Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка энергосберегающего способа получения алюминия, содержащего бор или скандий с использованием расплавленных солей

Докладчик: Зайков Юрий Павлович

Должность: директор, профессор, доктор химических наук

Цель проекта:
1. Создание и разработка новых эффективных и энергосберегающих технологий производства металлов и сплавов. 2. Разработка энергосберегающего способа получения алюминия, содержащего бор или скандий с использованием расплавленных солей, который позволит снизить энергопотребление и материальные затраты за счет снижения температуры процесса, выбора состава электролита с высокой электропроводностью, снижения перенапряжения электродных процессов, организации одностадийного непрерывного процесса, повышения извлечения бора и скандия из их соединений.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Выбор состава галогенидного расплава с добавками соединений бора или скандия, применяемого в качестве среды для задания бора или скандия в алюминий, и обладающего оптимальным набором эксплуатационных характеристик (высокая электропроводность, низкая температура ликвидуса, высокая растворимость и скорость растворения добавок) осуществляется на основании изучения зависимости физико-химических свойств галогенидных расплавов от состава и температуры.
Технологические параметры (температура, электрические параметры ванны, режимы питания ванны и перемешивания) получения сплавов Al-B и Al-Sc в расплавленных солях, обеспечивающие высокие технико-экономические показатели (концентрация легирующего элемента в сплаве на основе Al, его фазовый состав и модифицирующая способность лигатуры) подбираются на основе исследования кинетики и механизма процессов в галогенидных расплавах с добавками соединений бора или скандия при получении сплавов Al-B и Al-Sc в зависимости от состава солевого расплава, концентрации растворённых оксидов и температуры.
На основании испытаний в созданных лабораторных установках нового способа получения сплавов Al-B или Al-Sc будут разработаны технические решения, выбран конструкционный материал электролизера и его составляющих, разработаны технические требования для проведения ОТР.
2. Разрабатываемый способ получения сплавов Al-B или Al-Sc должен обладать следующими характеристиками: температура процесса – 700-900 °С; среда для получения сплавов Al-B или Al-Sc – галогенидный расплав с добавками соединений бора или скандия; степень использования бора или скандия – не менее 70 %. Получаемые сплавы Al-B должны содержать менее 2 мас.% бора и иметь структуру – композит (кристаллы AlB2 в матрице Al). Получаемые базовые сплавы Al-Sc должны содержать 0,2-0,4 мас.% Sc, а сплавы-лигатуры – от 1,5 до 2,0 мас.% Sc. Структура Al-Sc сплава – композит (кристаллы Al3Sc в матрице Al).
3. Разрабатываемый способ получения сплавов Al-B или Al-Sc с использованием расплавленных солей обладает патентной чистотой на территории РФ. Впервые будут использованы новые составы флюсов и электролитов, обладающих низкой температурой плавления, плотностью значительно ниже, чем жидкий алюминий, хорошей растворимостью оксидов и высокой электропроводностью.
4. В настоящее время основными способами задания бора и скандия в алюминий являются процессы металлотермического восстановления фторидных соединений KBF4 и ScF3. Несмотря на широкое применение борсодержащих сплавов на основе Al, производство лигатур Al-B осуществляет несколько предприятий в мире, а сведения о технологии ограничены. В России лигатуры Al-B не производят. Процесс получения Sc включает стадию фторирования оксида Sc2O3 при взаимодействии с газообразным HF и стадию восстановления ScF3 металлическим кальцием при 1600 °С. Недостатками известных способов задания бора и скандия в алюминий являются: высокие энергозатраты; повышенная коррозионная активность сред по отношению к конструкционным материалам при высокой температуре и загрязнение сплава продуктами коррозии; высокая стоимость производства сплавов. Использование расплавленных солей является перспективным направлением для разработки технологии задания бора или скандия в алюминий, что поможет нивелировать вышеперечисленные недостатки существующих технологий.
5. Успех в достижении заявленных результатов заложен в последовательном и взаимосвязанном решении поставленных задач. А именно, развитие фундаментальных знаний о закономерностях изменения базовых физико-химических свойств галогенидных расплавленных солей в зависимости от их состава и температуры, а также кинетики химических процессов, проходящих на электродах и в объеме электролита; Лабораторные испытания и подбор оптимальных режимов и параметров процессов; Разработка конструкторской документации на экспериментальную установку для получения сплавов и проведение испытаний. Разработка проекта технических условий на сплавы, полученные на экспериментальном оборудовании. Разработка рекомендаций по внедрению результатов работы в реальном секторе экономики.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты могут использоваться в области физической химии и электрохимии расплавленных солей, а также в металлургии, на предприятиях производства алюминия и его сплавов, в том числе на площадках компании РУСАЛ.
2. Будут разработаны рекомендации по внедрению новых эффективных и энергосберегающих способов получения сплавов Al-B или Al-Sc в реальном секторе экономики.
3. Применение расплавленных солей в качестве реакционной среды является эффективным инструментом для изменения кинетики процесса введения бора или скандия в алюминий, позволяя увеличить степень их использования и эффективность процесса. Получение сплавов Al-B и Al-Sc в одну технологическую стадию, снижение температуры процесса, а также повышение степени использования бора и скандия из их оксидов существенно сократит затраты на технологическую электроэнергию и материалы, снизит себестоимость модифицированных сплавов и повысит конкурентоспособность продукции.
Результаты работы представляются на международных конференциях: ECS 2014 (Мексика, Канкун 5-9 октября 2014), ICAM 2014 (Китай, Шанхай, 13-14 декабря).

Текущие результаты проекта:
Исследованы фазовые равновесия в расплавленных солях KF-AlF3, KF-NaF(10 мас)-AlF3 с криолитовым отношением (КО) в интервале 1.3-1.5, содержащих KBF4 и B2O3, методами термического анализа (модифицированном для борсодержащих расплавов), дифференциальной сканирующей калориметрии, термогравиметрического анализа. Обнаружено, что максимальная потеря массы образца KF-AlF3-KBF4 (15 мол.%) при нагревании его до 800 °С составляет 3%, однако это практически не влияет на изменение концентрации бора в электролите в течение физико-химических исследований; добавки KBF4 (до 15 мол.%) и B2O3 (до 3 мол.%) в расплавы KF-AlF3 и KF-NaF(10мас.%)-AlF3 повышают температуру ликвидуса;
Присутствие KBF4 (до 5 мол.%) в расплавленных смесях с высокой концентрацией KF-AlF3, содержащих Al2O3, способствует увеличению растворимости Al2O3. Однако, добавка B2O3 до 5 мол.% очень незначительно повышает растворимость Al2O3 в интервале температур от точки ликвидуса до 750°С. При температурах выше 750°С растворимости Al2O3 в борсодержащих расплавленных солях ниже, чем в KF-AlF3.
Плотность расплава KF-AlF-AlF3 с КО=1.3, измеренная гидростатический методом, уменьшается при добавлении KBF4, что создает более благоприятные условия для разделения алюминия (алюминиевых сплавов) и электролита. Добавка B2O3 не влияет на плотность расплавленной соли калиевого криолита KF-AlF3 с низким КО в пределах 5% погрешности измерений.
На основании исследований фазовых равновесий расплавленных солей KF-AlF3-KBF4, KF-NaF-AlF3- KBF4, KF-AlF3-B2O3, KF-NaF-AlF3-B2O3 и их плотности можно заключить, что расплавленные соли на основе расплавленного калиевого криолита KF-AlF3 с криолитовым отношением 1.3-1.5 могут использоваться в качестве флюсов при получении сплавов Al-B. Кроме протекторной функции такие расплавленные соли обладают более эффективной рафинирующей способностью по сравнению с известными хлоридно-фторидными флюсами вследствие хорошей растворимости в них оксида алюминия; невысокой плотностью по сравнению с алюминиевым расплавом, что обеспечивает быстрое разделение металлического сплава и солевой части; низкой температурой плавления, что способствует повышению текучести флюса и усилению его протекторной функции.
Исследованы фазовые равновесия в расплавленных солях NaF-AlF3-Sc2O3 c методом термического анализа и импедансометрии. Выяснено, что добавки Sc2O3 в расплав NaF-AlF3 с NaF/AlF3=2.3 (мол/мол) понижают температуру ликвидуса, что положительно влияет на выбор рабочей температуры процесса получения сплавов Al-Sc; Растворимость Sc2O3 в расплаве NaF-AlF3 составляет 10 мас.% при Т=950 С.
Проведены экспериментальные исследования основных закономерностей процесса совместного восстановления Al и Sc для определения режимов электролиза при получении сплавов Al-Sc. Исследовано влияние перемешивания (0-300 об/мин), концентрации Sc2O3 (1, 2, 4, 8 мас.%), длительности электролиза (30-180 мин) при разных катодных плотностях тока (0.1, 0.2, 0.5, 1.0 А/см2) на содержание и распределения скандия в катодном алюминии. Содержание Sc в полученных сплавах составило от 0.1 до 1.44 мас.% в зависимости от условий электролиза. Распределение Sc в матрице Al одинаково равномерное при всех условиях.