曲 明l，王祝堂2，韩 啸l
（1.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150060；2.安泰科信息开发有限公司，北京100814）
摘要：钛是铝及铝合金铸造时常用的晶粒细化剂，也是对晶粒细化最有效的元素之一，对某些铝合金还是一个微量合金化元素。钛剂与铝-钛-硼中间合金是常用的添加钛的载体，在钛价不甚贵的过去，多用钛剂，但在钛价高昂的今天，用Al-Ti-B中间合金不但经济效益更好一些，而且产品品质也更有保证。
关键词：钛剂；铝-钛-硼中间合金；晶粒细化
在铝合金熔炼铸造中通常除个别用作导电体的材料外，其他的合金都要以钛作为晶粒细化剂或作为微量合金化元素。作为晶粒细化剂时的添加量为w（Ti）＝0.002％～0.0055％，而作为微量合金化元素时的最大含量也只不过w（Ti）＝0.35％（3020及3030合金）。在现行的在美国铝业协会公司（The Aluminum Association Inc.）注册的变形铝合金中含合金元素钛的合金仅28个，占总数（442个）的6.3％，其中6×××系合金没有一个含钛的，而5×××系合金有12个含钛的。
2005年中国铝加工材的钛消费量约280 t，在钛价不甚昂贵的过去，这么小量钛的价值所占成本量不大，甚至可以不予考虑。可是在钛价高昂的今天却不得不予以考虑，甚至应做到斤斤计较。
1 铸锭晶粒细化处理
大量实验研究结果和生产实践证明，铸锭组织对其半成品组织和性能有着遗传性影响。冶金界一致认为，铸锭截面上均匀细小晶粒组织是最佳的，而获得此种组织的途径主要是在凝固时增加形核速率与抑制柱状晶长大 主要途径有：
控制凝固时的温度：增大冷却速度与降低浇注温度：
（静态）细化处理：向熔体中添加少量的特殊物质，促进熔体内部非均质生核。这种特殊添加剂通常称为晶粒细化剂。通过向熔体中添加细化剂造成熔体凝固时产生大的形核速率，使结晶组织微细化已成为一种专门技术，在生产中获得了广泛的应用。
动态晶粒细化：根据动态生核机制，对凝固中的熔体施以物理振动和搅拌（机械振动、电磁搅拌、声频及超声振动、气泡振动等），在熔体中造成局部温度起伏。给晶体的游离和增殖创造条件。
1.1 细化剂种类
铝及铝合金品粒细化剂有：中间合金细化剂，粉状盐类细化剂，气态细化剂，但后者没有实用价值（表1）[1]。
表1 铝及铝合金的晶粒细化剂
| 种类 |
系列 |
成分 |
状态 |
规格 |
| 中间合金形式细化剂 |
Al-Ti |
Al-3%Ti，Al-6%Ti，Al-10%Ti |
Waffle 锭 |
1kg～22kg |
| Al-3Ti-B |
Al-3%Ti-1%B，Al-3%Ti-0.6%B，Al-3%Ti-0.2%B |
Waffle 锭、丝 |
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 锭、丝 |
1kg～22kg,ø8mm～10mm |
| Al-Ti-C |
|
|
|
| Al-Sr |
Al-3.5%Sr，Al-10%Sr |
Waffle 锭 |
1kg～22kg |
| Al-Ti-B-Si |
Al-5%Ti-1%B-1.5Sr |
Waffle 锭 |
1kg～22kg |
| 粉状盐类细化剂 |
氟盐 |
K2TiF6 |
粉末 |
|
| 混合盐 |
57%K2TiF6+23%KBF4+20%C2Cl6 |
粉剂、片剂 |
|
| 混合盐 |
41%K2TiF6+29%KBF4+22%NaCl+8%Al(粉末) |
粉剂、片剂 |
|
| 粉末压饼 |
钛剂 |
Ti-30-B,Ti-40-B,Ti-75-B,Ti-80-B(它们可含硼或不含硼) |
粉末压饼 |
≥0.5kg |
|
1.2 细化剂的形式及添加量
以中间合金形式的有：圆锭或方锭，条锭，华夫饼（waffle plates，一般尺寸为75 mm×75 mm×6.4mm），碎块（lumps），线盘，杆（cut rod），薄片（splatter or flakes），小扁片（tablets），团块（briquettes），等等。线状或丝状细化剂直径为8 mm～10mm，以直径9.5 mm的居多，盘成卷供应与添加。锭状或块状细化剂如Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C中间合金锭可直接投入炉内使用，但细化剂实收率较低，效果也较差。
线状细化剂经加料机连续加到流槽熔体中，1969年在瑞士首次获得应用（图1）。该法的优点是：加入均匀，消除了细化剂中TiB2粒子的密度偏析；铝合金铸锭组织可达到最大细化；细化剂用量少，节约资源；特别适合于熔体停留时间长的铸造过程；与炉外连续净化装置配合使用，可实现铸造过程自动化。
图1 线状细化剂连续加入示意图
调整加料机的给料速度可精确控制细化剂添加量，直径9.5 mm的Al-5Ti-B丝添加量可按图2中的线条确定。
图2 添加￠9.5 mmAl-Ti-B线料细化剂的给料速度
粉状盐类细化剂是含有Ti、B、Zr等元素的碱金属盐，可直接加入炉内熔体中，与铝反应形成TiAl3，或TiB2、ZrAl3，质点，成为非自发晶核与阻碍形成的晶粒长大，从而细化晶粒：
3K2TiF6＋13Al→3TiAl3＋4AlF3＋6KF
6KSF4＋3K2TiF6＋10Al→3TiS2＋10AlF3＋12KF
2 对钛-硼剂和铝-钛-硼中间合金经济效益简析
常用的加钛工艺有两种：钛剂，通常为Ti30B（B的质量分数有1%、2%、3%等多种）、Ti40B、Ti75B、Ti80B等，它们是用含有助熔剂与黏结剂的钛粉压制的饼块；铝-钛中间合金，如AlTi5B、AlTi10B等。
在当前钛价高昂的情况下，在今年初我们以江西永特合金有限公司/江西永特合金有限公司/江西永安特种冶金材料有限公司生产的钛剂与铝-钛中间合金为例，分析了加钛的技术性能和经济效益。分析中铝锭价格为16000元/t。
3 性能比较
我们对某厂长期使用江西永特合金有限公司的技术特性汇总于表2中。由表2中所列数据可以看出，在性能方面钛剂的指标最差，那么为何当前还大量使用呢？原因很简单，即加钛的成本最低。这种优势在过去钛价低时非常明显（表3）。
表2 钛剂及铝-钛中间合金的技术性能
| 品名 |
w(Al)/% |
w(Ti)/% |
熔化温度/℃ |
熔化时间/min |
实收率/% |
单位钛量细化能力 |
对铝熔体影响 |
| Ti40-B |
0 |
40 |
720～730 |
＜10 |
90～95 |
低 |
增加气孔及夹杂 |
| Ti80-B |
0 |
80 |
＞745 |
＜25 |
93～97 |
低 |
增加气孔及夹杂 |
| Al-Ti10-B |
89～90 |
10 |
＞690 |
＜1 |
100 |
中 |
没有 |
| Al-Ti5-B |
94～96 |
5 |
＞690 |
＜1 |
100 |
高 |
没有 |
表3 在过去钛价低时单位钛的成本
| 品名 |
w(Al)/% |
w(Ti)/% |
单价/（元·kg-1） |
实收率/% |
单位钛量成本/（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 |
单位钛量成本按下式计算：
（材料价-铝价）/（含钛量×实收率）
例如对Ti40-B钛剂：（36-0）/（0.4×92%）=97.8（元/kg Ti）；
对Ti80-B钛剂：（55-0）/（0.8×95%）=72.3（元/kg Ti）；
对Al-Ti15-B中间合金：（28-16×85%）/（0.1×100%）=129.33（元/kg Ti）；
对Al-Ti10-B中间合金：（28-16×90%）/（0.1×100%）=136.0（元/kg Ti）；
对Al-Ti5-B中间合金：（28-16×95%）/（0.05×100%）=256.0（元/kg Ti）；
可是现在废钛价格已上涨了3～5倍，钛剂成本也随之上升，而铝-钛中间合金由于以高纯化学钛为原料，价格没有变化，生产成本也几乎没有变化，同时由于技术进步，可以制出高浓度的中间合金，使得采用中间合金加钛反而合算得多。
目前Ti40-B钛剂价格已上升到55元/kg，其加钛成本达到149.5元（kg Ti）。若考虑其对铝熔体的污染，增加铝的烧损，则其成本显著超过Al-Ti10-B中间合金的。
同样，Ti80-B钛剂的市场价格达到90元/kg，其加钛成本上升到118.4元/（kg Ti），当考虑其对铝熔体的污染与增加铝的烧损时，无疑其加钛成本也会超过Al-Ti-B中间合金的。
另外，在技术方面钛剂使用温度范围窄。同时由于优质海绵钛紧俏，采购困难，废钛材杂货又多，会造成熔体夹杂多和不熔物增加，对半成品铝材的品质及其控制极为不利。
近期，有些企业为了缓解钛的紧缺与降低钛的添加成本，采用以氟化钛盐为主成分的20%Ti或30%Ti（硼）添加剂，但我们认为，尽管其直接成本低，而事实上由于其反应原理是钛盐与铝发生置换反应，是以消耗铝为代价来形成钛，而且反应产生的低熔点炉渣对炉壁耐火材料破损严重，缩短炉的寿命，在经济与技术方面都无可取之处。
4 结论
根据我们的经验与计算，在钛价高昂的情况下，熔炼铸造铝及铝合金锭时，采用Al-Ti10-B中间合金作为细化剂或添加钛元素与采用钛剂相比，不但可适当降低生产成本，经济效益也更高一些，特别是对大中型铝加工厂的成本管理与控制显得更为突出些，而且对提高产品品质与延长炉龄也是有益的。
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