CN102534686A

CN102534686A - 在氟氯化物体系中熔盐电解生产铝与铽二元合金的方法

Info

Publication number: CN102534686A
Application number: CN2012100109503A
Authority: CN
Inventors: 张密林; 韩伟; 姜涛; 刘垚臣; 姜海玲; 盛庆楠; 李炜
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2012-01-14
Filing date: 2012-01-14
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提供的是一种在氟氯化物体系中熔盐电解生产铝与铽二元合金的方法。在电解槽中，以惰性金属钼为阴极，石墨为阳极，经脱水干燥的AlF₃、NaCl、KCl按照质量百分比分别为11～16％、37～39％、47～50％，再按AlF₃质量的3.3～10％加入氧化铽，控制温度在700～800℃的条件下，待物料熔融后，通入直流电电解，控制阴极电流密度5.19～8.65A/cm²，阳极电流密度为0.64～1.06A/cm²，槽电压3.9～5.1V，经过2～4小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝与铽合金。本发明采用共析出的理论，直接从金属化合物中一步电解出铝-铽二元合金，并且本方法还具有节约能耗、操作方法简单、工艺流程单一、生产成本低、易于工业化生产等优点。

Description

在氟氯化物体系中熔盐电解生产铝与铽二元合金的方法

技术领域

本发明涉及的是一种稀土铝合金的生产方法。具体地说是一种在氟氯化物熔盐体系中，通过直流电电解，生产制备铝-铽二元合金的方法。

背景技术

金属铝具有银白色金属光泽，是热和电的良导体，并且具有一定的机械强度、延展性好、易于制成各种部件材料。但是传统工业生产出来的铝不可避免的会含有少量的铁和硅等杂质，并且在进一步的加工熔炼过程中又会引进一些其他的杂质，所以就需要除杂。同时纯铝在一些特殊性能上也不能满足一些高端行业的需求，因此仍需要改性。

稀土金属具有极强的化学活性，几乎能与所有的元素发生反应。据相关文献报道，由于稀土元素的原子半径大，易与许多元素形成难熔稳定化合物，具有异质成核、细化晶粒和变质作用，因此将稀土引进合金中可以起到净化杂质、有效的提高合金的机械强度、塑性和耐腐蚀性等性能。同时金属铽可用作磁光储存材料，具有较高的记录速度和存储能力，将金属铽添加到合金中，可使得合金具有了一些独特的物理和化学性质。稀土铝合金具有价格低廉、重量轻、机械强度大、延展性好、导电性优良，应用领域广泛。稀土铝合金中由于稀土的掺杂，使得铝的电极电位负移，具有了牺牲阳极效应，从而大大提高了铝的耐腐蚀性，因此稀土铝合金还被广泛的应用在防腐蚀的领域中。

目前，工业生产稀土铝合金的主要方法有混熔法、金属热还原法和电解法等。混熔法，例如，申请号为201110004498.5，名称为“一种稀土铝合金电极材料的制备方法”的专利文件中，公开了采用稀土元素的掺杂制备稀土铝合金电极材料，再通过外加磁场凝固处理，得到性能优异的稀土铝合金电极材料的方法。这种方法的优点是使用较为简便，所制备的合金含量稳定，是目前工业上最常见的制备铝合金的方法之一，但该方法存在稀土金属在铝液中局部容易过浓，发生包晶反应，形成高熔点化合物，易产生夹杂等缺点。金属热还原法，例如，据相关资料报道1985年，湖南稀土研究所在水晶石体系中，用铝热还原稀土氧化物制备铝稀土合金获得成功，制备出可以稳定而方便的在铝熔化过程中生产铝稀土合金。但冰晶石的熔点高，生产时要在1000℃以上的温度下进行。通常熔铝温度为750℃，过热烧损严重，因此本法在实际应用中有一定的局限性。电解法，例如，申请号为200410002122.0，名称为“熔盐电解法直接制备铝铈中间合金的方法”的专利文件中，公开了一种采用熔盐电解直接制备稀土合金铝液，在电解槽中直接加入纯氧化铈稀土，通过熔盐电解进行化学反应，使铈在电解过程中直接溶入铝液，生产出含有10％以上的铈稀土合金。该方法操作简便，不需要改变原来铝厂的电解工艺，只要添加适量的稀土原料就可以生产出铝稀土合金，但该方法采用的原料是金属铝，生产成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接从金属化合物中一步电解出铝-铽二元合金，并且还具有节约能耗、操作方法简单、工艺流程单一、生产成本低、易于工业化生产等优点的在氟氯化物体系中熔盐电解生产铝与铽二元合金的方法。

本发明的目的是这样实现的：

在电解槽中，以惰性金属钼为阴极，石墨为阳极，经脱水干燥的AlF₃、NaCl、KCl按照质量百分比分别为11～16％、37～39％、47～50％，再按AlF₃质量的3.3～10％加入氧化铽，控制温度在700～800℃的条件下，待物料熔融后，通入直流电电解，控制阴极电流密度5.19～8.65A/cm²，阳极电流密度为0.64～1.06A/cm²，槽电压3.9～5.1V，经过2～4小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝与铽合金。所得的合金中，金属铝的含量为55～87.8％，金属铽的含量为12.2～45％。

所述NaCl和KCl分别在500℃、600℃干燥处理24小时。

所述阴极置于电解槽低部。

本发明与其他熔盐电解的方法不同，通常稀土合金的制备采用氯化物或氟化物-氧化物两种熔盐体系，其原因是碱和碱土金属氯化物价格较为便宜、熔盐的腐蚀性较小、电解过程中电流效率高、能耗较小等。但氯化物体系存在易吸湿、水解、脱水净化过程复杂等缺点。氟化物稳定性强、便于储存，但单独电解氟化物对设备腐蚀较为严重。如果在氯化物体系中加入一定量的氟化物，即采用氟氯化物作为电解体系，这样以来可以兼备氯化物体系和氟化物体系的优势，同时又避免了采用单一熔盐体系电解的弊端。所以本发明采用的是在氟氯化物体系中，采用共析出的理论，在较低的温度下，直接电解出成分均一的稀土铝合金。

本发明提供的制备铝-铽二元合金的方法与传统电解制备铝合金的方法不同，所用的原料既没有金属铝，也没有金属铽，而是全部采用金属化合物为原料，采取共析出的方法，通过控制电解质配比、电解温度、电解时间、电流密度等条件，直接一步电解出不同组成的铝-铽二元合金。本方法所采用的熔盐体系为氟氯化物体系，克服了采用单一氯化物熔盐体系或氟化物-氧化物熔盐体系电解的弊端，大大缩短了生产工艺的流程、操作简单、对设备腐蚀较小，易于工业化生产。同时本方法的电解温度较低(700～800℃)，远远低于金属铽的熔点(1356℃)和氧化铽的熔点(2337℃)，因此，还具有节约能耗，进而达到了降低生产成本的目的。

附图说明

图1是实施例1制备的Al-Tb合金的XRD图谱，从图中可以看出，Tb是以Al₃Tb合金化合物的形式存在于合金相中。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细地描述：

实施例1：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，在加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为11％、39％、50％，再按AlF₃质量的10％加入氧化铽，控制电解温度700℃，阴极电流密度为5.19A/cm²，阳极电流密度为0.64A/cm²，槽电压4.2～4.6V，经过3个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为66％和34％，电流效率为64.5％，稀土直收率为46.2％。

实施例2：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为11％、39％、50％，再按AlF₃质量的10％加入氧化铽，控制电解温度800℃，阴极电流密度为5.19A/cm²，阳极电流密度为0.64A/cm²，槽电压4.5～4.8V，经过3个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为61.4％和38.6％，电流效率为67.8％，稀土直收率为58.3％。

实施例3：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为11％、39％、50％，再按AlF₃质量的10％加入氧化铽，控制电解温度800℃，阴极电流密度为6.92A/cm²，阳极电流密度为0.85A/cm²，槽电压4.3～4.7V，经过4个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为55.1％和44.9％，电流效率为38％，稀土直收率为73.2％。

实施例4：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为11％、39％、50％，再按AlF₃质量的5％加入氧化铽，控制电解温度750℃，阴极电流密度为5.19A/cm²，阳极电流密度为0.64A/cm²，槽电压4.1～4.4V，经过3个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为70.5％和29.5％，电流效率为50％，稀土直收率为59％。

实施例5：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为13％、38％、49％，再按AlF₃质量的8％加入氧化铽，控制电解温度800℃，阴极电流密度为5.19A/cm²，阳极电流密度为0.64A/cm²，槽电压4.0～4.4V，经过2个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为83.8％和16.2％，电流效率为51.6％，稀土直收率为10.1％

实施例6：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为11％、39％、50％，再按AlF₃质量的5％加入氧化铽，控制电解温度700℃，阴极电流密度为5.19A/cm²，阳极电流密度为0.64A/cm²，槽电压3.9～4.2V，经过4个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为84.1％和15.9％，电流效率为51.5％，稀土直收率为38.1％。

实施例7：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为11％、39％、50％，再按AlF₃质量的10％加入氧化铽，控制电解温度800℃，阴极电流密度为8.65A/cm²，阳极电流密度为1.06A/cm²，槽电压4.7～5.1V，经过3个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为55％和45％，电流效率为46.3％，稀土直收率为83.7％。

实施例8：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为16％、37％、47％，再按AlF₃质量的7％加入氧化铽，控制电解温度800℃，阴极电流密度为5.19A/cm²，阳极电流密度为0.64A/cm²，槽电压4.2～4.5V，经过3个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为87.8％和12.2％，电流效率为66.5％，稀土直收率为13.4％。

实施例9：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极并置于电解槽低部，石墨为阳极，加入经干燥脱水的AlF₃、NaCl、KCl各成分的质量百分比分别为15％、37％、48％，再按AlF₃质量的7％加入氧化铽，控制电解温度800℃，阴极电流密度为5.19A/cm²，阳极电流密度为0.64A/cm²，槽电压4.1～4.5V，经过3个小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝-铽二元合金，合金中Al和Tb的含量分别为79.9％和20.1％，电流效率为54.7％，稀土直收率为19.7％。

Claims

1.一种在氟氯化物体系中熔盐电解生产铝与铽二元合金的方法，其特征是：在电解槽中，以惰性金属钼为阴极，石墨为阳极，经脱水干燥的AlF₃、NaCl、KCl按照质量百分比分别为11～16％、37～39％、47～50％，再按AlF₃质量的3.3～10％加入氧化铽，控制温度在700～800℃的条件下，待物料熔融后，通入直流电电解，控制阴极电流密度5.19～8.65A/cm²，阳极电流密度为0.64～1.06A/cm²，槽电压3.9～5.1V，经过2～4小时的电解，在电解槽于阴极附近沉积出铝与铽合金。

2.根据权利要求1所述的在氟氯化物体系中熔盐电解生产铝与铽二元合金的方法，其特征是：所述NaCl和KCl分别在500℃、600℃干燥处理24小时。

3.根据权利要求1或2所述的在氟氯化物体系中熔盐电解生产铝与铽二元合金的方法，其特征是：所述阴极置于电解槽低部。