Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка энергосберегающего способа получения алюминия, содержащего бор или скандий с использованием расплавленных солей. Создание технологии получения базовых сплавов Al-Sc(0,2- 0,4 %)

Номер контракта: 14.607.21.0042

Руководитель: Зайков Юрий Павлович

Должность: Директор

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
сплав алюминий-бор, сплав алюминий-скандий, борный ангидрид, бура, тетрафторборат калия, оксид скандия, электрохимическое восстановление, сплавообразование, жидкометаллический катод, алюминий, электролиз, расплавленные соли, расплавы.

Цель проекта:
Задача, на решение которой направлен проект, состоит в разработке новой энергосберегающей технологии получения сплавов алюминий- бор (Al-B) и алюминий-скандий (Al-Sc) с использованием расплавленных солей. Цели проекта: Создание технологии получения сплавов Al-B с содержанием В 3-4% мас.% Создание технологии получения базовых сплавов Al-Sc с содержанием Sc от 0,2 до 0,4 мас.% Создание технологии получения лигатуры Al-Sc с содержанием Sc от 1,5 до 2,0 мас.%

Основные планируемые результаты проекта:
Для создания новых энергосберегающих технологий получения сплавов алюминия с бором и скандием с использованием расплавленных солей планируется:
- Получить новые знания о фазовых равновесиях в расплавленных солях (калиевые и натриевые криолитовые расплавы) с добавкой исходного сырья (KBF4, B2O3 или Sc2O3) и Al2O3, их электропроводности, плотности, растворимости оксидов для определения оптимального состава расплавленной соли, температуры процесса получения сплавов, стратегии питания.
- Установить основные закономерности процесса восстановления Sc или В из их соединений в лабораторных условиях для определения оптимальных параметров процессов (металлотермии или электролиза) при получении сплава Al-B(3-4%), базового сплава Al-Sc (0,2-0,4 %), лигатурного сплава Al-Sc (1,5-2,0 %).
- Разработать основы технологий получения сплава Al-B(3-4%), базового сплава Al-Sc (0,2-0,4 %), лигатурного сплава Al-Sc (1,5-2,0 %). Составить принципиальные технологические схемы и разработать лабораторный технологический регламент.
- По созданной ЭКД на экспериментальные установки для получения сплава Al-B в составе печи, магнитогидродинамического вращателя, конвейера и укладчика продукции; для получения базового сплава Al-Sc (0,2-0,4 %) в составе узла подачи исходного сырья Sc2O3, электролизёра и кристаллизатора; для получения лигатурного сплава Al-Sc (1,5-2,0 %) с содержанием Sc от 1,5 до 2,0 мас.% в составе электролизёра и кристаллизатора изготовить экспериментальные установки.
- Разработать программы и методики испытаний экспериментальных установок для получения сплавов и провести их испытания. Получить образцы сплавов Al-B и Al-Sc с заданными свойствами и в количестве в соответствии с ТЗ.
- Подготовить техническую документацию и разработать рекомендации по внедрению результатов проекта в реальном секторе экономики.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
К настоящему времени :
- Получены квазибинарные фазовые диаграммы систем «криолитовый расплав - Sc2O3», "криолитовый расплав - KBF4", "криолитовый расплав - B2O3", потенциальных сред для проведения процесса получения сплавов алюминия с бором и скандием; определены закономерности изменения электропроводности, плотности, температуры ликвидуса, растворимости Al2O3 в легкоплавких смешанных натриевых и калиевых криолитовых расплавах в присутствии бор- и скандийсодержащих компонентов.
- Испытаны и рекомендованы новые составы расплавленных солей (KF–NaF–AlF3 и KF–AlF3), которые могут быть использованы как в металлотермическом, так и в электролитическом процессах получения алюминиевых сплавов, обеспечивающие рабочую температуру процесса 700-830°С и высокую растворимость Al2O3.
- Разработаны основы технологии получения сплава Al-B(3-4%) с использованием флюсов нового состава, которые обладают улучшенной протекторной функцией за счет низкой температурой плавления; эффективной рафинирующей способностью вследствие хорошей растворимости в них оксида алюминия; невысокой плотностью по сравнению с алюминиевым расплавом, что обеспечивает быстрое разделение металлического сплава и солевой части. Приготовление сплава Al-B осуществляется в индукционной алюминиевой тигельной печи; разливка солевого плава происходит на литейном конвейере в водоохлаждаемые вафельные изложницы. Разрабатываемая технология алюмотермического восстановления соединений бора с использованием расплавленных солей является импортозамещающей.
- Разработана новая технология для получения сплавов Al–Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0,4 мас.%, состоящая в комбинированном использовании методов алюмотермического восстановления скандия и электрохимического восстановления алюминия из их оксидов с использованием расплавленных солей на основе легкоплавких смесей калиевого и натриевого криолитов. Понижение рабочей температуры процесса до 750-830°С позволяет снизить энергозатраты, а регенерация электролита in situ - снизить материальные затраты.
Традиционными способами задания бора и скандия в алюминий являются процессы металлотермического восстановления фторидных соединений KBF4 и ScF3. Процесс получения Sc включает стадию фторирования оксида Sc2O3 при взаимодействии с газообразным HF и стадию восстановления ScF3 металлическим кальцием при 1600 °С. (Никитин В.И. Влияние условий кристаллизации нс структуру модифицирующей лигатуры Al-Sc/В.И.Никитин, Д.С. Кривопалов, К.В. Никитин, В.И. Напалков, С.В. Махов, А.А. Дуженко//Литейное производство. -2014.-№11.-С.4-8; Liu Q. Preparing aluminium-scandium inter-alloys during reduction process in KFAlF3-Sc2O3 melts/ Q. Liu, J. Xue, J. Zhu, C.Guan// Light Metals 2012 Edited by: Carlos E. Suarez.-2012.-P.685-689). Разработанная технология получения базовая сплава Al-Sc с содержанием скандия 0,2 – 0,4 % непрерывным комбинированным способом алюмотермического и электролитического восстановления оксидов скандия и алюминия в расплавленных солях на основе легкоплавких смесей калиевого и натриевого криолитов является оригинальной и не имеет аналогов в мире.
Недостатками используемого в настоящее время металлотермического способа 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. Преимущества разрабатываемого непрерывного комбинированного электролитического и металлотермического способа, в том числе снижение энергопотребления и уменьшение материальных затрат, будут достигнуты за счёт снижения температуры процесса; выбора электролита (солевого расплава) с высокой электропроводностью; снижения перенапряжения электродных процессов; организации одностадийного непрерывного процесса; регенерации электролита in situ, повышения извлечения скандия из его соединений. Разработанная технология получения базовая сплава Al-Sc с содержанием скандия 0,2 – 0,4 % является оригинальной и не имеет аналогов в мире.
На разработанные способы получения сплава Al-B(3-4%) и базового сплава Al-Sc (0,2-0,4 %) оформлены охранные документы РФ совместно с индустриальными партнерами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Сплавы Al-Sc, обладающие повышенной прочностью, коррозионной стойкостью, используются в настоящее время только в аэрокосмической промышленности. Увеличение производства Al-Sc сплавов и снижение их стоимости за счет инновационных технологий позволит расширить область применения Al-Sc сплавов в авиационной промышленности и автомобилестроении.
Новые легкие и коррозионностойкие конструкционные материалы на основе Al-Sc сплавов в будущем смогут заменить тяжелые и громоздкие стальные конструкции, при этом сохраняя и даже улучшая их механические и теплофизические свойства.

Текущие результаты проекта:
Проведены экспериментальные исследования фазовых равновесий в расплавленных солях и их электропроводности с добавкой исходного сырья – оксида скандия для определения температуры процесса получения базового сплава Al-Sc (0,2-0,4 %) и лигатурного сплава Al-Sc (1,5-2,0 %), на основании которых предложены составы расплавленных солей, состоящих из смеси легкоплавких калиевого и натриевого криолитов KF–NaF–AlF3, которые дают возможность снизить температуру процесса до 750-830 °С при сохранении достаточной электропроводности (1.5 См/см) и растворимости Sc2O3 (до 7 мас.%), что повысит извлечение Sc из его оксида Sc2O3, и в целом, обеспечит получение сплавов Al–Sc с требуемым содержанием Sc.
Проведены экспериментальные исследования основных закономерностей процесса восстановления Sc в расплавах KF–NaF–AlF3 в лабораторных условиях при 750 и 830 °С. Максимальное содержание Sc, наилучшее его распределение по алюминиевой матрице и отсутствие сформированных интерметаллидных соединений было достигнуто в расплаве (мас.%) 39KF-10NaF-51AlF3. Подобраны параметры процесса получение базового сплава Al-Sc (0,2-0,4 %) и лигатурного сплава Al-Sc (1,5-2,0 %) (сила тока, температура, частота подгрузки Sc2O3 и выгрузки сплава), обеспечивающие непрерывное получение сплава.
Разработаны основы новой технологии получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.%. В результате взаимодействия периодически добавляемого в расплав Sc2O3 с находящимся в контакте с расплавом жидким алюминием образуется Al2O3, который выводится из ванны за счет электрохимической реакции разложения и, таким образом, происходит регенерация расплавленной соли.
Основы технологии получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.% заложены в лабораторный технологический регламент (ЛТР). Наплавление электролита, бестоковое и электролитическое восстановление оксида скандия и оксида алюминия, получение базового сплава Al-Sc с содержанием скандия 0,2 – 0,4 % производится в установке электролиза. Процесс осуществляют непрерывно, путем периодического слива готового сплава и загрузкой металлического алюминия и оксида скандия. Отобранный объем базового сплава Al-Sc накапливается в дополнительной индукционной печи. Разливка готового базового сплава Al-Sc с содержанием скандия 0,2 – 0,4 % осуществляется в стальные изложницы-кристаллизаторы, охлаждаемые водой.
Разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на экспериментальную установку для получения базового сплава Al-Sc в составе узла подачи исходного сырья Sc2O3, электролизёра и кристаллизатора.
Изготовлена экспериментальная установка для получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.% и проведен ее монтаж. Изготовленный узел кристаллизации (сталь 15ХМЛ) обеспечивает оптимальный температурный режим при разливке сплава массой до 10 кг для получения требуемого фазового состава и равномерного распределения скандия в объема слитка; скорость охлаждения и кристаллизации сплава – более 10°С/сек; точность размеров слитка; поверхность слитков без дефектов и шероховатостей; легкое удаление слитка из изложницы; многократное получение в ней слитков. Изготовленный узел подачи исходного сырья Sc2O3 позволяет автоматически загружать требуемое количество Sc2O3 в расплав со скоростью загрузки от 1 до 100 г/ч, транспортировать Sc2O3 в точку дозирования с точностью ±5%, хранить оперативный объем сырья.
Проведены испытания экспериментальной установки для получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.%. В процессе непрерывного получения базового сплава в течение 3 суток сила тока изменялась в пределах 40-80 А, температура расплава составляла 800-850 °С, объем разовой выгрузки сплава ~ 2кг. Полученный базовый сплав содержит требуемое количество равномерно распределенного Sc (0,4%) и по химическому составу (по примесям) превосходит требования ТУ 11-01-01-2001.