曲 明l，王祝堂2，韓 嘯l
�。�1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150060；2.安泰科信息開發(fā)有限公司，北京100814）
摘要：鈦是鋁及鋁合金鑄造時(shí)常用的晶粒細(xì)化劑，也是對(duì)晶粒細(xì)化最有效的元素之一，對(duì)某些鋁合金還是一個(gè)微量合金化元素。鈦劑與鋁-鈦-硼中間合金是常用的添加鈦的載體，在鈦價(jià)不甚貴的過去，多用鈦劑，但在鈦價(jià)高昂的今天，用Al-Ti-B中間合金不但經(jīng)濟(jì)效益更好一些，而且產(chǎn)品品質(zhì)也更有保證。
關(guān)鍵詞：鈦劑；鋁-鈦-硼中間合金；晶粒細(xì)化
在鋁合金熔煉鑄造中通常除個(gè)別用作導(dǎo)電體的材料外，其他的合金都要以鈦?zhàn)鳛榫Я＜?xì)化劑或作為微量合金化元素。作為晶粒細(xì)化劑時(shí)的添加量為w（Ti）＝0.002％～0.0055％，而作為微量合金化元素時(shí)的最大含量也只不過w（Ti）＝0.35％（3020及3030合金）。在現(xiàn)行的在美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司（The Aluminum Association Inc.）注冊(cè)的變形鋁合金中含合金元素鈦的合金僅28個(gè)，占總數(shù)（442個(gè)）的6.3％，其中6×××系合金沒有一個(gè)含鈦的，而5×××系合金有12個(gè)含鈦的。
2005年中國鋁加工材的鈦消費(fèi)量約280 t，在鈦價(jià)不甚昂貴的過去，這么小量鈦的價(jià)值所占成本量不大，甚至可以不予考慮�？墒窃阝亙r(jià)高昂的今天卻不得不予以考慮，甚至應(yīng)做到斤斤計(jì)較。
1 鑄錠晶粒細(xì)化處理
大量實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐證明，鑄錠組織對(duì)其半成品組織和性能有著遺傳性影響。冶金界一致認(rèn)為，鑄錠截面上均勻細(xì)小晶粒組織是最佳的，而獲得此種組織的途徑主要是在凝固時(shí)增加形核速率與抑制柱狀晶長大 主要途徑有：
控制凝固時(shí)的溫度：增大冷卻速度與降低澆注溫度：
�。o態(tài)）細(xì)化處理：向熔體中添加少量的特殊物質(zhì)，促進(jìn)熔體內(nèi)部非均質(zhì)生核。這種特殊添加劑通常稱為晶粒細(xì)化劑。通過向熔體中添加細(xì)化劑造成熔體凝固時(shí)產(chǎn)生大的形核速率，使結(jié)晶組織微細(xì)化已成為一種專門技術(shù)，在生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化：根據(jù)動(dòng)態(tài)生核機(jī)制，對(duì)凝固中的熔體施以物理振動(dòng)和攪拌（機(jī)械振動(dòng)、電磁攪拌、聲頻及超聲振動(dòng)、氣泡振動(dòng)等），在熔體中造成局部溫度起伏。給晶體的游離和增殖創(chuàng)造條件。
1.1 細(xì)化劑種類
鋁及鋁合金品粒細(xì)化劑有：中間合金細(xì)化劑，粉狀鹽類細(xì)化劑，氣態(tài)細(xì)化劑，但后者沒有實(shí)用價(jià)值（表1）[1]。
表1 鋁及鋁合金的晶粒細(xì)化劑
| 種類 |
系列 |
成分 |
狀態(tài) |
規(guī)格 |
| 中間合金形式細(xì)化劑 |
Al-Ti |
Al-3%Ti，Al-6%Ti，Al-10%Ti |
Waffle 錠 |
1kg～22kg |
| Al-3Ti-B |
Al-3%Ti-1%B，Al-3%Ti-0.6%B，Al-3%Ti-0.2%B |
Waffle 錠、絲 |
1kg～22kg,ø8mm～10mm |
| Al-5Ti-B |
Al-5%Ti-1%B，Al-5%Ti-0.6%B，Al-5%Ti-0.2%B |
Waffle 錠、絲 |
1kg～22kg,ø8mm～10mm |
| Al-Ti-C |
|
|
|
| Al-Sr |
Al-3.5%Sr，Al-10%Sr |
Waffle 錠 |
1kg～22kg |
| Al-Ti-B-Si |
Al-5%Ti-1%B-1.5Sr |
Waffle 錠 |
1kg～22kg |
| 粉狀鹽類細(xì)化劑 |
氟鹽 |
K2TiF6 |
粉末 |
|
| 混合鹽 |
57%K2TiF6+23%KBF4+20%C2Cl6 |
粉劑、片劑 |
|
| 混合鹽 |
41%K2TiF6+29%KBF4+22%NaCl+8%Al(粉末) |
粉劑、片劑 |
|
| 粉末壓餅 |
鈦劑 |
Ti-30-B,Ti-40-B,Ti-75-B,Ti-80-B(它們可含硼或不含硼) |
粉末壓餅 |
≥0.5kg |
|
1.2 細(xì)化劑的形式及添加量
以中間合金形式的有：圓錠或方錠，條錠，華夫餅（waffle plates，一般尺寸為75 mm×75 mm×6.4mm），碎塊（lumps），線盤，桿（cut rod），薄片（splatter or flakes），小扁片（tablets），團(tuán)塊（briquettes），等等。線狀或絲狀細(xì)化劑直徑為8 mm～10mm，以直徑9.5 mm的居多，盤成卷供應(yīng)與添加。錠狀或塊狀細(xì)化劑如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C中間合金錠可直接投入爐內(nèi)使用，但細(xì)化劑實(shí)收率較低，效果也較差。
線狀細(xì)化劑經(jīng)加料機(jī)連續(xù)加到流槽熔體中，1969年在瑞士首次獲得應(yīng)用（圖1）。該法的優(yōu)點(diǎn)是：加入均勻，消除了細(xì)化劑中TiB2粒子的密度偏析；鋁合金鑄錠組織可達(dá)到最大細(xì)化；細(xì)化劑用量少，節(jié)約資源；特別適合于熔體停留時(shí)間長的鑄造過程；與爐外連續(xù)凈化裝置配合使用，可實(shí)現(xiàn)鑄造過程自動(dòng)化。
圖1 線狀細(xì)化劑連續(xù)加入示意圖
調(diào)整加料機(jī)的給料速度可精確控制細(xì)化劑添加量，直徑9.5 mm的Al-5Ti-B絲添加量可按圖2中的線條確定。
圖2 添加￠9.5 mmAl-Ti-B線料細(xì)化劑的給料速度
粉狀鹽類細(xì)化劑是含有Ti、B、Zr等元素的堿金屬鹽，可直接加入爐內(nèi)熔體中，與鋁反應(yīng)形成TiAl3，或TiB2、ZrAl3，質(zhì)點(diǎn)，成為非自發(fā)晶核與阻礙形成的晶粒長大，從而細(xì)化晶粒：
3K2TiF6＋13Al→3TiAl3＋4AlF3＋6KF
6KSF4＋3K2TiF6＋10Al→3TiS2＋10AlF3＋12KF
2 對(duì)鈦-硼劑和鋁-鈦-硼中間合金經(jīng)濟(jì)效益簡析
常用的加鈦工藝有兩種：鈦劑，通常為Ti30B（B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有1%、2%、3%等多種）、Ti40B、Ti75B、Ti80B等，它們是用含有助熔劑與黏結(jié)劑的鈦粉壓制的餅塊；鋁-鈦中間合金，如AlTi5B、AlTi10B等。
在當(dāng)前鈦價(jià)高昂的情況下，在今年初我們以江西永特合金有限公司/江西永特合金有限公司/江西永安特種冶金材料有限公司生產(chǎn)的鈦劑與鋁-鈦中間合金為例，分析了加鈦的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益。分析中鋁錠價(jià)格為16000元/t。
3 性能比較
我們對(duì)某廠長期使用江西永特合金有限公司的技術(shù)特性匯總于表2中。由表2中所列數(shù)據(jù)可以看出，在性能方面鈦劑的指標(biāo)最差，那么為何當(dāng)前還大量使用呢？原因很簡單，即加鈦的成本最低。這種優(yōu)勢(shì)在過去鈦價(jià)低時(shí)非常明顯（表3）。
表2 鈦劑及鋁-鈦中間合金的技術(shù)性能
| 品名 |
w(Al)/% |
w(Ti)/% |
熔化溫度/℃ |
熔化時(shí)間/min |
實(shí)收率/% |
單位鈦量細(xì)化能力 |
對(duì)鋁熔體影響 |
| Ti40-B |
0 |
40 |
720～730 |
＜10 |
90～95 |
低 |
增加氣孔及夾雜 |
| Ti80-B |
0 |
80 |
＞745 |
＜25 |
93～97 |
低 |
增加氣孔及夾雜 |
| Al-Ti10-B |
89～90 |
10 |
＞690 |
＜1 |
100 |
中 |
沒有 |
| Al-Ti5-B |
94～96 |
5 |
＞690 |
＜1 |
100 |
高 |
沒有 |
表3 在過去鈦價(jià)低時(shí)單位鈦的成本
| 品名 |
w(Al)/% |
w(Ti)/% |
單價(jià)/（元·kg-1） |
實(shí)收率/% |
單位鈦量成本/（元·kg-1） |
加入量 |
| Ti40-B |
0 |
40 |
36 |
90～95 |
97.8 |
少 |
| Ti80-B |
0 |
80 |
55 |
93～97 |
72.3 |
最少 |
| Al-Ti10-B |
84～86 |
15 |
33 |
100 |
129.33 |
多 |
| Al-Ti15-B |
89～90 |
10 |
28 |
100 |
136 |
多 |
| Al-Ti5-B |
94～96 |
5 |
28 |
100 |
256 |
多 |
單位鈦量成本按下式計(jì)算：
（材料價(jià)-鋁價(jià)）/（含鈦量×實(shí)收率）
例如對(duì)Ti40-B鈦劑：（36-0）/（0.4×92%）=97.8（元/kg Ti）；
對(duì)Ti80-B鈦劑：（55-0）/（0.8×95%）=72.3（元/kg Ti）；
對(duì)Al-Ti15-B中間合金：（28-16×85%）/（0.1×100%）=129.33（元/kg Ti）；
對(duì)Al-Ti10-B中間合金：（28-16×90%）/（0.1×100%）=136.0（元/kg Ti）；
對(duì)Al-Ti5-B中間合金：（28-16×95%）/（0.05×100%）=256.0（元/kg Ti）；
可是現(xiàn)在廢鈦價(jià)格已上漲了3～5倍，鈦劑成本也隨之上升，而鋁-鈦中間合金由于以高純化學(xué)鈦為原料，價(jià)格沒有變化，生產(chǎn)成本也幾乎沒有變化，同時(shí)由于技術(shù)進(jìn)步，可以制出高濃度的中間合金，使得采用中間合金加鈦反而合算得多。
目前Ti40-B鈦劑價(jià)格已上升到55元/kg，其加鈦成本達(dá)到149.5元（kg Ti）。若考慮其對(duì)鋁熔體的污染，增加鋁的燒損，則其成本顯著超過Al-Ti10-B中間合金的。
同樣，Ti80-B鈦劑的市場(chǎng)價(jià)格達(dá)到90元/kg，其加鈦成本上升到118.4元/（kg Ti），當(dāng)考慮其對(duì)鋁熔體的污染與增加鋁的燒損時(shí)，無疑其加鈦成本也會(huì)超過Al-Ti-B中間合金的。
另外，在技術(shù)方面鈦劑使用溫度范圍窄。同時(shí)由于優(yōu)質(zhì)海綿鈦緊俏，采購困難，廢鈦材雜貨又多，會(huì)造成熔體夾雜多和不熔物增加，對(duì)半成品鋁材的品質(zhì)及其控制極為不利。
近期，有些企業(yè)為了緩解鈦的緊缺與降低鈦的添加成本，采用以氟化鈦鹽為主成分的20%Ti或30%Ti（硼）添加劑，但我們認(rèn)為，盡管其直接成本低，而事實(shí)上由于其反應(yīng)原理是鈦鹽與鋁發(fā)生置換反應(yīng)，是以消耗鋁為代價(jià)來形成鈦，而且反應(yīng)產(chǎn)生的低熔點(diǎn)爐渣對(duì)爐壁耐火材料破損嚴(yán)重，縮短爐的壽命，在經(jīng)濟(jì)與技術(shù)方面都無可取之處。
4 結(jié)論
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算，在鈦價(jià)高昂的情況下，熔煉鑄造鋁及鋁合金錠時(shí)，采用Al-Ti10-B中間合金作為細(xì)化劑或添加鈦元素與采用鈦劑相比，不但可適當(dāng)降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益也更高一些，特別是對(duì)大中型鋁加工廠的成本管理與控制顯得更為突出些，而且對(duì)提高產(chǎn)品品質(zhì)與延長爐齡也是有益的。
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