CN103643258B - 一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法，高效率生产优质铝镁合金。该方法的内容包括：以高纯氧化镁为原料，在电解槽内，在850-900℃的电解温度下，将MgO溶解在由Na3PO3-MgF2-NaCl组成的电解质体系中，采用高纯铝锭熔化后的铝液作为液态阴极；采用高纯石墨作为阳极，在阳极电流密度为0.47-0.52A/cm2的电解条件下，在电解槽外施加30-40mT强度的线圈磁场使铝液旋转，在电磁搅拌作用下，镁离子在旋转的铝液阴极上还原为单质镁并均匀扩散在铝液中，形成了铝镁合金产品，同时在阳极产生CO2气体。本发明形成的合金成分均匀，无夹杂。而且生产过程连续，易于控制。

Description

一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法
技术领域
本发明涉及生产铝镁合金的方法，特别是一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法。
背景技术
镁以其资源丰富而日益受到重视，特别是结构轻量化技术及环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展。金属镁的主要生产方法有热还原法和电解法，热法主要以皮江法为主，皮江法突出的缺点是能耗大，金属回收率低，对环境污染十分严重。电解法具有工艺先进，能耗较低的优点，是一种极具发展前景的炼镁方法。目前，发达国家80%以上的金属镁是通过电解法生产。电解法缺点在于所需原料无水氯化镁制备困难，在镁电解生产成本中，大约50%的费用用于MgCl2脱水。电解法生产过程还会产生有毒的氯气，对环境污染大，这就严重阻碍了电解法生产工艺的普遍应用和推广。
由于MgO价格低廉及分解电压较低，从镁生产的早期，人们就一直想以氧化镁作原料直接电解生产全属镁。主要的技术思路是借鉴成熟的氧化铝-冰晶石熔盐电解工艺，以氯化物或氟化物作为电解质，将氧化镁加入其中，在悬浮状态下以炭作阳极进行电解。1994年，Sharma提出以氧化镁为原料，熔盐电解法制取镁。其中电解质主要为氯化稀土，添加一定量的MgF2、LiCl等，电解温度为700～750℃。该方法能循环制氯气，氯化镁在电解质的溶解度也很好，但一直到现在也没有实际应用。Pal用固态-氧化物-氧气离子导电膜技术，在1200℃，电流密度为760mA/cm2，槽电压为4V的条件下，电解质为氧化镁和氯化镁，制备出少量的金属镁。我国包头稀土研究院的沙录昌等人设计出适合氧化镁直接电解制取金属镁的电解槽，在MgF2-LiF-MgO的电解质中，阴极电流密度为3-5A/cm2，电解温度为800-1000℃的条件下，连续电解15h，加入工业氧化镁粉14.28kg，制备出纯度大于99%的金属镁锭9.23kg；薛文林、狄鸿利研究了电解氧化镁制取铝镁合金，选用MgF2-BaF2-CaF2-LiF电解质，CaF2添加量为19％，初晶温度为820℃。电解温度890-920℃，阴极电流密度为1.5A/cm2，电流效率最大为85％；张明杰,郭清富研究了以MgCO3为原料熔盐电解法生产铝镁合金，测量了BaF2-NaF-MgF2三元系熔度，发现在BaF2-NaF共晶处添加MgF212％，体系初晶温度降到750℃。在此体系中采用上浮阴极，以MgCO3为原料制取金属镁和铝-镁合金，电流效率达84％。曹大力、邱竹贤研究了熔盐电解法制备铝镁合金，原料是氧化镁，电解质用NaCl和MgF2，得到镁含量为7％的铝镁合金。尽管氧化物电解取得了很大突破，但仍没有得到广泛的工业应用，主要的问题有：（1）氧化物在熔盐中的溶解度较低，经常会发生阳极效应，电流效率很低。（2）当镁在铝液中的浓度达到一定程度后，镁的扩散受到液相阻力的影响，难以均匀扩散到铝液中，造成铝镁合金成分的不均匀。这都是影响镁氧化物直接电解生产金属镁及其合金工业化生产的实际问题。
发明内容
本发明提供了一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法，高效率生产优质铝镁合金。
本发明提供的一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法包括以下内容：
以高纯氧化镁为原料，在电解槽内，在850-900℃的电解温度下，将MgO溶解在由Na3PO3-MgF2-NaCl组成的电解质体系中，采用高纯铝锭熔化后的铝液作为液态阴极；采用高纯石墨作为阳极，在阳极电流密度为0.47-0.52A/cm2的电解条件下，在电解槽外施加30-40mT强度的线圈磁场使铝液旋转，在电磁搅拌作用下，镁离子在旋转的铝液阴极上还原为单质镁并均匀扩散在铝液中，形成了铝镁合金产品，同时在阳极产生CO2气体。
所述的高纯氧化镁原料，其中MgO含量大于99wt%，Fe含量小于0.002wt%，Mn含量小于0.003wt%，钙含量小于0.05wt%。
所述的由Na3PO3-MgF2-NaCl组成的电解质体系，Na3PO3含量为50-70wt%，MgF2含量为30-50wt%，NaCl含量为0-10wt%。
所述的由Na3PO3-MgF2-NaCl组成的电解质体系，其中Na3PO3+MgF2浓度≥85wt%，Na3PO3的浓度为60-70wt%，在850-900℃的电解温度下，MgO在电解质中的溶解度为2-5wt%。
所述作为液态阴极的高纯铝锭，铝含量大于99.8%。
所述电解槽为合金沉在电解槽底部的下沉式电解槽，炉底平板式电磁搅拌器安装在电解槽的底部，为了使搅拌器的磁场能够穿透熔体，搅拌器正上方的炉底由一块非磁性不锈钢板做成。
本发明与现有的铝镁合金生产技术相比，其显著的有益效果体现在：
（1）使用氧化物代替传统的氯化物为原料进行电解，避免了Cl2的产生，而只生成CO2，可直接排放到空气中，产生的镁直接扩散到铝液中，一步直接合金化形成铝镁合金，与对掺法相比，减少了二次重熔的金属损失，形成的合金成分均匀，无夹杂。而且生产过程连续，易于控制。是一种绿色的合金生产工艺。
（2）采用的Na3PO3+MgF2新型电解质体系，对氧化镁具有良好的溶解性能，可明显提高电解过程的电流效率以及合金产品性能。而且此种电解质体系来源广泛，成本低廉，适宜大规模的工业应用。
（3）在直流电解的同时，在槽外施加电磁场强化电磁搅拌，促进MgO在熔盐中的充分溶解，加快电极反应，减少阳极效应的产生次数，提高电流效率。同时提高了镁的扩散速度，改善生成的铝镁合金偏析，有利于形成合金浓度均匀、无夹杂，性能优良的铝镁合金产品。
具体实施方式
下面通过实施例更详细描述本发明。
实施例中所述的高纯氧化镁原料，MgO含量大于99wt%，Fe含量小于0.002wt%，Mn含量小于0.003wt%，钙含量小于0.05wt%。
实施例中所述的高纯铝锭，铝含量大于99.8%。
实施例1
以60wt%Na3PO3-40wt%MgF2为电解质体系，以高纯氧化镁为电解原料，以高纯铝锭熔化后的铝液为阴极，高纯石墨为阳极，电解方式为下沉式，电解温度为880℃，阳极与阴极之间的距离为20cm，在直流电解的同时，在电解槽外加磁场强度为40mT的线圈磁场，每间隔20min补充加入1.5wt%的MgO，采用的阳极电流密度为0.47A/cm2，电解5h后得到金属镁含量为15wt%的铝镁合金产品，电解过程产生的阳极气体为CO2和CO。
实施例2
以60wt%Na3PO3-30wt%MgF2-10wt%NaCl为电解质体系，以高纯氧化镁为电解原料，以高纯铝锭熔化后的铝液为阴极，高纯石墨为阳极，电解方式为下沉式，电解温度为850℃，阳极与阴极之间的距离为20cm，在直流电解的同时，在电解槽外加磁场强度为30mT的线圈磁场，每间隔30min补充加入1.5wt%的MgO，采用的阳极电流密度为0.51A/cm2，电解5h后得到金属镁含量为20wt%的铝镁合金产品，电解过程产生的阳极气体为CO2和CO。
实施例3
以70wt%Na3PO3-20wt%MgF2-10wt%NaCl为电解质体系，以高纯氧化镁为电解原料，以高纯铝锭熔化后的铝液为阴极，高纯石墨为阳极，电解方式为下沉式，电解温度为900℃，阳极与阴极之间的距离为20cm，在直流电解的同时，在电解槽外加磁场强度为30mT的线圈磁场，每间隔30min补充加入1.5wt%的MgO，采用的阳极电流密度为0.52A/cm2，电解4h后得到金属镁含量为10wt%的铝镁合金产品，电解过程产生的阳极气体为CO2和CO。

Claims (4)

1.一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法，其特征是该方法包括以下内容：
以高纯氧化镁为原料，在电解槽内，在850-900℃的电解温度下，将MgO溶解在由Na3PO3-MgF2-NaCl组成的电解质体系中，采用高纯铝锭熔化后的铝液作为液态阴极；采用高纯石墨作为阳极，在阳极电流密度为0.47-0.52A/cm2的电解条件下，在电解槽外施加30-40mT强度的线圈磁场使铝液旋转，在电磁搅拌作用下，镁离子在旋转的铝液阴极上还原为单质镁并均匀扩散在铝液中，形成了铝镁合金产品，同时在阳极产生CO2气体，所述的高纯氧化镁原料，其中MgO含量大于99wt％，Fe含量小于0.002wt％，Mn含量小于0.003wt％，钙含量小于0.05wt％；所述的作为液态阴极的高纯铝锭，铝含量大于99.8％。
2.根据权利要求1所述的一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法，其特征是所述的由Na3PO3-MgF2-NaCl组成的电解质体系，Na3PO3含量为50-70wt％，MgF2含量为30-50wt％，NaCl含量为0-10wt％。
3.根据权利要求1所述的一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法，其特征是所述的由Na3PO3-MgF2-NaCl组成的电解质体系，其中Na3PO3+MgF2浓度≥85wt％，Na3PO3的浓度为60-70wt％，在850-900℃的电解温度下，MgO在电解质中的溶解度为2-5wt％。
4.根据权利要求1所述的一种利用液态铝阴极法生产铝镁合金的方法，其特征是所述的电解槽为合金沉在电解槽底部的下沉式电解槽，炉底平板式电磁搅拌器安装在电解槽的底部，搅拌器正上方的炉底由一块非磁性不锈钢板做成。
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