14.607.21.0042

Методами термического анализа, импедансометрией проведены экспериментальные исследования фазовых равновесий в расплавленных солях и их электропроводности с добавкой Sc₂O₃ и Al₂O₃ для определения температуры процесса получения базового и лигатурного сплавов Al-Sc. Предложены составы расплавленных солей NaF-AlF₃ с КО=2.3, КF-AlF₃ с КО=1.3-1.5 и КF-NaF-AlF₃ с КО=1.3-1.5, в которых возможно проводить процесс при 950, 800-850 и 750 °С, соответственно. 

 Проведены экспериментальные исследования основных закономерностей процесса совместного восстановления Sc и Al из их оксидов для определения режима электролиза при получении базового Al-Sc(0,2 - 0,4%) и лигатурного Al-Sc(1,5 – 2,0%)  сплавов при различных катодной плотности тока, перемешивания расплава, длительности электролиза и бестоковой выдержки алюминия в расплаве. Наиболее важными факторами, определяющими полноту протекания алюмотермической реакции и содержание скандия в алюминии, являются: скорость отвода скандия от фронта реакции в матрицу алюминия, зависящий от перегрева и перемешивания; скорость отвода оксида Al₂O₃ от фронта реакции в объём расплава, зависящий от растворимости оксидов Al₂O₃ и Sc₂O₃, а также скорости растворения продукта алюмотермической реакции - Al₂O₃. Образующийся Al₂O₃ удаляют из расплава способом электролитического разложения. В расплаве (мас.%) 39KF-10NaF-51AlF₃ в лабораторных условиях проведена серия длительных электролизных испытаний по получению лигатурных сплавов  Al-Sc (1.5-2.0 мас. %) с периодической подгрузкой Sc₂O₃, в результате которых были подобраны параметры электролиза (сила тока – 8 А, скорость подгрузки Sc₂O₃ – 2,8 г/час, скорость выгрузки  сплава – 45-55 г/час), обеспечивающие непрерывное получение лигатуры Al-Sc с фиксированным содержанием скандия (2.0 ± 0.1 мас. %).

Разработаны основы новой технологии получения базового Al-Sc(0,2 - 0,4%) и лигатурного Al-Sc(1,5 – 2,0%)  сплавов.  В результате взаимодействия в расплав Sc₂O₃ с находящимся в  контакте с расплавом жидким алюминием образуется Al₂O₃, который выводится из ванны за счет электрохимической реакции разложения.

 Основы технологии получения базового Al-Sc(0,2 - 0,4%) сплавов заложены в ЛТР. Наплавление электролита, бестоковое и электролитическое восстановление оксида скандия и оксида алюминия, получение сплава Al-Sc производится в установке электролиза.  Процесс осуществляют непрерывно, путем периодического (каждые 40-60 мин) 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 (0,2 – 0,4 %) осуществляется в стальные изложницы-кристаллизаторы

Разработана ЭКД на экспериментальную установку для получения базового сплава Al-Sc в составе узла подачи исходного сырья Sc₂O₃, электролизёра и кристаллизатора. Изготовлен электролизёр; узел подачи исходного сырья Sc₂O_3, состоящий из бункера, шнекового подающего устройства и дозатора; и узел кристаллизации, который представляет собой вертикальную разъёмную  изложницу с водяным охлаждением.

Изготовлена экспериментальная установка для получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.% и проведен ее монтаж. В соответствии с разработанными Программой и методиками испытаний экспериментальной установки для получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.% проведены её испытания. 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. Получен базовый сплав Al-Sc с содержанием Sc 0.4 мас.% в количестве 50 кг.

В  электролизёрах на силу тока 20 А  проведена серия длительных электролизных испытаний по получению лигатурных сплавов  Al-Sc(1.5-2.0%) в расплаве (мас.%) 39KF-10NaF-51AlF₃ с периодической подгрузкой Sc₂O₃, в результате которых были подобраны параметры электролиза (сила тока – 8 А, скорость подгрузки Sc₂O₃ – 2,8 г/час, скорость выгрузки  сплава – 45-55 г/час), обеспечивающие непрерывное получение лигатуры Al-Sc с фиксированным содержанием скандия (2,0±0,1 %). 

Наилучшими физико-химическими характеристиками для использования в качестве электролита-растворителя оксида скандия для получения сплава  Al-Sc   обладают составы KF–NaF(10)–AlF₃-Sc₂O₃ с КО=1.5, рабочая температура 820°С, максимальная добавка Sc₂O₃ 7 мас.%, удельная электропроводность 1.5 См/см и KF-AlF₃-Sc₂O₃ с  KO=1.3; рабочая температура 700-750°С, максимальная добавка Sc₂O₃ 5 мас.%.

Изготовлена экспериментальная установка для получения базового сплава Al-Sc(0,2-0,4%) в составе электролизёра, узла узел подачи исходного сырья Sc₂O₃, позволяющего непрерывную автоматическую подачу требуемого количества Sc₂O₃ в расплав, транспортировку Sc₂O₃ в точку дозирования с точностью ±5%, и узла кристаллизации,       обеспечивающего оптимальный температурный режим (более 10°С/сек) при разливке сплава массой до 10 кг и равномерное распределения Sc в объема слитка.

Полученный в результате испытаний экспериментальной установки базовый сплав Al-Sc(0,2-0,4%) в виде слитков массой 50 кг содержал требуемое количество равномерно распределенного Sc и по химическому составу (по примесям) превосходит требования ТУ 11-01-01-2001. Установлено, что заданное содержание скандия в сплаве Al-Sc (от 0,237 мас.% до 0,383 мас.%) достигается при непрерывном автоматическом режиме дозирования оксида скандия.

В лабораторных электролизёрах на силу тока 20 А получен лигатурный сплав Al-Sc с содержанием Sc в Al от 1,5 до 2,0 мас.% в расплавленных смесях 39KF-10NaF-51AlF₃ при температуре 800-820 °С с равномерным распределением Sc и малой долей сформированных интерметаллидных соединений. 

В отличие от известных способов получения лигатурных сплавов Al-Sc(2,0%) методами прямого сплавления или алюмотермическим восстановлением скандий-содержащих соединений под солевым флюсом новая технология позволяет непрерывно получать готовую продукцию с использованием относительно дешёвого оксида Sc₂O₃ без остановки процесса и замены расплава. За счет этих преимуществ новая технология представляется упрощенной с точки зрения стадийности и энергоэффективной в сравнении с существующими способами получения лигатурных сплавов Al-Sc. Помимо снижения себестоимости, разрабатываемая технология позволяет усовершенствовать структуру лигатурных сплавов Al-Sc, что еще больше повысит    конкурентоспособность готовой продукции среди продукции других предприятий.

 Экономно-легированные базовые сплавы Al-Sc(0,2-0,4%)  не производятся в мире, однако они могли бы быть основой для получения коммерческих сплавов алюминия, поскольку имеют равномерно распределенный Sc по матрице Al и минимальное количество трудно-растворимых интерметаллидов.