鋁矽鈦多元合金工程

中國國家重大科技成果產業化示範工程、國家“火炬”計畫項目、中國國家重大科技成果產業化示範工程。1996年落戶河南省登封電廠集團承建，2000年5月正式開工，當年完成部分土建工程和主要設備訂貨，2002年8月1日全部46台電解槽啟動完畢，轉入試生產。2002年10月12日得到了中國國家計委“高新技術產業化示範工程”的授牌表彰。經過一年多的各項實驗，其產品達到國家規定指標要求，並於2003年7月經過國家、省、市有關部門、專家的審核，一致通過竣工驗收。 鋁矽鈦多元合金工程是中國首家採用“直接電解除鐵鋁礦粉”這一世界首創專利技術生產鋁矽鈦合金，對中國有色金屬和交通運輸業都將產生深遠影響。

基本介紹

• 中文名：鋁矽鈦多元合金工程
• 外文名：Aluminum silicon titanium alloy engineering
• 正式開工：2000年5月
• 類型：“直接電解除鐵鋁礦粉”

概念解讀

鋁矽鈦多元合金工程是國家重大科技成果產業化示範項目，鋁矽鈦多元合金一期年產1.5萬噸工程，自1996年落戶河南省登封電廠集團承建後，該集團公司經過8年攻關，在國家科委、國家發改委、河南省計委及有關科研部門領導關懷支持下，經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幹部職工的共同努力，於2002年5月建成投產，又經過一年多的各項實驗，其產品達到國家規定指標要求，並於2003年7月經過國家、省、市有關部門、專家的審核，一致通過竣工驗收。

中國國家重大科技成果產業化——鋁矽鈦多元合金工程一期年產1.5萬噸示範工程項目，是根據國家“九·五”規劃，結合鄭州鋁資源優勢，登封電廠集團電力優勢、產業鏈條優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，其餘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業和延伸有色金屬行業新品種、新領域的高度，把該示範工程項目做為重中之重，在資金投入上千方百計保證落實，建設中即使遭遇亞洲金融經濟危機的衝擊，但工程建設始終沒有因資金的短缺而停下。國家、省、市有關領導多次現場協調工作，極大地鼓舞了登封電廠集團領導和鋁合金公司廣大幹部職工，他們懷著對國家高技術重大產業示範工程的高度敬業和責任心，忘我工作，不分晝夜趕進度，終使一期工程於2002年5月投產，並於2002年8月至2003年4月陸續完成了低鈦鋁合金和鋁矽鈦多元合金的生產試驗。

工程背景

鋁矽鈦多元合金用於汽車發動機製造工業，具有良好的細化結晶組織的作用，有較高的耐熱、耐磨性能。用該合金製成的發動機活塞、缸體、缸蓋等零件，壽命比普通合金延長35%左右。在機車、汽車輪轂製造方面，其鑄造性能、機械加工性能、抗疲勞及抗衝擊等性能，均達到並超過美國A356鋁合金輪轂的性能。

利用鋁矽鈦多元合金獲得的快凝合金，性能明顯優於傳統工藝生產的合金，有希望取代150-300℃範圍內使用的鈦基合金，可廣泛套用於太空飛行器製造工業中。另外，隨著民用建築和裝飾材料工業的發展，該合金套用的潛力更大。

2002年，全球原鋁消費達到了2521萬噸，其中大約25%套用於原鋁對摻法生產鋁矽系鑄造合金。在國際市場上尤以含鈦的鋁矽系鑄造合金套用最為普遍。隨著世界經濟的不斷發展，鑄造鋁合金套用領域的不斷拓寬，鋁矽鈦多元合金的市場需求也在持續增長。

世界鋁產量增加的70%來自開發中國家，而開發中國家鑄造鋁合金的產量僅占鋁消費量的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，鋁矽鈦多元合金的市場套用前景十分廣闊。

就中國現有原鋁生產能力而言，如果達到世界平均鑄造鋁合金消費水平，鑄造鋁合金的生 產能力應達到年產120萬噸以上，而當時年產僅為50萬噸左右，市場發展潛力很大，鋁矽鈦多元合金產業亟待發展。

同時，隨著中國經濟的持續、穩定發展和國家產業結構的不斷完善，汽車、機車工業、機械製造工業等的發展，對高品質鑄造鋁合金的總需求將達到60萬噸/年，即使這樣，也僅為世界平均水平的一半，市場發展潛力及空間十分巨大。

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矽鈦合金產業化示範基地，一期工程年產1.5萬噸；二期擴大為3萬噸/年；依市場要求情況，通過滾動發展，計畫最終規模為年產10萬噸鋁矽鈦多元合金。2002年5月該項目一期工程已通過審核，順利試產。

工程概況

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

鋁矽鈦多元合金具有高溫強度好、耐磨、耐腐蝕性能強、體積熱穩定性能好、導熱導電性能強、易加工等特點，廣泛套用於機械製造、機電產品、輕化工、航空、航天等行業。通過工業試驗和套用檢測，各項指標均達到和超過國家標準，具有國際先進水平。

該工程1993年列為國家重點火炬計畫項目，1997年11月，國家計委以技科技(1997)2167號文批覆立項，被列為“重大科技成果產業化示範工程”，1999年9月,又以計高技(1999)1346號文批覆《可研》，並被列入1999年第二批高技術產業化中央財政預算內專項資金投資計畫,國家注入資本金2000萬元。

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999年國家計委批覆的《可研》明確指出，通過該示範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、操作及管理經驗和與之適宜的原料，以取得冶煉的最優技術經濟指標；（2）、通過示範工程開拓市場，形成系列產品，為該技術的全面推廣打下基礎；（3）、通過示範工程，對有關輔助設施進行全面檢查，同時，尋找出最佳工藝條件，為技術推廣提供更多、更可靠的輔助技術裝備。

工程建成後，年可實現銷售收入23680萬元,實現利稅4760萬元,其中利潤3503萬元。投資利潤率達18.37%，投資利稅率達24.96%，投資回收期為6.94年。以上指標均高於有色行業有關規定，項目經濟效益顯著，具有較強的抗風險能力。

產品優勢

鋁矽合金廣泛套用於不同的工業部門，如包裝業、汽車製造業、拖拉機製造業航空工業、鐵路運輸業、儀器製造業、電子工業、建築業及其它工業部門。鋁矽合金鑄造性能好，有很好的機械強度，耐腐蝕性能強，可以製得公差小而表面質量高的鑄件；合金熔點低，可採用壓力鑄造法和成型鑄造法等先進工藝製造零部件。

研究表明：由於鈦能與氧及氮強烈的化合，可用於煉鋼脫氧除渣。鈦具有細化合金組織能力，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、淨化，而且能改善合金在常溫、高溫時的機械強度。含鈦矽鋁合金結晶組織細化，耐磨性、耐腐蝕性及

高溫強度增強。因此，開發含鋁矽鈦合金或向鋁矽合金添加鈦被視為熱門技術。備受青睞。實驗表明：向ZL108活 塞合金中，添加0.6%的鈦製作活塞、缸體、缸蓋等零件，經實驗室試驗、工藝性試驗、600小時台架耐久性試驗以及5萬公里、15萬公里行車使用試驗，結果證明該合金具有以下優點：

1、良好的細化結晶組織；2、較強的耐磨性；3、較強的耐熱性。可以說，該合金能使活塞使用壽命延長35%以上，具有明顯的經濟效益。

試驗還表明：向Al—Si合金添加鈦，進行變形加工，合金成型性良好。用該合金製作的書架、貨櫃外觀優美、輕巧堅實，用於室內裝飾、製作門窗，具有高強度、小比重、易維護、無污染、耐磨、耐腐蝕、經久耐用的優點。向雜鋁中添加適量的鋁矽鈦合金，鑄造產品質量明顯改善，產品成品率大大提高。

原料選擇

鋁矽合金冶煉工藝過程的熱力學研究顯示，合金高溫反應方程如下：

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

可用於煉製鋁矽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、藍晶岩、紅柱石、矽線石，都是煉製鋁矽合金的重要原料，而粉煤灰、煤矸石、頁岩、葉臘石、矽石、紅矽土等是主要輔助原料。選用何種礦物作原料，取決於擬生產什麼成分的合金及該合金的市場供求狀況，以及礦石質量（雜質多少）、價格、加工的難易程度等一系列經濟技術上的合理性評估。

上述礦物，可以單獨使用某一種，例如A/S小於2的低鐵鋁土礦、黏土、藍晶石、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，鋁土礦與紅矽土或矽石、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，在原料中摻入量大於30%，可免徵增值稅50%。在有些省如山西省，增值稅可全部免徵，並免徵所得稅5年，這會相應提高經濟效益和社會效益。

由於礦石中通常含有雜質，因此必須經加工精製予以清除。雜質中最有害的Fe203，總量不易大於1.5%，先前也曾把TiO2與Fe203一樣看待。但隨著科學技術的發展，發現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等亦應儘可能加以清除，以減少能耗，消除工藝過程發生結硬、渣多現象，同時降低精製費用。加工時務求磨細，這不但有利於除鐵，而且使物料比表面增大，提高熔煉反應強度，提高熱效率，降低電

耗。

碳質還原劑在很大程度上決定著爐料的理化性質及工藝過程的指標。要求還原劑具有很好的化學活性，較大的比表面，灰份少，電阻大，成團性能好。加工後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材料有：精製煙煤、褐煤、木炭、石油焦和瀝青焦、酒糟、糠醛渣、苞米心等。由於精製煙煤具有良好的物理化學性能，價格低廉，易於取得，應作為首選還原劑。精煤灰份應不大於2.0%，Fe203總量不大於0.5%。

制團常用粘結劑有瀝青、黏土、紙漿廢液、酒糟、糠醛渣等。

主要技術

傳統的鋁矽鈦合金生產方法，是按比例將鋁、矽、鈦三種金屬重熔配製而成，成本高。向正常運行的電解槽內添加專用的添加劑（含有少量的氧化矽、氧化鈦的複合氧化鋁）可以產出與添加劑的量及成份相應的鋁矽鈦合金這種方法可使成本大大下降，獲得相當高的經濟效益。

電解法鋁矽鈦多元合金生產工藝是鋁矽鈦多元合金工程的主要技術，是鄭州輕金屬研究院的專利技術，是採用除鐵鋁土礦粉為原料，摻兌氧化鋁通過成份調配，並採用電解的方法生產新型鋁矽系鑄造合金---鋁矽鈦多元合金的一種新的工藝方法。

用熱電法在礦熱爐內直接熔煉鋁矽鈦合金，有著更大的優越性和更好的經濟效益。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，且生產規模方便靈活；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，推薦電熱法生產鋁矽鈦中間合金，以中間合金配製各種牌號鑄造、變形合金。

技術專利資料

申請號/專利號： 94116235

一種用電解法生產鋁矽鈦多元合金，它屬於有色金屬及其合金生產技術領域。它是採用電解法直接從原料（含鋁礦物）中生產出鋁矽鈦多元合金，原料的組成是氧化鋁、氧化矽、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中直接電解生產鋁矽鈦多元合金，電解質的組成為冰晶石、氟化鋰、氟化鈣、氟化鎂和氯化鈉。該工藝大大簡化了生產流程，降低能耗和生產成本，縮短基建投資和建設周期。
申請日： 1994年09月28日
公開日： 1995年06月14日
授權公告日： 1998年03月04日
申請人/專利權人： 鄭州輕金屬研究院
申請人地址：河南省鄭州市上街區濟源路76號
發明設計人： 楊冠群顧松青田庚有 李求成
專利代理機構：鄭州科維專利代理有限公司
代理人： 楊妙琴
專利類型： 發明專利
分類號： C25C3/06;C25C3/36

製備工藝

礦冶爐必須具有適應鋁矽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出合格合金，取得較好的經濟技術指標，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，各項指標先進，操作容易，污染相對較小，便於向全密閉、自動化過渡，實現清潔生產。

前蘇聯長期試驗研究及生產實踐證明，雖然三相三電極爐只要電極下能量密度夠大，可以用以煉製鋁矽合金，但是其功能不及單相單電極爐優越。常年統計結果，其各項消耗都偏高，而且經常發生工藝紊亂現象和故障。為了使Al203和SiO2還原過程順利進行，最好是建立單一反應區。三相三電極的生產工藝過程證明：鋁及矽的損失比單相單電極爐大，三相三電極爐鋁損失為7.6%，矽為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%。

嚴格按比例配料，防止比例失調，是煉製鋁矽鈦合金工藝得以正常運行的重要條件，否則會導致工藝紊亂，降低金屬實收率。保持正常的物料平衡和熱平衡，鋁和矽的回收率可達88%以上。這是評價爐子的功能和工藝技術水平的最重要標準。

電弧功率集中，能量密度大，電弧穩定，反應區溫度穩定保持在2050～2200度之間，是極其重要的，這是工藝正常運行的重要標誌。爐溫過高，金屬蒸發損失大，溫度過低，反應不完全，造渣多。反應產品應迅速脫離反應 區，應以連續出爐方式使還原金屬及時排出。這是獲取低消耗、高產率的關鍵所在。而要做到連續出爐，每分鐘產量至少要達到5公斤以上。煉得的粗合金經精製除雜、除鐵成份：Si30%～38%、Ti2%左右，Fe不大於1.2%，其餘為鋁，即可用於配製鋁矽鈦鑄造合金及變形合金。

一座6300kVA的單相單電極低頻爐，年產上述成份的鋁矽鈦中間合金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。