电解法直接生产铝硅钛多元合金可行性分析09.5.11.doc

电解法直接生产铝硅钛多元合金可行性分析时间：2009-05-11 14:36:25 来源：中铝网一、新工艺的技术特征：1工艺流程较为简短铝硅系铸造合金占铸造铝合金总量的80以上，传统生产方法是用纯铝、纯硅熔融配制。铝硅合金中加入少量钛，则能显着提高其机械性能。传统的加钛方法是用纯铝纯钛熔配成铝钛中间合金，再与铝硅中闻合金配制成含钛的铸造合金。为了生产纯铝，需经很复杂的工艺流程，除去铝矿中的硅钛及其他杂质，获得工业纯氧化铝，再熔盐电解获得纯铝。为了生产纯硅和纯钛，需千方百计除去硅矿中的铝、钛和钛矿中的铝、硅，流程都很复杂。然后将三种纯金属经几次重熔配制成合金，因此流程长、能耗高、成本贵。新工艺利用铝矿中含有的铝、硅、钛，只除去铁等有害杂质，经成分调整获得硅钛氧化铝，再熔盐电解，获得铝硅钛多元合金。新工艺流程较为简短，新旧工艺对比如下：2.适合我国资源特征，充分实现矿物资源综合利用我国铝矿资源的特点就其化学组成而言，普遍含有较高的硅和钛，含铁量较低。而国外铝矿资源绝大多数是低硅高铁。采用传统工艺，在氧化铝生产过程中，硅和钛都是最有害的杂质，使生产流程变得复杂，技术经济指标下降，铁的影响并不严重。采用新工艺生产铝硅钛多元合金，则正希望原料中含有一定量的硅和钛，铁越低越好。从矿物结构来说，我国铝矿资源绝大多数是一水硬铝石型，而国外绝大多数是三水铝石或一水软铝石型。生产氧化铝的过程中，一水硬铝石比三水铝石难处理得多。因此，我国氧化铝生产工艺条件十分苛刻，氧化铝溶出需在260左右温度和3MPa以上压力下进行，而三水铝石溶出只需lO0左右温度和接近常压。用新工艺生产硅钛氧化铝+除铁过程中一水硬铝石的化学稳定性成了明显的优点，铝的损失少，工艺相对简单。因此，新工艺适合我国铝矿资源特点+无论化学组成或矿物结构特征，都使其劣势转变成了优势。我国铝矿资源除含有较多的硅和钛外，还含有稀土、钒、镓、锆等稀有元素。传统工艺的氧化铝生产过程中，硅、钛和上述稀有元素都作为生产废渣被排除。新工艺则使上述元素大部分进入合金，减少了工业废渣的处理量，充分实现了矿物资源的综合利用而且改善了合金性能。二、铝硅钛多元合金性能优越电解法直接生产的铝硅钛多元合金，用于汽车发动机的工业试验已通过成果鉴定。用新合金研制成汽车发动机活塞、缸体、缸盖等零件，经600小时台架耐久性试验和15万公里行车使用试验，结果表明，该合金用于汽车发动机零件有3个优点：有良好的细化晶粒作用；较高的耐磨性；较高的耐热性 能使汽车发动机活塞使用寿命延长35 左右，具有较明显的经济效益。该新合金用于中小柴油机活塞的研究也已通过成果鉴定。用新合金批量浇铸中小型柴油机活塞通过热机台架和装机使用试验及机械物理性能测验证明，比ZL108、稀土661等常用合金活塞具有更优良的耐热性、耐磨性和体积稳定性，其3003高温强度可增加到100MPa，疲劳强度比ZL108合金高l5 20 ，已达到台镶ZL109合金活塞水平，其浇注性能和成品率优于ZL109合金，成本低于上述常用活塞铝合金。用该新合金研制成的摩托车轮毂，测定结果表明，与ADCl2合金(日本牌号)轮毂相比，其强度提高22 ，伸长率提高40，性能高于国外同类产品。该合金除作为铸造合金具有明显优越的常温和高温强度、耐磨性和体积稳定性外还在导电性能、变形加工性能和可锻性等方面，也有较异常的表现。究其原因，初步认为；钛的长效作用，使晶粒细化；钛的金属间化合物弥散于基体中，起强化相作用，使材质具有较好的机械性能。另外，稀土、钒、话、镓等多种稀有元素也起了良好的作用，并且所有合金元素都是在电解过程中以原子状态直接进入合金中，避免了熔配法常有的元素分布不均匀现象。更深层的原因有待进一步研究探讨。三、市场预测世界上，铸造铝合金约占铝消费总量的2530，铝硅系铸造合金约占铸造铝合金总量的80。据此，铝硅系铸造合金世界年需求量在500万吨左右。如果赶上世界入均水平，我国年需求量将突破100万吨-目前实际年消费量约30多万吨，可见，我国铸造铝合金的生产和应用水平仍很落后，亟待发展。随着汽车和摩托车工业的发展，近年对铸造铝合金的需求量增长很快，有关部门预测，本世纪束我国汽车年产量将达350万辆以上。日本80年代束每辆汽车平均用铸造铝合金618kg，如果我国本世纪束每台汽车用铝量达日本8O年代束的水平，则仅汽车一项，年需铸造铝合金216万吨以上。有关部门预测，本世纪束我国摩托车产量将达800万辆年，如果每台摩托车平均用铸造铝合金10kg，则每年需8万吨。如果再考虑农业机械、矿山机械、通用机电设备、轻工和石油化工等部门的需要，全国总需求量将大致达到60万吨年，即使这样，也只刚刚达到目前世界人均水平的一半。国外铸造铝合金几乎全部规定台钛。我国因钛价昂贵，用熔配法加钛，许多用户想用而用不起，因此，我国只有少部分铸铝合金规定含钛，这也是我国部分铸铝制品性能较差的原因之一。如果电解法直接生产铝硅钛多元合金得以推广，能以较低的成本获得优质的台钛合金，则很有可能用其覆盖目前铸铝合金的全部应用领域。因此，新合金市场前景较为乐观。四、经济和社会效益分析电解法直接生产铝硅钛多元合金的过程和设备与纯铝电解过程较为近似，除新建厂房外，可以利用纯铝生产厂转产。因此，与纯铝生产进行经济效益比较具有现实意义。 以正常年分较稳定的原材料价格计，每吨铝硅钛多元合金的成本和利税与纯铝的比较示于表1。表l中数字表明，每吨新合金的利税是纯铝的1.43倍，但因合金单位耗电量较大，同样生产设备，合金产能只有纯铝的88.4 ，所以新合金的综合效益是纯铝的1.26倍。以年产10万吨纯铝能力的工厂为例，新合金和纯铝效益的比较如表2所示。如果熔配法生产相似成分的台钛铝硅合金，纯铝按生产成本计-硅、钛按同时期较正常的市场价格计，考虑熔配过程元素的烧损和机械损失其生产成本与电解法铝硅钛多元合金的比较见表3。由表3可见，电解法直接生产铝硅钛多元台金的吨成本只有熔配法的91、5 。表l中所示每吨铝硅钛多元合金在电解过程中比纯铝多耗电约200kWh，但考虑到氧化铝和硅钛氧化铝能耗的差别，以及熔配过程中的能耗和元素烧损，每吨铝硅钛多元合金的综合能耗只有熔配法的95 左右。上述经济效益分析的依据是，纯铝各项消耗指标-45取自占我国铝产量4O 以上的60kA 自熔槽；铝硅钛多元合金各项消费指标取自同槽型的工业试验数据。纯铝电解已有百年以上历史。铝硅钛多元合金的电解直接生产刚刚走过工业试验阶段，因此相对而言后者更有潜力可挖。除上述直接经济效益外，新工艺还可收到以下社会效益：以年产10万吨铝硅钛多元合金计。根据所用铝矿资源品位的不同，可比熔配法少产510万吨工业废渣的排放量在获得多元合金过程中。从铝矿中综合回收了0.51万吨硅，0.050.15万吨钛，2550吨稀土、钒、锫等稀有元素因减少氧化铝厂和合金熔配厂的建设而节省几亿元建设费用；每年节约相当于100MkWh的综合能耗；由于合金性能的改善，制品寿命的延长，可使我国铸造铝制品普遍提高档次。五、电解法直接生产铝硅钛多元合金的现状用不同的方法对铝土矿除铁，已先后生产了700多吨合格的硅钛氧化铝，其中酸法除铁对我国铝矿资源较为广泛适应，工艺较为成熟。2000吨年规模的工业试验已于1987年通过成果鉴定根据当时的条件，专家们一致认为：该新工艺具有流程简短、设备投资省、能耗和成本低、经济效益好等优点；工业试验是成功的，属于国内首创，为电解法生产铝硅钛多元合金、电炉熔炼铝硅合金及高级耐火材料等提供原料。对我国铝土矿资源进一步综合利用具有十分重要的意义。但是。因各种原因，酸法除铁工艺没得到及时推广和产业化，9年时间过去了，仍停留在原有技术水平上。随着原材燃料、人工及运输费用的大幅度上涨，效益已远不如当年，加之环保要求越来越严格，对尾液处理提出了更高的要求。因此，技术上有待进一步改进和提高。这些问题在推广和产业化过程中，随着生产规模的扩大，完全有希望得以解决。硅钛氧化铝电解直接生产铝硅钛多元合金，先后已获得200多吨合格产品。60kA 自熔电解槽规模的工业试验已于1992年通过成果鉴定，这种槽型生产的铝约占我国铝产量的一半。试验结果是具有代表性的。按当时的市场价格测算，每吨铝硅钛多元合金比纯铝成本低600元左右，售价增加1000元，且前者有较大潜力可挖。但同样因为种种原因，没有及时得以推广。近年来， 由于电费上升