Способ получения лигатуры алюминий-скандий, флюс для получения лигатуры и устройство для осуществления способа
Патент 2361941
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Способ получения лигатуры алюминий-скандий, флюс для получения лигатуры и устройство для осуществления способа
Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для производства алюминий-скандиевой лигатуры, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов. Способ включает высокотемпературную обменную реакцию фторида или оксида скандия с алюминием в среде расплавленных галогенидов металлов. Расплавляют алюминий и в форме капель, полученных путем его фильтрования, пропускают через расплавленные галогениды металлов путем создания разряжения, полученный расплав выдерживают, затем сливают расплав галогенидов металлов и образовавшийся алюминиево-скандиевый сплав. Используют флюс, содержащий фторид алюминия, фторид или оксид скандия, фторид и хлорид кальция и при необходимости гидрофторид или фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%: фторид кальция 10-35, фторид алюминия 2-10, фторид скандия 2-20, или оксид скандия 2-8, гидрофторид или фторид калия 0-5, хлорид кальция остальное. Устройство содержит футерованный тигель, нагревательное устройство и дополнительный второй тигель, расположенный над первым и имеющий дырчатое дно, при необходимости покрытое одним или двумя слоями графитированной ткани, при этом оба тигля расположены в герметичной емкости, имеющей в нижней части отверстие, соединенное с форвакуумным насосом, и помещенной в печь сопротивления. Изобретения обеспечивают высокую чистоту конечного продукта по примеси натрия наряду с высоким извлечением в него скандия. 3 н.п. ф-лы, 6 табл., 1 ил.
Реферат
Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для производства алюминий-скандиевой лигатуры, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов.
Известен способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий высокотемпературную обменную реакцию фторида или оксида скандия с алюминием в среде расплавленных галогенидов металлов, а именно в присутствии фторида скандия, хлорида калия, фторида натрия или оксида скандия, фторида алюминия, фторида натрия и хлорида калия или фторскандиата щелочного или щелочно-земельного элемента и хлорида калия или натрия с использованием покровного флюса, содержащего хлорид калия и хлорид натрия, в температурном интервале 850-1050°С с выдержкой 15-30 минут (патент РФ №2213795, МКИ С22С 1/00, 2003 г.).
Известен флюс для получения лигатуры алюминий-скандий путем высокотемпературной обменной реакции фторида или оксида скандия с алюминием, содержащий в качестве вещества, содержащего фторид скандия, фторскандиат щелочного или щелочно-земельного металла и хлорид калия или натрия (патент РФ №1549091, МКИ С22С 1/2, 1999 г.).
Недостатком известного процесса, а также флюса для осуществления этого процесса, является использование солей натрия, которые в процессе высокотемпературных обменных реакций попадают в получаемый сплав алюминия. Известно из экспериментальных данных (Ложкин Л.Н., Попов А.П. "Исследования катодного процесса при электролизе криолито-глиноземного расплава." Сб. Физическая химия и электрохимия расплавленных солей и шлаков. Изд. Химия, Л., 1968. С.303-311), что в натриевом криолито-глиноземистом электролите при криолитовом отношении (к.о.) 2.80 начинается совместный разряд катионов алюминия и натрия. Выход по току алюминия начинает падать и тем заметнее, чем выше к.о. Примесь натрия ухудшает свойства алюминия и его сплавов, а также увеличивает содержание водорода (табл.1).
Содержание натрия, водорода и значения усилий для холодной прокатки (RF)
| Таблица 1 | ||||
| Содержание натрия, 10-4% | 0 | 5 | 30 | 82 |
| Содержание водорода, 10-4% | 0.20 | 0.40 | 0.52 | 0.48 |
| Значение величины RF, Н/мм2 | 350 | 370 | 485 | 630 |
В результате при обработке давлением алюминия, содержащего повышенные количества натрия, значительно возрастают отходы фольги за счет ее брака. В отечественных технических условиях на алюминий-скандиевые лигатуры ТУ 11-01-01-2001 содержание щелочного компонента не лимитируется в отличии от требований зарубежных фирм. Обычно содержание натрия в лигатуре Al-2%Sc составляет
(3÷7)·10-3%. Это обусловлено в первую очередь использованием натриевых солей при получении лигатуры.
Вторым фактором, обусловливающим загрязнение конечного продукта примесями натрия, является применение в процессе получения алюмоскандиевой лигатуры алюминия марки А85 (99.85% Аl) или алюминия гранулированного марки ЧДА (ТУ 6-09-02-529-92) с содержанием основного вещества 99.9%.
Кроме того, необходимо отметить, что при производстве алюминиевых сплавов авиакосмического назначения к качеству лигатуры предъявляются высокие требования в части однородности химического состава в объеме отливок, высокой чистоты по содержанию неметаллических включений, пористости и отсутствию крупных (грубых) частиц алюминидов.
Известно устройство для получения скандийсодержащей лигатуры, содержащее герметичный реактор, помещенный в шахтную печь (патент РФ №2261924, С22В 5/04, 2005 г.).
Недостатком известного устройства является использование для производства лигатуры алюминия марки А85 (99.85% Аl) или алюминия гранулированного марки ЧДА (ТУ 6-09-02-529-92) с содержанием основного вещества 99.9%. При этом исходный алюминий марки А85 содержит натрия 0.0074±0.0022 мас.% и марки ЧДА содержит 0.0035±0.0008 мас.%) натрия, что ведет к загрязнению натрием конечного продукта.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения лигатуры алюминий-скандий, обеспечивающий высокую чистоту конечного продукта по натрию наряду с высоким уровнем извлечения скандия в лигатуру.
Поставленная задача решена в способе получения лигатуры алюминий-скандий, включающем расплавление алюминия и флюса с получением расплава галогенидов металлов и осуществление высокотемпературной обменной реакции фторида или оксида скандия с алюминием в среде расплавленных галогенидов металлов, в котором используют флюс, содержащий фторид алюминия, фторид или оксид скандия, фторид и хлорид кальция, и гидрофторид или фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| фторид кальция | - 10-35; |
| фторид алюминия | - 2-10; |
| фторид скандия | - 2-20; |
| или оксид скандия | -2-8; |
| гидрофторид | |
| или фторид калия | - 0-5; |
| хлорид кальция | - остальное, |
при этом расплавленный алюминий фильтруют с получением капель и пропускают его через расплавленные галогениды металлов путем создания разрежения, полученный расплав выдерживают, затем сливают расплав галогенидов металлов и образовавшийся алюминиево-скандиевый сплав.
Поставленная задача также решена путем использования флюса для получения лигатуры алюминий-скандий, содержащего фторид или оксид скандия и фторид алюминия, который дополнительно содержит фторид и хлорид кальция и гидрофторид или фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| фторид кальция | -10-35; |
| фторид алюминия | - 2-10; |
| фторид скандия | - 2-20; |
| или оксид скандия | -2-8; |
| гидрофторид | |
| или фторид калия | - 0-5; |
| хлорид кальция | - остальное. |
Поставленная задача также решена путем использования устройства для получения лигатуры алюминий-скандий, содержащего футерованный тигель и нагревательное устройство, которое дополнительно содержит второй тигель, расположенный над первым и имеющий дырчатое дно, при необходимости покрытое одним или двумя слоями графитированной ткани, и оба тигля расположены в герметичной емкости, имеющей в нижней части отверстие, соединенной с форвакуумным насосом, и помещенной в печь сопротивления.
В настоящее время не известен способ получения лигатуры алюминий-скандий путем высокотемпературной обменной реакции фторида или оксида скандия с алюминием, в котором расплавленный алюминий в форме капель, полученных его фильтрованием, пропускают через расплавленные галогениды металлов путем создания разряжения, а в качестве флюса используют флюс предлагаемого состава.
Для повышения качества лигатур авторами предлагается фильтрование жидкого алюминия в соответствующий расплав солей. В работе использовали исходный алюминий марки А85, содержащий натрия 0.0074±0.0022 мас.%, и марки ЧДА, содержащий 0.0035±0.0008 мас.% натрия. Исследования проводили в тиглях из боросилицированного графита марки БСГ-30 (плотность не менее 2.2 г/см3, ТУ 48-20-72-90). Верхний тигель с дырчатым дном застилали графитированным материалом (ткани ТМП-4, ТГН-2М, ТМП-3 или войлок ВИТ-1). Для всех видов перечисленных тканей и войлока получены результаты по значительному (в 2-10 раз) удалению натрия из алюминия при принятых условиях фильтрования: температура 750-850°С и включением вакуума до 10-2 мм рт.ст. от форвакуумного насоса (табл.2).
| Таблица 2 | ||
| Экспериментальные данные по изменению содержания натрия в алюминии при фильтровании через графитированные материалы | ||
| Материал фильтра | Содержание натрия, мас.% | |
| Исходный алюминий | Профильтрованный алюминий | |
| ТМП-4 | 0.0075±0.0022 | 0.0028±0.0008 |
| 0.0073±0.0002 | 0.00068±0.00002 | |
| ТГН-2М (2 слоя) | 0.0077±0.0023 | 0.0040±0.0015 |
| 0.0040±0.0015 | 0.00044±0.000013 | |
| ТМП-3 | 0.0078±0.0023 | 0.0038±0.0011 |
| 0.0038±0.0011 | 0.0008±0.00002 | |
| Примечание: Пробы отбирались: исходного (И) алюминия из расплава непосредственно после плавления алюминия; профильтрованного (П) алюминия после его затвердевания и охлаждения. |
Стойкость и работоспособность фильтра из графитированных углеродных материалов проверялась многократной фильтрацией алюминия через один и тот же фильтр. В лабораторных условиях было выполнено 10 плавок на фильтре из двух слоев ткани ТГН-2М (табл.3).
| Таблица 3 | ||||||||||
| Зависимость очистки алюминия марки А85 от натрия фильтрованием через два слоя ткани ТГН-2М от числа фильтраций | ||||||||||
| Количество фильтраций через тот же фильтр | ||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| И·103 | 3.8 | 4.0 | 3.5 | 3.0 | 3.7 | 3.4 | 3.1 | 3.6 | 3.7 | 3.3 |
| П·104 | 4.0 | 4.4 | 3.7 | 2.9 | 4.1 | 3.3 | 3.5 | 3.7 | 3.9 | 3.8 |
| P | 9.5 | 9.1 | 9.4 | 10.3 | 9.0 | 10.3 | 8.8 | 9.7 | 9.5 | 8.7 |
| Примечание: И, П - см. табл.2; Р - снижение содержания натрия в число раз. |
Следовательно, для уменьшения содержания натрия в исходном алюминии необходимо использовать процесс фильтрования расплава необязательно через графитированную ткань, например, ТГН-2М. Фильтрование также снижает содержание взвеси в расплаве, улавливает оксидные пленки, обогащенные примесями, и очень важно то, что резко возрастает поверхность контакта алюминия (капель) с солевым расплавом. Последнее обстоятельство ускоряет протекание высокотемпературных обменных реакций между алюминием и растворенной солью.
Предлагаемый авторами солевой состав, используемый в качестве флюса, не содержит соли натрия. Авторами предлагается состав на основе хлористого и фтористого кальция, бинарная диаграмма которого была изучена W. Plato (Plato W. Zeitshritt für Physikaalische Chemia. Leipzig, 1907. S.530-372). Эвтектика приходится на состав 86.2% СаСl2 и 13.8% CaF2 и имеет температуру плавления 644.4°С. Температура ликвидуса плавно возрастает до состава с 35.5% CaF2, имеющего температуру 750°С. Использовать бинарный состав в указанном диапазоне от точки эвтектики до перитектической реакции СаСl2·СаF2 при 750°С невозможно без данных растворимости соответствующих фторидов и оксидов скандия, условий проведения высокотемпературной обменной реакции, достижения высокого перехода скандия из соли в лигатуру и коагуляции отдельных капель металлического расплава в слиток. Выполненные на термоанализаторе TG-DTA-92 измерения свойств солевых составов представлены в табл.4.
| Таблица 4 |
| Температуры ликвидуса (tл, °С), начала кристаллизации (tкр, °С) и величины переохлаждения (Δt, °С) солевых составов на основе хлорида (СаСl2)и фторида (CaF2) кальция, мас.% | |||||||||
| № | СаСl2 | CaF2 | ScF3 | Sc2O3 | AlF3 | KF (KHF2)* | tл | tкр | Δt |
| 1 | 87 | 13 | - | - | - | - | 647 | 618 | 29 |
| 2 | 83 | 17 | - | - | - | - | 644 | 626 | 18 |
| 3 | 87 | 13 | 2.5 | - | - | - | 653.5 | 642.7 | 10.8 |
| 4 | 87 | 13 | 5.0 | - | - | 722 | 694 | 28 | |
| 5 | 83 | 17 | 10.0 | - | - | - | 716 | 680 | 36 |
| 6 | 83 | 17 | 2.0 | - | - | 5.0 | 704 | 684 | 20 |
| 7 | 83 | 17 | 5.0 | - | - | 5.0 | 703 | 675 | 28 |
| 8 | 83 | 17 | 10.0 | - | - | 3.7 | 706 | 684 | 22 |
| 9 | 83 | 17 | - | - | - | 3.7 | 717 | 682 | 35 |
| 10 | 83 | 17 | 10.0 | - | 5.0* | 738 | 709 | 29 | |
| 11 | 83 | 17 | 10.0 | - | 10.0 | - | 709 | 696 | 13 |
| 12 | 83 | 17 | - | - | 10.0 | - | 736.6 | 706.2 | 30.4 |
| 13 | 83 | 17 | - | - | 5.0 | - | 727 | 705 | 22.0 |
| 14 | 83 | 17 | - | 2.0 | - | 5.0 | 709 | 660 | 49.0 |
| 15 | 83 | 17 | - | 5.0 | - | 5.0 | 710 | 655 | 55 |
| 16 | 83 | 17 | - | 5.0 | - | 5.0* | 693 | 662 | 31 |
| 17 | 78 | 22 | - | 10.0 | - | 10.0* | 692 | 663.7 | 28.3 |
| 18 | 83 | 17 | - | - | - | 7.4 | 693 | 671 | 22 |
| 19 | 83 | 17 | - | - | - | 10.0* | 700 | 676.6 | 23.4 |
| 20 | - | - | - | - | - | 100.0 | 857.3 | 852.6 | 4.7 |
| 21 | - | - | - | - | - | KCl | 737 | 720 | 17.0 |
| Примечание: Значения для чистых солей KF (№20) и КСl (№21) согласуются с табличными данными температур их плавления. Добавки SCF3, SC2O3, AlF3, KF (или KHF2) указаны в мас.% от навески солей кальция. |
Введение в состав предлагаемого флюса фтористой соли алюминия (AlF3) обусловлено высокой рафинирующей способностью фторида по отношению к алюминиевым расплавам, что благоприятствует слиянию капель в расплаве солей в слиток. Последний факт подтверждается визуальным наблюдением. Введение в состав предложенного флюса кислого фтористого (гидрофторида) калия (KHF2) обусловлено его способностью плавиться при 239°С и разлагаться в интервале температур 400-500°С. При разложении KHF2 выделяется фтористый водород, способствующий удалению следов влаги. Влага, присутствующая в солевой системе, приводит к наводораживанию лигатуры.
Не доверяя полуколичественному определению растворимости фторида и оксида скандия в соли по закону Вант-Гоффа, ввиду некоторого смещения состава солей за счет летучести хлорида кальция (давление пара 1 мм рт.ст. при 1100°С), нами были определены растворимости соединений скандия в рекомендованных для получения лигатуры составах солей (табл.5).
| Таблица 5 | ||||
| Растворимость фторида и оксида скандия в расплаве солей CaCl2+CaF2 в зависимости от температуры, мас.% | ||||
| Температура, °С | 850 | 900 | 1000 | 1100 |
| ScF3 | 6.0 | 7.7 | >14.7 | |
| Sc2O3 | 2.5 | - | 5.37 | 9.5 |
Примечание: По данным ДТА растворение оксида скандия наступает при температуре выше 740°С. Данные по растворимости получены путем выдержки солевой смеси в закрытом платиновом тигле при температуре 1100°С в течение 30 минут, затем часовой выдержке при выбранной температуре и последующего отбора пипеткой верхнего слоя расплава для химического анализа на скандий.
Введение фторида или кислого фторида калия (KHF2) на растворимость соли скандия, вероятно, мало влияет. Тетрафторскандиат калия (KSCF4) плавится при 810°С, а соединение KSC2F7 разлагается на KSCF4 и SCF3 при температуре выше 826°С (Sobolev В.Р. The rare earth trifluorides. Pt.1. The light temperature chemistry of the rare earth trifluorides. Barselona. Spain: Institute d'Estudis Catalans, 2000; Соколова Ю.В., Черепанин P.H., Сагалова Т.Б. Изв. ВУЗов. Цветная металлургия, 2006. №2. С.40-44.).
Предлагаемый флюс на основе CaCl2+CaF2 имеет значительно более низкую летучесть по сравнению с флюсами на основе NaF+KCl, особенно при температуре выше 850°С:
| Состав, мас.% | Температура, °С | Летучесть · 104, г/см2·мин |
| 70CaCl2+30CaF2 | 850/950 | 0.8/3.2 |
| 90CaCl2+10CaF2 | 850/950 | 1.4/4.8 |
| 67CaCl2+21CaF2+12ScF3 | 850/950/1000 | 2.6/7.9/15.8 |
| 65CaCl2+17CaF2+8AlF3+10ScF3 | 850/950/1000 | 2.4/8.8/17.0 |
| 70KCl+12NaF+18ScF3 | 850/950 | 18.6/28.5 |
| 67KCl+18NaF+10AlF3+5Sc2O3 | 850/950/1000 | 18.0/32.0/52.8 |
Определение натрия в лигатуре представлено в табл.6.
| Таблица 6 | |||||||
| Содержание натрия в слитках лигатуры | |||||||
| Элемент,мас.% | Алюминий гранулированный ЧДА (А999), не фильтровали | А85, фильтровали | А999, фильтровали | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| Na·104 | 8.6 | 4.7 | 3.2 | 3.3 | 3.5 | 2.8 | 2.7 |
| Примечание: №№1 лигатура получена по патенту РФ №2213795, №№2-7 - по предлагаемому способу. |
Предлагаемые количественные пределы содержания солей во флюсе объясняются следующими причинами. Содержание фторида кальция менее чем 10 мас.% ведет к понижению растворимости оксида скандия, повышению уноса хлористого кальция как более летучего компонента, а также выпадению кристаллов β фазы (температура плавления чистого хлористого кальция равна 773°С). Содержание фторида кальция более чем 35 мас.% приводит к выпадению твердой фазы CaCl2·CaF2 при 750°С, а температура ликвидуса в этой бинарной системе далее резко возрастает (температура плавления CaF2≈1400°C). Содержание фторида алюминия менее чем 2 мас.% сказывается на степени слияния капель жидкого металла. Так, отсуствие фторида алюминия в солевой смеси обусловливает плохое слияние жидких капель сплава в общую массу, в этом случае наряду со слитком получают отдельные гранулы сплава, что в конечном итоге снижает степень извлечения скандия в лигатуру (см. пример 10). Увеличение его содержания более чем 10 мас.% нежелательно ввиду большого расхода и повышенного уноса в связи с его летучестью (давление пара чистого фторида алюминия при 950°С равно 1 мм рт.ст.). Содержание фторида скандия менее чем 2 мас.% ведет к снижению металлургического выхода и пониженному содержанию скандия в лигатуре (<1,5% Sc). Увеличение содержания более чем 20 мас.% приводит к появлению твердой фазы и возможньм потерям при сливе расплава солей. Содержание оксида скандия менее чем 2 мас.% не обеспечивает получения стандартной лигатуры (Al2%Sc). Содержание оксида скандия более чем 8 мас.% нежелательно, поскольку значительная часть этого оксида остается не растворимой в условиях проведения процесса и приводит к излишним потерям.
Устройство для осуществления способа получения лигатуры алюминий-скандий изображено на чертеже. Устройство содержит футерованный боросилицированным графитом тигель (1) для алюминия. Тигель (1) имеет дырчатое дно (4), например, дно может быть снабжено сквозными отверстиями (4) диаметром 3,0-3,5 мм с шагом 10-15 мм, расположенными параллельными диаметральными рядами. Дырчатое дно, необязательно, покрыто одним или двумя слоями графитированного материала (3). В качестве графитированного материала могут быть использованы ткани ТМП-4, ТГН-2М, ТМП-3 или войлок ВИТ-1. Тигель (5) для расплава галогенидных солей, в который поступает фильтрат из тигля (1), расположен под тиглем (1), и оба тигля (1) и (5) помещены в герметичную емкость (6), выполненную из нержавеющей стали. Емкость (6) снабжена печью сопротивления (7) и имеет отверстие (9) в нижней части, соединенное с форвакуумным насосом.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Готовят флюс для получения лигатуры алюминий-скандий, содержащий фторид и хлорид кальция, фторид алюминия, фторид или оксид скандия и необязательно гидрофторид калия в пределах предлагаемого массового содержания компонентов, путем смешения хорошо высушенных исходных солей. Смесь солей помещают в тигель (5). В тигель (1), имеющий дырчатое дно(4), которое, необязательно, покрыто одним или двумя слоями графитированной ткани (3), помещают слиток алюминия. Включают нагрев и по достижении температуры 850-900°С включают форвакуумный насос для создания разряжения в объеме герметичной емкости (6). После того как расплавленный алюминий в виде капель, полученных его фильтрованием через дырчатое дно тигля (1), поступает в тигель (5), полученный расплав выдерживают в течение 10 мин при температуре 850-900°С. После выдержки расплав солей сливают в тигель, а жидкий алюминий выливают в чугунную изложницу, покрытую для предупреждения загрязнений гексагональным нитридом бора. Охлажденный слиток алюминиевого сплава (лигатуры) отмывают от остатков солей в вибрационной ванне со слабой соляной кислотой (1-5%), маркируют и анализируют. Также определяют содержание скандия в солевой массе.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Готовят смесь высушенных солей: 35 г СаСl2 (58,3 мас.%), 16 г СаF2 (26,7 мас.%), 6 г АlF3 (10 мас.%), 3 г ScF3 (5 мас.%). Смесь перемешивают и растирают в ступке. Затем помещают в тигель БСГ-30 (⌀60, h 80, S~8 мм). В тигель, установленный сверху, дно которого имеет отверстия 03.5 мм с шагом 15 мм, и покрыто графитированной тканью ТГН-2М, помещают слиток алюминия (А85) массой 51 г. С достижением температуры 850°С емкость, в которую помещены тигли, подключают к форвакуумному насосу. После поступления алюминия в нижний тигель расплав алюминия в солевом расплаве выдерживают в течение 10 минут. Затем расплав солей сливают в тигель, а жидкий алюминиевый сплав выливают в чугунную изложницу, покрытую для предупреждения загрязнений гексагональным нитридом бора (BN).
Охлажденный слиток алюминиевого сплава (лигатуры) отмывают от остатков солей в вибрационной ванне со слабой соляной кислотой (1-5%), маркируют и анализируют. Также определяют содержание скандия в солевой массе.
Получены следующие результаты:
Исходное содержание Sc в смеси солей (по расчету) - 1,32 г.
Конечное содержание в соли - 0,26 г.
Содержание в лигатуре 2.15% Sc.
Получено лигатуры - 49,5 г.
Всего перешло в лигатуру 0,0215·49,5=1,06 г или 80.6% от исходного.
Пример 2. Способ осуществляют, как описано в примере 1, но для получения расплава галогенидных солей используют тигель большего размера (тигель марки БСГ-30 (ǿ100, h 80, S~10 мм2). Состав исходного флюса: 35 г СаСl2 (63,0 мас.%), 15 г CaF2 (27,0 мас.%), 1,5 г АlF3 (2,0 мас.%), 4,5 г ScF3 (8,0 мас.%)), и алюминий марки А85 взят в количестве 100 г. Выдержка при 850°С после фильтрования расплава алюминия составляет 10 минут.
Получены следующие результаты:
В исходной смеси солей скандия - 1.98 г.
Содержание скандия в лигатуре 1,8%.
В сплав перешло 0.018·98.5=1.78 г Sc.
Осталось в соли (с учетом потерь) 0.21 г Sc.
Прямой выход в сплав скандия составил 89.8%.
Пример 3. Способ осуществляют, как описано в примере 1. Состав исходного флюса: 46 г СаСl2 (66,2 мас.%), 20 г CaF2 (28,8 мас.%), 2 г AlF3 (3 мас.%), 2.5 г ScF3 (2,0 мас.%), и алюминия (А85) берут 50 г. Выдержка после фильтрования алюминия при 850°С через ткань ТГМ-2 составляет 10 мин.
Получены следующие результаты:
В исходной смеси солей скандия взято 0.98 г.
Содержание Sc в сплаве 1.7%.
В сплав перешло 0.017·46.5=0.79 г Sc.
Прямой выход в сплав составил 80.7%.
Пример 4. Способ осуществляют, как описано в примере 1. Состав исходного флюса: 35 г СаСl2 (54,7 мас.%), 15 г CaF2 (23,4 мас.%), 5 г AlF3 (7,8 мас.%), 3.2 г KHF2 (5,0 мас.%), 4.0 г ScF3 (6,5 мас.%) и алюминия (А85) - 90 г. Выдержка при 850°С после фильтрования составляет 10 минут.
Получены следующие результаты:
Содержание скандия в сплаве 1.75%.
В сплав перешло 0.017·87=1.48 г Sc.
Прямой выход скандия в лигатуру - 84%.
Пример 5. Способ осуществляют, как описано в примере 2. Состав исходного флюса: 30 г СаСl2 (62,6 мас.%), 10 г CaF2 (20,8 мас.%), 2,3 г AlF3 (4,9 мас.%), 2 г KF2 (4,9 мас.%), 3.7 г Sc2O3 (8,0 мac.%) (2.41 г Sc), и алюминия (А85) взято 92 г. Выдержка при 850°С составляет 10 минут.
Получены следующие результаты:
Содержание Sc в сплаве 2.15%.
Получено лигатуры 89,5 г.
В лигатуре скандия 0.0215·89,5=1.93 г.
Прямой выход скандия - 79,8%.
Пример 6. Способ осуществляют, как описано в примере 5. Состав исходного флюса: 45 г СаСl2 (80,9 мас.%), 5,6 г CaF2 (10 мас.%), 2.5 г AlF3 (4.5 мас.%), 3.7 г KF (3,7 мас.%), 2.5 г ScF3, (4.5 мас.%), и алюминия (А85) взято 52 г. Выдержка при 900°С составляет 20 минут.
Получены следующие результаты:
В исходной соли содержалось 1.10 г Sc. Содержание Sc в сплаве 1.92%.
Содержание в лигатуре 0.019·48,0=0.91 г Sc.
Прямой выход скандия - 82.7%.
Пример 7. Способ осуществляют, как описано в примере 3. Состав исходного флюса: 23 г СаСl2 (46 мас.%), 17 г CaF2 (34 мас.%), 10 г ScF3 (20 мас.%), 2.5 г AlF3 (2,5 мас.%) и алюминия марки ЧДА взято 150 г. Фильтрование осуществляют с использованием одного слоя графитированной ткани ТГМ-2, выдержка при 800°С в течение 15 минут.
Получены следующие результаты:
В исходной соли содержалось 4.41 г Sc.
Содержание Sc в сплаве 2.6%.
Содержание в лигатуре 0.026·147=3.83 г Sc.
Прямой выход в лигатуру - 86.7%.
Содержание натрия в лигатуре 2.7·10-4%.
Пример 8. Процесс проводят в тиглях большого размера (марка БСГ-30, ǿ 120, h 140, S 15 мм), на дырчатое дно тигля помещают графитированную ткань ТГН-2М в два слоя. Состав флюса: 54 г СаСl2 (35 мас.%), 10 г AlF3 (6,5 мас.%), 20 г ScF3 (13 мас.%), 70 г СаСl2 (45,5 мас.%) и алюминия марки А85 взято 400 г. Выдержка при 850°С составляет 15 минут.
Получены следующие результаты:
В исходной смеси солей скандия взято 8.82 г.
Содержание Sc в сплаве 2.02%.
Получено лигатуры 393 г.
Содержание в лигатуре скандия 0.0202·393=7.94 г Sc.
Прямой выход скандия - 90%.
Содержание натрия в исходном А85 было 3.5·10-3%, в лигатуре натрия 3.5·10-4%.
Пример 9. Способ осуществляют, как описано в примере 3. Состав флюса: 30 г CaF2 (30 мас.%), 9 г AlF3 (9 мас.%), 2 г ScF3 (2 мас.%), 59 г СаСl2 (59 мас.%). Гранулированного алюминия марки ЧДА взято 50 г. Выдержка при 800°С составляет 15 минут.
Получены следующие результаты:
В исходной смеси солей скандия взято 0.88 г.
Содержание Sc в сплаве 1.6%.
Получено лигатуры 48 г
Содержится скандия в лигатуре 0.016·48=0,768 г.
Прямой выход скандия - 87,3%.
Пример 10. Способ осуществляют, как описано в примере 1. Состав исходного флюса: 35 г СаСl2 (63,6 мас.%), 5 г ScF3 (9,1 мас.%). Выдержка при 850°С составляет 10 минут.
Отсутствие фторида алюминия в исходном флюсе обусловило плохое слияние жидких капель сплава в общую массу. Наряду со слитками получено 5 гранул сплава (размером с горошину). Для определения химсостава лигатуры проведен переплав лигатуры в отсутствии солей.
Получены следующие результаты:
Исходное содержание SCF3 в соли (по расчету) - 9.1%.
Конечное содержание в соли - 2.40%.
Содержание в лигатуре 2.85% Sc.
Всего перешло в лигатуру 0.0285·58.0=1.65 г Sc, что составило 75.1% от исходного.
Таким образом, авторами предлагается способ получения лигатуры алюминий-скандий, флюс для получения этой лигатуры и устройство для осуществления предлагаемого способа, которые обеспечивают высокую чистоту конечного продукта по примеси натрия наряду с высоким извлечением в него скандия.
1. Способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий расплавление алюминия и флюса с получением расплава галогенидов металлов и осуществление высокотемпературной обменной реакции фторида или оксида скандия с алюминием в среде расплавленных галогенидов металлов, отличающийся тем, что используют флюс, содержащий фторид алюминия, фторид или оксид скандия, фторид и хлорид кальция и гидрофторид или фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| фторид кальция | 10-35 |
| фторид алюминия | 2-10 |
| фторид скандия | 2-20 |
| или оксид скандия | 2-8 |
| гидрофторид или фторид калия | 0-5 |
| хлорид кальция | остальное |
2. Флюс для получения лигатуры алюминий-скандий, содержащий фторид или оксид скандия и фторид алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фторид и хлорид кальция и гидрофторид или фторид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| фторид кальция | 10-35 |
| фторид алюминия | 2-10 |
| фторид скандия | 2-20 |
| или оксид скандия | 2-8 |
| гидрофторид или фторид калия | 0-5 |
| хлорид кальция | остальное |
3. Устройство для получения лигатуры алюминий-скандий, содержащее футерованный тигель и нагревательное устройство, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй тигель, расположенный над первым и имеющий дырчатое дно, при необходимости покрытое одним или двумя слоями графитированной ткани, при этом оба тигля расположены в герметичной емкости, имеющей в нижней части отверстие, соединенное с форвакуумным насосом, и помещенной в печь сопротивления.