способ получения алюминиево-скандиевой лигатуры для сплавов на основе алюминия

Формула изобретения

Способ получения алюминиево-скандиевой лигатуры для получения сплавов на основе алюминия, включающий алюминотермическое восстановление фторида скандия при введении в расплав алюминия шихты, содержащей фторид скандия, отличающийся тем, что предварительно готовят два расплава алюминия в двух печах, и в один из расплавов алюминия вводят шихту в виде гранул, дополнительно содержащую фторид магния и хлорид калия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: фторид скандия 50,0-75,0, фторид магния 35,0-25,0, хлорид калия 15,0-0,0, затем полученную лигатуру смешивают с другим расплавом алюминия и после этого при постоянном перемешивании подают инертный газ под давлением 150-200 кПа до достижения устойчивой зоны расплава с последующим охлаждением со скоростью 3-4°С в минуту до температуры окружающей среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, конкретно к производству алюминиевых сплавов и лигатур со скандием или другими легирующими металлами (марганцем, цирконием, титаном, бором, ниобием и т.п.).

Известен способ получения алюминиево-скандиевых лигатур алюмотермическим восстановлением фторида скандия при соотношении ScF₃:Al в шихте 1:1,6-8,0 в три ступени с постепенным повышением температуры (А.С. № 873692, МПК С22С 1/03, 1983 г.).

Недостатками известного способа являются высокая (до 1300°С) температура, необходимая для полного восстановления фторида скандия, длительность процесса (5-6 часов), а также попутное получение газообразного субфторида AlF, способного к диссоциации с выделением мелкодисперсного алюминия, что достаточно опасно при высоких температурах.

Известен способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия хиолит - (Na₅, A₁₃, F₁₄) и оксид скандия (Дегтярь В.А., Поляк Е.Н., «Восстановление оксида скандия из расплава KCl-NaF-AlF₃-Sc₂O₃ », Российская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», «Металлические материалы, методы их обработки» / Тез. докл. - М.: 1994 г., с.102).

Недостатком способа является значительное образование нерастворимых соединений скандия - оксифторидов (ScOF), переходящих в шлак, что приводит к потерям скандия и невысокому выходу годного продукта (~60%).

Известен способ получения лигатуры скандий-алюминий, включающий расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием при t=820°C шихты следующего состава: хлорид калия, фториды натрия и алюминия, оксид скандия; возможно также дополнительное включение алюминия в виде гранул, мелкораздробленной стружки и т.д. (Патент Ru № 2124574, 10.01.1999 «Способ получения лигатуры скандий-алюминий (его варианты)». Предварительно шихтовые материалы - тщательно измельченную, высушенную и перемешанную порошковую массу - нагревают выше температуры плавления хлорида калия (771°С), составляющего 58,8% общей массы шихты, при этом образующийся расплав хлористого калия обволакивает и пропитывает порошковую часть шихты. Затем расплав быстро охлаждают до комнатной температуры и получают плотные соляно-оксидные брикеты, что в дальнейшем должно предотвратить потери скандия при контакте с кислородом воздуха и стенками печи.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании данного способа, относятся сложность и неэффективность предварительной подготовки шихты, так как суммарные потери скандия в приведенных примерах составляют не менее 50%, а использование в составе шихты соли натрия отрицательно влияет на качество лигатуры.

Из известных аналогов наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков и назначению является способ получения лигатуры алюминий-скандий путем алюминотермического восстановления фторида скандия введением в расплав алюминия при температуре 840-850°С порошковой шихты, мас.%: фторид скандия 10-23; хлорид калия 49-76; фторид натрия 13-28, с последующей выдержкой расплава в течение 15-30 мин при температуре 790-780°С - принят за прототип (SU 1580826 А1, МПК С22С 1/06, 10.06.1999 «Способ получения лигатуры алюминий-скандий). Особенность способа заключается также в том, что расплав в процессе разогрева и обработки шихтой находится под слоем покровного флюса состава: хлорид калия 42-45 мас.% и хлорида натрия - остальное.

Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании данного способа, являются низкая химическая активность и соответственно недостаточная технологическая эффективность компонентов шихты. Так, для получения лигатуры, содержащей только 2,0% скандия (Al+2,0% Sc), на 1,0 т алюминиевого расплава необходимо ввести ~55,0 кг фтористого скандия, то есть 550,0-250,0 кг шихты, что резко охлаждает металл и нарушает температурный режим плавления, приводит к повышенному образованию шлаков и значительным потерям дорогостоящего скандия (степень втворения скандия в расплав алюминия не более 85,0%). Кроме того, с шихтой в расплав вводится ~20 кг натрия (соль NaF) - наиболее вредной примеси в алюминиевых сплавах.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение эффективности технологического процесса.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявленного, заключается в повышении качества лигатуры за счет эффективности процесса втворения скандия в расплав алюминия из фторида скандия, его активизации и применения более качественных реагентов шихты, новых методов ее подготовки и введения в расплав.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения алюминиево-скандиевой лигатуры для получения сплавов на основе алюминия, включающем алюминотермическое восстановление фторида скандия, осуществляемое при введении в расплав алюминия шихты, содержащей фторид скандия, согласно изобретению предварительно готовят в двух печах два расплава алюминия и в один из расплавов алюминия вводят шихту в виде гранул, дополнительно содержащую фторид магния и хлорид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

фторид скандия - 50,0-75,0;

фторид магния - 35,0-25,0;

хлорид калия - 15,0-0,0.

Затем полученную лигатуру смешивают с другим расплавом алюминия и после этого при постоянном перемешивании подают инертный газ под давлением 150-200 кПа до достижения устойчивой зоны расплава с последующим охлаждением со скоростью 3-4°С в минуту до температуры окружающей среды.

Существенные отличия заключаются в том, что, если в известном способе (по прототипу) в расплав алюминия вводят порошковую шихту из фторида скандия и значительную массу солей натрия и калия, в предлагаемом способе в композиции с фторидом скандия используется более активный реагент - фторид магния и частично хлорид калия, а суммарная масса шихты на 1,0 т расплава составляет 90,0-60,0 кг - это существенно улучшает температурные и временные параметры операции.

Компонент MgF ₂ существует в природе в виде минерала - сеалита, сопутствующего флюориту (CaF₂) на Уральских месторождениях, и является достаточно дешевым и малоизвестным материалом - для данных целей ранее не применялся. Так как магний и скандий являются хорошо растворимыми в алюминии металлами, при высоких температурах расплава и подаче инертного газа их атомы активно внедряются в кристаллическую решетку алюминия, а освободившиеся атомы фтора связывает и уносит из расплава водород, обеспечивая дополнительное рафинирование. Аналогичную роль выполняет хлор, который, соединяясь с калием расплава, образовывает соль, всплывающую на поверхность в виде металлургического шлака.

Особенность способа состоит также в более качественной подготовке шихтовых компонентов, которые сначала тщательно измельчают и перемешивают в заданной пропорции, затем гранулируют с обработкой синтетическим клеем типа ПВА и просушивают. Наиболее оптимальный размер гранул 0,4-3,0 мм. Гранулы улучшают свойства лигатуры - твердость, текучесть металла - по сравнению с обычным производством лигатуры.

Существенным признаком является использование в способе двух печей для приготовления лигатуры, когда высокая температура лигатуры первой печи снизилась от внесения гранулированной шихты, и соединение содержимого раствора алюминия второй печи позволяет поддерживает высокую температуру и расплав в жидком состоянии, при котором протекает лучшее перемешивание и более равномерное распределение скандия по всему объему лигатуры.

Отличительным признаком способа, по сравнению с прототипом, является устойчивая зона расплава (~800°С) с последующим охлаждением со скоростью 3-4°С в минуту до температуры окружающей среды. Выделяемая теплота становится вторичным источником тепла для подготовки следующей партии шихты, что снижает энергозатраты.

Поскольку для приготовления алюминиево-скандиевой и других лигатур ответственного назначения целесообразно применять печи емкостью не более 1,0 т (например, вакуумные), для ввода шихты достаточно невысокого давления газов: 150-200 кПа, кроме того, при нагреве образующиеся смеси газов отсасываются в печах, обеспечивая чистоту самого процесса. Использование ввода инертного газа способствует разносу гранул шихты по всему объему расплава печи и ускоряет за счет энергии движения химизм процесса внедрения скандия и магния, также вытесняя образующиеся газы из расплава, что существенно снижает время обработки расплава.

Способ осуществляли следующим образом.

Наиболее оптимальными для приготовления лигатуры Al+2,0% Sc в вакуумной электрической печи емкостью 1,0 т установлены следующие технологические параметры:

- температура металла перед введением шихты - 860-920°С;

- давление (начальное) инертного газа (хлораргоновой смеси) - 150-200 кПа;

- состав шихтовых компонентов, маc.%:

фторид скандия - 50,0-75,0;

фторид магния - 35,0-25,0;

хлорид калия - 15,0-0,0.

- размер гранул шихты - 0,4-3,0 мм;

- диаметр сопел на фурме - 4,0-6,0 мм;

- время ввода в расплав шихты (60,0-90,0 кг) - 12,0-18,0 мин;

- выдержка после продувки - не требуется.

В двух последовательно расположенных печах заготавливают два расплава алюминия с температурой 860-920°С. Вначале в один из расплавов алюминия вводят шихту в виде гранул заданного состава, затем смешивают содержимое с другим расплавом алюминия, тем самым поддерживая заданную температуру, и одновременно подают инертный газ под давлением 150-200 кПа. Перемешивание жидких компонентов при высокой температуре обеспечивает равномерное распределение скандия в лигатуре, позволяя улучшить ее качество.

После достижения устойчивой зоны расплава (~800°С) его охлаждают со скоростью 3-4°С в минуту до температуры окружающей среды. Высвободившаяся теплота идет на подготовку следующей партии шихты, снижая энергозатраты процесса.

В случае приготовления лигатуры в обычных печах (без вакуумирования) необходимо применять покровный флюс состава, мас.%:

фторид магния - 40-60%;

хлорид калия - 60-40%.

По сравнению с прототипом редлагаемый способ характеризуется применением двух печей с предварительно заготовленными расплавами алюминия, более качественных и эффективных реагентов, а также новых приемов подготовки шихты и введения ее в расплав, что в полном объеме обеспечивает достижение указанного выше технического результата при его осуществлении.

Проверка патентоспособности заявляемого изобретения показывает, что оно соответствует изобретательскому уровню, так как не следует для специалистов явным образом.

Анализ научно-технической и патентной литературы свидетельствует о том, что заявленное изобретение соответствует уровню «новизна».

Сведения, подтверждающие осуществление предлагаемого изобретения с получением вышеуказанного технического результата, а также сопоставление его эффективности с известным (по прототипу) приведены в примерах.

Пример 1.

В лабораторной печи в двух тиглях емкостью ~0,5 л расплавили 500 г технического алюминия марки А 6.

Заранее приготовили шихту в гранулах 0,4-0,6 мм следующего состава:

фторид скандия - 45,0 г (50,0%) или 11,1 г Sc (в пересчете);

фторид магния - 31,5 г (35,0%);

хлорид калия - 13,5 г (15,0%).

Содержание Sc в лигатуре (по расчету) должно быть 2,05%.

(Фторид скандия получен из продуктивных растворов подземного выщелачивания.)

Через керамическую трубочку внутренним диаметром 2,0 мм совместно с хлораргонной смесью при давлении 150 кПа (1 атм), осторожно перемешивая, вводят в расплав первого тигля шихту в виде гранул; время ввода составило 100 сек. Затем в тигль добавляют расплав алюминия из другого тигля, постоянно перемешивая и одновременно вводя инертный газ под давлением 150 кПа. После чего температуру полученной лигатуры медленно снижают со скоростью 3-4°С в минуту.

Спектральный анализ показал содержание Sc в лигатуре = 1,99-2,03%, то есть фактическое втворение его равно: 96,5-99,5%.

Пример 2.

При тех же граничных условиях проводили исследования по получению лигатуры с использованием шихты без хлорида калия следующего состава:

фторид скандия - 21,7 г (75 мас.%);

фторид магния - 11,45 г (25 мас.%).

Содержание Sс в лигатуре составило 1,923-2,02%, то есть степень втворения равна 95,0%-99,0%.

В известном способе степень втворения Sс в расплав не превышает 85%.

Пример 3.

На Богословском алюминиевом заводе проводили опытно-промышленные испытания по рафинированию расплава путем введения гранулированного флюса, содержащего MgF₂, и перемешивания инертным газом (хлораргоновой смесью), то есть с использованием способа для ввода флюса, аналогичного предлагаемому. Обработку проводили в миксерах емкостью 10,0 и 6,0 т, а также в литейном ковше 1,8 т; вводилось 1,0-2,0 кг флюса на 1,0 т расплава; производительность с учетом тщательной проработки расплава составляла - 2,0-5,0 кг флюса в минуту.

Эксперимент подтвердил эффективность предлагаемого способа.

Таким образом предлагаемое изобретение обеспечивает улучшение алюминиево-скандиевой лигатуры, снижение энергозатрат, а также повышение эффективности технологического процесса.