Способ получения лигатурного сплава алюминий-бор

Изобретение относится к получению лигатурного сплава на основе алюминия, который может быть использован для очистки алюминия, получаемого электролизом, от переходных элементов. Способ получения лигатурного сплава алюминий-бор включает алюмотермическое восстановление борсодержащего компонента в расплаве, содержащем алюминий и смесь фторидов натрия, калия и алюминия, при температуре расплава выше температуры плавления алюминия и температуры плавления смеси фторидов и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов. В качестве смеси фторидов используют смесь KF-AlF₃, или смесь NaF-AlF₃, или смесь KF-NaF-AlF₃, в качестве борсодержащего компонента используют B₂O₃, или KBF₄, или NaBF₄, или Na₂B₄O₇. Изобретение направлено на получение лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием до 10,0 мас.% бора с высокой степенью усвоения бора алюминием, низкими потерями бора в виде летучего BF₃ и возможностью корректировки и регенерации расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия для поддержания параметров синтеза. 6 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к получению лигатурного сплава алюминия, который может быть использован для очистки алюминия, получаемого электролизом, от переходных элементов, повышая его чистоту и улучшая эксплуатационные характеристики (электропроводность и др.). Благодаря высокой электропроводности и высоким прочностным характеристикам, сплавы алюминий-бор могут использоваться в качестве относительно недорогого электропроводящего армирующего материала, например в аэрокосмической промышленности.

Известен способ получения сплава алюминий-бор-титан (RU 2466202, публ. 10.11.2012) [1]. Способ включает плавление первичного алюминия, порционное введение в расплав алюминия титансодержащего и борсодержащего компонентов, перемешивание алюминия и его разливку, охлаждение и термическую обработку, при этом в качестве борсодержащего компонента используют H₃BO₃, который порционно вводят в алюминий с температурой 950-1050°С, отливку лигатуры подвергают термической обработке по следующему режиму: нагрев до 460-490°С, выдержка при этой температуре в течение 11-15 ч, разогрев до 520-550°С, выдержка при этой температуре в течение 8-12 ч и последующее охлаждение на воздухе со скоростью 200-250°С/мин.

Недостатками известного способа являются относительно высокая температура синтеза, сложность управления параметрами синтеза, сложность конструкции реактора, подразумевающая наличие устройства для отвода паров воды при 950-1050°С для обеспечения безопасности процесса и, как следствие, высокие энергозатраты. Получаемый сплав содержит титан и не более 2.0 мас.% бора.

Известен также способ получения сплава алюминий-бор (Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1987, №2, с. 32-36) [2]. Способ включает плавление смеси алюминия с борсодержащим компонентом (В₂О₃) в криолитовом расплаве (смесь фторидов натрия и алюминия) при температуре 950-1000°С. Преимуществом способа является простота конструкции реактора, при этом способ обладает такими недостатками как относительно высокая температура процесса, низкое, до 0.3-0.4 мас.%, содержание бора в сплаве и низкая степень извлечения бора ввиду нестабильности борсодержащих соединений в криолитовом расплаве при температуре 950-1000°С.

Попытка повышения степени извлечения бора в алюминий из расплавленного криолита произведена за счет ведения электролиза данного расплава в известных способах получения сплава алюминий-бор при температуре 950-1000°С (Proc. Int. Symposium on production, refining, fabrication and recycling of light metals: Hamilton. Ontario. Aug. 26-30, 1990, p. 49-57 / Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1979, №14, с. 22-24) [3, 4]. Однако с использованием дополнительных энергозатрат максимальное содержание бора в получаемых сплавах алюминий-бор составило 0.12 мас.%.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения сплава алюминий-бор (Transactions Nonferrous Metal Society of China, 2013, Vol. 23, p. 294-300) [5]. Способ включает порционное введение борсодержащего компонента KBF₄ в расплавленный алюминий при 800°С, который перемешивают со скоростью 700 об/мин. Содержание бора в получаемых сплавах алюминий-бор составляет 3 мас.%.

Преимуществами способа являются низкая температура синтеза и относительно высокое содержание бора в получаемом сплаве алюминий-бор. В качестве недостатков стоит отметить низкую термическую устойчивость используемого борсодержащего компонента и вызванные этим высокие потери бора. Помимо этого известный способ получения сплава алюминий-бор, как и выше описанные способы, характеризуются накоплением отходов солей.

При этом необходимо отметить, что стремление к повышению степени извлечения и содержания бора в лигатурном сплаве алюминий-бор обусловлено экономическими факторами. Поскольку лигатурные сплавы представляют собой полупродукт, который для получения сплавов алюминий-бор с необходимым содержанием бора и определенными физико-механическими свойствами разбавляют жидким алюминием, то для получения одинакового объема такого сплава потребуется меньше того лигатурного сплава алюминий-бор, в котором содержание бора выше. При этом стоимость лигатурного сплава от содержания бора мало зависит.

Задачей изобретения является получение лигатурного сплава с содержанием бора, обеспечивающим экономичность способа, возможность вести синтез в температурном диапазоне термической устойчивости используемых борсодержащих компонентов, а также исключение отходов солей с борсодержащим компонентом.

Для этого предложен способ получения лигатурного сплава алюминий-бор, включающий алюмотермическое восстановление борсодержащего компонента в расплаве алюминия, отличающийся тем, что алюмотермическое восстановление осуществляют в расплаве, содержащем алюминий и смесь фторидов натрия, калия и алюминия, при температуре расплава выше температуры плавления алюминия и температуры плавления смеси фторидов и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов.

В качестве смеси фторидов используют смесь KF-AlF₃, или смесь NaF-AlF₃, или смесь KF-NaF-AlF₃.

В качестве борсодержащего компонента используют B₂O₃, или KBF₄, или NaBF₄, или Na₂B₄O₇.

В процессе алюмотермического восстановления содержание в смеси борсодержащего компонента, алюминия и смеси фторидов поддерживают постоянным.

При использовании в качестве борсодержащего компонента B₂O₃ или Na₂B₄O₇ расплавленную смесь алюминия и фторидов, содержащую борсодержащий компонент, подвергают электролизу.

При использовании в качестве борсодержащего компонента KBF₄ в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов NaF и AlF₃.

При использовании в качестве борсодержащего компонента NaBF₄ или Na₂B₄O₇ в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов KF и AlF₃.

Сущность заявленного способа заключается в следующем. При контакте алюминия с борсодержащим компонентом из числа В₂О₃, KBF₄, NaBF₄, Na₂B₄O₇ происходит алюмотермическое восстановление перечисленных борсодержащих компонентов с образованием бора в алюминии, накоплением оксида алюминия и фторидов натрия и калия в расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия. Помимо того, что борсодержащие компоненты В₂О₃, KBF₄, NaBF₄, Na₂B₄O₇ являются наиболее доступными, они, в отличие, например, от H₃BO₃, являются безопасными при использовании.

Для поддержания высокой скорости синтеза, снятия возможных диффузионных и пассивационных затруднений образующиеся побочные продукты отводят от фронта реакции алюмотермического восстановления использованием расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия в соотношении, позволяющем синтезировать сплав алюминий-бор при температуре выше температуры плавления алюминия (около 680°С) и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов в расплавленной смеси (около 850°С). Соотношения фторидов натрия, калия и алюминия в расплавленной смеси подбираются на основании известных данных по температурам ликвидуса соответствующих смесей (J. Chem. Eng. Data, 2010, V. 55, р. 4549 / Электрохимия, 2010, Т. 46, с. 672-678) [6, 7].

Постоянство состава расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия в заявляемом способе обеспечивают путем подбора соотношения добавляемых борсодержащих компонентов (добавка KBF₄ - для повышения доли фторида калия; добавки NaBF₄ и Na₂B₄O₇ - для повышения доли фторида натрия) либо путем добавления фторидов натрия, калия и алюминия. При использовании в качестве борсодержащего компонента B₂O₃ или Na₂B₄O₇ расплавленную смесь фторидов натрия, калия и алюминия подвергают электролизу, обеспечивая его регенерацию от накапливаемого оксида алюминия путем его электролитического разложения по суммарной реакции 2Al₂O₃=4Al+3O₂.

Для повышения степени усвоения бора и более равномерного его распределения в алюминии последний подвергают механическому или магнитогидродинамическому перемешиванию при температуре не ниже температуры синтеза сплава алюминий-бор. По окончании готовый лигатурный сплав сливают в изложницу, а расплавленную смесь фторидов натрия, калия и алюминия используют для дальнейшего получения сплава алюминий-бор. Полученный охлажденный лигатурный сплав представляет собой твердый раствор элементарного бора и боридов алюминия в алюминиевой матрице и предназначен для приготовления сплавов алюминий-бор с необходимым содержанием бора путем его разбавления жидким алюминием.

Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием до 10.0 мас.% бора с высокой степенью усвоения бора алюминием, низкими потерями бора в виде летучего BF₃ и возможностью корректировки и регенерации расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия для поддержания параметров синтеза.

Заявленный способ иллюстрируется изображением поперечного среза лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием компонентов в разных точках и примерами получения лигатурного сплава, осуществляемого в графитовом тигле.

Пример 1.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 50 г

- борсодержащий компонент KBF₄ - 7.5 г

- смесь фторидов (мас.%) - 52KF-48AlF₃ - 50 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления и выдерживали при температуре 700°С в течение 120 мин в условиях механического перемешивания. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали. По результатам химического анализа наблюдали повышение доли KF в солевом флюсе до 54 мас.%. С целью дальнейшего использования в охлажденную и измельченную смесь фторидов калия и алюминия добавляли AlF₃, доводя состав смеси до исходного (мас.%: 52KF-48AlF₃).

Суммарное содержание бора в алюминии по результатам химического и микрорентгеноструктурного анализов составило около 2.7 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 20-25 мас.%. (см. изображение поперечного среза сплава алюминий-бор и содержание компонентов в разных точках).

Пример 2.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 50 г

- борсодержащий компонент B₂O₃ - 5 г

- смесь фторидов (мас.%) - 39KF-10NaF-51AlF₃ - 50 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления при температуре 820°С, после чего в реакционную смесь каждые 30 мин добавляли 5 г борсодержащего компонента - оксида бора (В₂О₃). Для разложения образовавшегося оксида алюминия расплавленную смесь фторидов калия, натрия и алюминия подвергали гальваностатическому электролизу (ток - 1.5 А, напряжение - 2.2-2.4 В), при этом анодом служил графитовый стержень, а катодом - алюминий на дне тигля. Токоподвод к алюминию был выполнен из графита и одновременно служил механической мешалкой. Общее время синтеза составило 120 мин. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали.

Изменения долей компонентов солевого флюса практически не изменились (в пределах погрешности измерения). Суммарное содержание бора в алюминии составило около 8.0 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 30-50 мас.%.

Пример 3.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 70 г

- борсодержащий компонент NaBF₄ - 7.0 г

- смесь фторидов (мас.%) - 40KF-8NaF-52AlF₃ - 100 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления и выдерживали при температуре 800°С в течение 60 мин в условиях механического перемешивания. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали. По результатам химического анализа наблюдали повышение доли NaF в расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия до 8.5 мас.%. Для корректировки состава с целью дальнейшего использования в смесь (охлажденную и измельченную) добавляли KF и AlF₃.

Суммарное содержание бора в алюминии составило около 1.5 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 10-20 мас.%.

Пример 4.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 75 г

- борсодержащий компонент Na₂B₄O₇ - 3.0 г

- смесь фторидов (мас.%) - 40NaF-60AlF₃ - 75 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления при температуре 825°С после чего в реакционную смесь каждые 15 мин добавляли борсодержащий компонент - буру (Na₂B₄O₇). Для разложения образовавшегося оксида алюминия расплавленную смесь подвергали гальваностатическому электролизу (ток - 2.0 А, напряжение - 2.3-2.6 В), при этом анодом служил графитовый стержень, а катодом - алюминий на дне тигля. Токоподвод к алюминию был выполнен из графита и одновременно служил механической мешалкой. Общее время синтеза составило 90 мин. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали.

Изменения долей фторидов натрия, калия и алюминия в расплавленной смеси практически не изменились (в пределах погрешности измерения). Суммарное содержание бора в алюминии составило около 4.5 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 20-25 мас.%.

Заявленный способ позволяет реализовать получение лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием до 10.0 мас.% бора с высокой степенью усвоения бора алюминием, низкими потерями бора в виде летучего BF₃ и возможностью корректировки и регенерации расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия для поддержания параметров синтеза.

1. Способ получения лигатурного сплава алюминий-бор, включающий алюмотермическое восстановление борсодержащего компонента в расплаве алюминия, отличающийся тем, что алюмотермическое восстановление осуществляют в расплаве, содержащем алюминий и смесь фторидов натрия, калия и алюминия, при температуре расплава выше температуры плавления алюминия и температуры плавления смеси фторидов и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве смеси фторидов используют смесь KF-AlF₃, или смесь NaF-AlF₃, или смесь KF-NaF-AlF₃.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве борсодержащего компонента используют B₂O₃, или KBF₄, или NaBF₄, или Na₂B₄O₇.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе алюмотермического восстановления содержание в смеси борсодержащего компонента, алюминия и смеси фторидов поддерживают постоянным.

5. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что при использовании в качестве борсодержащего компонента B₂O₃ или Na₂B₄O₇ расплавленную смесь алюминия и фторидов, содержащую борсодержащий компонент, подвергают электролизу.

6. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что при использовании в качестве борсодержащего компонента KBF₄ в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов NaF и AlF₃.

7. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что при использовании в качестве борсодержащего компонента NaBF₄ или Na₂B₄O₇ в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов KF и AlF₃.