CC BY
264
УДК 669.715.621.74:541.121
ПОЛУЧЕНИЕ БОГАТЫХ РЗМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В.М. Скачков, С.П. Яценко, Л.А. Пасечник
Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия Аннотация
Введение РЗМ осуществляется высокотемпературной обменной реакцией солевого расплава и алюминия. Производился подбор наилучшего солевого состава. Метод инжекции технологического порошка в расплав алюминия является перспективным. Проведен ряд плавок в производственных условиях на ОАО «Каменск-Уральском металлургическом заводе». Показана технологичность инжекционного метода получения алюмоскандиевых лигатур.
Ключевые слова:
инжекция, алюминий, скандий, иттрий, цирконий, фторид, хлорид, соли, порошок, сплав.
OBTAINING OF ALUMINUM ALLOYS ENRICHED WITH RARE EARTH METALS
V.M. Skachkov, S.P. Yatsenko, L.A. Pasechnik
Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia Abstract
Addition of REM is carried out by high exchange reaction of the molten salt and aluminum. The selection of the best salt composition was conducted. A perspective method is the injection process of the powder in the aluminum melt. A number of melting was conducted at the production conditions at the JSC Kamensk-Uralsky Metallurgical Plant. Processability of the injection obtaining of the aluminoscandium alloys, was showed.
Keywords:
injection, aluminium, scandium, yttrium, zirconium, fluoride, chloride, salts, powder, alloy.
В практике получения стандартной алюмо-скандиевой лигатуры состава Al-2.0%Sc известны несколько различных способов. В ИХТТ УрО РАН разрабатываются также различные методы синтеза в зависимости от особенностей поставленной задачи. По брикетной технологии для получения стандартной лигатуры рекомендовано использовать шихту (патент РФ № 2124574), состоящую из фторида натрия, хлорида калия, фторида алюминия и оксида/фторида скандия. Температура обменной реакции не превышает 850°С, а металлургический выход достигает менее 77% от исходного содержания скандия в шихте. При жестких требованиях на содержания щелочных компонентов (ТУ не регламентирует их концентрации) авторами разработана технология синтеза лигатуры в расплаве фторида и хлорида кальция с использованием оксида или фторида скандия (патент РФ № 2361941). Повышенное содержание натрия или калия (больше 8 10-4 мас.%) приводит к значительному выходу брака продукции при последующей тонколистовой прокатке алюмо-скандиевых сплавов. Для крупномасштабного производства в промышленной индукционной печи ОАО «КУМЗ» совместно с разработчиками завода были разработаны состав шихты и условия получения алюмо-скандийсодержащей лигатуры (патент РФ № 2421537) способом инжекции технологического порошка в соответствующий алюминиевый сплав (марки 1545К, 1570). Технологический порошок вдували струей аргона при помощи установки «УФР-20» (рис. 1).
Рис. 1. Промышленная установка «УФР-20» для инжекции технологического порошка в жидкий сплав (ОАО «КУМЗ»)
202
Выдержка после перемешивания расплава при температуре 780-800°С составляла 20 мин. Шлак снимали при температуре > 730°С. Расплав рафинировали флюсом «Экораф-8» с расходом 1 кг на 1 т расплава при одновременном продувании аргоном с последующим отстоем и снятием шлака. Метод инжекции позволяет значительно снизить концентрацию примесей в сплаве (исходный - числитель, после плавки - знаменатель, мас.%): Cu 0.01/0.0019; Si 0.05/0.03; Mn 0.01/0.003; Mg 0.01/0.0007; H2 2.5/0.2 см3/100 г. Содержание натрия в плавках ниже предельно допустимых концентраций составляло (от 60 до 66)10-5 мас. % и кальция < 0.01 мас. %. Опытные испытания на заводе свидетельствуют, что метод инжекции технологического порошка в жидкий сплав или алюминий с целью получения скандийсодержащих лигатур и сплавов - вполне рабочая и более экономичная технология по сравнению со стадийным процессом получения лигатуры в малом объеме [1]. Известно из литературы [2, 3], что часть скандия в алюминиевых сплавах можно заменить на другой легирующий компонент - цирконий, иттрий, гафний. С учетом этого авторами разработан способ легирования алюминия или сплавов на его основе методом инжекции углекислым газом технологического порошка из фторидов калия и алюминия, хлорида калия и одного или нескольких оксидов легирующих компонентов (Sc, Y, Hf, Zr). Способ сокращает время операции по растворению легирующих компонентов и использует невысокие температуры синтеза (патент РФ № 2534182). Указанные компоненты усиливают положительное действие скандия на алюминиевые сплавы. Например, в слоистых полуфабрикатах типа СИАЛ используют листы сплава Al-Li системы Al-Li-Cu-Mg. Для перевода меди в твердый раствор с целью повышения пластичности сплава в сплав вводят скандий, цирконий, серебро [4].
Получение сплавов, содержащих РЗМ, методом высокотемпературных обменных реакций с алюминием с учетом образования интерметаллидов описывается уравнением:
0.5Sc2O3 + 4Al ^ Al3Sc + 0.5Al2O3, AG =21 кДж/моль.
В присутствии в солевом расплаве фтористого алюминия идет реакция взаимодействия с образованием фтористого скандия и оксида алюминия:
2AlF3 + Sc2O3 ^ 2ScF3 + Al2O3, AG800°C =-34.9 кДж/моль.
1200°C
С повышением температуры взаимодействие усиливается AG =-49.9кДж/моль [5]. Получение алюмо-
циркониевой лигатуры в интервале температур 850-920°С протекает по реакции, имеющей экзотермический характер:
3K2ZrF6 + 13Al ^ Al3Zr + 2K3AlF6 + 2AlF3.
Скорость этих реакции возрастает с повышением температуры, но общий выход в алюминиевый сплав скандия, циркония, иттрия и гафния при повышении температуры (> 850°С) значительно снижается [6, 7].
В разработанных нами патентах выявлены оптимальные условия ведения технологии получения лигатур, соответствующих требованиям ГОСТ Р 53777-2010. Однако современные инновационные технологии все чаще ставят задачи по увеличению легирующих компонентов в алюминиевой лигатуре.
Растворимость РЗМ в алюминии резко снижается со снижением температуры расплава, а стремление повысить ее приводит к нецелесообразному с точки зрения экономики угару как солей вводимых металлов, так и самого алюминия. Поэтому для обогащения лигатуры чаще всего используют осаждение интерметаллидов (отстаивание в печи, центрифугирование и др.) с продолжением ведения синтеза методом высокотемпературных обменных реакций с алюминием в оптимальных условиях. В этом случае угар ценных компонентов намного ниже и позволяет получить лигатуры с высоким содержанием РЗМ.
К другим способам можно отнести восстановление металлов кальцием или магнием. С экономической точки зрения эти способы представляют наибольший интерес. Синтез алюминиевых лигатур восстановлением оксидов металлов магнием протекает по схеме:
MeO + AlMg ^ AlMgMe + MgO, где AlMgMe - лигатура; MeO - оксид легирующего металла.
Для восстановления скандия и иттрия по этой схеме с учетом образования интерметаллида свободная энергия Г иббса (AG) составляет [8]:
0.5Sc2O3 + 3Al + 1.5Mg = Al3Sc + 1.5MgO - 80 кДж/моль,
0.5Y2O3 + 3Al + 1.5Mg = Al3Y + 1.5MgO - 67 кДж/моль,
что свидетельствует о возможности металлотермического синтеза лигатуры. Но магний (кальций) содержится не во всех алюминиевых сплавах, поэтому такие способы имеют ограниченное применение.
Интересен путь по совместному восстановлению компонентов комплексных лигатур, когда можно вырастить и отделить крупные интерметаллические соединения. Однако для укрупненного масштаба получения алюминиевых сплавов с РЗМ рекомендован способ инжекции технологических порошков с получением в печи нужного многокомпонентного сплава с одновременной значительной очисткой от примесей (Cu, Mn, Si, Na, Ca, H2 и др.). Нами уточнен состав присадок в технологические порошки. Выявлено, что использование фторидных солей РЗМ предпочтительней их оксидов в смесях, кроме того, метод инжекции сокращает число технологических операций приготовления сплава и позволяет получить лучшее распределение легирующих присадок при последующем литье в изложницу.
203
Литература
1. Получение алюминий-скандевых сплавов методом инжекции технологических порошков в расплав / Б.В. Овсянников, С.П. Яценко, П.А. Варченя, В.М. Скачков // Технология металлов. 2011. № 5. С. 23-29.
2. Сабирзянов Н.А., Яценко С.П. Гидрохимические способы комплексной переработки боксита. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 386 с.
3. Royset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys // Int. Mat. Rev. 2000. Vol. 50, № 1. P. 19-44.
4. Овсянников Б.В. Новый алюминиево-литиевый сплав системы Al-Cu-Mg-Li(Ag, Sc), предназначенный для изготовления тонких листов и профилей // Цветные металлы. 2014. № 11. С. 90-94.
5. Москвитин В.И., Махов С.В., Напалков В.И. О возможности получения алюминиево-скандиевой лигатуры в алюминиевом электролизере // Технология легких сплавов. 1998. № 2. С. 33-36.
6. Махов С.В., Москвитин В.И., Попов Д.А. Термодинамические основы алюминотермического восстановления циркония из ZrO2 в хлоридно-фторидных солевых расплавах // Цветные металлы. 2012. № 4. С. 43-46; 2014. № 11. С. 69-72.
7. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСИС, 2002. 376 с.
8. Синтез алюминиевых лигатур с переходными и редкими металлами / С.В. Александровский, В.М. Сизяков,
В.Ю. Бажин, М.Б. Гейликман, Е.А. Брылевская // Цветная металлургия. 2011. № 4. С. 16-22.
Сведения об авторах
Скачков Владимир Михайлович,
к.х.н., Институт химии твердого тела УрО РАН, г.Екатеринбург, Россия, vms@weburg.me Яценко Сергей Павлович,
д.х.н., Институт химии твердого тела УрО РАН, г.Екатеринбург, Россия, yatsenko@ihim.uran.ru Пасечник Лилия Александровна,
к.х.н., Институт химии твердого тела УрО РАН, г.Екатеринбург, Россия, pasechnik@ihim.uran.ru Skachkov Vladimir Mikhailovich,
PhD (Chemistry), Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia, vms@weburg. me Yatsenko Sergey Pavlovich,
Dc.Sc. (Chemistry), Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia,
yatsenko@ihim.uran.ru
Pasechnik Liliya Alexandrovna,
PhD (Chemistry), Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia, pasechnik@ihim.uran.ru
УДК 669.334 :66.096
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО РАФИНИРОВАНИЯ СУЛЬФИДНОГО МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО СЫРЬЯ
В.А. Сорокин1, А.Г. Касиков2, Ю.Н. Нерадовский2
1АО «Кольская горно-металлургическая компания», Мончегорск, Россия
2Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева
Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия
Аннотация
В АО «Кольская ГМК» проводится системная работа по повышению эффективности собственного производства, улучшению экологической обстановки в местах дислокации основных технологических объектов. При этом возникают проблемы адаптации новых схем к условиям действующего производства, требующие дополнительного изучения. В докладе приводятся результаты лабораторных опытов по моделированию процесса конвертирования штейна с исключением продувки расплава воздухом или КВС, показавшие хорошую сходимость полученных закономерностей с производственными данными.
Ключевые слова:
АО «Кольская ГМК», конвертирование медно-никелевого штейна, шпурштейн, кобальт.
RESEARCH OF FIRE REGULARITIES OF COPPER-NICKEL RAW MATERIALS REFINING
V.A. Sorokin1, A.G. Kasikov2, Y.N. Neradovsky2
1Kola Mining Metallurgic Company, Monchegorsk, Russia
2I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia
204
