RU2819113C1 - Method for electrolytic production of aluminum alloys with scandium - Google Patents
Method for electrolytic production of aluminum alloys with scandium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819113C1 RU2819113C1 RU2023121501A RU2023121501A RU2819113C1 RU 2819113 C1 RU2819113 C1 RU 2819113C1 RU 2023121501 A RU2023121501 A RU 2023121501A RU 2023121501 A RU2023121501 A RU 2023121501A RU 2819113 C1 RU2819113 C1 RU 2819113C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- scandium
- electrolysis
- anode
- aluminum alloys
- cathode
- Prior art date
Links
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 26
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 30
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910018054 Ni-Cu Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910018481 Ni—Cu Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 229910016569 AlF 3 Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 abstract description 5
- HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N scandium(III) oxide Inorganic materials O=[Sc]O[Sc]=O HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- -1 ferrous metals Chemical class 0.000 abstract description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 16
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 16
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 13
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 5
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000976924 Inca Species 0.000 description 2
- 229910000542 Sc alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- LUKDNTKUBVKBMZ-UHFFFAOYSA-N aluminum scandium Chemical compound [Al].[Sc] LUKDNTKUBVKBMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 150000003326 scandium compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017767 Cu—Al Inorganic materials 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018097 ScF Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JXOOCQBAIRXOGG-UHFFFAOYSA-N [B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[Al] Chemical compound [B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[Al] JXOOCQBAIRXOGG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001636 atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- HJGMWXTVGKLUAQ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);scandium(3+) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Sc+3].[Sc+3] HJGMWXTVGKLUAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 150000003325 scandium Chemical class 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности, к получению функциональных алюминиевых сплавов.The invention relates to the metallurgy of non-ferrous metals, in particular to the production of functional aluminum alloys.
В условиях технологического прогресса быстрыми темпами растет спрос на сплавы и композиционные материалы на основе алюминия. Благодаря уникальному сочетанию своих эксплуатационных характеристик и доступности такие сплавы и материалы находят широкое применение в автомобилестроении, судостроении, аэрокосмической и оборонной промышленности, строительстве и многих других отраслях. Значительную долю сплавов алюминия получают в промышленных масштабах путем прямого сплавления алюминия с такими элементами как магний, медь, цинк, кремний, железо, никель и др. Для получения ряда сплавов вместо индивидуальных легирующих элементов используют лигатуры, поскольку такие элементы являются дорогостоящими или обладают высокой температурой плавления и низкой растворимостью в алюминии, что затрудняет их растворение.In the context of technological progress, the demand for aluminum-based alloys and composite materials is growing rapidly. Due to their unique combination of performance characteristics and availability, such alloys and materials are widely used in the automotive, shipbuilding, aerospace and defense industries, construction and many other industries. A significant proportion of aluminum alloys are produced on an industrial scale by direct alloying of aluminum with elements such as magnesium, copper, zinc, silicon, iron, nickel, etc. To obtain a number of alloys, alloys are used instead of individual alloying elements, since such elements are expensive or have a high temperature melting and low solubility in aluminum, which makes them difficult to dissolve.
Одним из таких легирующих элементов является скандий. Прямое смешение скандия с алюминием необходимо проводить при относительно высокой температуре (выше 1200°С) в реакторах с использованием высокочистой инертной атмосферы, что является неэффективным, дорогостоящим и не исключающим потери скандия вследствие окисления.One such alloying element is scandium. Direct mixing of scandium with aluminum must be carried out at relatively high temperatures (above 1200°C) in reactors using a high-purity inert atmosphere, which is inefficient, expensive and does not exclude loss of scandium due to oxidation.
Более эффективными представляются алюминотермические способы, включающие восстановление алюминием солей или оксида скандия под слоем покровно-рафинирующих флюсов при температуре от 750 до 950°С. Однако при получении сплавов алюминия со скандием данными способами происходит неполное восстановление соединений скандия, изменение состава флюса и его насыщение по оксидам. Это приводит к накоплению техногенных отходов и потерям скандия.Aluminothermic methods seem to be more effective, including the reduction of salts or scandium oxide with aluminum under a layer of coating-refining fluxes at temperatures from 750 to 950°C. However, when producing aluminum alloys with scandium by these methods, incomplete reduction of scandium compounds occurs, a change in the composition of the flux and its saturation in oxides. This leads to the accumulation of man-made waste and losses of scandium.
Проблема накопления отходов и потерь скандия может быть решена при использовании способов электролитического получения сплавов алюминия со скандием. В частности, из источников научно-технической информации известны способы электролитического получения сплавов алюминия со скандием, включающие электролиз галогенидных расплавов с добавками солей алюминия и скандия, преимущественно хлоридов и фторидов, при температуре от 450 до 850°С. При электролизе данных расплавов на катодах формируются осадки, представленные сплавами алюминия со скандием, содержание которого можно регулировать путем подбора параметров электролиза и соотношения концентраций соединений алюминия и скандия.The problem of waste accumulation and scandium losses can be solved by using methods for the electrolytic production of aluminum alloys with scandium. In particular, from sources of scientific and technical information, methods for the electrolytic production of aluminum alloys with scandium are known, including the electrolysis of halide melts with the addition of aluminum and scandium salts, mainly chlorides and fluorides, at temperatures from 450 to 850°C. During the electrolysis of these melts, deposits are formed on the cathodes, represented by aluminum alloys with scandium, the content of which can be adjusted by selecting the electrolysis parameters and the ratio of the concentrations of aluminum and scandium compounds.
Недостатками способов являются выделение хлора или фтора на аноде и использование солей, подверженных гидролизу (LiCl, AlF3, ScF3, ScCl3 и др.). Это усложняет аппаратурное оформление способов, обуславливает необходимость осуществления способов в инертной атмосфере и проведения дополнительных операций по очистке солей. Ряд из этих проблем решается при использовании в качестве источника скандия его оксида (Sc2O3), который имеет высокую растворимость в расплавах KF-NaF-AlF3.The disadvantages of the methods are the release of chlorine or fluorine at the anode and the use of salts susceptible to hydrolysis (LiCl, AlF 3 , ScF 3 , ScCl 3 , etc.). This complicates the hardware design of the methods and necessitates the implementation of the methods in an inert atmosphere and additional operations to purify the salts. A number of these problems are solved by using scandium oxide (Sc 2 O 3 ), which has high solubility in KF-NaF-AlF 3 melts, as a source of scandium.
Так, известен способ электролитического получения сплава алюминия со скандием, включающий электролиз расплава KF- (1-15 мас.%) NaF-AlF3-Al2O3 с использованием жидкометаллического алюминиевого катода и графитового анода при температуре 800-950°С, непрерывную подачу Sc2O3 в расплав при помощи дозатора, периодическую выгрузку полученного сплава с заданным составом через специальный патрубок в донной части реактора и заливку расплавленного алюминия после выгрузки сплава в количестве, равном по массе выгруженному сплаву [RU2621207, опубл. 01.07.2017]. Заявленный способ описан для получения лигатурных сплавов алюминия с 1-3 мас.% скандия.Thus, there is a known method for the electrolytic production of an aluminum alloy with scandium, including the electrolysis of a KF-(1-15 wt.%) NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt using a liquid metal aluminum cathode and a graphite anode at a temperature of 800-950°C, continuous feeding Sc 2 O 3 into the melt using a dispenser, periodically unloading the resulting alloy with a given composition through a special pipe in the bottom of the reactor and pouring molten aluminum after unloading the alloy in an amount equal in weight to the unloaded alloy [RU2621207, publ. 07/01/2017]. The claimed method is described for the production of alloyed aluminum alloys with 1-3 wt.% scandium.
Недостатками способа являются выделение парниковых газов на графитовом аноде, а также использование конструкции реактора, допускающей протекание катодного процесса на внутренних боковых стенках графитового тигля реактора и горение/окисление тигля снаружи, которые будут приводить к выкрашиванию графита, нестабильности параметров электролиза и нарушению целостности графитового тигля реактора в целом.The disadvantages of the method are the release of greenhouse gases on the graphite anode, as well as the use of a reactor design that allows the cathodic process to occur on the internal side walls of the graphite crucible of the reactor and combustion/oxidation of the crucible on the outside, which will lead to chipping of graphite, instability of electrolysis parameters and damage to the integrity of the graphite crucible of the reactor generally.
Наиболее близким к заявляемому является способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием, включающий электролиз оксидно-фторидного расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавками Sc2O3 и Al2O3 в электролизере с вертикально расположенными графитовым анодом и твердым катодом из вольфрама, углерода или диборида титана, отделение продуктов электролиза с включениями компонентов расплава от твердого катода и их смешивание с жидким алюминием при температуре от 800 до 900°С [RU2716727, опубл. 16.03.2020].The closest to the claimed method is the electrolytic production of aluminum alloys with scandium, including the electrolysis of an oxide-fluoride melt KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 with the additions of Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 in an electrolytic cell with a vertically located graphite anode and solid cathode made of tungsten, carbon or titanium diboride, separation of electrolysis products with inclusions of melt components from the solid cathode and mixing them with liquid aluminum at a temperature of 800 to 900°C [RU2716727, publ. 03/16/2020].
Данный способ позволяет получать сплавы алюминия с относительно высоким содержанием скандия при высоком извлечении его из оксида. Однако способ характеризуется такими недостатками как многостадийность, выделение парниковых газов на аноде и расход графитового анода. Все это приводит к дополнительным материальным и энергетическим затратам и необходимости использования дополнительных реакторов и устройств.This method makes it possible to produce aluminum alloys with a relatively high content of scandium with a high extraction of it from the oxide. However, the method is characterized by such disadvantages as multi-stage nature, release of greenhouse gases at the anode and consumption of graphite anode. All this leads to additional material and energy costs and the need to use additional reactors and devices.
Задачей изобретения является организация способа получения сплавов алюминия со скандием при упрощении процесса и исключении образования парниковых газов на аноде.The objective of the invention is to organize a method for producing aluminum alloys with scandium while simplifying the process and eliminating the formation of greenhouse gases at the anode.
Для этого предложен способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием, который, как и прототип, включает электролиз расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавками Sc2O3 и Al2O3 в электролизере с вертикально расположенными анодом и катодом. Новый способ отличается тем, что при электролизе используют графитовый катод с боридным покрытием и малорасходуемый анод из предварительно окисленного металлического сплава на основе системы Fe-Ni-Cu.For this purpose, a method is proposed for the electrolytic production of aluminum alloys with scandium, which, like the prototype, includes the electrolysis of a KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt with Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 additives in an electrolytic cell with a vertically located anode and cathode . The new method is distinguished by the fact that electrolysis uses a graphite cathode with a boride coating and a low-consumable anode made of a pre-oxidized metal alloy based on the Fe-Ni-Cu system.
Сущность способа заключается в том, что при электролизе расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавкой оксида скандия на вертикально расположенном графитовом катоде с боридным покрытием протекают реакции катодного восстановления алюминия и скандия, а также реакции алюминотермического восстановления ионов скандия, в результате которых на катоде формируется жидкометаллический сплав алюминия со скандием. По мере накопления сплав под действием силы тяжести отделяется от катода и погружается на дно электролизера, освобождая поверхность катода для осаждения новой партии сплава. Предварительно нанесенное боридное покрытие на графитовом катоде обеспечивает смачивание катода как алюминием, так и сплавом. Образующийся на дне жидкий сплав алюминия со скандием извлекают из электролизера после окончания электролиза, либо периодически с использованием известных приемов и устройств.The essence of the method is that during the electrolysis of a KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt with the addition of scandium oxide on a vertically located graphite cathode with a boride coating, reactions of cathodic reduction of aluminum and scandium occur, as well as reactions of aluminothermic reduction of scandium ions, in as a result of which a liquid metal alloy of aluminum with scandium is formed at the cathode. As it accumulates, the alloy is separated from the cathode by gravity and sinks to the bottom of the electrolyzer, freeing the cathode surface for deposition of a new batch of alloy. A pre-applied boride coating on the graphite cathode allows both aluminum and alloy wetting of the cathode. The liquid aluminum alloy with scandium formed at the bottom is removed from the electrolyzer after the end of electrolysis, or periodically using known techniques and devices.
В свою очередь, на малорасходуемом аноде преимущественно протекает реакция окисления кислородсодержащих ионов до кислорода, при этом источником кислородсодержащих ионов в расплаве на начальном этапе электролиза является Al2O3, а затем Sc2O3 и Al2O3, добавляемые в расплав. Таким образом в ходе электролиза преимущественно расходуются добавляемые Sc2O3 и Al2O3, не меняя соотношение основных компонентов расплава (KF, NaF, AlF3). Малорасходуемый анод как указанного состава, так и любого другого состава, не является полностью индифферентным по отношению к расплаву KF-NaF-AlF3-Al2O3, поэтому в ходе длительного электролиза он будет постепенно расходоваться с некоторой ненулевой скоростью. При этом компоненты анода будут неизбежно переходить в расплав в виде ионов или оксидов, а затем восстанавливаться на катоде, обуславливая в получаемом сплаве алюминия со скандием дополнительное присутствие элементов из анода. Однако при относительно низкой скорости расходования анода, концентрация элементов анода в сплаве будет незначительной на фоне концентрации целевых легирующих элементов. Для снижения скорости расходования анода производят его предварительное окисление, электролиз ведут при температуре от 750 до 820°С, а суммарную концентрацию оксидов алюминия и скандия поддерживают близкой к их суммарной растворимости в указанном расплаве. По эмпирическим наблюдениям, скорость расхода малорасходуемого анода из предварительно окисленного металлического сплава на основе системы Fe-Ni-Cu при электролизе расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с температурой от 750 до 820°С при анодной плотности тока от 0.6 до 1.0 А/см2 не превышает 5-10 мм/год.In turn, at the low-consumption anode, the reaction of oxidation of oxygen-containing ions to oxygen predominantly occurs, and the source of oxygen-containing ions in the melt at the initial stage of electrolysis is Al 2 O 3 , and then Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 added to the melt. Thus, during electrolysis, the added Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 are predominantly consumed without changing the ratio of the main components of the melt (KF, NaF, AlF 3 ). A low-consumption anode of either the specified composition or any other composition is not completely indifferent to the KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt, therefore, during long-term electrolysis it will gradually be consumed at a certain non-zero rate. In this case, the components of the anode will inevitably go into the melt in the form of ions or oxides, and then be reduced at the cathode, causing the additional presence of elements from the anode in the resulting aluminum-scandium alloy. However, at a relatively low rate of anode consumption, the concentration of anode elements in the alloy will be insignificant compared to the concentration of the target alloying elements. To reduce the rate of anode consumption, its preliminary oxidation is carried out, electrolysis is carried out at a temperature from 750 to 820°C, and the total concentration of aluminum and scandium oxides is maintained close to their total solubility in the specified melt. According to empirical observations, the consumption rate of a low-consumable anode made of a pre-oxidized metal alloy based on the Fe-Ni-Cu system during the electrolysis of a KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt with a temperature of 750 to 820°C at an anode current density of 0.6 to 1.0 A/cm 2 does not exceed 5-10 mm/year.
Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении сплавов алюминия со скандием при исключении выделения парниковых газов и сокращении материальных затрат.The technical result achieved by the claimed method is to produce aluminum alloys with scandium while eliminating the emission of greenhouse gases and reducing material costs.
Изобретение иллюстрируется таблицей, в которой представлены результаты спектрального анализа сплавов алюминия, полученных при электролизе расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавками Sc2O3 и Al2O3, гдеThe invention is illustrated by a table that presents the results of spectral analysis of aluminum alloys obtained by electrolysis of the KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt with the additions of Sc 2 O 3 and Al 2 O 3 , where
t - температура электролиза, °С;t - electrolysis temperature, °C;
ia - анодная плотность тока, А/см2;i a - anodic current density, A/cm 2 ;
ik - катодная плотность тока, А/см2;i k - cathode current density, A/cm 2 ;
τ - время электролиза, ч., τ - electrolysis time, hours,
а также микрофотографией типичного сплава алюминия со скандием (см. фиг. 1). as well as a micrograph of a typical aluminum-scandium alloy (see Fig. 1).
Экспериментальную апробацию заявленного способа произвели с использованием лабораторного электролизера на силу тока до 20 А. Электролизер представлял собой алундовыйтигель, в который загрузили 500 г предварительно приготовленной смеси KF-NaF-AlF3-Al2O3, после чего электролизер разместили в шахтной печи сопротивления и нагрели до температуры 820°С. После этого в расплав KF-NaF-AlF3-Al2O3 погрузили вертикально погрузили в виде пластин малорасходуемый анод Fe-Ni-Cu-Al и предварительно покрытый боридом алюминия графитовый катод и начали вести электролиз расплава при катодной плотности тока 0.2 А/см2 и анодной плотности тока 0.3 А/см2 с использованием гальваностата/потенциостата AutoLab 302N (MetrOhm, Нидерланды). В ходе электролиза в расплав добавили 1 мас.% Sc2O3, после чего электролиз вели еще в течение 4 часов. По окончании электролиза катод и анод извлекли из расплава, а расплав и полученный алюминий слили в изложницу. Визуально каких-либо разрушений и изменения размеров электродов зафиксировано не было, помимо наличия на катоде покрытия серебристо-металлического цвета. После охлаждения были отобраны образцы расплава для спектрального анализа, а также изготовлен шлиф поперечного среза сплава для изучения его микроструктуры методом сканирующей электронной микроскопии.Experimental testing of the claimed method was carried out using a laboratory electrolyzer with a current of up to 20 A. The electrolyzer was an alundum crucible into which 500 g of a pre-prepared KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 mixture was loaded, after which the electrolyzer was placed in a resistance shaft furnace and heated to a temperature of 820°C. After this, a low-consumable Fe-Ni-Cu-Al anode and a graphite cathode pre-coated with aluminum boride were vertically immersed in the KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt in the form of plates and electrolysis of the melt began at a cathode current density of 0.2 A/cm 2 and an anode current density of 0.3 A/ cm2 using an AutoLab 302N galvanostat/potentiostat (MetrOhm, the Netherlands). During electrolysis, 1 wt.% Sc 2 O 3 was added to the melt, after which electrolysis was carried out for another 4 hours. At the end of electrolysis, the cathode and anode were removed from the melt, and the melt and the resulting aluminum were poured into the mold. Visually, no damage or changes in the size of the electrodes were detected, except for the presence of a silver-metallic coating on the cathode. After cooling, samples of the melt were taken for spectral analysis, and a cross-section of the alloy was prepared to study its microstructure using scanning electron microscopy.
Содержание легирующих элементов и примесей с малорасходуемого анода в сплавах проводили методом атомно-эмиссионной спектроскопии на оптическом эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой OPTIMA 4300 DV (Perkin Elmer, США). Микрофотографии сплавов алюминия получали на сканирующем электронном микроскопе JMS-5900LV с микроанализатором INCA Energy 200 и энергодисперсионным микроанализатором INCA Wave 250 (JEOL, Великобритания) и микроскопе PhenomProX с энергодисперсионным анализатором (Phenom-World, Нидерланды).The content of alloying elements and impurities from the low-consumption anode in the alloys was carried out by atomic emission spectroscopy on an OPTIMA 4300 DV optical emission spectrometer with inductively coupled plasma (Perkin Elmer, USA). Microphotographs of aluminum alloys were taken on a JMS-5900LV scanning electron microscope with an INCA Energy 200 microanalyzer and an INCA Wave 250 energy-dispersive microanalyzer (JEOL, UK) and a PhenomProX microscope with an energy-dispersive analyzer (Phenom-World, the Netherlands).
В результате был получен сплав алюминия со скандием, содержащий (мас.%): 0.94 - скандия, 0.002 - меди, 0.01 - железа, 0.008 - никеля, 0.003 - бора.As a result, an alloy of aluminum with scandium was obtained, containing (wt.%): 0.94 - scandium, 0.002 - copper, 0.01 - iron, 0.008 - nickel, 0.003 - boron.
По аналогичной схеме были проведены эксперименты по электролизу расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавкой Sc2O3 при изменении анодной и катодной плотности тока, времени электролиза и количества добавки Sc2O3.Using a similar scheme, experiments were carried out on the electrolysis of the KF-NaF-AlF 3 -Al 2 O 3 melt with the addition of Sc 2 O 3 by changing the anodic and cathode current densities, electrolysis time and the amount of Sc 2 O 3 additive.
Из результатов экспериментальной апробации заявленного способа, приведенных в таблице, видно, что способ позволяет получать сплавы алюминия со скандием, при этом содержание примесей бора (с катода), железа, никеля и меди (с малорасходуемого анода) суммарно не превышает 0.05 мас.%. Такие сплавы могут быть использованы как самостоятельно, так и для приготовления других функциональных сплавов алюминия.From the results of experimental testing of the claimed method, given in the table, it is clear that the method makes it possible to obtain aluminum alloys with scandium, while the content of boron impurities (from the cathode), iron, nickel and copper (from the low-consumption anode) does not exceed 0.05 wt.% in total. Such alloys can be used either independently or for the preparation of other functional aluminum alloys.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819113C1 true RU2819113C1 (en) | 2024-05-14 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4650552A (en) * | 1981-07-01 | 1987-03-17 | Eltech Systems Corporation | Electrolytic production of aluminum |
| CN1936085B (en) * | 2006-09-19 | 2010-04-14 | 东北大学 | A method for preparing aluminum and aluminum alloys by electrolysis of low-temperature molten salt |
| WO2015026257A1 (en) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Iron-based anode for producing aluminum by electrolysis of melts |
| RU2621207C1 (en) * | 2015-12-11 | 2017-06-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Method for producing aluminium-based alloy and device for its implementation |
| CA2983108C (en) * | 2015-04-22 | 2019-03-12 | Obshchestvo S Ogranichennoy Otvetstvennost'yu "Obedinennaya Kompaniya Rusal Inzhenerno-Tekhnologicheskiy Tsentr" | Method for producing aluminium-scandium alloy and reactor for implementing the method |
| RU2716727C1 (en) * | 2019-08-16 | 2020-03-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Electrolytic method of producing aluminum ligatures from oxide material |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4650552A (en) * | 1981-07-01 | 1987-03-17 | Eltech Systems Corporation | Electrolytic production of aluminum |
| CN1936085B (en) * | 2006-09-19 | 2010-04-14 | 东北大学 | A method for preparing aluminum and aluminum alloys by electrolysis of low-temperature molten salt |
| WO2015026257A1 (en) * | 2013-08-19 | 2015-02-26 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Iron-based anode for producing aluminum by electrolysis of melts |
| CA2983108C (en) * | 2015-04-22 | 2019-03-12 | Obshchestvo S Ogranichennoy Otvetstvennost'yu "Obedinennaya Kompaniya Rusal Inzhenerno-Tekhnologicheskiy Tsentr" | Method for producing aluminium-scandium alloy and reactor for implementing the method |
| US11186897B2 (en) * | 2015-04-22 | 2021-11-30 | United Company RUSAL Engineering and Technology Centre LLC | Method for producing aluminum-scandium alloy and reactor for implementing the method |
| RU2621207C1 (en) * | 2015-12-11 | 2017-06-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" | Method for producing aluminium-based alloy and device for its implementation |
| RU2716727C1 (en) * | 2019-08-16 | 2020-03-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Electrolytic method of producing aluminum ligatures from oxide material |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| РУДЕНКО А.В. и др., Получение сплавов алюминия электролизом криолитовых расплавов в ячейках с малорасходуемыми анодами, Инновационные материалы и технологии-2022, БГТУ, Минск, 2022. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5024737A (en) | Process for producing a reactive metal-magnesium alloy | |
| US6692631B2 (en) | Carbon containing Cu-Ni-Fe anodes for electrolysis of alumina | |
| Suzdaltsev et al. | Extraction of scandium and zirconium from their oxides during the electrolysis of oxide–fluoride melts | |
| Song et al. | Synthesis of Ni-TiC composite powder electrochemically in molten chlorides | |
| WO2016171589A1 (en) | Method for producing aluminium-scandium alloy and reactor for implementing the method | |
| Gunnarsson et al. | Aluminum electrolysis with multiple vertical non-consumable electrodes in a low temperature electrolyte | |
| CN101103141A (en) | A method for electrolytic production of aluminum | |
| CN1896331A (en) | Production of aluminum and copper-based alloy | |
| RU2819113C1 (en) | Method for electrolytic production of aluminum alloys with scandium | |
| RU2621207C1 (en) | Method for producing aluminium-based alloy and device for its implementation | |
| Wei et al. | Preparation of Mg-Li-Sm alloys by electrocodeposition in molten salt | |
| RU2337184C2 (en) | Method of producing and maintaining protective wettable cover on carbon blocks of cathode assembly of electrolytic tank for aluminium production | |
| Jeoung et al. | An electrolytic process using an Ag cathode and vacuum distillation for Mg metal production from MgO | |
| RU2716727C1 (en) | Electrolytic method of producing aluminum ligatures from oxide material | |
| CA3043850C (en) | Method of aluminium alloys production | |
| Rudenko et al. | Borated graphite cathodes for low-temperature aluminum electrolysis | |
| RU2819114C1 (en) | Method for electrolytic production of aluminum alloys with yttrium using oxygen-releasing anode | |
| RU2811340C1 (en) | Method of electrolytic production of aluminum alloys with yttrium | |
| RU2716569C1 (en) | Method for cryolite alumina melts electrolysis using solid cathodes | |
| Yang et al. | Electrochemical reduction of Al (III) and Si (IV) in the NaF-AlF3-Al2O3-SiO2 molten salt system and preparation of homogeneous Al-Si alloys by molten salt electrolysis | |
| WO2012143719A2 (en) | Methods and apparatus for the production of metal | |
| Rudenko et al. | Low-temperature electrolytic production of aluminum–REM alloys in cryolite melts | |
| Lin et al. | Preparation of Mg–Li–Al–Zn Master Alloy in Air by Electrolytic Diffusing Method | |
| CN106498203A (en) | A kind of preparation technology of superconduction aluminium bar | |
| RU2455398C2 (en) | Method of electrolytic production of aluminium |