薄言电热熔炼铝硅钛合金.doc

薄言电热熔炼铝硅钛合金
文籍表明：早期的电热法炼制铝合金以AlCu合金为主，1886年考耳斯兄弟开发研制AlCu合金，然后分离铜获取铝，合金成份15Al，85Cu，产量以磅计。1924年，美国铝业公司也炼制过35A1，65Cu合金，年产500吨。1928年—1931年，又炼制出30Al，70Si合金共1000吨；差不多同时，瑞士、法国公布了电热熔炼AlSi合金专利，二战结束前，1944年，德国金属公司炼制出60Al，40Si合金，产能10000吨/年。1930年，前苏联铝建设局，建造了第一个电热熔炼铝硅车间，开始了电热熔炼铝硅合金的长期开发研究，并形成规模产业，最终成为全球最大电热法熔炼铝硅合金国，先后在伊尔库斯克铝厂，斯大林铝厂、德聶伯铝厂、列宁格勒铝厂、纳得沃依茨铝厂等厂，建造了电热法熔炼铝硅合金车间，并将其技术出口至印度、匈牙利等国家。其间美国、加拿大、法国、南斯拉夫，也进行了大量试验研究，其中尤以法国彼斯涅—尤仁公司的三段法，南斯拉夫的二段法，引人注意，试验研究均具有一定深度，只因工艺复杂成本高，未能进入市场，形成产业。70年代中，日本、美国都试验过高炉碳热法，亦颇有新意，轰动一时。
我国开发研究电热法熔炉炼铝硅合金始于1963年，时抚顺铝厂矿热炉专家黄珂宁工程师领导的小组，以河南铝土矿与黑龙江扎兰诺耳祸煤搭配制团，经近三年的探索试验，因文革干拢，缺乏资金，最终中止了试验，但取得了十分宝贵的经验；在功率5000KVA交流三相炉和105KVA直流炉上炼出了含Al 30—55%的铝硅合金，试验充分证明电热法熔炼铝硅合金，尽管有难度，但完全可行（请参阅拙作《电热法熔炼铝硅合金的两个重要环节》）。稍晚，本溪铁合金厂，上海铁合金厂，唐山钢厂等厂，也进行过电热熔炼铝硅合金试验，结果类似。文革后，黄珂宁等人又在湖北通山，设计建造了我国第一座8000KVA直流矿热炉，拟投产后先炼硅，然后转产铝硅合金。虽然在所作的设计中多处提到要采用连续出炉工艺，并举抚顺铝厂5000KVA单相双电极硅炉为例，说明采用连续出炉电单耗由12500kwh降到11800kwh，但该炉投产后并未采用连续出炉工艺，而仍沿用间断出炉工艺，致使硅单耗高达16500kwh，高出西方国家平均单耗15000kwh近10%，且因故未能按计划转产铝硅合金，使我国电热法溶炼铝硅合金再次遭受挫折。此后，随着时间的流逝，电热法熔炼铝硅合金也便渐行渐远。
电热法熔炼铝硅合金，早于电解法炼铝，电解法向世后，一时曾销声匿迹，但从上世纪二十年代起又逐渐兴起，这是由于：一、铝产量的相当大部分被用于配制铝合金，其中尤以铝硅合金为著，有需求市场大。目前某些西方国家尤其是汽车工业发达的国家如美国、日本、德国，铝消费量的25—30%，用于配制铝硅合金；在我国据专家统计，目前铝产量的20%用于配制铝硅合金，而铝硅钛合金在变形合金领域的应用推广，将推动助长市场需要；二、电热法产出的铝硅中间合金成本低，用以配制各种牌号铸造、变形合金可节省大量铝，并使合金成本大大低于传统金属重熔合成合金，低约15％以上；三、综合基建投资低，低约40—45%；四、电热法不需要价格昂贵的氧化铝、氟化盐，碳素电极消耗也低于电解法；五、可供电热法炼制铝硅合金生产的矿物原料多种多样，扩大了铝工业原料来源；六、矿物含有的各种有用原素被充分综合利用有利于资源保护，有利于铝工业科学可持续发展；七、主要设备电解槽热效率只有45%左右，而矿热炉的热效率为80%左右，节能同时减少CO2排放，且不排氟，易冶理，有利于能源保护和环境保护；八、不需要工业硅。
除此而外，在我国进行电热法熔炼铝硅合金还具有资源优势；丰富的低铁铝土矿，低铁高岭土，得天独厚全球少有，可以大大降低合金成本，扩大配料制团的选择空间，在利用因采富弃贫被废弃于矿坑内、荒野外的低铁铝土矿贫矿或浮选拜尔尾矿时，可获得国家免征增值税及所得税待迂，使合金增值。在利用普通铝土矿时，可选用固体废弃物如粉煤灰、煤矸石、硅碴为辅科，亦可享受免税待遇。
自上世纪50年代初著名冶金学家叶诸沛先生建议抚顺铝厂，利用矿热炉试产铝硅合金以来，经过长达十年的酝酿，三年小试，遭遇文革干扰，体制制约，区区200万元试验费竟几十年无着落，令人扼腕！
面对天赐低铁铝土矿，低铁高岭土，低灰烟煤的资源优势，尤其是采富弃贫掠夺式开发导致大量宝贵资源被遭蹋，人们以《利用低铁铝土矿电热熔炼铝硅合金建议》上书有关主管部门，为电热熔炼铝硅合金申请立项，并在几个部门之间奔走有年。岂料主管审批大员一句话“美国为什么不搞！”项目便被打入冷宫。自筹资金虽易于反掌，但“不准经商办企业”的禁条，又紧紧地束缚着手脚，无奈之余人们只能坐视项目胎死腹中，只能眼睁睁地看着大量宝贵资源被白白遭蹋掉。仅据当时在河南部分地区调查统计，自1965年到1981年的15年间，被遭蹋的铝土矿就有约1450万吨，其中被回填或被混入废石弃置荒野的贫矿约600多万吨，残留弃采的低品位矿约700多万吨，煅烧废品80多万吨，矿石利用率只有50%，个别矿点例如嵩县上庄矿利用率不到30%。矿石Al2O3/SiO2（以下A/S表示）平均3左右，而炼制铝硅合金所需的A/S为1.5左右。1450万吨矿倘用以炼制铝硅合金，按每2吨产出含Al60%，Si38，Ti2%的合金一吨计（还需按比例加配红硅土），可产出合金700万吨，其中含铝400多万吨，硅250多万吨，钛14万吨，价值上千亿元。然而在此后的20多年里沉疴依旧，又有多少有用矿物被遭塌，损失几何？虽不得而知，但可以想见。
世界从事过电热法熔炼铝硅合金开发试验生产的国家和企业很多，但肯于投巨资下大力气的应首推美国；从考耳斯兄弟炼制铝铜合金、铝镍合金铝硅合金到还原铝土矿、粘土、高岭土，叶腊石，直到高炉碳热法近百年从未间断，尤其美国铝业公司以销售额的2%投入科研、技术开发，常年不辍；但美国未能像德国、苏联一样形成产业，其主要原因是缺乏适用矿物资源，除铁工艺复杂成本高，市场竞争力低。前苏联早期也以铝土矿为主要原料，也因除铁工艺复杂成本高而改用德国方案，以高岭土与氧化铝相搭配沿用至今。与美国、德国、前苏联相比，我们幸运多了，天赐低铁铝土矿、高岭土储量丰富，是一大优势，配料制团不用价格昂贵的氧化铝，仅此一项即可使合金成本减低数千元。现举例加以说明：
前苏联以波罗夏诺夫地区干选高岭土与氧化铝搭配制团，化学成份如下：
Al2O3：37.4、SiO2：48.4、Fe2O3：0.6、TiO2：0.5、CuO：0.4。
所用氯化铝为冶金级。
我国高岭土Fe2O3含量低，大都在0.2%左右(大同外售高岭土平均含Fe2O30.2%)。山西朔州、怀仁、平鲁、陕西府谷等地都有Fe2O3含量低于0.3的%优质高岭土产出。
我国铝土矿Fe2O3含量在1—2%之间的很多，山西神池、柳林；河南巩义、平陌等地产出的铝土矿Fe2O3含量平均1%左右，河南密县冶炼厂耐火材料用料Fe2O3含量仅为0.51%。平陌矿出售熟料含Fe2O3在0.2%上下。
大量铝土矿经高梯度磁选Fe2O3可降至0.6%以下，浮选可降至0.5%上下。
上述资料显示我国高岭土、铝土矿含Fe2O3都比较低，用作电热还原配料选择空间很大。如以高岭土为主以加工铝土矿取代氧化铝两相搭配，Fe2O3含量平衡结果，可低于前苏联配方，在选用铝土矿为主要原料时，Fe2O3含量约略相当。
至于还原剂，笔者认为，可全部使用山西平鲁煤。原煤灰份中Fe2O3含量在0.5%以下，经加工精制后Fe2O3含量可降至0.2%左右，这不但可节省石油焦，而且可使团料理化性能改善，有利于熔炼工艺。
前苏联用于炼硅、铝硅合金的精制烟煤化学成份如下（％）：
Al2O3：23.54~32.34、SiO2：40.6~ 50.27、Fe2O3：7.26~15.96 、CaO：4.21~ 3.63
除了高岭土、铝土矿之外，新疆、河北、吉林、黑龙江等地还富产红柱石、硅线石，都可用作电热熔炼铝硅合金原料；河北、黑龙江、山东、内蒙等地所产祸煤，亦可用作热还原还原剂。各地可依据具体情况，自行设计配料方案（参阅拙作《电热法熔炼铝硅合金原料选用及配制方案探讨》。
由于我国资源优势，在电热法熔炼铝硅合金时配料选择余地大，成本可较国外有较大降低，市场竞争力增强，由于合金中含有钛，可较容易地进入国际市场。尤其在利用被废弃低品位铝土矿、浮选—拜尔尾矿时，可最大限度地综合利用资源，有力地保护资源，扩大铝工业原料来源，使铝工业可持续发展更为科学，产品结构多元化、合理化。电热熔炼铝硅、铝硅钛合金异军突起，将相应消除电解铝热的负面影响，减缓氧化铝、能源对铝工业的制约，使我国铝工业长盛不衰。
目前电热熔炼铝硅合金正蓄势待发，但愿能抓住机遇趁势而上，且莫歧路亡羊，再等50年。