[发明专利]钙热还原法制备铝钪中间合金的方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及铝钪中间合金制备技术领域，确切地说涉及一种采用热还原法制备铝钪中间合金的方法。

背景技术

钪在照明、新能源、金属基新材料等方面应用广泛，尤其是在铝合金改性方面，可以很好的起到晶粒细化和抑制再结晶的作用。

用金属钪和金属铝直接混合，就可制备铝钪中间合金，但因二者的熔化温度差别过大，难免发生氧化反应，烧损很大。因此，人们又研究了铝液为阴极的电解法；以氯化钪、氧化钪、氟化钪为原料的金属热还原法。氯化钪、氟化钪带结晶水，脱水时易生成ScOCl、ScOF，致使还原率低；氧化钪不易直接还原，电解的槽电压高，能耗大。各种方案大多处于研究阶段。

目前铝钪合金常见的生产方法有对掺法（直接熔合法）、熔盐电解法、铝热还原法（非电解还原法）等，对掺法生产时，金属钪氧化烧损严重，回收率不高，且金属钪的制备需要在高温真空的环境制备，工艺也比较复杂，生产成本不易降低。熔盐电解法电解原料通常采用氯化钪或氧化钪以及氧化钪-氟盐体系。但是高温熔盐电解条件下，氟盐的腐蚀性严重，电解槽及电极材料容易腐蚀失效。另外，高温熔盐电解条件下熔融铝液可能会参与电极反应，阴、阳极区不能很好地隔离，这种工艺电流效率一般仅为70～85%。说明熔盐电解法电极要求高，设备要求较高，且耗能较大，不利于节能减排，很多问题尚待进一步研究。

热还原法目前采用热还原法制备工艺中，主要有氟化钪真空铝热法，氧化钪铝热还原法,氧化钪-冰晶石-氯化钠(钾)熔盐、氯化钪-铝镁热还原法等，例如公开号为CN 101709394A，公开日为 2010年5月19日的中国专利文献公开了一种铝钪中间合金的制备方法,属于高性能铝合金原材料制备技术领域。其特征在于，所述方法的原料为:Sc₂O₃、纯铝、熔盐体系；其制备方法是一次性将纯铝、Sc₂O₃和熔盐体系混合均匀，加入坩埚，放入电阻炉加热熔化，升温至950℃±20，保温90~120分钟；保温结束后浇铸取样；所述熔盐体系为NF₄HF₂、KCl、NaCl、NaF、nNaF·AlF₃(钠冰晶石)、nKF·AlF₃(钾冰晶石)，NF₄HF₂、NaF、KCl、NaCl、钠冰晶石和钾冰晶石的混合比例为比例为10∶8∶5.4∶5.4∶3∶3；所述熔盐体系与纯铝和氧化钪按质量比为30±1.5∶100∶4±0.1加入坩埚。与现有技术相比，本方法制备的合金晶粒度更小，Al₃Sc分布均匀、没有明显团聚且尺寸细小。该中间合金用在后续的含Sc合金制备中，具有十分优异的细化效果。

但上述现有技术都存在回收率不高；覆盖熔盐体系常含冰晶石等氟盐多，对炉壁和电器设备耐侵蚀性能要求高，且不利于环保；设备要求复杂等不足。此外冰晶石制备时设备要求较高，这也制约了工业生产的大规模应用。

发明内容

针对目前铝钪合金生产中工艺大量使用氟化物对设备及环境的危害，本发明提供了一种低氟微排、操作简单、铝钪合金产品稳定、新颖经济的铝钪合金生产新工艺。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种钙热还原法制备铝钪中间合金的方法，其特征在于包括：

1）按铝钪中间合金的成分含量计算出每炉冶炼所需的原料铝、金属钙、氧化钪、钪的卤化物或其含钪熔盐、无水氯化钙以及碱金属氯化物的重量，分别称取；

2）将熔剂混合均匀后加入坩埚内升温至700℃~1050℃融化，所述溶剂为含有75%-98%重量的CaCl₂，和2~25%的NaCl或NaCl与KCl均匀混合后的盐，熔剂中无水氯化钙的用量按金属钙在无水氯化钙熔盐的溶解度为1~17g/100g进行计算；

3）待熔剂熔化充分后，加入卤化钪，在密闭保护气氛下保温，得熔融含钪熔盐；

4）将铝和金属钙加入所述熔融含钪熔盐中，待铝熔化后，搅拌，保温热还原20~200min；

5）待热还原反应完成后，扒渣，加入过量精炼剂进行除钙，待合金中钙含量小于50ppm时，浇注铸锭并冷却，水浸除渣，即获得铝钪中间合金。

所述金属钙为还原剂，钙纯度大于99%，钙的用量根据还原反应化学计量计算，加入理论量的1~1.3倍。

所述的密闭保护气氛为真空感应熔炼炉中充满真空惰性气体保护，惰性气体为N₂、He或Ar等。