CN107630234B - 一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法 - Google Patents

一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，以氧化钪为原料，在NaCl‑CaCl2或KCl‑CaCl2组成的氯化物熔盐电解质中，加入CaO或MgO，并加入电解原料Sc2O3组成氯化物‑氧化物混合熔盐电解质，以液态铝为阴极，石墨为阳极，在温度为670～780℃条件下通以直流电电解，阳极电流密度为0.5～1.5A/cm2，电解时间4～10h，在电解槽底部阴极得液态铝钪中间合金。本发明具有工艺简便，生产成本低，产品纯度高，易于连续化生产，无需用还原剂的优点；同时在电解过程中电解槽底部阴极得液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生，有效降低对环境造成严重污染。

Description

一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法
技术领域
本发明涉及铝钪中间合金制备技术领域，尤其涉及一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法。
背景技术
钪是一种稀土元素，是铸造铝合金晶粒组织最强的变质剂和加工半成品最有效的再结晶抑制剂，向铝合金中添加微量钪(0.1wt％～0.4wt％)，可促进晶粒细化、抑制再结晶，显著提高铝合金的强度、韧性、焊接和耐腐蚀性能。含钪铝合金因可大幅度改善传统铝合金的综合性能，被广泛应用于航天工业、军用工业、民用工业等领域。然而由于钪的负电性在稀土金属中是最高，化学活性极高，且熔点高达1541℃，与铝的熔点660℃相差悬殊，直接熔制铝钪合金时不易混合均匀，形成的铝钪化合物晶粒粗大，偏析严重；在工业铝钪合金生产过程中钪必须以铝钪中间合金的形式加入，故铝钪中间合金是生产工业铝钪合金的关键原材料。
铝钪中间合金制备方法有对掺法、金属热还原法和熔盐电解法，其中，熔盐电解法具有工艺简便，生产成本低，易于连续化生产，无需用还原剂等优点，但是难以被用于制取熔点高于1000℃以上的纯金属，当采用液态金属Al、Mg或Zn作阴极时，在阴极沉积合金元素可制取相应的合金。在氟化物熔盐体系中，以Sc2O3为原料制取Al-Sc中间合金时，通常氟化物熔盐电解质温度较高，对设备和电极的腐蚀严重，且Sc2O3在电解质中溶解度较低，不利于电解过程长时间的平稳高效运行。目前在氯化物熔盐体系电解制备铝钪中间合金所采用的电解质组成主要为LiCl/NaCl-KCl-ScCl3，在电解的过程中，控制适宜的条件，使Sc3+在阴极上被还原为金属单质，同时进行合金化，即可得到铝钪中间合金，由于电解原料采用氯化钪，在阳极上Cl-被氧化生成氯气，因对产生的氯气没有好的利用途径，易对环境造成严重污染，且原料ScCl3制备流程长，设备复杂，生产成本高。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
S1、以氧化钪为原料，在NaCl-CaCl2或KCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质中，加入CaO或MgO，且同时加入电解原料Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质；
S2、将步骤S1)中制备的氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源电解氯化物-氧化物混合熔盐电解质，在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金；阳极放出CO2，无其它有害气体产生。
在本发明中，步骤S1)中，NaCl：CaCl2摩尔比为0.35～0.85：1，KCl：CaCl2摩尔比为0.35～3：1。
在本发明中，步骤S1)中，CaO的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的5～10％，MgO的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的5～10％，Sc2O3的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的2～8％。
在本发明中，步骤S2)中，因电解质组成不同，电解槽内电解温度为670℃～780℃，具体温度根据电解质的初晶温度，选择在电解质初晶温度之上的20℃～80℃进行电解。
在本发明中，步骤S2)中，电解槽内阳极电流密度为0.5～1.5A/cm2，电解时间4～10h。
有益效果：本发明具有工艺简便，生产成本低，产品纯度高，易于连续化生产，无需用还原剂的优点；同时在电解过程中电解槽底部阴极得液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生，有效降低对环境造成严重污染。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
以氧化钪为原料，在NaCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质(NaCl：CaCl2摩尔比为0.35：1)中，加入占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量5％的CaO和占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量2％的Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质，而后将氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源，电解温度为720℃，阳极电流密度为0.5A/cm2，电解时间4h，即在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生；其中钪的质量分数为0.8％，其余为铝。
实施例2
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
以氧化钪为原料，在NaCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质(NaCl：CaCl2摩尔比为0.4：1)中，加入占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量8％的CaO和占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量6％的Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质，而后将氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源，电解温度为700℃，阳极电流密度为0.9A/cm2，电解时间6h，即在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生；其中钪的质量分数为1.5％，其余为铝。
实施例3
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
以氧化钪为原料，在NaCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质(NaCl：CaCl2摩尔比为0.85：1)中，加入占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量10％的CaO和占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量8％的Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质，而后将氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源，电解温度为670℃，阳极电流密度为1.5A/cm2，电解时间10h，即在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生；其中钪的质量分数为3.2％，其余为铝。
实施例4
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
以氧化钪为原料，在NaCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质(NaCl：CaCl2摩尔比为0.8：1)中，加入占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量10％的MgO和占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量4％的Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质，而后将氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源，电解温度为670℃，阳极电流密度为1.5A/cm2，电解时间4h，即在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生；其中钪的质量分数为1.6％，其余为铝。
实施例5
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
以氧化钪为原料，在KCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质(KCl：CaCl2摩尔比为0.35：1)中，加入占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量5％的CaO和占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量2％的Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质，而后将氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源，电解温度为690℃，阳极电流密度为0.5A/cm2，电解时间4h，即在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生；其中钪的质量分数为1.0％，其余为铝。
实施例6
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
以氧化钪为原料，在KCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质(KCl：CaCl2摩尔比为3：1)中，加入占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量10％的CaO和占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量8％的Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质，而后将氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源，电解温度为670℃，阳极电流密度为1.5A/cm2，电解时间10h，即在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生；其中钪的质量分数为2.8％，其余为铝。
实施例7
一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，具体步骤如下：
以氧化钪为原料，在KCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质(KCl：CaCl2摩尔比为1：1)中，加入占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量10％的CaO和占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量8％的Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质，而后将氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源，电解温度为780℃，阳极电流密度为0.5A/cm2，电解时间10h，即在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金，阳极放出CO2，无其它有害气体产生；其中钪的质量分数为1.5％，其余为铝。
从上述实施例1～实施例7可知，利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的最佳工艺参数为：NaCl：CaCl2摩尔比为0.85：1，CaO的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的10％，Sc2O3的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的8％，电解温度为670℃，阳极电流密度为1.5A/cm2，电解时间10h。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和主要优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、以氧化钪为原料，在NaCl-CaCl2或KCl-CaCl2组成的氯化物熔盐电解质中，加入CaO或MgO，且同时加入电解原料Sc2O3组成氯化物-氧化物混合熔盐电解质；
S2、将步骤S1)中制备的氯化物-氧化物混合熔盐电解质置于电解槽中，以液态铝为阴极，石墨为阳极，接通直流电源电解氯化物-氧化物混合熔盐电解质，在电解槽底部阴极得到液态铝钪中间合金；阳极放出CO2，无其它有害气体产生。
2.根据权利要求1所述的一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于，步骤S1)中，NaCl：CaCl2摩尔比为0.35～0.85：1，KCl：CaCl2摩尔比为0.35～3：1。
3.根据权利要求1所述的一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于，步骤S1)中，CaO的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的5～10％，Sc2O3的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的2～8％。
4.根据权利要求1所述的一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于，步骤S1)中，MgO的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的5～10％。
5.根据权利要求1所述的一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于，步骤S2)中，电解槽内电解温度为670℃～780℃。
6.根据权利要求1所述的一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于，步骤S2)中，电解槽内阳极电流密度为0.5～1.5A/cm2，电解时间4～10h。
7.根据权利要求1～3、5～6任一项所述的一种利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于，利用氯盐氧化物体系熔盐电解制备铝钪中间合金的最佳工艺参数为：NaCl：CaCl2摩尔比为0.85：1，CaO的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的10％，Sc2O3的加入量占氯化物-氧化物混合熔盐电解质总量的8％，电解温度为670℃，阳极电流密度为1.5A/cm2，电解时间10h。
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