Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0042

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0042
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка энергосберегающего способа получения алюминия, содержащего бор или скандий с использованием расплавленных солей
Докладчик
Ткачева Ольга Юрьевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Задача: Разработка новой энергосберегающей технологии получения сплавов алюминий-скандий (Al-Sc) с использованием расплавленных солей.
Цели:
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.%
Актуальность и новизна исследования
Сплавы Al-Sc, обладающие сочетанием уникальных свойств (повышенной прочностью, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью, возможностью деформироваться в режиме сверхпластичности, высокими механическими свойствами), 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.
Недостатками используемого в настоящее время металлотермического способа задания 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 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 их соединений.
Описание исследования

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 Sc2O3, 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 %). 

Результаты исследования

   

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.

Практическая значимость исследования
В результате выполнения проекта будут разработаны новые технологии получения базовых сплавов Al-Sc (0,2-0,4 %) и лигатуры Al-Sc (1,5-2,0 %), которые могут быть использованы на предприятиях алюминиевой промышленности, в том числе ОК РУСАЛ.
Постер

Poster_EE_7285012.ppt