CN108546838A - 一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法。本发明首先将氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比(4～6)：(20～40)：(0.02～0.5)进行称量，然后将氧化铒和溶剂放入球磨机中进行球磨混匀，然后取出混合物料装入非真空中频感应炉中，将铝锭插入氧化铒和溶剂混合物料中发生铝热还原反应，撒入打渣剂进行扒渣，将铝热还原反应后的熔融物料进行立式浇铸，快速冷却得到铝铒中间合金锭，最后进行表面处理和检测包装得到本发明的铝铒中间合金。本发明的溶剂能够将氧化铒的纯度要求从99.9%降低到60～95%，能够显著降低原料氧化铒的单价成本，从而降低产品铝铒中间合金的价格，有利于最终制备低价的铝铒合金，推广铝铒合金在汽车、铁路和航空航天器领域的应用。

Description

一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法

技术领域

本发明属于金属合金制备技术领域，尤其是涉及一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法。

背景技术

铝铒合金在铝合金中具有特殊的优异性能，铒加入高纯铝合金中,可以改善合金组织结构、提高合金热稳定性以及不同状态下的拉伸性能等，被应用于航空航天工业上作为结构材料。之前由于原材料的高成本，极大限制了铝铒合金的应用。近些年来，随着铒冶炼技术的发展，铒原料成本大幅下降，而在制备铝铒合金的技术发展日渐成熟，使铝铒合金的加工制备成本逐步下降。若铝铒合金价格下降就有可能被应用于汽车的结构部件当中。今后的城市地铁、高铁、超高音速飞机和无人机等领域也是其巨大的潜在市场。

铝铒合金最经典的生产方法是金属对掺法，即将制备的纯金属铒加入到熔融的高温液态铝金属中，让其慢慢充分熔化，通过搅拌形成均匀的铝铒中间合金。然而该方法生产成本高昂，不具有工业生产推广应用的实际意义。目前的生产方法是利用铝直接还原氧化铒制备铝铒合金。该方法的氧化铒成本比经典的金属对掺法纯金属铒成本降低90%以上，同时能够避免合金中铒的严重偏析，能够实现铝铒合金的工业化生产。

虽然氧化铒成本比纯金属铒成本降低，但是一般的铝热法制备铝铒中间合金要求纯度到达99～99.9%的氧化铒，目前国内市场上纯度99.9%的氧化铒价格为8000元/Kg，而纯度99.5%的氧化铒价格为7000元/Kg，纯度为60～70%的低品位氧化铒价格更低至2000元/Kg，但目前的生产方法中还无法直接利用纯度为60～70%的低品位氧化铒来制备铝铒金属合金。此外由于普遍采用高纯度的氧化铒来制备铝铒中间合金，没有比较好的溶剂辅助融化，因此需要很高的温度才能使各原料达到熔融状态，耗能较高，而且需要真空条件或者惰性气体保护，生产成本较高。

因此，开发一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，采用纯度为60～70%的低价格氧化铒来制备铝铒中间合金，降低原料加热的能耗和采取非真空或惰性气体环境，有利于进一步降低铝铒中间合金的制备成本，扩大铝铒中间合金的应用范围，让铝铒合金这一优异材料更好地应用在更多领域中。

中国专利（CN201711027510.8）一种熔盐热还原法制备铝铒中间合金的方法，使用了还原法制得了产品性能优良的铝铒合金；中国专利（CN201110304875.7）一种熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，使用电解法制备铝铒合金；但都使用了氯化物和氟化物，对环境会造成污染。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，包括以下步骤：

（1）原料称量：将氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比(4～6)：(20～40)：(0.02～0.5)进行称量；

（2）混料：将二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000、煤油混合制备溶剂，再将溶剂和氧化铒放入球磨机中进行球磨混匀，然后取出氧化铒和溶剂混合物料；

（3）装炉升温：将氧化铒和溶剂混合物料装入非真空中频感应炉中，将铝锭插入氧化铒和溶剂混合物料中，以50～100 W/min的匀加速功率进行升温；

（4）铝热还原：当温度升高到700～750℃时维持加热功率恒定，使铝锭、氧化铒和溶剂混合物料熔化，铝锭和氧化铒在熔融状态下发生铝热还原反应，700～750℃保温10～30min使反应完全；

（5）表面除渣：将亚硫酸钠粉末、碳酸钠粉末、蛭石、伯胺结晶体按照质量比（1～2）：（1～2）：（2～3）：（2～4）混合，粉碎至粒径为40～100目的粉末，制得打渣剂；将打渣剂均匀撒在熔融物料表面，进行扒渣；

（6）保温浇铸：继续700～750℃保温，开启非真空中频感应炉的搅拌桨对熔融物料进行搅拌，同时将铝热还原反应后的熔融物料进行立式浇铸，浇铸完成后用循环水对熔融物料进行快速冷却到常温，得到铝铒中间合金锭；

（7）表面处理：用砂轮机将冷却后的铝铒中间合金锭抛光，去掉表面残存的盐渣，得到铝铒中间合金；

（8）检测包装：对铝铒中间合金取样检测，检测合格后进行包装。优选的，所述氧化铒的纯度为60～95%。

优选的，所述氧化铒的纯度为60～70%。

优选的，所述溶剂为质量比为(3～8)： 1：（5～6)：(0.05～0.1)：(0.02～0.05)的二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000和煤油。

优选的，所述溶剂为质量比为3：1：6：0.1：0.04的二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000和煤油。

优选的，将氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比5：32：0.03进行称量。

优选的，所述伯胺结晶体为癸烷基伯胺结晶体、十二烷基伯胺结晶体、椰油烷基伯胺结晶体、十四烷基伯胺结晶体、十六烷基伯胺结晶体、十八烷基伯胺结晶体、棕榈基伯胺结晶体、大豆油基伯胺结晶体中的一种或几种组合。

优选的，所述球磨的条件为温度90～200℃、转速400～600 rpm、时间10～30 min。

优选的，所述搅拌的转速为50～200 rpm。

优选的，所述循环水的温度为4～15℃，150～200℃/min。

本发明的原理为：

溶剂中的二氧化硅、氧化镁、氧化铝属于助熔盐，能够改变原料氧化铒的晶体结构，本发明通过开发此助熔盐体系和配比，在升温加热时使得氧化铒晶体中的分子间作用力变弱，熔点降低，降低达到熔融状态所需的热能；溶剂中的聚乙二醇2000和煤油，在球磨混料时作为偶联剂和润滑剂提高混料的均匀性，使得助熔盐分子更好进入氧化铒晶体内部，更有利于破坏氧化铒的晶体结构，同时本发明配比的聚乙二醇2000和煤油在高温球磨时容易挥发，不会进入之后的铝铒中间合金制备环节影响产品品质；装炉升温以50～100 W/min的匀加速功率进行升温，各部分原料受热均匀，能够保持相同的温度，有利于提高原料融化的统一性；铝热还原700～750℃保温，首先是由于溶剂降低了原料的熔点，其次是保持较低的温度使得杂质元素不能融化加入铝铒中间合金造成污染，提高产品的纯度；保温浇铸时采用搅拌桨搅拌可以提高物料的均一性，降低偏析度≤0.1%，而通过循环水迅速冷却可以降低金属间化合物Al3Sc的沉降，避免由于缓慢降温出现组分的偏析，提高了铝铒合金的均一性。

铝是比较活泼的金属，熔炼时容易形成氧化物的夹渣和吸收气体，会使得产品的物理性能、抗腐蚀性能降低，所以铝合金在熔炼过程中需要使用打渣剂除气除渣。一般铝及铝合金在精炼之后表面上会有一层很厚的浮渣，而本申请制备的铝铒合金所产生的的浮渣很少，只需要使用少量的打渣剂可达到良好的效果。本申请使用亚硫酸钠、碳酸钠、蛭石、伯胺作为除渣剂，遇高温膨胀、软化，且前三种物质都具有吸水性。一般的打渣剂都是用氯化物、氟化物，对环境会造成污染。亚硫酸钠可脱去熔融液中的样，碳酸钠脱去硫，蛭石吸水膨胀将渣料结聚，伯胺在高温下可生成惰性气体氮气将熔融液中的杂质和气体排出，且伯胺具有粘结性，可将渣料结聚在一起便于去除。

本发明具备以下的优点和积极效果：

（1）本发明的溶剂能够将氧化铒的纯度要求从99.9%降低到60～95%，能够显著降低原料氧化铒的单价成本，从而降低产品铝铒中间合金的价格，有利于最终制备低价的铝铒合金，推广铝铒合金在汽车、铁路和航空航天器领域的应用。

（2）本发明的铒回收率≥90%，铝铒中间合金中铒的质量百分比稳定在5～6%，偏析度≤0.1%，合金断口组织致密，熔渣及其他杂质非常少，产品质量优良。

（3）本发明的溶剂能够显著降低氧化铒的熔点，减少加热能耗，缩短保温时间，同时无需采用真空环境或惰性气体保护，降低铝铒中间合金的生产成本。

（4）本发明成本低廉，工艺简单，生产周期短，产品市场前景好，适于大规模工业生产。

具体实施方式

以下结合实例描述本发明一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，这些描述并不是对本发明内容的限定。

实施例1

（1）原料称量：将纯度为60%的氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比5：32：0.03进行称量；

（2）混料：将二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000、煤油按质量比3：1：6：0.1：0.04混合制备溶剂，再将溶剂和纯度为60%的氧化铒放入球磨机中进行球磨混匀，温度为120℃、转速为450 rpm、时间为30min，然后取出氧化铒和溶剂混合物料；

（3）装炉升温：将氧化铒和溶剂混合物料装入非真空中频感应炉中，将铝锭插入氧化铒和溶剂混合物料中，以75 W/min的匀加速功率进行升温；

（4）铝热还原：当温度升高到720℃时维持加热功率恒定，使铝锭、氧化铒和溶剂混合物料熔化，铝锭和氧化铒在熔融状态下发生铝热还原反应， 750℃保温25 min使反应完全；

（5）表面除渣：将亚硫酸钠粉末、碳酸钠粉末、蛭石、癸烷基伯胺结晶体、十二烷基伯胺结晶体按照质量比2：1：2：1.5：0.5混合，粉碎至粒径为100目的粉末，制得打渣剂；将打渣剂均匀撒在熔融物料表面，进行扒渣；

（6）保温浇铸：继续710℃保温，开启非真空中频感应炉的搅拌桨对熔融物料进行搅拌，转速为180rpm，同时将铝热还原反应后的熔融物料进行立式浇铸，浇铸完成后用温度为11℃循环水对熔融物料进行冷却的速度为160℃/min的快速冷却到常温，得到铝铒中间合金锭；

（7）表面处理：用砂轮机将冷却后的铝铒中间合金锭抛光，去掉表面残存的盐渣，得到铝铒中间合金；

（8）检测包装：对铝铒中间合金取样检测，检测合格后进行包装。

通过ICP-AES进行分析，平均含铒量为5.79%的铝铒中间合金，铒回收率为94.36%。

实施例2

（1）原料称量：将纯度为70%的氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比4：24：0.05进行称量；

（2）混料：将二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000、煤油按质量比7：1：5.5：0.07：0.03混合制备溶剂，再将溶剂和纯度为70%的氧化铒放入球磨机中进行球磨混匀，温度为110℃、转速为600 rpm、时间为22 min，然后取出氧化铒和溶剂混合物料；

（3）装炉升温：将氧化铒和溶剂混合物料装入非真空中频感应炉中，将铝锭插入氧化铒和溶剂混合物料中，以50W/min的匀加速功率进行升温；

（4）铝热还原：当温度升高到750℃时维持加热功率恒定，使铝锭、氧化铒和溶剂混合物料熔化，铝锭和氧化铒在熔融状态下发生铝热还原反应，730℃保温10 min使反应完全；

（5）表面除渣：将亚硫酸钠粉末、碳酸钠粉末、蛭石、椰油烷基伯胺结晶体、十四烷基伯胺结晶体、十六烷基伯胺结晶体、十八烷基伯胺结晶体按照质量比1：1.5：2.5：1：1：1：1混合，粉碎至粒径为60目的粉末，制得打渣剂；将打渣剂均匀撒在熔融物料表面，进行扒渣；

（6）保温浇铸：继续740℃保温，开启非真空中频感应炉的搅拌桨对熔融物料进行搅拌，转速为130 rpm，同时将铝热还原反应后的熔融物料进行立式浇铸，浇铸完成后用温度为7℃循环水对熔融物料进行冷却的速度为150℃/min的快速冷却到常温，得到铝铒中间合金锭；

（7）表面处理：用砂轮机将冷却后的铝铒中间合金锭抛光，去掉表面残存的盐渣，得到铝铒中间合金；

（8）检测包装：对铝铒中间合金取样检测，检测合格后进行包装。

通过ICP-AES进行分析，平均含铒量为5.21%的铝铒中间合金，铒回收率为93.74%。

实施例3

（1）原料称量：将纯度为80%的氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比6：35：0.02进行称量；

（2）混料：将二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000、煤油按质量比5：1：5：0.06：0.02混合制备溶剂，再将溶剂和纯度为60%的氧化铒放入球磨机中进行球磨混匀，温度为170℃、转速为550rpm、时间为10 min，然后取出氧化铒和溶剂混合物料；

（3）装炉升温：将氧化铒和溶剂混合物料装入非真空中频感应炉中，将铝锭插入氧化铒和溶剂混合物料中，以90W/min的匀加速功率进行升温；

（4）铝热还原：当温度升高到700℃时维持加热功率恒定，使铝锭、氧化铒和溶剂混合物料熔化，铝锭和氧化铒在熔融状态下发生铝热还原反应，730℃保温30 min使反应完全；

（5）表面除渣：将亚硫酸钠粉末、碳酸钠粉末、蛭石、棕榈基伯胺结晶体按照质量比1.5：2：3：2混合，粉碎至粒径为100目的粉末，制得打渣剂；将打渣剂均匀撒在熔融物料表面，进行扒渣；

（6）保温浇铸：继续720℃保温，开启非真空中频感应炉的搅拌桨对熔融物料进行搅拌，转速为60rpm，同时将铝热还原反应后的熔融物料进行立式浇铸，浇铸完成后用温度为13℃循环水对熔融物料进行冷却的速度为130℃/min的快速冷却到常温，得到铝铒中间合金锭；

（7）表面处理：用砂轮机将冷却后的铝铒中间合金锭抛光，去掉表面残存的盐渣，得到铝铒中间合金；

（8）检测包装：对铝铒中间合金取样检测，检测合格后进行包装。

通过ICP-AES进行分析，平均含铒量为5.84%的铝铒中间合金，铒回收率为93.95%。

实施例4

（1）原料称量：将纯度为95%的氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比5：40：0.05进行称量；

（2）混料：将二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000、煤油按质量比8：1：6：0.05：0.02混合制备溶剂，再将溶剂和纯度为60%的氧化铒放入球磨机中进行球磨混匀，温度为190℃、转速为600 rpm、时间为20 min，然后取出氧化铒和溶剂混合物料；

（3）装炉升温：将氧化铒和溶剂混合物料装入非真空中频感应炉中，将铝锭插入氧化铒和溶剂混合物料中，以100 W/min的匀加速功率进行升温；

（4）铝热还原：当温度升高到750℃时维持加热功率恒定，使铝锭、氧化铒和溶剂混合物料熔化，铝锭和氧化铒在熔融状态下发生铝热还原反应，700℃保温18 min使反应完全；

（5）表面除渣：将亚硫酸钠粉末、碳酸钠粉末、蛭石、十六烷基伯胺结晶体、大豆油基伯胺结晶体按照质量比1：1：3：1.5：1混合，粉碎至粒径为40～100目的粉末，制得打渣剂；将打渣剂均匀撒在熔融物料表面，进行扒渣；

（6）保温浇铸：继续710℃保温，开启非真空中频感应炉的搅拌桨对熔融物料进行搅拌，转速为50rpm，同时将铝热还原反应后的熔融物料进行立式浇铸，浇铸完成后用温度为4℃循环水对熔融物料进行冷却的速度为150℃/min的快速冷却到常温，得到铝铒中间合金锭；

（7）表面处理：用砂轮机将冷却后的铝铒中间合金锭抛光，去掉表面残存的盐渣，得到铝铒中间合金；

（8）检测包装：对铝铒中间合金取样检测，检测合格后进行包装。

通过ICP-AES进行分析，平均含铒量为5.37%的铝铒中间合金，铒回收率为94.30%。

Claims (10)

1.一种利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）原料称量：将氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比(4～6)：(20～40)：(0.02～0.5)进行称量；

（2）混料：将二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000、煤油混合制备溶剂，再将溶剂和氧化铒放入球磨机中进行球磨混匀，然后取出氧化铒和溶剂混合物料；

（3）装炉升温：将氧化铒和溶剂混合物料装入非真空中频感应炉中，将铝锭插入氧化铒和溶剂混合物料中，以50～100 W/min的匀加速功率进行升温；

（4）铝热还原：当温度升高到700～750℃时维持加热功率恒定，使铝锭、氧化铒和溶剂混合物料熔化，铝锭和氧化铒在熔融状态下发生铝热还原反应，700～750℃保温10～30min使反应完全；

（5）表面除渣：将亚硫酸钠粉末、碳酸钠粉末、蛭石、伯胺结晶体按照质量比（1～2）：（1～2）：（2～3）：（2～4）混合，粉碎至粒径为40～100目的粉末，制得打渣剂；将打渣剂均匀撒在熔融物料表面，进行扒渣；

（6）保温浇铸：继续700～750℃保温，开启非真空中频感应炉的搅拌桨对熔融物料进行搅拌，同时将铝热还原反应后的熔融物料进行立式浇铸，浇铸完成后用循环水对熔融物料进行快速冷却到常温，得到铝铒中间合金锭；

（7）表面处理：用砂轮机将冷却后的铝铒中间合金锭抛光，去掉表面残存的盐渣，得到铝铒中间合金；

（8）检测包装：对铝铒中间合金取样检测，检测合格后进行包装。

2.根据权利要求1所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述氧化铒的纯度为60～95%。

3.根据权利要求2所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述氧化铒的纯度为60～70%。

4.根据权利要求1所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述溶剂为质量比为(3～8)： 1：（5～6)：(0.05～0.1)：(0.02～0.05)的二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000和煤油。

5.根据权利要求4所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述溶剂为质量比为3：1：6：0.1：0.04的二氧化硅、氧化镁、氧化铝、聚乙二醇2000和煤油。

6.根据权利要求1～5任一项所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，将氧化铒、铝锭和溶剂按照质量比5：32：0.03进行称量。

7.根据权利要求1所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述伯胺结晶体为癸烷基伯胺结晶体、十二烷基伯胺结晶体、椰油烷基伯胺结晶体、十四烷基伯胺结晶体、十六烷基伯胺结晶体、十八烷基伯胺结晶体、棕榈基伯胺结晶体、大豆油基伯胺结晶体中的一种或几种组合。

8.根据权利要求1所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述球磨的条件为温度90～200℃、转速400～600 rpm、时间10～30 min。

9.根据权利要求1所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述搅拌的转速为50～200 rpm。

10.根据权利要求1所述的利用低品位氧化铒制备铝铒中间合金的方法，其特征在于，所述循环水的温度为4～15℃，冷却的速度为150～200℃/min。