Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-СКАНДИЙ

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для получения лигатуры алюминий-скандий в условиях промышленного производства.

Известно, что добавка даже десятых долей скандия в алюминий значительно улучшает его технологические свойства: увеличивает прочность на 40%, пластичность на 50%, коррозионную стойкость в 10 раз, температурный интервал устойчивой работы сплавов возрастает на 100-500°С. Алюминиевые сплавы со скандием обладают сочетанием уникальных свойств: хорошей свариваемостью, возможностью деформироваться в режиме сверхпластичности, высокими механическими свойствами и др.

С развитием новых технологий, автомобилестроения, авиастроения и аэрокосмической отрасли спрос на сплавы алюминий-скандий с каждым годом растет. В настоящее время основная проблема использования скандия в производстве деформируемых алюминиевых сплавов заключается в высокой стоимости представленных на рынке лигатур алюминий-скандий.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к технологии получения лигатур алюминий-скандий, применяемых для получения и модифицирования конечных алюминиевых сплавов.

Известен способ получения лигатуры алюминий-скандий с содержанием скандия 1,82-1,84 мас. %, включающий расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием при 820°С шихты следующего состава: хлорид калия, фториды натрия и алюминия, оксид скандия; возможно также включение алюминия в виде гранул, мелкораздробленной стружки (патент RU 2124574, C22C 1/03, опубл. 10.01.1999).

Недостатками способа являются сложность, неэффективность в приготовлении шихты, невысокое качество лигатуры, а также зашламление оксидно-солевой шихты оксидом алюминия, который образуется в результате алюмотермической реакции алюминия с оксидом скандия.

Известен способ получения лигатуры алюминий-скандий с содержанием скандия 1,5-30 мас. % алюмотермическим восстановлением фторида скандия, при соотношении в шихте ScF₃:Al 1:(1,6-8) в три ступени с постепенным повышением температуры (авторское свидетельство SU 873692, C22C 1/03, опубл. 30.11.1983).

Недостатками известного способа является высокая (до 1300°С) температура, необходимая для полного восстановления фторида скандия, и длительность процесса (5-6 часов). Кроме того, к недостаткам следует отнести получение в конечном продукте субфторида алюминия AlF, который при охлаждении диссоциирует с образованием мелкодисперсного алюминия. Последний при разгерметизации восстановительной камеры окисляется с выделением большого количества энергии.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения сплавов и лигатур алюминий-скандий с содержанием скандия 0,4 мас. % (Цветные металлы, 1998, №7, с. 43-46) при электролизе криолит-глиноземного расплава (NaF-AlF₃-Al₂O₃) с добавками оксида скандия.

Общими признаками известного и заявляемого способа являются ведение электролиза оксидно-галогенидного расплава, содержащего фторид натрия, фторид алюминия и оксид скандия, и алюмотермическое восстановление скандия.

Недостатками способа являются относительно высокая температура процесса (960-1000°С) и расход дополнительной электроэнергии на катодное осаждение скандия.

Задачей изобретения является упрощение технологии, создание способа непрерывного получения лигатуры алюминий-скандий с заданным составом.

При этом техническим результатом являются снижение температуры и энергозатрат процесса, а также регенерация оксидно-галогенидного расплава (электролитическое разложение образующегося в ходе реакции глинозема) и как следствие отсутствие отходов в виде отработанного флюса.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения лигатуры алюминий-скандий, включающем приготовление и расплавление смеси, содержащей фториды алюминия, фториды натрия и алюминий, подачу оксида скандия, алюмотермическое восстановление скандия из его оксида с получением лигатуры алюминий-скандий и ее выгрузку, перед расплавлением смеси, в нее добавляют фторид калия (KF), одновременно проводят алюмотермическое восстановление скандия и электролитическое разложение образующегося в ходе алюмотермической реакции глинозема, при этом подачу оксида скандия в расплав производят непрерывно, поддерживая концентрацию оксида скандия на уровне, обеспечивающем заданное содержание скандия в получаемой лигатуре а после выгрузки лигатуры, в расплав загружают алюминий.

Дополнительными признаками, способствующими достижению заявляемого технического результата, являются:

Приготовленную расплавленную смесь используют по меньшей мере в двух циклах получения лигатуры.

Концентрацию оксида скандия в электролите поддерживают 1-4 мас. %.

Расплавленная смесь содержит 1-40 мас. % KF.

Электролиз расплавленной смеси проводят при температуре 800-850°С.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. При контакте оксидно-галогенидного расплава, содержащего фториды калия, натрия и алюминия, а также оксид скандия в количестве 1-4 мас. % происходит алюмотермическое восстановление скандия, в результате которого образуется лигатура алюминий-скандий с содержанием скандия 0,4-0,8 мас. %. При этом в расплаве происходит уменьшение концентрации оксида скандия и накопление (появление и увеличение концентрации) оксида алюминия (глинозема).

Суммарная алюмотермическая реакция процесса имеет следующий вид:

Содержание скандия в получаемой лигатуре определяется количеством загружаемого в расплав оксида скандия (Sc₂O₃), длительностью контакта алюминия с расплавом и константой скорости реакции (1).

Для непрерывного получения лигатуры алюминий-скандий периодически выгружают полученную лигатуру алюминий-скандий, после этого в расплав подгружают порцию чистого алюминия. При получении лигатуры непрерывно подают оксид скандия, а образующийся в расплаве оксид алюминия подвергают электролитическому разложению (электролизу). Максимальная сила тока на электролизере определяется исходя из скорости выгрузки лигатуры и скорости подачи оксида скандия в расплав. Минимальная сила тока подбирается исходя из площади алюминиевого катода и катодной плотности тока, необходимой для поддержания катодного выхода по току на высоком уровне.

Электролитическое разложение оксида алюминия происходит с использованием углеродного анода и алюминиевого катода. Суммарная реакция этого процесса имеет следующий вид:

Способ позволяет получать лигатуру алюминий-скандий при пониженных температурах (800-850°С), при этом можно многократно получать лигатуру из одного и того же расплава периодически заменяя в нем алюминий, что ведет к упрощению технологии, снижению энергозатрат на поддержание температуры процесса. Снижение температуры процесса в заявляемом способе также приводит к увеличению степени извлечения скандия.

Заявляемый способ может быть реализован с помощью экспериментальной установки, представленной на фигуре.

Расплав, содержащий 39 массовых % KF, 10 массовых % NaF, 51 массовых % AlF₃ вместе с расплавленным алюминием 1 помещают в графитовый тигель 2 экспериментальной установки. В состав установки также входят нагревательные элементы 3, футеровка 4 и металлический кожух 5. Расплав нагревают до температуры 800-850°С, затем из бункера 6 в расплав непрерывно подают оксид скандия, одновременно пропуская через расплав электрический ток. Полученную лигатуру алюминий-скандий 7 извлекают из тигля, после этого добавляют расплавленный алюминий и продолжают вести процесс получения лигатуры, непрерывно подавая оксид скандия и пропуская электрический ток.

Предлагаемый способ опробован в экспериментальной установке вместимостью до 10 кг, рассчитанной на силу тока до 100 А. Лигатуру алюминий-скандий, содержащую 0,4-0,8 мас. % скандия, получали путем электролиза галогенидного расплава (мас. %) 39KF-10NaF-51AlF₃ с добавкой 1-4 мас. % Sc₂O₃. Расплав солей массой 3,3 кг и алюминий марки А99 массой 6.7 кг помещали в графитовый тигель экспериментальной установки и нагревали до температуры 800-850°С. После плавления смеси в расплав добавляли оксид скандия.

При концентрации оксида скандия в расплаве от 1 до 4 мас. % и без протекания электрического тока время достижения близкой к равновесной концентрации скандия в алюминии по алюмотермической реакции (1) не превышает 30 мин. При этом полнота протекания алюмотермической реакции (1) составляет 30-60%.

Для электролитического разложения образовавшегося оксида алюминия через расплав солей пропускали электрический ток величиной 50-100 А. Исходя из величины катодной и анодной плотностей токов, которые составляли 0,3-0,7 А/см² и 0,4-0,5 А/см², соответственно, подбирали размеры графитового анода и алюминиевого катода. После приготовления алюминиево-скандиевой лигатуры, для организации непрерывного процесса, часть алюминиево-скандиевой лигатуры из тигля извлекали, а чистый алюминий и оксид скандия загружали.

Предлагаемый способ позволяет реализовать непрерывное получение алюминиево-скандиевой лигатуры с содержанием скандия 0,4-0,8 мас. % с применением электролиза оксидно-галогенидного расплава, содержащего фториды калия, натрия и алюминия, а также оксид скандия в количестве 1-4 мас. %.