RU2507291C1 - Способ получения лигатуры алюминий-скандий - Google Patents
Способ получения лигатуры алюминий-скандий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2507291C1 RU2507291C1 RU2013105680/02A RU2013105680A RU2507291C1 RU 2507291 C1 RU2507291 C1 RU 2507291C1 RU 2013105680/02 A RU2013105680/02 A RU 2013105680/02A RU 2013105680 A RU2013105680 A RU 2013105680A RU 2507291 C1 RU2507291 C1 RU 2507291C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scandium
- aluminum
- fluoride
- temperature
- initial charge
- Prior art date
Links
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к получению сплавов алюминия с редкоземельными металлами. Способ получения лигатуры алюминий-скандий включает расплавление алюминия, алюминотермическое восстановление скандия из исходной шихты, содержащей фторид скандия, хлорид калия и фторид натрия под покровным флюсом и последующую выдержку полученного расплава. Перед алюминотермическим восстановлением исходную шихту помещают в тигель и предварительно нагревают до температуры 790ºС, а затем вводят в расплавленный алюминий и осуществляют алюминотермическое восстановление при температуре не менее 830ºС. После выдержки расплава производят отдельно разливку солевого и металлического расплава. Используют исходную шихту, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%: фторид скандия - 40-45; хлорид калия - 40-45; фторид натрия - остальное. Предварительный нагрев исходной шихты может быть проведен в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом, или тигле из стеклоуглерода. Обеспечивается улучшение технологических характеристик шихты, сокращается оборот солей, увеличивается выход скандия в расплав алюминия. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.
Description
Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к способам получения сплавов алюминия с редкоземельными металлами. Алюминий-скандиевые лигатуры предназначены для получения деформируемых и литых промышленных сплавов алюминия и содержат, обычно, около 2 масc.% скандия.
Известен способ получения алюминий-скандиевых лигатур алюмотермическим восстановлением фторида скандия алюминием в вакууме при 865-930ºС с выдержкой при этой температуре 7-8 мин (Звиададзе Г.Н. и др. «Изучение кинетики взаимодействия в системе ScF3-Аl», Всесоюзный симпозиум по химии неорганических фторидов. Тез. докл., М.: Наука, 1978).
Основными недостатками этого способа являются относительно высокая температура процесса, необходимость вакуумирования реакционной среды, а также наличие остаточного содержания фтора в лигатуре в результате неполного восстановления трифторида скандия.
Известен способ получения лигатур Al-Sc также с использованием шихты ScF3:Аl при массовом соотношении трифторида скандия и алюминия 1:1,6-8 в три ступени с постепенным повышением температуры (А.с. 873692, МКИ С22С 1/03, 1983 г.).
Недостатками известного способа также являются высокая (до 1300ºС) температура, необходимая для полного восстановления ScF3, длительность процесса, необходимость вакуумирования.
Указанные недостатки преодолены в другом известном способе получения алюминий-скандиевых лигатур, в котором шихта, контактирующая с жидким алюминием, состоит из оксида скандия, а также солевой среды, включающей фторирующие агенты (фториды натрия и алюминия), и основу солевого флюса (хлорид калия). Процесс восстановления скандия алюминием проводят на воздухе, под слоем флюса (Пат. РФ 2124574, Кл. С22С 1/03, опубл. 10.01.99).
Основной недостаток такого способа состоит в использовании оксида скандия, который подвергается взаимодействию с фторсодержащими реагентами лишь в процессе реакции восстановления. Это снижает выход скандия в лигатуру, приводит к образованию трудноперерабатываемых отходов, содержащих скандий.
Известен также способ получения алюминий-скандиевой лигатуры, включающий приготовление двух порций расплава алюминия (например, в вакуумных печах), в одну из которых вводится шихта, содержащая фторид скандия, фторид магния и хлорид калия. После этого производится смешивание обеих порций металла с одновременной подачей инертного газа (Заявка 2009134930, С22С 1/03, публикация заявки 27.03.2011).
К недостаткам данного способа можно отнести его технологическую сложность, необходимость порционирования алюминия, использование вакуума и/или инертной атмосферы.
Наиболее близким техническим решением является способ получения лигатуры алюминий-скандий (с содержанием скандия, близким к 2 масс.%) (Пат. РФ 2213795, МКИ С22С 1/00, С22С 21/00, С22С 35/00, опубл. 10.10.2003). Данный способ включает алюминотермическое восстановление галогенида или оксида скандия в присутствии хлорида калия и фторида натрия при температуре 850-1050ºС под слоем покровного флюса. При этом после восстановления проводят выдержку полученного расплава в течение 15-30 минут, а скандийсодержащая шихта состоит из, масс.%: фторид скандия - 10-23, хлорид калия 49-76, фторид натрия 13-28.
Основные недостатки указанного способа, выбранного в качестве прототипа, следующие. При его использовании нет возможности существенно повысить относительное содержание скандийсодержащего реагента в шихте (из-за ее реологических особенностей), что приводит к избыточному расходу и увеличению объема реагентов (хлорид калия, фторид натрия), которые впоследствии направляются на доизвлечение скандия. Это же обстоятельство снижает технологичность процесса введения скандий-содержащей шихты в жидкий алюминий, приводит к нежелательным процессам, включающим образование трудновосстановимых оксифторидов скандия.
Техническим результатом, на получение которого направлено настоящее изобретение, является упрощение технологии получения лигатуры алюминий-скандий за счет улучшения технологических характеристик скандийсодержащей шихты, удобство ее использования при введении в алюминиевый расплав и сокращение оборота солей. При этом выход скандия в расплав алюминия не уменьшается, а несколько увеличивается по сравнению с прототипом.
Указанный технический результат достигается в способе получения лигатуры алюминий-скандий, включающем алюминотермическое восстановление скандия из исходной шихты, содержащей фторид скандия, хлорид калия и фторид натрия под покровным флюсом, последующую выдержку полученного расплава, причем согласно изобретению перед проведением процесса алюминотермического восстановления исходную шихту помещают в тигель и предварительно нагревают до температуры 790ºС, а затем вводят в расплавленный алюминий, восстановление осуществляют при температуре не менее 830ºС, после выдержки расплава производят разливку отдельно солевого и металлического расплава, при этом исходная шихта содержит компоненты в следующем соотношении (масс.%):
фторид скандия - 40-45; хлорид калия - 40-45; фторид натрия - остальное.
Кроме того, предварительный нагрев исходной шихты проводят в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом, или в тигле из стеклоуглерода.
За счет того, что в предлагаемом способе лигатуру алюминий-скандий получают путем взаимодействия смеси трифторида скандия, хлорида калия и фторида натрия, предварительно подогретых до температуры 790ºС (до температуры выше температуры плавления хлорида калия), жидкий хлорид калия пропитывает капилляры и поры компонентов смеси, которые остаются в твердом состоянии. При этом происходит частичное взаимодействие порошкообразных компонентов шихты, уменьшение объема смеси на 30-40% (за счет увеличения насыпной плотности и заполнения пор расплавом КСl). При подогреве шихта также дополнительно обезвоживается.
В результате процесса подогрева, проводимого в отдельных конических тиглях (например, выполненных из графита, пропитанного криолитом, или стеклоуглерода), образуются компактные шихтовые агломераты, пригодные к немедленной загрузке в расплав металлического алюминия. Это приводит к ускорению процесса восстановления скандия, так как агломераты достаточно глубоко погружаются в жидкий алюминий и, вследствие собственной высокой температуры (≤776ºС, температура плавления КСl), практически не снижают общей температуры реакционной среды (как это происходит в прототипе).
Предлагаемый способ подготовки шихты дает возможность увеличить относительное содержание в ней трифторида скандия в 2-4 раза относительно прототипа. В способе-прототипе оно не превышает 23 масс.% (независимо от того, вводится ли ScF3 непосредственно или в виде фторскандиата другого металла). В заявляемом способе шихта содержит 40-45 масс.% трифторида скандия, что дает оптимальные результаты при восстановлении. Другие компоненты берутся в следующих количествах: хлорид калия - 40-45 масс.%, фторид натрия - остальное.
Предлагаемое техническое решение было обосновано путем строгого термодинамического моделирования процесса восстановления трифторида скандия алюминием (Шубин А.Б., Шуняев К.Ю. Термодинамические расчеты взаимодействия галогенидов скандия с алюминием. // Журнал физ. химии, 2010, т.84, №12, с.2205-2210). Указанные термодинамические расчеты показали, что трифторид скандия должен восстанавливаться жидким алюминием уже при достаточно низких температурах (менее 800ºС). Этому процессу мешают лишь кинетические затруднения, которые и устраняются введением относительно легкоплавких солевых компонентов. При этом доля таких компонентов должна быть достаточной для смачивания трифторида скандия и дальнейшего «усвоения» продуктов реакции восстановления.
Концентрационные пределы содержания основного (трифторид скандия) и легкоплавкого (хлорид калия) компонентов в шихте обусловлены тем, чтобы, с одной стороны, задать высокую концентрацию ScF3, а с другой стороны, обеспечить при предварительном нагреве образование компактных агломератов с оптимальными реологическими характеристиками. Фторид натрия задается как компенсатор. Он обуславливает введение дополнительного количества фтор-ионов (что сдвигает электрохимический потенциал алюминия в более отрицательную область) и способствует образованию комплексных соединений (фторскандиатов), чем улучшает характеристики шихты.
При содержании трифторида скандия в шихте менее 40 масс.% эффективность процесса снижается. Это обусловлено ростом относительного содержания хлорида калия и фторида натрия. При расплавлении хлорида калия происходит оседание трифторида скандия и неравномерное его распределение по высоте агломерата. Кроме того, избыточное количество натриевой соли приводит к ее металлотермическому восстановлению и частичному выделению натрия на стенках тиглей, что загрязняет продукт.
Если содержание трифторида скандия превышает 45 масс.%, это приводит, наоборот, к излишней «сухости» и рассыпанию агломератов, полученных после предварительного нагрева. Чрезмерное уменьшение относительного содержания легкоплавкого компонента (КСl) и фторида натрия также снижает металлургическую эффективность процесса.
Опытные плавки показали необходимость поддержания количества легкоплавкого компонента (хлорида калия) в шихте в пределах 40-45 масс.%. При задании хлорида калия менее 40 масс.% шихта после нагрева получается излишне пористой, в ней не полностью происходит смачивание основного (ScF3) и вспомогательного (NaF) компонентов. Это понижает металлургический выход скандия в лигатуру. При задании в шихту избыточного (более 45 масс.%) количества хлорида калия агломераты, полученные после предварительного нагрева, становятся излишне «жидкими», расплываются и налипают на стенки тиглей. Нарушается равномерность распределения компонентов в агломератах. Все это снижает эффективность использования технологии и выход конечного продукта.
Таким образом, оптимальные реологические характеристики шихты после ее предварительного нагрева достигаются при содержании трифторида скандия 40-45 масс.%, хлорида калия - 40-45 масс.%, фторида натрия - остальное (10-20 масс.%). Достижение наилучших свойств агломератов (нет излишней «рассыпчатости» и чрезмерного ожижения) совпадает в заявляемом способе с наиболее эффективным соотношением компонентов с точки зрения протекания реакции алюминотермического восстановления скандия и образования лигатуры Al-Sc.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Готовят шихту следующего состава (масс.%): трифторид скандия - 40; хлорид калия - 40; фторид натрия - 20. Все компоненты в порошкообразном состоянии тщательно перемешивают. Общая масса шихты составляет 0,4 кг. Исходную шихту загружают в отдельный многократно используемый конический тигель из стеклоуглерода. После этого шихту нагревают в атмосфере воздуха до 790ºС, выдерживают при этой температуре в течение 5-7 минут. Одновременно в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом (для защиты от окисления) расплавляют металлический алюминий в количестве 3300 г под тонким слоем покровного флюса (50 г эквимольной смеси NaCl-KCl). Температуру металла доводят до 830ºС. Затем производят загрузку подогретой шихты в виде агломерата. После загрузки реакционную ванну выдерживают при заданной температуре (830ºС) в течение 20 минут, что обеспечивает полное протекание реакции восстановления. В то же время достаточно высокая температура не дает образовываться кристаллам интерметаллида Аl3Sс, сохраняя расплав однородным.
Далее производят отдельно разливку солевого и металлического расплавов, причем металл разливается в охлаждаемые изложницы. Это обеспечивает отсутствие ликвации и однородную структуру слитка.
По результатам количественного химического анализа содержание скандия в лигатуре составляет 1,97 масс.%. Выход в расчете на полное содержание скандия в шихте равен 93,0%.
Пример 2. Готовят шихту следующего состава (масс.%): трифторид скандия - 42,5; хлорид калия - 42,5; фторид натрия - 15. Все компоненты в порошкообразном состоянии тщательно перемешивают. Общая масса шихты составляет 0,385 кг. Исходную шихту загружают в отдельный многократно используемый конический тигель из стеклоуглерода. После этого шихту нагревают в атмосфере воздуха до 790ºС, выдерживают при этой температуре в течение 7 минут. Одновременно в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом, расплавляют металлический алюминий в количестве 3300 г под тонким слоем покровного флюса (50 г эквимольной смеси NaCl-KCl). Температуру металла доводят до 830ºС. Затем производят загрузку подогретой шихты в виде агломерата. После загрузки реакционную ванну выдерживают при заданной температуре (830ºС) в течение 20 минут, что обеспечивает полное протекание реакции восстановления. Далее производят отдельно разливку солевого и металлического расплавов, причем металл разливается в охлаждаемые изложницы.
По результатам количественного химического анализа содержание скандия в лигатуре составляет 2,03 масс.%. Выход в расчете на полное содержание скандия в шихте равен 93,7%.
Пример 3. Готовят шихту следующего состава (масс.%): трифторид скандия - 45,0; хлорид калия - 45,0; фторид натрия - 10. Все компоненты в порошкообразном состоянии тщательно перемешивают. Общая масса шихты составляет 0,365 кг. Исходную шихту загружают в отдельный многократно используемый конический тигель из стеклоуглерода. После этого шихту нагревают в атмосфере воздуха до 790ºС, выдерживают при этой температуре в течение 7 минут. Одновременно в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом, расплавляют металлический алюминий в количестве 3300 г под тонким слоем покровного флюса (50 г эквимольной смеси NaCl-KCl). Температуру металла доводят до 830ºС. Затем производят загрузку подогретой шихты в виде агломерата. После загрузки реакционную ванну выдерживают при заданной температуре (830ºС) в течение 20 минут, что обеспечивает полное протекание реакции восстановления. Далее производят отдельно разливку солевого и металлического расплавов, причем металл разливается в охлаждаемые изложницы.
По результатам количественного химического анализа содержание скандия в лигатуре составляет 2,01 масс.%. Выход в расчете на полное содержание скандия в шихте равен 92,4%.
Химический анализ производили по стандартной методике на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой Spectro Flame Modula S.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет достичь заявленного технического результата за счет повышения относительного содержания скандия в шихтовом материале и уменьшения объема солей, направляемых в дальнейшем на доизвлечение этого ценного компонента, а также несколько увеличить выход скандия в конечный продукт - лигатуру (на 0,4-1,7%).
Claims (2)
1. Способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий расплавление алюминия, алюминотермическое восстановление скандия из исходной шихты, содержащей фторид скандия, хлорид калия и фторид натрия под покровным флюсом, и последующую выдержку полученного расплава, отличающийся тем, что перед алюминотермическим восстановлением исходную шихту помещают в тигель и предварительно нагревают до температуры 790ºС, а затем вводят в расплавленный алюминий и осуществляют алюминотермическое восстановление при температуре не менее 830ºС, после выдержки расплава производят отдельно разливку солевого и металлического расплава, при этом используют исходную шихту, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%: фторид скандия - 40-45; хлорид калия - 40-45; фторид натрия - остальное.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев исходной шихты проводят в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом, или тигле из стеклоуглерода.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013105680/02A RU2507291C1 (ru) | 2013-02-11 | 2013-02-11 | Способ получения лигатуры алюминий-скандий |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013105680/02A RU2507291C1 (ru) | 2013-02-11 | 2013-02-11 | Способ получения лигатуры алюминий-скандий |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2507291C1 true RU2507291C1 (ru) | 2014-02-20 |
Family
ID=50113294
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013105680/02A RU2507291C1 (ru) | 2013-02-11 | 2013-02-11 | Способ получения лигатуры алюминий-скандий |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2507291C1 (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2680330C1 (ru) * | 2018-05-28 | 2019-02-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Способ получения лигатуры на основе алюминия |
| RU2704681C2 (ru) * | 2017-11-13 | 2019-10-30 | Акционерное общество "Далур" | Способ получения лигатуры "алюминий-скандий" (варианты) |
| CN111378853A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-07-07 | 重庆大学 | 一种冰晶石体系铝热还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法 |
| US10988830B2 (en) | 2018-01-16 | 2021-04-27 | Scandium International Mining Corporation | Scandium master alloy production |
| US11384412B2 (en) | 2018-01-16 | 2022-07-12 | Scandium International Mining Corporation | Direct scandium alloying |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4786319A (en) * | 1986-08-19 | 1988-11-22 | Treibacher Chemische Werke Ag | Proces for the production of rare earth metals and alloys |
| RU2124574C1 (ru) * | 1997-10-16 | 1999-01-10 | Институт химии твердого тела Уральского Отделения РАН | Способ получения лигатуры скандий-алюминий (его варианты) |
| RU2213795C1 (ru) * | 2001-11-12 | 2003-10-10 | Махов Сергей Владимирович | Способ получения лигатуры алюминий-скандий (варианты) |
| RU2421537C2 (ru) * | 2009-02-02 | 2011-06-20 | Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской Академии наук | Способ получения алюмоскандийсодержащей лигатуры и шихта для получения алюмоскандийсодержащей лигатуры |
-
2013
- 2013-02-11 RU RU2013105680/02A patent/RU2507291C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4786319A (en) * | 1986-08-19 | 1988-11-22 | Treibacher Chemische Werke Ag | Proces for the production of rare earth metals and alloys |
| RU2124574C1 (ru) * | 1997-10-16 | 1999-01-10 | Институт химии твердого тела Уральского Отделения РАН | Способ получения лигатуры скандий-алюминий (его варианты) |
| RU2213795C1 (ru) * | 2001-11-12 | 2003-10-10 | Махов Сергей Владимирович | Способ получения лигатуры алюминий-скандий (варианты) |
| RU2421537C2 (ru) * | 2009-02-02 | 2011-06-20 | Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской Академии наук | Способ получения алюмоскандийсодержащей лигатуры и шихта для получения алюмоскандийсодержащей лигатуры |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2704681C2 (ru) * | 2017-11-13 | 2019-10-30 | Акционерное общество "Далур" | Способ получения лигатуры "алюминий-скандий" (варианты) |
| US10988830B2 (en) | 2018-01-16 | 2021-04-27 | Scandium International Mining Corporation | Scandium master alloy production |
| US11384412B2 (en) | 2018-01-16 | 2022-07-12 | Scandium International Mining Corporation | Direct scandium alloying |
| RU2680330C1 (ru) * | 2018-05-28 | 2019-02-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Способ получения лигатуры на основе алюминия |
| CN111378853A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-07-07 | 重庆大学 | 一种冰晶石体系铝热还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2507291C1 (ru) | Способ получения лигатуры алюминий-скандий | |
| RU97117983A (ru) | Металлические композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами tib2 | |
| CA2983108C (en) | Method for producing aluminium-scandium alloy and reactor for implementing the method | |
| CN104328299A (zh) | 一种铝及铝合金熔体精炼用的熔剂及其制备方法 | |
| Kuz'min et al. | Obtaining of Al–Si foundry alloys using amorphous microsilica–Crystalline silicon production waste | |
| BR112017009373B1 (pt) | Processos para produção de ligas, e, ligas | |
| Rajagopalan et al. | Production of Al–Zr master alloy starting from ZrO2 | |
| RU2587700C1 (ru) | Способ получения лигатуры алюминий-скандий-иттрий | |
| RU2124574C1 (ru) | Способ получения лигатуры скандий-алюминий (его варианты) | |
| RU2426807C2 (ru) | Способ получения алюминиево-скандиевой лигатуры для сплавов на основе алюминия | |
| RU2683176C1 (ru) | Способ получения силуминов | |
| RU2394927C2 (ru) | Способ получения титансодержащего алюминиевого сплава | |
| RU2637545C1 (ru) | Способ получения модифицирующей лигатуры Al - Ti | |
| RU2621207C1 (ru) | Способ получения сплава на основе алюминия и устройство для осуществления способа | |
| RU2697127C1 (ru) | Способ получения лигатуры магний-неодим | |
| RU2218436C1 (ru) | Способ получения алюминий-скандиевой лигатуры | |
| CN109593994A (zh) | 添加稀土Ce元素降低铝基复合材料热裂倾向性的方法 | |
| RU2515730C1 (ru) | Электрохимический способ получения лигатурных алюминий-циркониевых сплавов | |
| CN112609095A (zh) | 一种铸造添加用镁铝铍中间合金的制备方法 | |
| EP1466038A1 (en) | Magnesium-zirconium alloying | |
| AU2003201396A1 (en) | Magnesium-zirconium alloying | |
| JP2021110026A (ja) | 金属除去方法および金属回収方法 | |
| JP2021110025A (ja) | 金属除去剤 | |
| RU2654222C1 (ru) | Способ получения лигатуры алюминий-эрбий | |
| Kuz et al. | Possibilities and prospects for producing silumins with different silicon contents using amorphous microsilica |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190212 |