供求状况，以及矿石质量（杂质多少）、价格、加工的难易程度等一系列经济技术上的合理性评估。

上述矿物，可以单独使用某一种，例如A/S小于2的低铁铝土矿、黏土、蓝晶石、红柱石等，也可以两种或多种矿石混合搭配，例如高岭土与铝土矿混合料，铝土矿与红硅土或硅石、粉煤灰混合料等。值得一提的是，中国鼓励固体废料资源化，例如粉煤灰、煤矸石，在原料中掺入量大于30%，可免征增值税50%。在有些省如山西省，增值税可全部免征，并免征所得税5年，这会相应提高经济效益和社会效益。

由于矿石中通常含有杂质，因此必须经加工精制予以清除。杂质中最有害的Fe203，总量不易大于1.5%，先前也曾把TiO2与Fe203一样看待。但随着科学技术的发展，发现钛在合金中是有益元素，因而成为物料中重要成份之一。其它如CaO、MgO等亦应尽可能加以清除，以减少能耗，消除工艺过程发生结硬、渣多现象，同时降低精制费用。加工时务求磨细，这不但有利于除铁，而且使物料比表面增大，提高熔炼反应强度，提高热效率，降低电

耗。

碳质还原剂在很大程度上决定着炉料的理化性质及工艺过程的指标。要求还原剂具有很好的化学活性，较大的比表面，灰份少，电阻大，成团性能好。加工后的粉状物料必须成球。球团强度为160公斤/平方厘米，粒度为50～60毫米。团料应混合均匀，有良好的透气性，同时又很密实。

可用作还原剂的碳质材料有：精制烟煤、褐煤、木炭、石油焦和沥青焦、酒糟、糠醛渣、苞米心等。由于精制烟煤具有良好的物理化学性能，价格低廉，易于取得，应作为首选还原剂。精煤灰份应不大于2.0%，Fe203总量不大于0.5%。

制团常用粘结剂有沥青、黏土、纸浆废液、酒糟、糠醛渣等。

工业上很重要的硅铝合金可分为四类：

（1） 亚共晶硅铝合金其中含有 9%～12%的硅。

（2）共晶硅铝合金含 11%～13%的硅。

（3）过共晶硅铝合金硅含量在 12%以上，主要是在 15%～20%范围。

（4）硅含量在22%以上的，被称作高硅铝合金，其中以25%-70%为主，国际上硅含量最高可达80%。

耐磨铝硅合金是指在含硅量超过Al-Si共晶点(硅11.7%)的铝硅合金中，硅的颗粒可明显提高合金的耐磨性，组成一类用途很广的耐磨合金。