Способ получения лигатуры скандий-алюминий (его варианты)

 

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности способам получения сплавов алюминия с редкоземельными металлами. Предлагается способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия, в котором перед расплавлением шихту нагревают выше температуры плавления хлорида калия, а затем охлаждают ниже этой температуры, например, до комнатной. Предлагается также способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия, в котором шихта дополнительно содержит твердый металлический алюминий, и перед расплавлением шихту нагревают выше температуры плавления хлорида калия, а затем охлаждают ниже этой температуры, например, до комнатной. При этом шихта содержит твердый металлический алюминий в виде стружки, порошка, гранул. Предлагаемый способ позволяет значительно повысить процент выхода конечного продукта - лигатуры алюминий-скандий. 2 с. и 1 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к способам получения сплавов алюминия с редкоземельными металлами.

Известен способ получения алюминий - скандиевых лигатур алюмотермическим восстановлением фторида скандия при соотношении ScF₃-Al в шихте 1 : 10 в вакууме при 865-930^oC с выдержкой при этой температуре 7-8 мин. (Звиададзе Г. Н. и др. "Изучение кинетики взаимодействия в системе SeF₃₁ -Al", Всесоюзный симпозиум по химии неорганических фторидов. Тез. докл., М.: Наука, 1978).

Основным недостатком способа является остаточное содержание фтора в лигатуре в результате неполного восстановления ScF₃.

Известен способ получения алюминий- скандиевых лигатур алюмотермическим восстановлением фторида скандия при соотношении ScF₃:Al в шихте 1:1,6 - 8 в три ступени с постепенным повышением температуры (А.С.N 873692, кл. С 22 С 1/03, 1983 г.).

Недостатками известного способа являются высокая (до 1300^oC) температура, необходимая для полного восстановления фторида скандия, длительность процесса (5-6 часов). Кроме того, к недостаткам следует отнести получение в конечном продукте субфторидпа алюминия AlF. При охлаждении он диссоциирует с образованием мелкодисперсного алюминия, который при разгерметизации восстановительной камеры окисляется иногда со взрывом.

Наиболее близким техническим решением является способ получения лигатуры алюминий - скандий из фторидно - хлоридного расплава, содержащего хлорид калия, хиолит, а также оксид скандия (Sc₂O₃) (Дегтярь В.А., Поляк Е.Н., "Восстановление оксида скандия из расплава KCl-NaF - AlF₃- Sc₂O₃",Российская научно-техническая конференция" Новые материалы и технологии", направление "Металлические материалы, методы их обработки", Тез, докл. - М.: 1994 г. - с. 102). Хиолит имеет брутто-формулу Na₅Al₃F₁₄(или 5NaF·3AlF₃). Известный способ включает расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия. Исходную шихту получают путем смешивания указанных порошкообразных солей с порошкообразным оксидом скандия, а затем полученную смесь порционно загружают в расплавленный алюминий. Растворимость оксида скандия в солевой фазе достигает 3 мас. %. Процесс проводят в обычной атмосфере, в связи с чем солевой расплав, содержащий скандий, контактирует одновременно с жидким алюминием и кислородом воздуха. При этом происходят значительные потери скандия в виде шламов, преимущественно состоящих из оксифторидов (например, ScOF). Эти шламы нерастворимы в солевом расплаве. Кроме того, скандий, который находится в солевом расплаве в незначительной концентрации, может поглощаться футеровкой печи, что также увеличивает потери ценного компонента. Все вышесказанное приводит к невысокому выходу готового продукта, который составляет ≈ 60%.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения лигатуры алюминий - скандий, который бы позволил сократить потери скандия и, следовательно, повысить выход готового продукта.

Поставленная задача решена в способе получения лигатуры алюминий - скандий, включающем расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия, в котором перед расплавлением шихту нагревают выше температуры плавления хлорида калия, а затем охлаждают ниже этой температуры, например, до комнатной. Температура плавления хлорида калия равна 771^oC.

Поставленная задача также решена в способе получения лигатуры алюминий - скандий, включающем расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия, в котором шихта дополнительно содержит твердый металлический алюминий и перед расплавлением шихту нагревают выше температуры плавления хлорида калия, а затем охлаждают ниже этой температуры, например, до комнатной. При этом шихта содержит твердый металлический алюминий в виде стружки, порошка, гранул.

В настоящее время из патентной и научно - технической литературы не известен способ получения лигатуры алюминий - скандий, в котором шихту перед расплавлением нагревают выше температуры плавления хлорида калия, а затем охлаждают ниже этой температуры. Не известен также способ, в котором шихта дополнительно содержит твердый металлический алюминий.

Нагрев исходной шихты выше температуры плавления хлорида калия, который входит в ее состав, и затем охлаждение ниже этой температуры позволяет получить оксидно-солевую плотную спеченную массу вследствие пропитывания и обволакивания частиц компонентов шихты расплавленным хлоридом калия. При этом экспериментальные данные (ДТА, РФА) подтверждают, что наряду с этим происходит и физико-химическое взаимодействие компонентов. При приведении в контакт с жидким металлическим алюминием полученной плотной спеченной массы, например, в виде брикетов, брикеты частично погружаются в расплавленный алюминий и находятся на границе раздела между расплавом солей и алюминием, поскольку имеют плотность большую, чем расплав солей, но меньшую, чем жидкий металлический алюминий. По мере расплавления брикетов образующаяся жидкая фаза " всплывает" в жидком алюминии, одновременно происходит процесс цементации скандия алюминием. Таким образом, компоненты исходной шихты в процессе плавления в основном контактируют не с солевым расплавом и не со стенками реакционной емкости, а непосредственно с жидким алюминием. Следует отметить, что, чем больше плотность полученной спеченной массы, тем большая ее поверхность находится в контакте с жидким алюминием. В связи с этим исходная шихта может дополнительно содержать твердый металлический алюминий, который может быть использован в виде стружки, порошка, гранул. В известном способе сначала готовится ванна содержащая жидкий алюминий под слоем солевого расплава, уже затем в нее порционно загружают порошкообразную шихту, содержащую смесь солей и оксида скандия. Как уже было указано выше, в этом случае солевой расплав, содержащий скандий, контактирует одновременно с жидким алюминием и кислородом воздуха. При этом происходят значительные потери скандия.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Готовят шихту, содержащую порошкообразные хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия. Все компоненты тщательно измельчают, высушивают и перемешивают. Затем производят нагрев исходной шихты в атмосфере воздуха до температуры несколько выше температуры плавления хлорида калия (до 775-790^oC) и выдерживают при этой температуре в течение 5 - 6 минут и быстро охлаждают, например, до комнатной температуры. Получают плотную спеченную массу, например, в виде брикетов. Далее, в предварительно расплавленный металлический алюминий, находящийся под слоем расплава солей, загружают брикеты спеченной массы, выдерживают в течение 15 - 20 минут при 820 - 850^oC и производят разливку отдельно солевого и металлического расплавов. Проводят химический анализ полученного сплава.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Готовят шихту следующего состава (мас.%): хлорид калия - 58,8; фторид натрия - 16,7; фторид алюминия - 20,0; оксид скандия - 4,5. Все компоненты в порошкообразном состоянии тщательно измельчают, высушивают и перемешивают. Общая масса шихты составляет 1 кг. Исходную шихту делят на 5 равных порций, каждую из которых загружают в отдельный тигель (объем 200 см³) из стеклоуглерода. После этого шихту нагревают в атмосфере воздуха до 790^oC, выдерживают при этой температуре в течение 6 минут и быстро охлаждают до комнатной температуры. Полученные брикеты в форме усеченных конусов легко извлекают из тиглей. Далее, в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом (для защиты от окисления), расплавляют металлический алюминий в количестве 570 г под слоем солей (50 г эквимольной смеси NaCl- KCl). Температуру доводят до 820^oC. Затем производят загрузку шихты - по одному брикету каждые 5 минут. После загрузки всех брикетов тигель с расплавом выдерживают в течение 20 минут при 820^oC и производят разливку отдельно солевого и металлического расплавов.

По результатам химического анализа содержание скандия в полученной лигатуре составляет 1,82 мас.%, выход в расчете на полное содержание скандия в шихте равен 72,5%.

Пример 2. Готовят шихту следующего состава (мас.%): хлорид калия - 58,8, фторид натрия - 16,7; фторид алюминия - 20,0; оксид скандия - 4,5. Все компоненты в порошкообразном состоянии тщательно измельчают, высушивают и перемешивают. Общая масса шихты составляет 1 кг. Исходную шихту делят на 5 равных порций, каждую из которых загружают в отдельный тигель (объем 200 см³) из стеклоуглерода. После этого шихту нагревают в атмосфере воздуха до 775^oC, выдерживают при этой температуре в течение 5 минут и быстро охлаждают до комнатной температуры. Полученные брикеты в форме усеченных конусов легко извлекают из тиглей. Далее, в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом (для защиты от окисления), расплавляют металлический алюминий в количестве 570 г под слоем солей (50 г эквимольной смеси NaCl-KCl). Температуру доводят до 820^oC. Затем производят загрузку шихты - по одному брикету каждые 5 минут. После загрузки всех брикетов тигель с расплавом выдерживают в течение 15 минут при 850^oC и производят разливку отдельно солевого и металлического расплавов.

По результатам химического анализа содержание скандия в полученной лигатуре составляет 1,82 мас.%, выход в расчете на полное содержание скандия в шихте равен 72,5%.

Пример 3. Готовят шихту следующего состава (мас.%): хлорид калия - 58,8; фторид натрия - 16,7; фторид алюминия - 20,0; оксид скандия - 4,5. Общая масса порошкообразной шихты составляет 1 кг. Дополнительно в шихту вводят 0,3 кг металлического алюминия в виде гранул размером 0,5 - 1 см. Все компоненты тщательно измельчают, высушивают и перемешивают. Исходную шихту делят на 5 равных порций, каждую из которых загружают в отдельный тигель (объем 200 см³) из стеклоуглерода. После этого шихту нагревают в атмосфере воздуха до 790^oC, выдерживают при этой температуре в течение 6 минут и быстро охлаждают до комнатной температуры. Полученные брикеты в форме усеченных конусов легко извлекают из тиглей. Далее, в графитовом тигле, предварительно пропитанном криолитом (для защиты от окисления), расплавляют металлический алюминий в количестве 305 г под слоем солей (50 г эквимольной смеси NaCl-KCl). Температуру доводят до 850^oC. Затем производят загрузку шихты - по одному брикету каждые 5 минут. После загрузки всех брикетов тигель с расплавом выдерживают в течение 15 минут при 850^oC и промывают разливку отдельно солевого и металлического расплавов.

По результатам химического анализа содержание скандия в полученной лигатуре составляет 1,84 мас.%, выход в расчете на полное содержание скандия в шихте равен 77%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно повысить процент выхода конечного продукта - лигатуры алюминий - скандий.

Формула изобретения

1. Способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия, отличающийся тем, что перед расплавлением шихту нагревают выше температуры плавления хлорида калия, а затем охлаждают ниже этой температуры, например, до комнатной.

2. Способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий расплавление и выдержку в контакте с жидким алюминием шихты, содержащей хлорид калия, фториды натрия и алюминия и оксид скандия, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит твердый металлический алюминий и перед расплавлением шихту нагревают выше температуры плавления хлорида калия, а затем охлаждают ниже этой температуры, например, до комнатной.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что шихта содержит твердый металлический алюминий в виде стружки, порошка, гранул.