曲 明l，王祝堂2，韓 嘯l
（1.東北輕合金有限責任公司，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常用的晶粒細化劑，也是對晶粒細化最有效的元素之一，對某些鋁合金還是一個微量合金化元素。鈦劑與鋁-鈦-硼中間合金是常用的添加鈦的載體，在鈦價不甚貴的過去，多用鈦劑，但在鈦價高昂的今天，用Al-Ti-B中間合金不但經(jīng)濟效益更好一些，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；晶粒細化
在鋁合金熔煉鑄造中通常除個別用作導電體的材料外，其他的合金都要以鈦作為晶粒細化劑或作為微量合金化元素。作為晶粒細化劑時的添加量為w（Ti）＝0.002％～0.0055％，而作為微量合金化元素時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)會公司（The Aluminum Association Inc.）注冊的變形鋁合金中含合金元素鈦的合金僅28個，占總數(shù)（442個）的6.3％，其中6×××系合金沒有一個含鈦的，而5×××系合金有12個含鈦的。
2005年中國鋁加工材的鈦消費量約280 t，在鈦價不甚昂貴的過去，這么小量鈦的價值所占成本量不大，甚至可以不予考慮�？墒窃阝亙r高昂的今天卻不得不予以考慮，甚至應做到斤斤計較。
1 鑄錠晶粒細化處理
大量實驗研究結(jié)果和生產(chǎn)實踐證明，鑄錠組織對其半成品組織和性能有著遺傳性影響。冶金界一致認為，鑄錠截面上均勻細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增加形核速率與抑制柱狀晶長大 主要途徑有：
控制凝固時的溫度：增大冷卻速度與降低澆注溫度：
�。o態(tài)）細化處理：向熔體中添加少量的特殊物質(zhì)，促進熔體內(nèi)部非均質(zhì)生核。這種特殊添加劑通常稱為晶粒細化劑。通過向熔體中添加細化劑造成熔體凝固時產(chǎn)生大的形核速率，使結(jié)晶組織微細化已成為一種專門技術(shù)，在生產(chǎn)中獲得了廣泛的應用。
動態(tài)晶粒細化：根據(jù)動態(tài)生核機制，對凝固中的熔體施以物理振動和攪拌（機械振動、電磁攪拌、聲頻及超聲振動、氣泡振動等），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 細化劑種類
鋁及鋁合金品粒細化劑有：中間合金細化劑，粉狀鹽類細化劑，氣態(tài)細化劑，但后者沒有實用價值（表1）[1]。
表1 鋁及鋁合金的晶粒細化劑
| 種類 |
系列 |
成分 |
狀態(tài) |
規(guī)格 |
| 中間合金形式細化劑 |
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），團塊（briquettes），等等。線狀或絲狀細化劑直徑為8 mm～10mm，以直徑9.5 mm的居多，盤成卷供應與添加。錠狀或塊狀細化劑如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C中間合金錠可直接投入爐內(nèi)使用，但細化劑實收率較低，效果也較差。
線狀細化劑經(jīng)加料機連續(xù)加到流槽熔體中，1969年在瑞士首次獲得應用（圖1）。該法的優(yōu)點是：加入均勻，消除了細化劑中TiB2粒子的密度偏析；鋁合金鑄錠組織可達到最大細化；細化劑用量少，節(jié)約資源；特別適合于熔體停留時間長的鑄造過程；與爐外連續(xù)凈化裝置配合使用，可實現(xiàn)鑄造過程自動化。
圖1 線狀細化劑連續(xù)加入示意圖
調(diào)整加料機的給料速度可精確控制細化劑添加量，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線料細化劑的給料速度
粉狀鹽類細化劑是含有Ti、B、Zr等元素的堿金屬鹽，可直接加入爐內(nèi)熔體中，與鋁反應形成TiAl3，或TiB2、ZrAl3，質(zhì)點，成為非自發(fā)晶核與阻礙形成的晶粒長大，從而細化晶粒：
3K2TiF6＋13Al→3TiAl3＋4AlF3＋6KF
6KSF4＋3K2TiF6＋10Al→3TiS2＋10AlF3＋12KF
2 對鈦-硼劑和鋁-鈦-硼中間合金經(jīng)濟效益簡析
常用的加鈦工藝有兩種：鈦劑，通常為Ti30B（B的質(zhì)量分數(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。
在當前鈦價高昂的情況下，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)濟效益。分析中鋁錠價格為16000元/t。
3 性能比較
我們對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最差，那么為何當前還大量使用呢？原因很簡單，即加鈦的成本最低。這種優(yōu)勢在過去鈦價低時非常明顯（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/℃ |
熔化時間/min |
實收率/% |
單位鈦量細化能力 |
對鋁熔體影響 |
| 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 在過去鈦價低時單位鈦的成本
| 品名 |
w(Al)/% |
w(Ti)/% |
單價/（元·kg-1） |
實收率/% |
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算：
�。ú牧蟽r-鋁價）/（含鈦量×實收率）
例如對Ti40-B鈦劑：（36-0）/（0.4×92%）=97.8（元/kg Ti）；
對Ti80-B鈦劑：（55-0）/（0.8×95%）=72.3（元/kg Ti）；
對Al-Ti15-B中間合金：（28-16×85%）/（0.1×100%）=129.33（元/kg Ti）；
對Al-Ti10-B中間合金：（28-16×90%）/（0.1×100%）=136.0（元/kg Ti）；
對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鈦為原料，價格沒有變化，生產(chǎn)成本也幾乎沒有變化，同時由于技術(shù)進步，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鈦劑價格已上升到55元/kg，其加鈦成本達到149.5元（kg Ti）。若考慮其對鋁熔體的污染，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鈦劑的市場價格達到90元/kg，其加鈦成本上升到118.4元/（kg Ti），當考慮其對鋁熔體的污染與增加鋁的燒損時，無疑其加鈦成本也會超過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。同時由于優(yōu)質(zhì)海綿鈦緊俏，采購困難，廢鈦材雜貨又多，會造成熔體夾雜多和不熔物增加，對半成品鋁材的品質(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，但我們認為，盡管其直接成本低，而事實上由于其反應原理是鈦鹽與鋁發(fā)生置換反應，是以消耗鋁為代價來形成鈦，而且反應產(chǎn)生的低熔點爐渣對爐壁耐火材料破損嚴重，縮短爐的壽命，在經(jīng)濟與技術(shù)方面都無可取之處。
4 結(jié)論
根據(jù)我們的經(jīng)驗與計算，在鈦價高昂的情況下，熔煉鑄造鋁及鋁合金錠時，采用Al-Ti10-B中間合金作為細化劑或添加鈦元素與采用鈦劑相比，不但可適當降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益也更高一些，特別是對大中型鋁加工廠的成本管理與控制顯得更為突出些，而且對提高產(chǎn)品品質(zhì)與延長爐齡也是有益的。
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