[go: up one dir, main page]

RU2819113C1 - Способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием - Google Patents

Способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием Download PDF

Info

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
Application number
RU2023121501A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Владимирович Руденко
Ольга Юрьевна Ткачева
Александр Александрович Катаев
Андрей Викторович Суздальцев
Юрий Павлович Зайков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2819113C1 publication Critical patent/RU2819113C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к получению функциональных алюминиевых сплавов. Способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием, включающий электролиз расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавками Sc2O3 и Al2O3 в электролизере с вертикально расположенными анодом и катодом, электролиз ведут при температуре от 750 до 820°C, анодной плотности тока от 0,6 до 1,0 А/см2, при этом используют графитовый катод с боридным покрытием и малорасходуемый анод из предварительно окисленного металлического сплава на основе системы Fe-Ni-Cu. Технический результат - получение сплавов алюминия со скандием при исключении выделения парниковых газов. 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности, к получению функциональных алюминиевых сплавов.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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].
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.
Задачей изобретения является организация способа получения сплавов алюминия со скандием при упрощении процесса и исключении образования парниковых газов на аноде.
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.
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.
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.
Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении сплавов алюминия со скандием при исключении выделения парниковых газов и сокращении материальных затрат.
Изобретение иллюстрируется таблицей, в которой представлены результаты спектрального анализа сплавов алюминия, полученных при электролизе расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавками Sc2O3 и Al2O3, где
t - температура электролиза, °С;
ia - анодная плотность тока, А/см2;
ik - катодная плотность тока, А/см2;
τ - время электролиза, ч.,
а также микрофотографией типичного сплава алюминия со скандием (см. фиг. 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.
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).
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.
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.
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.

Claims (1)

  1. Способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием, включающий электролиз расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3 с добавками Sc2O3 и Al2O3 в электролизере с вертикально расположенными анодом и катодом, электролиз ведут при температуре от 750 до 820°С, анодной плотности тока от 0,6 до 1,0 А/см2, при этом используют графитовый катод с боридным покрытием и малорасходуемый анод из предварительно окисленного металлического сплава на основе системы Fe-Ni-Cu.
RU2023121501A 2023-08-17 Способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием RU2819113C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2819113C1 true RU2819113C1 (ru) 2024-05-14

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4650552A (en) * 1981-07-01 1987-03-17 Eltech Systems Corporation Electrolytic production of aluminum
CN1936085B (zh) * 2006-09-19 2010-04-14 东北大学 一种低温熔盐电解制备铝及铝合金的方法
WO2015026257A1 (ru) * 2013-08-19 2015-02-26 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Анод на основе железа для получения алюминия электролизом расплавов
RU2621207C1 (ru) * 2015-12-11 2017-06-01 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Способ получения сплава на основе алюминия и устройство для осуществления способа
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 (ru) * 2019-08-16 2020-03-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Электролитический способ получения лигатур алюминия из оксидного сырья

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4650552A (en) * 1981-07-01 1987-03-17 Eltech Systems Corporation Electrolytic production of aluminum
CN1936085B (zh) * 2006-09-19 2010-04-14 东北大学 一种低温熔盐电解制备铝及铝合金的方法
WO2015026257A1 (ru) * 2013-08-19 2015-02-26 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Анод на основе железа для получения алюминия электролизом расплавов
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 (ru) * 2015-12-11 2017-06-01 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Способ получения сплава на основе алюминия и устройство для осуществления способа
RU2716727C1 (ru) * 2019-08-16 2020-03-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Электролитический способ получения лигатур алюминия из оксидного сырья

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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 (ru) Способ получения сплава алюминий -скандий и реактор для осуществления способа
Gunnarsson et al. Aluminum electrolysis with multiple vertical non-consumable electrodes in a low temperature electrolyte
CN1896331A (zh) 制备铝-铜基合金的方法
RU2819113C1 (ru) Способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием
RU2621207C1 (ru) Способ получения сплава на основе алюминия и устройство для осуществления способа
Wei et al. Preparation of Mg-Li-Sm alloys by electrocodeposition in molten salt
RU2337184C2 (ru) Способ получения и поддержания защитного смачиваемого покрытия на углеродистых блоках катодного устройства электролизера для производства алюминия
Jeoung et al. An electrolytic process using an Ag cathode and vacuum distillation for Mg metal production from MgO
RU2716727C1 (ru) Электролитический способ получения лигатур алюминия из оксидного сырья
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
CA3043850C (en) Method of aluminium alloys production
RU2819114C1 (ru) Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием с использованием кислородвыделяющего анода
RU2811340C1 (ru) Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием
RU2716569C1 (ru) Способ электролиза криолитоглиноземных расплавов с применением твердых катодов
CN112921361B (zh) 一种钇铝中间合金及其制备方法
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 (zh) 一种超导铝杆的制备工艺
RU2455398C2 (ru) Способ электролитического производства алюминия
RU2783993C1 (ru) Способ получения слитков ниобия высокой чистоты