JPWO2019178537A5 - - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年３月１５日出願の「アルミニウム－スカンジウム合金の製造方法」なる標題の米国特許仮出願第６２／６４３、３０１号に基づく優先権を主張するものである。上記出願の開示内容の全体は、参照により本明細書中に援用される。 (Mutual reference of related applications)
This application claims priority under US Patent Provisions 62/643, 301, entitled "Methods for Producing Aluminum-Scandium Alloys" filed March 15, 2018. The entire disclosure of the above application is incorporated herein by reference in its entirety.

本明細書に引用されたすべての刊行物、特許出願、特許、及び他の文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書に引用された特許文献及び科学文献は、当業者に利用可能な知識を確立する。本明細書で引用された発行済みの特許、出願、及び他の刊行物は、それぞれが参照により組み込まれることを具体的かつ個別に示されると同じ程度で、参照により本明細書に組み込まれる。矛盾が存在する場合、本開示が優先する。 All publications, patent applications, patents, and other documents cited herein are incorporated herein by reference in their entirety. The patent and scientific literature cited herein establish knowledge available to those of skill in the art. Published patents, applications, and other publications cited herein are incorporated herein by reference to the same extent that each is specifically and individually indicated to be incorporated by reference. In the event of any contradiction, this disclosure will prevail.

（技術分野）
本発明の実施形態は、アルミニウム－スカンジウム合金（Ａｌ－Ｓｃ）の製造方法に関する。 (Technical field)
Embodiments of the present invention relate to a method for producing an aluminum-scandium alloy (Al-Sc).

スカンジウム（Ｓｃ）は、合金添加物１モル当たりの、アルミニウム合金のための好ましい強化剤の１つである。スカンジウム－アルミニウム（Ａｌ_３Ｓｃ）コヒーレント析出物は非常に微細であり、高温で安定的であるので、これらの合金は、例えば３Ｄ印刷などにおける溶接または焼結に適している。例えば、スカルマロイ（Ｓｃａｌｍａｌｌｏｙ）（登録商標）は、ＡＰＷｏｒｋｓ社製のスカンジウム－マグネシウム－アルミニウム合金であり、代表的な粉末合金であるＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＡｌＳｉ１０Ｍｇ ＥＯＳデータシート；参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）の降伏応力の２倍である約５２５ＭＰａの降伏応力を有する（ＭａｔＷｅｂ上のＲＳＰＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＲＳＡ－５０１；参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。１．９４×１０^５ｍ^２／ｓ^２での焼結スカルマロイ（登録商標）粉末の比強度（σｙ／ρ）は、焼結Ｔｉ－６－４粉末の比強度と比べて２０％高くあり得る（Ｇｌｏｂａｌ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｉｎｃ社のＴｉ－６－４データシート；参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。スカルマロイ（登録商標）の比剛性（Ｅ／ρ）及び比曲げ剛性（Ｅ^１／３／ρ）は、チタン合金と比べてそれぞれ３％及び４０％高くあり得る。 Scandium (Sc) is one of the preferred toughening agents for aluminum alloys per mole of alloy additive. The scandium-aluminum (Al ₃ Sc) coherent precipitates are very fine and stable at high temperatures, making these alloys suitable for welding or sintering, for example in 3D printing. For example, Skalmalloy® is a scandium-magnesium-aluminum alloy manufactured by APWorks, which is a representative powder alloy, AlSi10Mg (AlSi10Mg EOS data sheet; in its entirety is incorporated herein by reference). ) Has a yield stress of about 525 MPa, which is twice the yield stress (RSP Technology RSA-501 on MatWeb; the whole is incorporated herein by reference). The specific strength (σy / ρ) of the sintered Skarmaloy® powder at 1.94 × 10 ⁵ m ² / s ² can be 20% higher than the specific strength of the sintered Ti-6-4 powder. (Ti-6-4 data sheet from Global Titanium Inc; which is incorporated herein by reference in its entirety). The specific stiffness (E / ρ) and specific bending stiffness (E ^1/3 / ρ) of Skull Malloy® can be 3% and 40% higher than the titanium alloy, respectively.

スカンジウム金属は、約３３００ドル／ｋｇ（２０１６年の市場価格）と高価であるが、多くの合金は、スカンジウムを約０．２重量％（ｗｔ％）添加するだけで、恩恵を受けることができる。スカンジウムはアルミニウム中への溶解度が低いので、２重量％スカンジウムを含有するＡｌ－Ｓｃ合金（Ａｌ－２ｗｔ％Ｓｃ）を、約１００～１１５ドル／ｋｇの市場価格で市販の母合金組成として提供することができる。スカンジウムは、地殻中に鉛よりも豊富に含まれているが、地殻中に分散して存在しており、また、単離が困難であるため、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）の世界生産量は、年間約１０トンにすぎない。Ｓｃ_２Ｏ_３は、現在の市場で広く入手可能なスカンジウムの最も安価な形態の１つである。例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３の価格は約１２００ドル／ｋｇ（２０１６年の市場価格）であり、フッ化スカンジウム（ＳｃＦ_３）の価格は約２９４７ドル／ｋｇ（２０１６年の市場価格）である。とはいえ、複数の新しい鉱山が建設中または計画段階にあり、２０２７年までに最大で４５０トン／年（ＴＰＹ）のＳｃ_２Ｏ_３の生産が予測されている。このような予測されるＳｃ_２Ｏ_３生産の増加は、スカンジウムの価格を低下させ、最大で１５万トン／年（ＴＰＹ）のＡｌ－２ｗｔ％Ｓｃ合金の生産を可能にし得る。したがって、アルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金を製造するための改良された方法及び装置が求められている。 Scandium metals are expensive at around $ 3,300 / kg (2016 market price), but many alloys can benefit from just about 0.2% by weight (wt%) of scandium added. .. Due to the low solubility of scandium in aluminum, an Al—Sc alloy containing 2 wt% scandium (Al-2 wt% Sc) is offered as a commercially available matrix alloy composition at a market price of approximately $ 100-115 / kg. be able to. Scandium is abundant in the crust than lead, but it is dispersed in the crust and difficult to isolate, so the world production of scandium oxide (Sc ₂ O ₃ ) Is only about 10 tons per year. Sc ₂ O ₃ is one of the cheapest forms of scandium widely available on the market today. For example, the price of Sc ₂ O ₃ is about $ 1200 / kg (2016 market price) and the price of scandium fluoride (ScF ₃ ) is about 2947 dollars / kg (2016 market price). Nonetheless, several new mines are under construction or in the planning stages, with up to 450 tonnes / year (TPY) of Sc ₂ O ₃ production expected by 2027. Such an expected increase in Sc ₂ O ₃ production could lower the price of scandium and enable the production of up to 150,000 tonnes / year (TPY) of Al-2 wt% Sc alloy. Therefore, there is a need for improved methods and equipment for producing aluminum-scandium (Al-Sc) alloys.

本発明によれば、アルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金の製造方法が提供される。いくつかの実施形態では、本発明によるアルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金の製造方法は、（ａ）ＳｃＦ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第１の部分と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第１の部分とを含む電解質浴を用意するステップと、（ｂ）前記電解質浴と電気的に接触するカソードであって、アルミニウムを含む該カソードを用意するステップと、（ｃ）前記電解質浴と電気的に接触するアノードを用意するステップと、（ｄ）前記電解質浴にＳｃ_２Ｏ_３の第１の部分を添加するステップと、（ｅ）アルミニウムイオンを前記カソードと反応させるステップと、（ｆ）前記カソードに電流を印加し、それにより、スカンジウムイオンを前記カソードと反応させてＡｌ－Ｓｃ合金を製造するステップと、を含み、前記スカンジウムイオンを前記カソードと反応させた後、前記電解質浴は、ＳｃＦ_３、ＡｌＦ_３、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つを含み、前記カソードは、アルミニウム及びスカンジウムを含む。 According to the present invention, there is provided a method for producing an aluminum-scandium (Al-Sc) alloy. In some embodiments, the method for producing an aluminum-scandium (Al-Sc) alloy according to the present invention comprises (a) the first portion of at least one of ScF ₃ and AlF ₃ and LiF, NaF, and KF. A step of preparing an electrolyte bath containing at least one first portion of the above, and (b) a step of preparing the cathode having a cathode that is in electrical contact with the electrolyte bath and containing aluminum. c) a step of preparing an anode that is in electrical contact with the electrolyte bath, (d) a step of adding a first portion of Sc ₂ O ₃ to the electrolyte bath, and (e) reacting aluminum ions with the cathode. The step of (f) applying a current to the cathode and thereby reacting the scandium ion with the cathode to produce an Al—Sc alloy was included, and the scandium ion was reacted with the cathode. Later, the electrolyte bath comprises at least one of ScF ₃ , AlF ₃ , LiF, NaF, and KF, and the cathode comprises aluminum and scandium.

いくつかの実施形態では、前記Ａｌ－Ｓｃ合金は、５～１２重量％のスカンジウムを含有する。 In some embodiments, the Al—Sc alloy contains 5-12% by weight scandium.

いくつかの実施形態では、前記Ａｌ－Ｓｃ合金は、８～１２重量％のスカンジウムを含有する。 In some embodiments, the Al—Sc alloy contains 8-12% by weight scandium.

いくつかの実施形態では、前記カソードにおける前記アルミニウム及び前記スカンジウムの少なくとも一部が液体である。 In some embodiments, at least a portion of the aluminum and the scandium at the cathode is a liquid.

いくつかの実施形態では、前記カソードに印加される前記電流は、０．２～１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有する。 In some embodiments, the current applied to the cathode has a current density of 0.2-1.0 A / cm ² .

いくつかの実施形態では、本方法は、前記カソードに印加する前記電流を制御することによって、前記スカンジウムイオンと前記アルミニウムイオンとのモル比を、０：１～２：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method predetermines the molar ratio of scandium ions to aluminum ions in the range 0: 1 to 2: 1 by controlling the current applied to the cathode. Further includes the step of maintaining the molar ratio.

いくつかの実施形態では、本方法は、前記カソードに印加する前記電流を制御するか、または、前記電解質浴にＳｃ_２Ｏ_３の第２の部分を添加することによって、酸素イオンとフッ化物イオンとのモル比を、１：２０～１：２５０の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method controls oxygen and fluoride ions by controlling the current applied to the cathode or by adding a second portion of Sc ₂ O ₃ to the electrolyte bath. Further includes the step of maintaining the molar ratio with and to a predetermined molar ratio in the range of 1:20 to 1:250.

いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴にＬｉＦの第２の部分を添加することによって、リチウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～４：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method adds a second portion of LiF to the electrolyte bath to reduce the molar ratio of lithium ions to the scandium ions and the aluminum ions by 0.5: 1-4. It further comprises the step of maintaining a predetermined molar ratio in the range of 1.

いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴にＮａＦの第２の部分を添加することによって、ナトリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method adds a second portion of NaF to the electrolyte bath to reduce the molar ratio of sodium ion to scandium ion and aluminum ion by 0.5: 1-6. It further comprises the step of maintaining a predetermined molar ratio in the range of 1.

いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴にＫＦの第２の部分を添加することによって、カリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method adds a second portion of KF to the electrolyte bath to reduce the molar ratio of potassium ions to the scandium ions and the aluminum ions by 0.5: 1-6. It further comprises the step of maintaining a predetermined molar ratio in the range of 1.

いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴に、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method comprises the electrolyte bath with at least one second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF. Further includes the step of adding the portion of.

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７～３８重量％のＳｃＦ_３、１５～２８重量％のＡｌＦ_３、４３～５５重量％のＮａＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one said second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one said second portion of LiF, NaF, and KF are the electrolyte bath. Is added to contain 17-38% by weight ScF ₃ , 15-28% by weight AlF ₃ , 43-55% by weight NaF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２～４５重量％のＳｃＦ_３、１８～３３重量％のＡｌＦ_３、３１～４３重量％のＬｉＦ、及び１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one said second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one said second portion of LiF, NaF, and KF are the electrolyte bath. Is added to contain 22-45% by weight ScF ₃ , 18-33% by weight AlF ₃ , 31-43% by weight LiF, and 1-6% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４～３２重量％のＳｃＦ_３、１２～２４重量％のＡｌＦ_３、５１～６３重量％のＫＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one said second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one said second portion of LiF, NaF, and KF are the electrolyte bath. Is added to contain 14-32% by weight ScF ₃ , 12-24% by weight AlF ₃ , 51-63% by weight KF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴に、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method comprises the electrolyte bath with at least one second portion of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ , and at least one of LiF, NaF, and KF. It further comprises the step of adding one second portion.

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７～３８重量％のＳｃＦ_３、１５～２８重量％のＡｌＦ_３、４３～５５重量％のＮａＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, the second portion of at least one of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and the second portion of at least one of LiF, NaF, and KF. , The electrolyte bath is added to contain 17-38% by weight ScF ₃ , 15-28% by weight AlF ₃ , 43-55% by weight NaF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ . ..

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２～４５重量％のＳｃＦ_３、１８～３３重量％のＡｌＦ_３、３１～４３重量％のＬｉＦ、及び１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, the second portion of at least one of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and the second portion of at least one of LiF, NaF, and KF. , The electrolyte bath is added to contain 22-45% by weight ScF ₃ , 18-33% by weight AlF ₃ , 31-43% by weight LiF, and 1-6% by weight Sc ₂ O ₃ . ..

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４～３２重量％のＳｃＦ_３、１２～２４重量％のＡｌＦ_３、５１～６３重量％のＫＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, the second portion of at least one of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and the second portion of at least one of LiF, NaF, and KF. , The electrolyte bath is added to contain 14-32% by weight ScF ₃ , 12-24% by weight AlF ₃ , 51-63% by weight KF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ . ..

以下の図は、単に例示的なものであり、限定を意図するものではない。 The figures below are merely exemplary and are not intended to be limiting.

図１は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム相図を示す。FIG. 1 shows an aluminum-scandium phase diagram according to an embodiment of the present disclosure. 図２は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム合金を製造するための還元槽を示す。FIG. 2 shows a reduction tank for producing an aluminum-scandium alloy according to an embodiment of the present disclosure. 図３は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム合金を製造するための別の還元槽を示す。FIG. 3 shows another reduction tank for producing an aluminum-scandium alloy according to an embodiment of the present disclosure. 図４は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム合金を製造するための平衡型還元槽を示す。FIG. 4 shows an equilibrium type reduction tank for producing an aluminum-scandium alloy according to the embodiment of the present disclosure. 図５（Ａ）は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム合金を製造するための還元槽の設計を示す。FIG. 5A shows the design of a reduction tank for producing an aluminum-scandium alloy according to an embodiment of the present disclosure. 図５（Ｂ）は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム合金を製造するための別の還元槽の設計を示す。FIG. 5 ( B ) shows the design of another reduction tank for producing an aluminum-scandium alloy according to an embodiment of the present disclosure. 図６は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（重量％）のばらつきを示す。FIG. 6 shows variations in Sc concentration (% by weight) in an exemplary casting according to an embodiment of the present disclosure. 図７は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（重量％）を示す。FIG. 7 shows the Sc concentration (% by weight) in an exemplary casting according to an embodiment of the present disclosure. 図８Ａは、本開示の実施形態によるＡｌ－Ｓｃ組成物を検出する分析方法を示す。FIG. 8A shows an analytical method for detecting an Al—Sc composition according to an embodiment of the present disclosure. 図８Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ－Ｓｃ組成物を検出する分析方法を示す。FIG. 8B shows an analytical method for detecting an Al—Sc composition according to an embodiment of the present disclosure. 図９は、本開示の実施形態による還元槽内に様々な電流を印加することによって製造されたＡｌ－Ｓｃ合金の試料を示す。FIG. 9 shows a sample of an Al—Sc alloy produced by applying various currents to the reduction tank according to the embodiment of the present disclosure.

アルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金の製造に有用な方法及び装置が本明細書に記載される。 Methods and appliances useful for the production of aluminum-scandium (Al-Sc) alloys are described herein.

Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、フッ化スカンジウム（ＳｃＦ_３）を使用して行うことができる。例えば、ＳｃＦ_３をＡｌと反応させることにより、ＡｌＦ_３及びＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる（「Trans. Met. Soc. AIME 218:608, 1960; Russ. J. Phys. Chem. A. 84（12):2011-2016, 2010」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。しかし、場合によっては、ＳｃＦ_３は、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）よりも高価であり得（例えば、スカンジウムベースで、または単位スカンジウム当たりで）、この場合、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造コストが増加する。 The Al—Sc alloy can be produced using scandium fluoride (ScF ₃ ). For example, by reacting ScF ₃ with Al, AlF ₃ and Al—Sc alloys can be produced (“Trans. Met. Soc. AIME 218: 608, 1960; Russ. J. Phys. Chem. A. 84 (12): 2011-2016, 2010 ”; in its entirety is incorporated herein by reference). However, in some cases, ScF ₃ can be more expensive than scandium oxide (Sc ₂ O ₃ ) (eg, on a scandium basis or per unit scandium), which increases the cost of manufacturing the Al—Sc alloy. do.

また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、アルミニウム粉末を使用して行うことができる。例えば、アルミニウム粉末をＳｃ_２Ｏ_３と混合させ、ペレットにプレスする。そして、このペレットを、例えば、液体アルミニウム中に浸漬することにより、Ａｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。このようなアルミニウム粉末プロセスを用いたスカンジウム還元収率は、例えば、ペレットの形成条件に依存してばらつきがある（米国特許第６、０４５、６３１号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。 Further, the Al—Sc alloy can be produced by using aluminum powder. For example, aluminum powder is mixed with Sc ₂ O ₃ and pressed into pellets. Then, by immersing the pellets in, for example, liquid aluminum, an Al—Sc alloy can be produced. Scandium reduction yields using such an aluminum powder process will vary, for example, depending on the pellet formation conditions (US Pat. No. 6,045,631; all incorporated herein by reference. ).

また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、スカンジウム金属をアルミニウムに溶解させることによって行うことができる。しかし、この場合は、時間がかかり、また、スカンジウムの融点が比較的高いことに起因して収率にばらつきが生じて、溶解界面に、溶解を妨げるバリア層として作用する一連の高融点金属間化合物が形成される恐れがある。図１は、これらの点を示すＡｌ－Ｓｃ相図である。 Further, the Al—Sc alloy can be produced by dissolving a scandium metal in aluminum. However, in this case, it takes time, and the yield varies due to the relatively high melting point of scandium, and between a series of refractory metals acting as a barrier layer that hinders melting at the melting interface. Compounds may be formed. FIG. 1 is an Al—Sc phase diagram showing these points.

また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、電解還元によって行うことができる。例えば、電気分解を行うことにより、ナトリウム氷晶石またはカリウム氷晶石（ＡｌＦ_３－ＮａＦ、またはＡｌＦ_３－ＫＦ）に溶解したＡｌ_２Ｏ_３及びＳｃ_２Ｏ_３の混合物を還元することができる。このような電気分解により、約０．５～１．５重量％（ｗｔ％）のＳｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる（中国特許第１、１８４、３５６号、国際公開第２００６／０７９３５３号、「Chunyang Guan et al., 3rd Int'l Symp. High-Temp. Metall. Processing 2012」、「Qiaochu Liu et al., Light Metals 2012」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。また、Ａｌカソードを使用してＣａＣｌ_２中のＳｃ_２Ｏ_３を電気分解することによって、約２重量％のＳｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができるが、この場合、製造されるＡｌ－Ｓｃ合金は、最大で約０．６５重量％のカルシウムを含有することとなる（「J. Alloys Compounds 474:124-130, 2009」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。しかし、カルシウムを含有するアルミニウム合金を製造することは、あまり好ましくない。また、ＳｃＦ_３－ＮａＦに溶解したＳｃ_２Ｏ_３を電気分解することによって、固体のＳｃ金属顆粒を製造することができる（米国特許第３、１１１、４６７号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。しかし、Ｓｃ金属顆粒は、固体塩から分離する必要があり、この追加の工程は、商業化目的のためにはあまり望ましくない。 Further, the Al—Sc alloy can be produced by electrolytic reduction. For example, electrolysis can reduce a mixture of Al ₂ O ₃ and Sc ₂ O ₃ dissolved in sodium cryolite or potassium cryolite (AlF ₃ -NaF, or AlF ₃ -KF). .. By such electrolysis, an Al—Sc alloy containing about 0.5 to 1.5% by weight (wt%) of Sc can be produced (Chinese Patent No. 1, 184, 356, International Publication No. 1). 2006/079353, "Chunyang Guan et al., 3rd Int'l Symp. High-Temp. Metall. Processing 2012", "Qiaochu Liu et al., Light Metals 2012"; all incorporated herein by reference. ). Further, by electrolyzing Sc ₂ O ₃ in CaCl ₂ using an Al cathode, an Al—Sc alloy containing about 2% by weight of Sc can be produced. In this case, it is produced. The Al-Sc alloy will contain up to about 0.65% by weight calcium ("J. Alloys Compounds 474: 124-130, 2009"; which is incorporated herein by reference in its entirety). However, it is not very preferable to produce an aluminum alloy containing calcium. In addition, solid Sc metal granules can be produced by electrolyzing Sc ₂ O ₃ dissolved in ScF ₃ -NaF (US Pat. Nos. 3, 111, 467; all by reference herein. Will be incorporated into). However, Sc metal granules need to be separated from the solid salt, and this additional step is less desirable for commercial purposes.

また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、カルシウム蒸気または合金を使用して、Ｓｃ_２Ｏ_３をＡｌ合金に還元することによって行うことができる（「Adv. Proc. Metals Mater. 4:155, 2006; Min. Proc. Extract. Metall. 117（2):96, 2008」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。これにより製造された合金は、一般的に、約１％以上のカルシウムを含有することとなる。しかし、場合によっては、カルシウムを含有するアルミニウム合金を製造することは、あまり望ましくない。 Also, the production of Al—Sc alloys can be carried out by reducing Sc ₂ O ₃ to Al alloys using calcium vapor or alloys (“Adv. Proc. Metals Mater. 4:155, 2006; Min. Proc. Extract. Metall. 117 (2): 96, 2008 "; the whole of which is incorporated herein by reference). The alloy thus produced will generally contain about 1% or more calcium. However, in some cases, it is less desirable to produce an aluminum alloy containing calcium.

また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、マグネシウム（Ｍｇ）を還元剤として使用して行うことができる（米国特許第５、０３７、６０８号；欧州特許第２、２９８、９４４号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３を、１５～１７重量％のＭｇを含有するＡｌ合金と反応させることにより、最大で２．５重量％のＳｃを含有するアルミニウム－マグネシウム－スカンジウム合金を製造することができる。しかし、この場合、Ｍｇ：Ｓｃ比があまり望ましくないものとなり、より望ましいＭｇ：Ｓｃ比を達成するためには、Ｍｇ成分を除去する必要がある（「Russian Metallurgy 2015（7):516, 2015」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。 Further, the production of the Al—Sc alloy can be carried out by using magnesium (Mg) as a reducing agent (US Pat. No. 5,037,608; European Patent No. 2,298,944; see the whole thereof. Incorporated herein by. For example, by reacting Sc ₂ O ₃ with an Al alloy containing 15 to 17% by weight of Mg, an aluminum-magnesium-scandium alloy containing up to 2.5% by weight of Sc can be produced. .. However, in this case, the Mg: Sc ratio becomes less desirable, and in order to achieve a more desirable Mg: Sc ratio, it is necessary to remove the Mg component ("Russian Metallurgy 2015 (7): 516, 2015"). The whole is incorporated herein by reference).

また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、ＮＨ_４ＨＦ_２を使用して、Ｓｃ_２Ｏ_３をその場でフッ化物に変換し、Ａｌ_２Ｏ_３と反応させることによって行うことができる。しかし、この方法は、健康被害をもたらす恐れがある（中国特許第１００、４１０、４００号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、ＳｃＦ_３またはＳｃ_２Ｏ_３を、ＡｌＦ_３－ＮａＦ－ＫＣｌなどの塩化物－フッ化物塩に溶解させることによって行うことができる。しかし、この方法は、酸化物からの変換収率が低くなる恐れがある（国際公開第２００３／０４２４１８号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。また、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、機械的合金化法を用いて行うことができる。例えば、まず、Ａｌを使用してＳｃ_２Ｏ_３を還元し、次いで、ボールミル粉砕し、その後、再溶解させることによって、Ａｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。しかし、この機械的合金化法は、比較的時間がかかり、また、高価であり得る（「Mater. Trans. 44（4):1049, 2003」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。 Further, the Al—Sc alloy can be produced by converting Sc ₂ O ₃ into fluoride on the spot and reacting with Al ₂ O ₃ using NH ₄ HF ₂ . However, this method can cause health hazards (Chinese Patent Nos. 100, 410, 400; all of which are incorporated herein by reference). Further, the Al—Sc alloy can be produced by dissolving ScF ₃ or Sc ₂ O ₃ in a chloride-fluoride salt such as AlF ₃ -NaF-KCl. However, this method may result in lower conversion yields from oxides (International Publication No. 2003/042418; which is incorporated herein by reference in its entirety). Further, the Al—Sc alloy can be produced by using a mechanical alloying method. For example, an Al—Sc alloy can be produced by first reducing Sc ₂ O ₃ using Al, then ball milling and then redissolving. However, this mechanical alloying method is relatively time consuming and can be expensive ("Mater. Trans. 44 (4): 1049, 2003"; the whole of which is incorporated herein by reference). ..

上記の方法は、大まかに、次の４つのカテゴリに分類することができる。（１）ＳｃＦ_３の使用（あるいは、その場で、Ｓｃ_２Ｏ_３から生成したＳｃＦ_３の使用）、（２）合金中に存在するＭｇまたはＣａによる還元、（３）圧縮により形成した金属－Ｓｃ_２Ｏ_３粉末ペレットの使用、（４）Ａｌ_２Ｏ_３－Ｓｃ_２Ｏ_３の電気分解による、少量のＳｃを含有するＡｌ合金の製造。最後のオプションは、安価なＳｃ_２Ｏ_３を使用して高収率を得ることができるが、小規模製造では、これは大量のアルミニウム合金を製造するための比較的高価な方法となる。 The above methods can be roughly classified into the following four categories. (1) Use of ScF ₃ (or use of ScF ₃ produced from Sc ₂ O ₃ in situ), (2) Reduction with Mg or Ca present in the alloy, (3) Metal formed by compression- Use of Sc ₂ O ₃ powder pellets, (4) Production of Al alloy containing a small amount of Sc by electrolysis of Al ₂ O ₃ − Sc ₂ O ₃ . The last option is to use cheap Sc ₂ O ₃ to obtain high yields, but for small scale production this is a relatively expensive method for producing large quantities of aluminum alloys.

本発明によれば、アルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金の製造方法が提供される。いくつかの実施形態では、本発明によるアルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金の製造方法は、（ａ）ＳｃＦ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第１の部分と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第１の部分とを含む電解質浴を用意するステップと、（ｂ）電解質浴と電気的に接触するカソードであって、アルミニウムを含む該カソードを用意するステップと、（ｃ）電解質浴と電気的に接触するアノードを用意するステップと、（ｄ）電解質浴にＳｃ_２Ｏ_３の第１の部分を添加するステップと、（ｅ）アルミニウムイオンをカソードと反応させるステップと、（ｆ）カソードに電流を印加し、それにより、スカンジウムイオンをカソードと反応させてＡｌ－Ｓｃ合金を製造するステップと、を含み、スカンジウムイオンをカソードと反応させた後、電解質浴は、ＳｃＦ_３、ＡｌＦ_３、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つを含み、カソードは、アルミニウム及びスカンジウムを含む。 According to the present invention, there is provided a method for producing an aluminum-scandium (Al-Sc) alloy. In some embodiments, the method for producing an aluminum-scandium (Al-Sc) alloy according to the present invention comprises (a) the first portion of at least one of ScF ₃ and AlF ₃ and LiF, NaF, and KF. A step of preparing an electrolyte bath containing at least one first portion of the above, and (b) a step of preparing the cathode having a cathode that is in electrical contact with the electrolyte bath and containing aluminum, and (c). ) A step of preparing an anode that is in electrical contact with the electrolyte bath, (d) a step of adding the first portion of Sc ₂ O ₃ to the electrolyte bath, and (e) a step of reacting aluminum ions with the cathode. (F) The step of applying a current to the cathode and thereby reacting the scandium ions with the cathode to produce an Al—Sc alloy comprises the step of reacting the scandium ions with the cathode, after which the electrolyte bath is subjected to ScF ₃ , AlF ₃ , LiF, NaF, and KF, and the cathode contains aluminum and scandium.

いくつかの実施形態では、Ａｌ－Ｓｃ合金は、５～１２重量％のスカンジウムを含有する。 In some embodiments, the Al—Sc alloy contains 5-12% by weight scandium.

いくつかの実施形態では、Ａｌ－Ｓｃ合金は、８～１２重量％のスカンジウムを含有する。 In some embodiments, the Al—Sc alloy contains 8-12% by weight scandium.

いくつかの実施形態では、カソードにおけるアルミニウム及びスカンジウムの少なくとも一部が液体である。 In some embodiments, at least a portion of the aluminum and scandium at the cathode is liquid.

いくつかの実施形態では、カソードに印加される電流は、０．２～１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有する。 In some embodiments, the current applied to the cathode has a current density of 0.2-1.0 A / cm ² .

いくつかの実施形態では、本方法は、カソードに印加する電流を制御することによって、スカンジウムイオンとアルミニウムイオンとのモル比を、０：１～２：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method adjusts the molar ratio of scandium ions to aluminum ions to a predetermined molar ratio in the range 0: 1 to 2: 1 by controlling the current applied to the cathode. Includes additional steps to maintain.

いくつかの実施形態では、本方法は、カソードに印加する電流を制御するか、または、電解質浴にＳｃ_２Ｏ_３の第２の部分を添加することによって、酸素イオンとフッ化物イオンとのモル比を、１：２０～１：２５０の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method controls the amount of current applied to the cathode or by adding a second portion of Sc ₂ O ₃ to the electrolyte bath to allow the molars of oxygen and fluoride ions. It further comprises the step of maintaining the ratio to a predetermined molar ratio in the range of 1:20 to 1:250.

いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴にＬｉＦの第２の部分を添加することによって、リチウムイオンとスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～４：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method has a molar ratio of lithium ions to scandium and aluminum ions of 0.5: 1 to 4: 1 by adding a second portion of LiF to the electrolyte bath. It further comprises the step of maintaining a predetermined molar ratio in the range.

いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴にＮａＦの第２の部分を添加することによって、ナトリウムイオンとスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method has a molar ratio of sodium ion to scandium and aluminum ions of 0.5: 1 to 6: 1 by adding a second portion of NaF to the electrolyte bath. It further comprises the step of maintaining a predetermined molar ratio in the range.

いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴にＫＦの第２の部分を添加することによって、カリウムイオンとスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method has a molar ratio of potassium ions to scandium and aluminum ions of 0.5: 1 to 6: 1 by adding a second portion of KF to the electrolyte bath. It further comprises the step of maintaining a predetermined molar ratio in the range.

いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴に、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method comprises in an electrolyte bath the second portion of at least one of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and the second portion of at least one of LiF, NaF, and KF. It further comprises the step of adding a portion.

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１７～３８重量％のＳｃＦ_３、１５～２８重量％のＡｌＦ_３、４３～５５重量％のＮａＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF have an electrolyte bath 17 It is added to contain ~ 38% by weight ScF ₃ , 15-28% by weight AlF ₃ , 43-55% by weight NaF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、２２～４５重量％のＳｃＦ_３、１８～３３重量％のＡｌＦ_３、３１～４３重量％のＬｉＦ、及び１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF have an electrolyte bath 22. It is added to contain up to 45% by weight ScF ₃ , 18-33% by weight AlF ₃ , 31-43% by weight LiF, and 1-6% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１４～３２重量％のＳｃＦ_３、１２～２４重量％のＡｌＦ_３、５１～６３重量％のＫＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF have an electrolyte bath. It is added to contain up to 32% by weight ScF ₃ , 12-24% by weight AlF ₃ , 51-63% by weight KF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴に、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。 In some embodiments, the method comprises in an electrolyte bath the second portion of at least one of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ , and at least one of LiF, NaF, and KF. It further comprises the step of adding two second portions.

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１７～３８重量％のＳｃＦ_３、１５～２８重量％のＡｌＦ_３、４３～５５重量％のＮａＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one second portion of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF are electrolytes. The bath is added to contain 17-38% by weight ScF ₃ , 15-28% by weight AlF ₃ , 43-55% by weight NaF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、２２～４５重量％のＳｃＦ_３、１８～３３重量％のＡｌＦ_３、３１～４３重量％のＬｉＦ、及び１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one second portion of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF are electrolytes. The bath is added to contain 22-45% by weight ScF ₃ , 18-33% by weight AlF ₃ , 31-43% by weight LiF, and 1-6% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１４～３２重量％のＳｃＦ_３、１２～２４重量％のＡｌＦ_３、５１～６３重量％のＫＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加される。 In some embodiments, at least one second portion of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF are electrolytes. The bath is added to contain 14-32% by weight ScF ₃ , 12-24% by weight AlF ₃ , 51-63% by weight KF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ .

本開示では、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造は、還元プロセスを用いて行うことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるＡｌ－Ｓｃ合金を製造する還元プロセスは、ＳｃＦ_３及び／またはＡｌＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含み、かつ、カソード及びアノードと電気的に接触している電解質浴中に溶解させたＳｃ_２Ｏ_３の電解還元を含む。いくつかの実施形態では、電解質浴中に溶解したＳｃ_２Ｏ_３の電解還元が進行すると、電解質浴は、ＳｃＦ_３及び／またはＡｌＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む。いくつかの実施形態では、電解質浴は、ＳｃＦ_３及び／またはＡｌＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つと、任意選択で、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、及びＳｒＦ_２のうちの少なくとも１つとを含む。 In the present disclosure, the Al—Sc alloy can be produced by using a reduction process. In some embodiments, the reduction process for producing the Al—Sc alloys described herein comprises ScF ₃ and / or AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF. , Includes electrolytic reduction of Sc ₂ O ₃ dissolved in an electrolyte bath that is in electrical contact with the cathode and anode. In some embodiments, as the electrolytic reduction of Sc ₂ O ₃ dissolved in the electrolyte bath proceeds, the electrolyte bath comprises ScF ₃ and / or AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF. include. In some embodiments, the electrolyte bath is ScF ₃ and / or AlF ₃ , at least one of LiF, NaF, and KF, and optionally at least of MgF ₂ , CaF ₂ , and SrF ₂ . Including one.

いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるカソードは、Ａｌを含む。また、カソードは、Ｓｃ、ＴｉＢ_２、Ｃ（例えばグラファイト）などの追加の金属または導電体、またはそれらの任意の組み合わせをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、還元プロセスの開始時のカソードは、Ａｌ、Ｓｃ、ＴｉＢ_２、Ｃ（例えばグラファイト）などの任意の導電体、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、還元プロセスの開始時のカソードは、Ａｌ及び／またはＳｃをほとんどまたは全く含んでいなくてもよいが、還元プロセスが進行するにしたがって、Ａｌ及び／またはＳｃイオンがカソード上に還元され、これにより、Ａｌ及びＳｃを含むカソード（例えば、Ａｌ－Ｓｃ合金）を形成することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるカソードは、液体状態、固体状態、またはその中間の任意の状態を取り得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるアノードは、ニッケルフェライトなどの任意の導電体、アルミニウム－銅ブロンズなどの高融点アルミニウム金属間化合物、酸化ジルコニウム、炭素（例えばグラファイト）などの任意の導電体、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるアノードは、液体状態または固体状態、またはその中間の任意の状態を取り得る。 In some embodiments, the cathodes described herein comprise Al. Also, the cathode may further comprise an additional metal or conductor such as Sc, TiB ₂ , C (eg graphite), or any combination thereof. In some embodiments, the cathode at the start of the reduction process may include any conductor such as Al, Sc, TiB ₂ , C (eg graphite), or any combination thereof. In some embodiments, the cathode at the start of the reduction process may contain little or no Al and / or Sc, but as the reduction process progresses, Al and / or Sc ions become the cathode. Reduced upwards, which can form a cathode containing Al and Sc (eg, an Al—Sc alloy). In some embodiments, the cathodes described herein can be in a liquid state, a solid state, or any state in between. In some embodiments, the anode described herein is any conductor such as nickel ferrite, any refractory aluminum intermetallic compound such as aluminum-copper bronze, zirconium oxide, any carbon (eg graphite). Conductors of, or any combination thereof. In some embodiments, the anodes described herein can be in a liquid or solid state, or any state in between.

いくつかの実施形態では、ＳｃＦ_３及び／またはＡｌＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴は、様々な範囲の組成を有し得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ_２Ｏ_３を含む例示的なＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約１７～３８重量％のＳｃＦ_３、約１５～２８重量％のＡｌＦ_３、約４３～５５重量％のＮａＦ、及び約１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ_２Ｏ_３を含む例示的なＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約２６．８重量％のＳｃＦ_３、約２４．６重量％のＡｌＦ_３、約４６．６重量％のＮａＦ、及び約２重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。 In some embodiments, the electrolyte bath comprising ScF ₃ and / or AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF may have a variety of compositions. In some embodiments, the approximate bath composition of an exemplary ScF ₃ -AlF ₃ -NaF electrolyte bath containing dissolved Sc ₂ O ₃ is about 17-38% by weight ScF ₃ , about 15-28% by weight. AlF ₃ , about 43-55% by weight NaF, and about 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ . In some embodiments, the approximate bath composition of an exemplary ScF ₃ -AlF ₃ -NaF electrolyte bath containing dissolved Sc ₂ O ₃ is about 26.8% by weight ScF ₃ , about 24.6% by weight. AlF ₃ , about 46.6% by weight NaF, and about 2% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ_２Ｏ_３を含む例示的なＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＬｉＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約２２～４５重量％のＳｃＦ_３、約１８～３３重量％のＡｌＦ_３、約３１～４３重量％のＬｉＦ、及び約１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ_２Ｏ_３を含む例示的なＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＬｉＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約３１．８重量％のＳｃＦ_３、約２９．３重量％のＡｌＦ_３、約３６．３重量％のＬｉＦ、及び約２．６重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。 In some embodiments, the approximate bath composition of an exemplary ScF ₃ -AlF ₃ -LiF electrolyte bath comprising dissolved Sc ₂ O ₃ is about 22-45% by weight ScF ₃ , about 18-33% by weight. AlF ₃ , about 31-43% by weight LiF, and about 1-6% by weight Sc ₂ O ₃ . In some embodiments, the approximate bath composition of an exemplary ScF ₃ -AlF ₃ -LiF electrolyte bath containing dissolved Sc ₂ O ₃ is about 31.8% by weight ScF ₃ , about 29.3% by weight. AlF ₃ , about 36.3% by weight LiF, and about 2.6% by weight Sc ₂ O ₃ .

いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ_２Ｏ_３を含む例示的なＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＫＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約１４～３２重量％のＳｃＦ_３、約１２～２４重量％のＡｌＦ_３、約５１～６３重量％のＫＦ、及び約１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ_２Ｏ_３を有する例示的なＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＫＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約２１．９重量％のＳｃＦ_３、約２０．２重量％のＡｌＦ_３、約５６．０重量％のＫＦ、及び約１．８重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。溶解したＳｃ_２Ｏ_３を含むＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ電解質浴、ＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＬｉＦ電解質浴、またはＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＫＦ電解質浴の使用は、例示目的のために選択されたものであり、他の実施形態及び用途では、電解質浴は、ＳｃＦ_３及び／またはＡｌＦ_３と、溶解したＳｃ_２Ｏ_３を含む、ＮａＦ、ＬｉＦ、及びＫＦの任意の組み合わせとを、本明細書に記載された組成範囲と同様または同等の様々な範囲の組成範囲で含むことができることを理解されたい。 In some embodiments, the approximate bath composition of an exemplary ScF ₃ -AlF ₃ -KF electrolyte bath comprising dissolved Sc ₂ O ₃ is about 14-32% by weight ScF ₃ , about 12-24% by weight. AlF ₃ , about 51-63% by weight KF, and about 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ . In some embodiments, the approximate bath composition of an exemplary ScF ₃ -AlF ₃ -KF electrolyte bath with dissolved Sc ₂ O ₃ is about 21.9% by weight ScF ₃ , about 20.2% by weight. AlF ₃ , about 56.0% by weight KF, and about 1.8% by weight Sc ₂ O ₃ . The use of the ScF ₃ -AlF ₃ -NaF electrolyte bath, the ScF ₃ -AlF ₃ -LiF electrolyte bath, or the ScF ₃ -AlF ₃ -KF electrolyte bath containing the dissolved Sc ₂ O ₃ was selected for illustrative purposes. In other embodiments and applications, the electrolyte bath comprises ScF ₃ and / or AlF ₃ with any combination of NaF, LiF, and KF, including dissolved Sc ₂ O ₃ . It should be understood that it can be included in a variety of composition ranges similar to or equivalent to those described in.

いくつかの実施形態では、本明細書に記載される金属熱反応プロセスと電解反応プロセスとを組み合わせた組み合わせ型還元プロセスは、Ｓｃ_２Ｏ_３を高収率で直接使用することができ、これにより、Ａｌ－Ｓｃ合金を製造するための原材料コストを最小限に抑えることができる。例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３は、約８０～１００％という高収率で使用することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される還元プロセスは、Ａｌ－Ｓｃ合金製造のためにアルミニウムのすべてまたは大部分の還元を伴うプロセスと比較して、より低い電流で、かつ、より少ない及び／またはより小さい還元槽で実施することができる。 In some embodiments, the combined reduction process combining the metallic thermal reaction process and the electrolytic reaction process described herein can directly use Sc ₂ O ₃ in high yield. , The raw material cost for producing the Al—Sc alloy can be minimized. For example, Sc ₂ O ₃ can be used in high yields of about 80-100%. In some embodiments, the reduction process described herein has a lower current and is more than a process involving reduction of all or most of aluminum for the production of Al—Sc alloys. It can be carried out in less and / or smaller reduction tanks.

いくつかの実施形態では、本明細書に記載される還元プロセスは、上述の他のＡｌ－Ｓｃ合金製造プロセスと比較して、より少ない工程数で実施することができる。例えば、本明細書に記載される還元プロセスは、Ａｌ－Ｓｃ合金を製造する還元工程と、製造されたＡｌ－Ｓｃ合金を鋳型内に鋳造する工程との２つの工程を含み得る。比較として、Ｃａ及び／またはＭｇを使用してＡｌ－Ｓｃ合金を製造する方法では、Ｃａ及び／またはＭｇ成分を含有するＡｌ－Ｓｃ合金が製造される。例えば、Ｃａ及び／またはＭｇを使用してＡｌ－Ｓｃ合金を製造する方法では、製造されたＡｌ－Ｓｃ合金からＣａ及び／またはＭｇ成分を除去する余分な工程が必要となる。別の比較として、いくつかのＡｌ－Ｓｃ合金製造方法では、高温でＳｃ_２Ｏ_３をＨＦなどの酸と反応させてＳｃＦ_３を生成し、次いで、生成したＳｃＦ_３をＡｌと反応させてＡｌ－Ｓｃ合金を製造するフッ素化工程を含む。例えば、このようなＡｌ－Ｓｃ合金製造方法では、余分なフッ素化工程が必要となる。 In some embodiments, the reduction process described herein can be performed with a smaller number of steps as compared to the other Al—Sc alloy manufacturing processes described above. For example, the reduction process described herein may include two steps: a reduction step of producing an Al—Sc alloy and a step of casting the produced Al—Sc alloy into a mold. As a comparison, in the method of producing an Al—Sc alloy using Ca and / or Mg, an Al—Sc alloy containing a Ca and / or Mg component is produced. For example, the method of producing an Al—Sc alloy using Ca and / or Mg requires an extra step of removing the Ca and / or Mg component from the produced Al—Sc alloy. As another comparison, in some Al—Sc alloy production methods, Sc ₂ O ₃ is reacted with an acid such as HF to produce ScF ₃ at high temperatures, and then the produced ScF ₃ is reacted with Al to form Al. -Includes a fluorination step to produce Sc alloys. For example, such an Al—Sc alloy manufacturing method requires an extra fluorination step.

いくつかの実施形態では、本明細書に記載される組み合わせ型還元プロセスは、約０～１２重量％、約１～１２重量％、約２～１２重量％、約３～１２重量％、約４～１２重量％、約５～１２重量％、約６～１２重量％、約８～１２重量％、約０～１０重量％、約１～１０重量％、約２～１０重量％、約３～１０重量％、約４～１０重量％、約５～１０重量％、約６～１０重量％、約０～８重量％、約１～８重量％、約２～８重量％、約３～８重量％、約４～８重量％、または、好ましくは約５～８重量％のＳｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される組み合わせ型還元プロセスは、下記の３つの要因の組み合わせに基づいて、約１２重量％という高いＳｃ含有量を有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、第１の要因は、電解質浴中のＳｃＦ_３の濃度であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、電解質浴中のＳｃＦ_３の濃度が高いことが、高いＳｃ含有量を有するＡｌ－Ｓｃ合金の製造を可能にする１つの要因であり得る。いくつかの実施形態では、第２の要因は、温度であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、高温が、高いＳｃ含有量を有するＡｌ－Ｓｃ合金の製造を可能にする１つの要因であり得る。参照として、図１は、約１重量％のＳｃでは、液相温度が約７００°Ｃであり、約２重量％のＳｃでは、液相温度が約８００°Ｃであり、約１２重量％のＳｃでは、液相温度が約１０００°Ｃであり得ることを示す、アルミニウム－スカンジウム相図である。いくつかの実施形態では、第３の要因は、電流密度であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、電解質浴中の電流密度が高いことが、高いＳｃ含有量を有するＡｌ－Ｓｃ合金の製造を可能にする１つの要因であり得る。 In some embodiments, the combinatorial reduction process described herein is about 0-12% by weight, about 1-12% by weight, about 2-12% by weight, about 3-12% by weight, about 4. ~ 12% by weight, about 5-12% by weight, about 6-12% by weight, about 8-12% by weight, about 0-10% by weight, about 1-10% by weight, about 2-10% by weight, about 3 ~ 10% by weight, about 4-10% by weight, about 5-10% by weight, about 6-10% by weight, about 0-8% by weight, about 1-8% by weight, about 2-8% by weight, about 3-8. It is possible to produce an Al—Sc alloy containing Sc in% by weight, about 4-8% by weight, or preferably about 5-8% by weight. In some embodiments, the combined reduction process described herein is to produce an Al—Sc alloy with a high Sc content of about 12% by weight based on a combination of the following three factors: Can be done. In some embodiments, the first factor may be the concentration of ScF ₃ in the electrolyte bath. For example, in some embodiments, the high concentration of ScF ₃ in the electrolyte bath may be one factor that enables the production of Al—Sc alloys with high Sc content. In some embodiments, the second factor can be temperature. For example, in some embodiments, high temperature may be one factor that allows the production of Al—Sc alloys with high Sc content. For reference, FIG. 1 shows that at about 1% by weight Sc, the liquid phase temperature is about 700 ° C, and at about 2% by weight Sc, the liquid phase temperature is about 800 ° C, about 12% by weight. In Sc, it is an aluminum-scandium phase diagram showing that the liquid phase temperature can be about 1000 ° C. In some embodiments, the third factor may be the current density. For example, in some embodiments, the high current density in the electrolyte bath may be one factor that enables the production of Al—Sc alloys with high Sc content.

いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解質浴中のＡｌＦ_３は、１以上の目的を果たすことができる。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＡｌＦ_３は、浴密度のバランスを取るか、または浴密度を維持することができる。例えば、ＡｌＦ_３をより多く有するＡｌＦ_３－ＳｃＦ_３電解質浴は、ＳｃＦ_３をより多く有する電解質浴と比べて浴密度を低下させることができる。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＡｌＦ_３は、電解還元のためのＡｌイオンを提供することによって、電解質浴中のＳｃＦ_３とＡｌカソードとの間の金属熱反応のバランスを取るのを助けることができる。いくつかの実施形態では、任意選択で、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、及びＳｒＦ_２のうちの少なくとも１つを本明細書に記載される電解質浴に添加することにより、例えば、浴密度のバランスを取るか、または浴密度を維持することができる。 In some embodiments, AlF ₃ in the electrolyte bath described herein can serve one or more purposes. In some embodiments, AlF ₃ in the electrolyte bath can balance the bath density or maintain the bath density. For example, an AlF ₃ -ScF ₃ electrolyte bath having more AlF ₃ can reduce the bath density as compared to an electrolyte bath having more ScF ₃ . In some embodiments, AlF ₃ in the electrolyte bath balances the metallic thermal reaction between ScF ₃ and the Al cathode in the electrolyte bath by providing Al ions for electrolytic reduction. I can help. In some embodiments, the bath density is, for example, balanced by optionally adding at least one of MgF ₂ , CaF ₂ , and SrF ₂ to the electrolyte baths described herein. Or the bath density can be maintained.

いくつかの実施形態では、浴密度に応じて、Ａｌ及びＳｃを含むアノードを電解質浴中に浸漬するか、または、電解質浴上に浮かせることができる。例えば、浴密度が、カソード（例えば、液体Ａｌ－Ｓｃ合金を含むカソード）の密度よりも高い場合は、カソードは電解質浴上に浮かせることができる。別の例では、カソード（例えば、液体Ａｌ－Ｓｃ合金を含むカソード）密度が、浴密度よりも高い場合には、カソードは電解質浴中に浸漬することができる。いくつかの実施形態では、カソードを電解質浴中に浸漬させた状態に維持することが好ましくあり得る。他の実施形態では、カソードを電解質浴上に浮かせた状態に維持することが好ましくあり得る。 In some embodiments, depending on the bath density, the anode containing Al and Sc can be immersed in the electrolyte bath or floated on the electrolyte bath. For example, if the bath density is higher than the density of the cathode (eg, the cathode containing the liquid Al—Sc alloy), the cathode can be floated on the electrolyte bath. In another example, if the cathode (eg, cathode containing a liquid Al—Sc alloy) density is higher than the bath density, the cathode can be immersed in the electrolyte bath. In some embodiments, it may be preferable to keep the cathode immersed in an electrolyte bath. In other embodiments, it may be preferable to keep the cathode floating on the electrolyte bath.

図２は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金を製造するための還元槽２００を示す。いくつかの実施形態では、還元槽２００は、ＳｃＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴２１０からプロセスを開始することによって、Ａｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、プロセス開始時には、図２のカソード２２０は、液体アルミニウムを含み、図２のアノード２３０は、カーボングラファイトを含む。いくつかの実施形態では、図２に示すように、Ｓｃ_２Ｏ_３を還元槽２００に添加し、金属熱還元下で還元して、Ｓｃ^３＋をＡｌカソード２２０に堆積させることにより、最大で約１２重量％のＳｃ含有量を有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、金属熱還元を続けるにしたがって、電解質浴２１０中の総Ｓｃ含有量は、例えば、電解質浴中に最初から存在するＳｃＦ_３と、カソードのＡｌ金属との間の金属熱反応に起因して、経時的に減少する。いくつかの実施形態では、電解質浴２１０中のＯ^２－はアノード２３０と反応し、アノード２３０が炭素を含む場合、この反応によってＣＯ_２ガスが生成される。 FIG. 2 shows a reduction tank 200 for producing an aluminum-scandium (Al-Sc) alloy according to an embodiment of the present disclosure. In some embodiments, the reduction tank 200 may produce an Al—Sc alloy by starting the process from an electrolyte bath 210 containing ScF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF. can. In some embodiments, at the start of the process, the cathode 220 of FIG. 2 comprises liquid aluminum and the anode 230 of FIG. 2 comprises carbon graphite. In some embodiments, as shown in FIG. 2, Sc ₂ O ₃ is added to the reduction tank 200 and reduced under metallic heat reduction to deposit Sc ³⁺ on the Al cathode 220, up to about about. An Al—Sc alloy having a Sc content of 12% by weight can be produced. In some embodiments, as metal heat reduction continues, the total Sc content in the electrolyte bath 210 is, for example, the metal heat between ScF ₃ pre-existing in the electrolyte bath and the Al metal of the cathode. Due to the reaction, it decreases over time. In some embodiments, O ^2- in the electrolyte bath 210 reacts with the anode 230, and if the anode 230 contains carbon, this reaction produces CO ₂ gas.

いくつかの実施形態では、年間約５００トンのＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができるＡｌ－Ｓｃ合金製造プラントでは、年間約１０トンのスカンジウムを電気分解することができ、このためには、例えば、すべての還元槽で約３０００アンペアの総電流が必要となる。電流効率及び電解利用率がより低い同様のプラントでは、すべての還元槽で約７０００アンペアの総電流が必要となる。 In some embodiments, an Al—Sc alloy manufacturing plant capable of producing about 500 tonnes of Al—Sc alloy per year can electrolyze about 10 tonnes of scandium per year, for example, for example. , All reduction tanks require a total current of about 3000 amps. Similar plants with lower current efficiency and electrolysis utilization require a total current of about 7000 amps for all reduction tanks.

図３は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金を製造するための別の還元槽３００を示す。いくつかの実施形態では、還元槽３００は、ＡｌＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴３１０からプロセスを開始することによって、Ａｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、プロセス開始時には、図３のカソード３２０は、ＡｌまたはＳｃをほとんどまたは全く含まない。いくつかの実施形態では、図３のアノード３３０は、カーボングラファイトを含む。いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３を還元槽３００に添加し、電気分解によってＳｃと共にＡｌの還元を続けると、電解質浴３１０中の総Ｓｃ含有量は経時的増加する。例えば、供給酸化物はＳｃ_２Ｏ_３であり、電気分解によって電解質浴中のＡｌイオンを消費するので、電気分解はＳｃ_２Ｏ_３の供給速度よりも遅い速度でＳｃを消費する。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＯ^２－はアノード３３０と反応し、アノード３３０が炭素を含む場合、この反応によってＣＯ_２ガスが生成される。いくつかの実施形態では、還元槽３００における還元プロセスは、標準的なアルミニウム製造セルを使用して、ほとんどまたは全く変更を加えることなく実施することができる。 FIG. 3 shows another reduction tank 300 for producing an aluminum-scandium (Al-Sc) alloy according to an embodiment of the present disclosure. In some embodiments, the reduction tank 300 can produce an Al—Sc alloy by starting the process from an electrolyte bath 310 containing AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF. can. In some embodiments, at the start of the process, the cathode 320 of FIG. 3 contains little or no Al or Sc. In some embodiments, the anode 330 in FIG. 3 comprises carbon graphite. In some embodiments, when Sc ₂ O ₃ is added to the reduction tank 300 and the reduction of Al with Sc is continued by electrolysis, the total Sc content in the electrolyte bath 310 increases over time. For example, the feed oxide is Sc ₂ O ₃ , which consumes Al ions in the electrolyte bath by electrolysis, so that electrolysis consumes Sc at a rate slower than the supply rate of Sc ₂ O ₃ . In some embodiments, O ^2- in the electrolyte bath reacts with the anode 330, and if the anode 330 contains carbon, this reaction produces CO ₂ gas. In some embodiments, the reduction process in the reduction tank 300 can be performed using standard aluminum production cells with little or no modification.

図４は、本開示の実施形態によるアルミニウム－スカンジウム合金を製造するための平衡型還元槽４００を示す。いくつかの実施形態では、図４の還元槽４００に示すように、図２及び図３に示した電解採取プロセスを組み合わせてバランスを取り、より好ましい態様でＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、アルミニウムを含むカソードに純Ｓｃを電解採取するプロセスと比較した場合、還元槽４００に示すような、組み合わされ平衡化されたプロセスは、実質的に同一のＡｌ及びＳｃ含有量（または、実質的に同一のＡｌとＳｃとの比率）を有する実質的に同一のＡｌ－Ｓｃ合金を製造するために、より多くの電流及びより多くの製造セルを必要とする。 FIG. 4 shows an equilibrium type reduction tank 400 for producing an aluminum-scandium alloy according to the embodiment of the present disclosure. In some embodiments, as shown in the reduction tank 400 of FIG. 4, the electrowinning processes shown in FIGS. 2 and 3 can be combined and balanced to produce an Al—Sc alloy in a more preferred embodiment. .. In some embodiments, the combined and equilibrated process, as shown in the reduction tank 400, contains substantially the same Al and Sc when compared to the process of electrowinning pure Sc to a cathode containing aluminum. More current and more production cells are required to produce substantially the same Al—Sc alloy with the amount (or the ratio of substantially the same Al to Sc).

いくつかの実施形態では、還元槽４００は、ＳｃＦ_３及び／またはＡｌＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴４１０から開始することによって、Ａｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、還元槽４００は、最大で約１２重量％のＳｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、図４のカソード４２０は、液体状態のアルミニウムを含み、図４のアノード４３０は、カーボングラファイトを含む。いくつかの実施形態では、図４に示すように、Ｓｃ_２Ｏ_３を還元槽４００に添加し、Ｓｃ_２Ｏ_３を電解還元することにより、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｃ_２Ｏ_３を共還元することができ、これにより、約９９重量％のＳｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金を、約３重量％のＳｃを有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造し、その後、Ｓｃ含有量がより少ない希釈されたＡｌ－Ｓｃ合金にすることができる。例えば、この共還元アプローチは、Ａｌカソード４２０を使用して、Ａｌ－Ｓｃ合金の製造時に、その場でＡｌ－Ｓｃ合金を２重量％まで希釈してもよいし、または、還元後に別のＡｌ希釈法を用いてもよい。いくつかの実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３を添加せずに、アルミニウム及びＳｃ_２Ｏ_３からＡｌ－Ｓｃ合金を製造する場合（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を添加せずにＳｃ_２Ｏ_３を供給する場合）、金属熱及び電解反応に起因するアルミニウムフラックスは、電解質浴と金属との間での正味のアルミニウム移動が比較的少なくなるように、バランスを取ることができる。
全体的な電気分解反応は、下記の通りである。
Ａｌ_２Ｏ_３（浴）＋Ｃ（アノード）→２Ａｌ（金属）＋３／２ＣＯ_２（ガス） （１）
金属熱反応は、下記の通りである。
Ａｌ（金属）＋Ｓｃ^３＋（浴）→Ａｌ^３＋（浴）＋Ｓｃ（金属） （２） In some embodiments, the reduction tank 400 produces an Al—Sc alloy by starting with an electrolyte bath 410 containing ScF ₃ and / or AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF. can do. In some embodiments, the reduction tank 400 can produce an Al—Sc alloy containing up to about 12% by weight Sc. In some embodiments, the cathode 420 of FIG. 4 comprises aluminum in a liquid state and the anode 430 of FIG. 4 comprises carbon graphite. In some embodiments, as shown in FIG. 4, Sc ₂ O ₃ is added to the reduction tank 400 and Sc ₂ O ₃ is electrolytically reduced to co-reduce Al ₂ O ₃ and Sc ₂ O ₃ . This can produce an Al—Sc alloy containing about 99% by weight Sc, an Al—Sc alloy having about 3% by weight Sc, followed by a diluted Al with a lower Sc content. -Can be Sc alloy. For example, this co-reduction approach may use the Al cathode 420 to dilute the Al—Sc alloy in situ to 2% by weight during the production of the Al—Sc alloy, or another Al after reduction. A dilution method may be used. In some embodiments, when an Al—Sc alloy is produced from aluminum and Sc ₂ O ₃ without the addition of Al ₂ O ₃ (eg, Sc ₂ O ₃ is supplied without the addition of Al ₂ O ₃ ). The aluminum flux resulting from the metal heat and the electrolytic reaction can be balanced so that the net aluminum transfer between the electrolyte bath and the metal is relatively low.
The overall electrolysis reaction is as follows.
Al ₂ O ₃ (bath) + C (anode) → 2Al (metal) + 3 / 2CO ₂ (gas) (1)
The metal thermal reaction is as follows.
Al (metal) + Sc ³⁺ (bath) → Al ³⁺ (bath) + Sc (metal) (2)

いくつかの実施形態では、還元プロセスにおける還元槽中のアルミニウム及びスカンジウムは、通常、酸化物分子または単純な３＋イオンとしては存在せず、共有結合された複合アニオンまたはカチオンのメンバーとして、酸化物またはフッ化物イオンと共に存在し、各複合イオン内のアルミニウム及びスカンジウムは、通常、３＋酸化状態で存在する。したがって、いくつかの実施形態では、還元槽４００が略定常状態に達すると、アルミニウムカチオンの金属合金への電気分解の平均速度は、金属熱反応による金属から電解質浴へのアルミニウムカチオン移動の平均速度とほぼ同じか等しくなる。 In some embodiments, aluminum and scandium in the reduction tank in the reduction process are not usually present as oxide molecules or simple 3+ ions, but as members of covalently bonded composite anions or cations, oxides or Existing with fluoride ions, aluminum and scandium in each complex ion usually exist in a 3+ oxidized state. Therefore, in some embodiments, when the reduction tank 400 reaches a substantially steady state, the average rate of electrolysis of aluminum cations into a metal alloy is the average rate of transfer of aluminum cations from the metal to the electrolyte bath by the metal thermal reaction. Is about the same as or equal to.

いくつかの実施形態では、例えば、図４の還元槽４００に示すように、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持されるいくつかの変数が存在し得る。いくつかの実施形態では、実質的に一定の浴組成は、Ａｌ－Ｓｃ合金の定常還元製造を容易にし、実質的に一定のＡｌ－Ｓｃ合金製品組成物を達成するのを助けることができる。 In some embodiments, for example, as shown in the reduction tank 400 of FIG. 4, the balance is balanced to achieve a constant bath composition (eg, ScF ₃ -AlF ₃ -NaF bath in which Sc ₂ O ₃ is dissolved). There can be some variables that are taken or maintained. In some embodiments, a substantially constant bath composition can facilitate constant reduction production of the Al—Sc alloy and help achieve a substantially constant Al—Sc alloy product composition.

いくつかの実施形態では、Ｏ：Ｆアニオン比が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＯ：Ｆアニオンのモル比は、約１：２０～約１：２５０、約１：４０～約１：２５０、約１：６０～約１：２５０、約１：６０～約１：２００、約１：６０～約１：１５０、好ましくは約１：６０～約１：１００、好ましくは約１：１００であり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中のフッ化物含有量は比較的一定であり、酸素含有量は、Ｓｃ_２Ｏ_３の供給速度と、アノードでの酸素消費量との間のバランスにしたがって変化し得る。いくつかの実施形態では、定電圧での電流減衰及び／または定電流での電圧増加は、供給速度を変更することが望ましい時期、及び、そのときの供給速度を変更する程度を示す制御信号として機能することができる。 In some embodiments, the O: F anion ratio is balanced or maintained to achieve a constant bath composition (eg, ScF ₃ -AlF ₃ -NaF bath in which Sc ₂ O ₃ is dissolved). It can be one of the variables. In some embodiments, the molar ratio of O: F anions in the electrolyte bath is about 1:20 to about 1: 250, about 1:40 to about 1: 250, about 1:60 to about 1: 250, It can be about 1:60 to about 1: 200, about 1:60 to about 1: 150, preferably about 1:60 to about 1: 100, preferably about 1: 100. In some embodiments, the fluoride content in the electrolyte bath is relatively constant and the oxygen content varies according to the balance between the supply rate of Sc ₂ O ₃ and the oxygen consumption at the anode. Can be. In some embodiments, current attenuation at a constant voltage and / or voltage increase at a constant voltage is used as a control signal to indicate when it is desirable to change the supply rate and to what extent the supply rate is changed at that time. Can function.

いくつかの実施形態では、Ｓｃ：Ａｌカチオン比が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３を溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＳｃ：Ａｌカチオンのモル比は、約０：１～約２：１、約０．５：１～約１．５：１、好ましくは約１：１であり得る。いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３の供給速度、金属熱反応の相対速度、及び電解反応の相対速度により、上記のモル比を制御または維持することができる。いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３の供給速度は、固定及び／または一定であり得る。いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３の供給速度は一定でなくてもよく、Ｓｃ_２Ｏ_３は電解質浴に一気に添加することができる。いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３の供給速度は、電解質浴中の酸化物濃度の測定に基づいて調節／決定することができる。いくつかの実施形態では、電解質浴に、電解質浴中の酸化物濃度を示す信号を送信するように構成された酸化物濃度分析器が設けられ、これにより、Ｓｃ_２Ｏ_３を適宜添加することによって、Ｓｃ：Ａｌカチオン比を調節することが可能となる。いくつかの実施形態では、Ｓｃ_２Ｏ_３の供給速度は、還元槽のサイズなどのＡｌ－Ｓｃ合金製造規模の全体的スケールに基づいて調節／決定することができる。 In some embodiments, the Sc: Al cation ratio is balanced or maintained to achieve a constant bath composition (eg, ScF ₃ -AlF ₃ -NaF bath in which Sc ₂ O ₃ is dissolved). It can be one of the variables. In some embodiments, the molar ratio of Sc: Al cations in the electrolyte bath is about 0: 1 to about 2: 1, about 0.5: 1 to about 1.5: 1, preferably about 1: 1. Can be. In some embodiments, the molar ratio described above can be controlled or maintained by the supply rate of Sc ₂ O3 _, the relative rate of the metal thermal reaction, and the relative rate of the electrolytic reaction. In some embodiments, the supply rate of Sc ₂ O ₃ can be fixed and / or constant. In some embodiments, the supply rate of Sc ₂ O ₃ does not have to be constant and Sc ₂ O ₃ can be added to the electrolyte bath at once. In some embodiments, the supply rate of Sc ₂ O ₃ can be adjusted / determined based on the measurement of the oxide concentration in the electrolyte bath. In some embodiments, the electrolyte bath is provided with an oxide concentration analyzer configured to transmit a signal indicating the oxide concentration in the electrolyte bath, whereby Sc ₂ O ₃ is added as appropriate. Allows the Sc: Al cation ratio to be adjusted. In some embodiments, the supply rate of Sc ₂ O ₃ can be adjusted / determined based on the overall scale of Al—Sc alloy production scale, such as the size of the reduction tank.

いくつかの実施形態では、図３に示すように、金属熱反応により、Ａｌを金属から電解質浴へ、Ｓｃを電解質浴から金属へ移動させることができる。例えば、電解反応は、Ａｌ及びＳｃの両方を、電解質浴から金属へ移動させることができる。したがって、例えば、電流を増加させると、金属熱反応に比べて電気分解反応がより多くなり、Ａｌに比べて浴中のＳｃがより少なくなる。いくつかの実施形態では、ＡｌはＳｃよりも電気陰性度が高いので、カソード電流密度を増加させると、カソードで還元されるＳｃ^３＋のＡｌ^３＋に対する比率がより高くなり、これにより、電解質浴中のＳｃの濃度はＡｌよりも低くなる。したがって、いくつかの実施形態では、電流を使用して、Ｓｃ：Ａｌカチオン比を調節することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも０．１アンペア／ｃｍ^２（Ａ／ｃｍ^２）、少なくとも０．２Ａ／ｃｍ^２、少なくとも０．３Ａ／ｃｍ^２、または好ましくは少なくとも０．４Ａ／ｃｍ^２の電流密度を電解反応に適用することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも０．５Ａ／ｃｍ^２、少なくとも０．６Ａ／ｃｍ^２、少なくとも０．７Ａ／ｃｍ^２、少なくとも０．８Ａ／ｃｍ^２、少なくとも０．９Ａ／ｃｍ^２、または少なくとも１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度を電解反応に適用することができる。いくつかの実施形態では、約０．１～３．０Ａ／ｃｍ^２、約０．１～２．０Ａ／ｃｍ^２、約０．１～１．０Ａ／ｃｍ^２、約０．１～０．８Ａ／ｃｍ^２、約０．１～０．６Ａ／ｃｍ^２、約０．２～３．０Ａ／ｃｍ^２、約０．２～２．０Ａ／ｃｍ^２、約０．２～１．０Ａ／ｃｍ^２、約０．２～０．６Ａ／ｃｍ^２、約０．３～３．０Ａ／ｃｍ^２、約０．３～２．０Ａ／ｃｍ^２、約０．３～１．０Ａ／ｃｍ^２、約０．３～０．８Ａ／ｃｍ^２、約０．３～０．６Ａ／ｃｍ^２、または好ましくは約０．４Ａ／ｃｍ^２の電流密度を電解反応に適用することができる。いくつかの実施形態では、例えば、還元槽の電流効率、または全体的なＡｌ－Ｓｃ合金製造操作が、電解電流の最適範囲を決定するための要因であり得る。いくつかの実施形態では、ＣＦ４またはスラッジ層を生成することなくＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる電流を印加することが望ましい。いくつかの実施形態では、比率の制御／バランス取りは、電解質浴及び／または金属組成の測定によって支援することができ、このことは、例えば、Ｘ線蛍光分光法（ＸＲＦ）またはレーザ誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）を用いて行うことができる。 In some embodiments, as shown in FIG. 3, Al can be transferred from the metal to the electrolyte bath and Sc can be transferred from the electrolyte bath to the metal by a metal thermal reaction. For example, the electrolytic reaction can transfer both Al and Sc from the electrolyte bath to the metal. Therefore, for example, when the current is increased, the electrolysis reaction becomes larger as compared with the metal thermal reaction, and Sc in the bath becomes smaller as compared with Al. In some embodiments, Al has a higher electronegativity than Sc, so increasing the cathode current density results in a higher ratio of Sc ³⁺ reduced at the cathode to Al ³⁺ , which results in an electrolyte bath. Sc concentration is lower than Al. Therefore, in some embodiments, an electric current can be used to regulate the Sc: Al cation ratio. In some embodiments, currents of at least 0.1 amp / cm ² (A / cm ² ), at least 0.2 A / cm ² , at least 0.3 A / cm ² , or preferably at least 0.4 A / cm ² . The density can be applied to the electrolytic reaction. In some embodiments, at least 0.5 A / cm ² , at least 0.6 A / cm ² , at least 0.7 A / cm ² , at least 0.8 A / cm ² , at least 0.9 A / cm ² , or at least 1. A current density of .0 A / cm ² can be applied to the electrolytic reaction. In some embodiments, about 0.1-3.0 A / cm ² , about 0.1-2.0 A / cm ² , about 0.1-1.0 A / cm ² , about 0.1-0. 8A / cm ² , about 0.1-0.6A / cm ² , about 0.2-3.0A / cm ² , about 0.2-2.0A / cm ² , about 0.2-1.0A / cm ² , about 0.2 to 0.6 A / cm ² , about 0.3 to 3.0 A / cm ² , about 0.3 to 2.0 A / cm ² , about 0.3 to 1.0 A / cm ² , About 0.3-0.8 A / cm ² , about 0.3-0.6 A / cm ² , or preferably about 0.4 A / cm ² , can be applied to the electrolytic reaction. In some embodiments, for example, the current efficiency of the reduction tank, or the overall Al—Sc alloy manufacturing operation, may be a factor in determining the optimum range of electrolytic current. In some embodiments, it is desirable to apply a current that can produce an Al—Sc alloy without forming a CF4 or sludge layer. In some embodiments, ratio control / balancing can be assisted by measuring the electrolyte bath and / or metal composition, which can be, for example, X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) or laser-induced breakdown. It can be done using spectroscopy (LIBS).

いくつかの実施形態では、ナトリウムイオンのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ））が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中の氷晶石モル比Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ）は、約０．５：１～約６：１、約１：１～約４：１、約１．５：１～３：１、好ましくは約２：１に維持される。いくつかの実施形態では、フッ化物のように、ナトリウムは比較的受動的なバイスタンダーであり得るが、蒸発させることによって、ＳｃＦ_３またはＡｌＦ_３よりも迅速に電解質浴から除去することができる。したがって、いくつかの実施形態では、氷晶石比Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の制御／バランス取りは、過剰なＮａＦを供給し、浴組成を測定することを含む。 In some embodiments, the cryolite ratio of sodium ions to scandium and aluminum ions (Na: (Sc + Al)) has a constant bath composition (eg, ScF ₃ -AlF ₃ -NaF in which Sc ₂ O ₃ is dissolved). It can be one of the variables that is balanced or maintained to achieve (bath). In some embodiments, the cryolite molar ratio Na: (Sc + Al) in the electrolyte bath is about 0.5: 1 to about 6: 1, about 1: 1 to about 4: 1, about 1.5 :. It is maintained at 1 to 3: 1, preferably about 2: 1. In some embodiments, like fluoride, sodium can be a relatively passive bystander, but by evaporation it can be removed from the electrolyte bath more quickly than ScF ₃ or AlF ₃ . Thus, in some embodiments, controlling / balancing the cryolite ratio Na: (Sc + Al) comprises supplying excess NaF and measuring bath composition.

いくつかの実施形態では、リチウムイオンのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ））が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＬｉＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中の氷晶石モル比Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ）は、約０．５：１～約４：１、約１：１～約３：１、約１．５：１～３：１、好ましくは約２：１に維持される。いくつかの実施形態では、氷晶石比Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の制御／バランス取りは、過剰なＬｉＦを供給し、浴組成を測定することを含む。 In some embodiments, the ratio of lithium ions to scandium and aluminum ions (Li: (Sc + Al)) has a constant bath composition (eg, ScF ₃ -AlF ₃ -LiF in which Sc ₂ O ₃ is dissolved). It can be one of the variables that is balanced or maintained to achieve (bath). In some embodiments, the cryolite molar ratio Li: (Sc + Al) in the electrolyte bath is about 0.5: 1 to about 4: 1, about 1: 1 to about 3: 1, about 1.5 :. It is maintained at 1 to 3: 1, preferably about 2: 1. In some embodiments, controlling / balancing the cryolite ratio Li: (Sc + Al) comprises supplying excess LiF and measuring bath composition.

いくつかの実施形態では、カリウムイオンのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｋ：（Ｓｃ＋Ａｌ））は、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３を溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＫＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中の氷晶石モル比Ｋ：（Ｓｃ＋Ａｌ）は、約０．５：１～約６：１、約１：１～約４：１、約１．５：１～３：１、好ましくは約２：１に維持される。いくつかの実施形態では、氷晶石比Ｋ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の制御／バランス取りは、過剰なＫＦを供給し、浴組成を測定することを含む。氷晶石比Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ）、Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ）、及びＫ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の使用は、例示目的のために選択されたものであり、他の実施形態及び用途では、Ｎａ、Ｌｉ、及び／またはＫ、またはそれらの任意の組み合わせのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、またはそれらの任意の組み合わせ）：（Ｓｃ＋Ａｌ）が、本明細書に記載された比範囲と同様または同等の比範囲で選択できることを理解されたい。 In some embodiments, the cryolite ratio of potassium ions to scandium and aluminum ions (K: (Sc + Al)) has a constant bath composition (eg, ScF ₃ -AlF ₃ -KF in which Sc ₂ O ₃ is dissolved. It can be one of the variables that is balanced or maintained to achieve (bath). In some embodiments, the cryolite molar ratio K: (Sc + Al) in the electrolyte bath is about 0.5: 1 to about 6: 1, about 1: 1 to about 4: 1, about 1.5 :. It is maintained at 1 to 3: 1, preferably about 2: 1. In some embodiments, controlling / balancing the cryolite ratio K: (Sc + Al) comprises supplying excess KF and measuring bath composition. The use of cryolite ratios Na: (Sc + Al), Li: (Sc + Al), and K: (Sc + Al) has been selected for illustrative purposes, and in other embodiments and applications, Na, Li, And / or K, or any combination thereof, to the ratio of cryolite to scandium and aluminum ions (Na, Li, K, or any combination thereof): (Sc + Al) is the ratio described herein. It should be understood that the range can be selected in the same or equivalent ratio range.

いくつかの実施形態では、還元槽（例えば、図４の還元槽４００）内の浴組成は、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ浴、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＬｉＦ浴、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＫＦ浴、または、Ｓｃ_２Ｏ_３が溶解したＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－Ｌｉ、ＮａＦ、ＫＦの任意の組み合わせの浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。本明細書に記載されるように、いくつかの実施形態では、浴組成は、約１７～３８重量％のＳｃＦ_３、約１５～２８重量％のＡｌＦ_３、約４３～５５重量％のＮａＦ、及び約１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり；好ましくは、約２６．８重量％のＳｃＦ_３、約２４．６重量％のＡｌＦ_３、約４６．６重量％のＮａＦ、及び約２重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。いくつかの実施形態では、浴組成は、約２２～４５重量％のＳｃＦ_３、約１８～３３重量％のＡｌＦ_３、約３１～４３重量％のＬｉＦ、及び約１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。いくつかの実施形態では、浴組成は、約１４～３２重量％のＳｃＦ_３、約１２～２４重量％のＡｌＦ_３、約５１～６３重量％のＫＦ、及び約１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。いくつかの実施形態では、蒸発及び金属除去は、電解質浴の総含有量及び還元槽内の濃度を減少させることができる。いくつかの実施形態では、例えば、生成物を除去するときに還元槽から除去された電解質浴の一部を、汚染を防ぐことができる方法で回収して、還元槽に戻すことも可能であり得る。いくつかの実施形態では、ＡｌＦ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＮａＦ、ＬｉＦ、及び／またはＫＦを電解質浴中に供給し、その場でＳｃＦ_３を生成することにより、浴組成を維持することができる。いくつかの実施形態では、ＡｌＦ_３、ＳｃＦ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＮａＦ、ＬｉＦ、及び／またはＫＦを電解質浴中に供給して、電解質浴の量及び組成を維持し、蒸発及び金属除去に起因する損失に対するバランスを取ることができる。 In some embodiments, the bath composition in the reduction tank (eg, reduction tank 400 in FIG. 4) is a constant bath composition (eg, ScF ₃ -AlF ₃ -NaF bath in which Sc ₂ O ₃ is dissolved, Sc ₂ ScF ₃ -AlF 3-LiF bath in which O ₃ is dissolved, ScF ₃ -AlF ₃ -KF bath in which Sc ₂ O ₃ is dissolved, or ScF _{3 -} AlF ₃ -Li, NaF, KF in which Sc ₂ O ₃ is dissolved. It can be one of the variables that is balanced or maintained to achieve (any combination of baths). As described herein, in some embodiments, the bath composition is about 17-38% by weight ScF ₃ , about 15-28% by weight AlF ₃ , and about 43-55% by weight NaF. And about 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ ; preferably about 26.8% by weight ScF ₃ , about 24.6% by weight AlF ₃ , about 46.6% by weight NaF, and about 2 It can be Sc ₂ O ₃ by weight. In some embodiments, the bath composition is about 22-45% by weight ScF ₃ , about 18-33% by weight AlF ₃ , about 31-43% by weight LiF, and about 1-6% by weight Sc ₂ . It can be _O3 . In some embodiments, the bath composition is about 14-32% by weight ScF ₃ , about 12-24% by weight AlF ₃ , about 51-63% by weight KF, and about 1-5% by weight Sc ₂ . It can be _O3 . In some embodiments, evaporation and metal removal can reduce the total content of the electrolyte bath and the concentration in the reduction tank. In some embodiments, it is also possible, for example, to recover a portion of the electrolyte bath removed from the reduction tank when removing the product in a manner that can prevent contamination and return it to the reduction tank. obtain. In some embodiments, the bath composition can be maintained by feeding AlF ₃ , Sc ₂ O ₃ , NaF, LiF, and / or KF into the electrolyte bath and producing ScF ₃ in situ. .. In some embodiments, AlF ₃ , ScF ₃ , Sc ₂ O ₃ , NaF, LiF, and / or KF are fed into the electrolyte bath to maintain the amount and composition of the electrolyte bath for evaporation and metal removal. It can be balanced against the resulting losses.

いくつかの実施形態では、プロセス開始時に、図３のカソードは、図２のカソードにおけるアルミニウムの量と比較して、比較的少ない量のアルミニウムを含むことができ、還元槽２００及び還元槽３００の両方は、実質的に同じＡｌ及びＳｃ含有量（または実質的に同じＡｌ：Ｓｃ比）を有する実質的に同じ量のＡｌ－Ｓｃ合金を製造して終了することができる。 In some embodiments, at the start of the process, the cathode of FIG . 3 can contain a relatively small amount of aluminum compared to the amount of aluminum in the cathode of FIG. Both can be terminated by producing substantially the same amount of Al—Sc alloy with substantially the same Al and Sc content (or substantially the same Al: Sc ratio).

いくつかの実施形態では、図２のプロセスは、カソードに含まれるアルミニウムの量が実質的に変化することなく開始及び終了することができ、カソードに含まれるアルミニウムにＳｃを添加することができる（例えば、組み合わせ型還元プロセスによって）。例えば、図２のプロセスは、カソード２２０が約９８グラムのアルミニウムを含む状態で開始することができ、（例えば、組み合わせ型還元プロセスにより）約２グラムのスカンジウムをカソード２２０に含まれるアルミニウム（例えば、約９８グラム）に添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。 In some embodiments, the process of FIG. 2 can be started and terminated with substantially no change in the amount of aluminum contained in the cathode, and Sc can be added to the aluminum contained in the cathode (sc). For example, by a combined reduction process ). For example, the process of FIG. 2 can be initiated with the cathode 220 containing about 98 grams of aluminum and about 2 grams of scandium (eg, by a combined reduction process ) in the cathode 220 of aluminum (eg, by a combinatorial reduction process). By adding to about 98 grams), about 100 grams of Al—Sc alloy containing about 2% by weight scandium can be produced.

いくつかの実施形態では、図３の組み合わせ型還元プロセスは、プロセスの開始時にカソードがアルミニウムをほとんど含まない状態で開始することができ、このプロセスでは、Ａｌ及びＳｃの両方を共還元することにより、カソードでＡｌ－Ｓｃ合金を製造する。例えば、図３のプロセスは、カソード３２０がアルミニウムをほとんどまたは全く含まない状態で開始することができ、（例えば、属熱反応プロセス及び電解反応プロセスにより）約９８グラムの追加のアルミニウム及び約２グラムのスカンジウムをカソード３２０に添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。 In some embodiments, the combined reduction process of FIG. 3 can be initiated with the cathode containing little aluminum at the start of the process, in which both Al and Sc are co-reduced. , Manufacture an Al—Sc alloy at the cathode. For example, the process of FIG. 3 can be initiated with the cathode 320 containing little or no aluminum, with about 98 grams of additional aluminum and about 2 grams (eg, by a genus thermal reaction process and an electrolytic reaction process ). Scandium can be added to the cathode 320 to produce about 100 grams of Al—Sc alloy containing about 2% by weight of scandium.

いくつかの実施形態では、プロセスの開始時における図４のカソードに含まれるアルミニウム量は、図２の組み合わせ型還元プロセスにおけるアルミニウム量と図３の組み合わせ型還元プロセスにおけるアルミニウム量との間のいずれかであり得、３つの還元槽２００還元槽３００、及び還元槽４００のすべては、実質的に同じＡｌ及びＳｃ含有量（または実質的に同じＡｌ：Ｓｃ比）を有する実質的に同じ量のＡｌ－Ｓｃ合金を製造して終了することができる。例えば、図４のプロセスは、カソード４２０が約９０グラムのアルミニウムを含む状態から開始することができ、（例えば、図３及び図４の組み合わせ型還元プロセスを用いて）カソード４２０に含まれるアルミニウム（例えば、約９０グラム）に、約８グラムの追加のアルミニウム及び約２グラムのスカンジウムを添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。別の例では、図４のプロセスは、カソード４２０が約８０グラムのアルミニウムを含む状態から開始することができ、（例えば、図３及び図４の組み合わせ型還元プロセスを用いて）カソード４２０に含まれるアルミニウム（例えば、約８０グラム）に、約１８グラムの追加のアルミニウム及び約２グラムのスカンジウムを添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。 In some embodiments, the amount of aluminum contained in the cathode of FIG. 4 at the start of the process is either between the amount of aluminum in the combined reduction process of FIG. 2 and the amount of aluminum in the combined reduction process of FIG. The three reduction tanks 200, the reduction tank 300, and the reduction tank 400 all have substantially the same Al and Sc content (or substantially the same Al: Sc ratio) and substantially the same amount of Al. -Sc alloy can be manufactured and terminated. For example, the process of FIG. 4 can be started with the cathode 420 containing about 90 grams of aluminum and the aluminum (eg, using the combined reduction process of FIGS. 3 and 4) contained in the cathode 420 (eg, using the combined reduction process of FIGS. 3 and 4). For example, by adding about 8 grams of additional aluminum and about 2 grams of scandium to (about 90 grams)), about 100 grams of Al—Sc alloy containing about 2% by weight of scandium can be made. .. In another example, the process of FIG. 4 can be started with the cathode 420 containing about 80 grams of aluminum and included in the cathode 420 (eg, using the combined reduction process of FIGS. 3 and 4). By adding about 18 grams of additional aluminum and about 2 grams of scandium to the aluminum (eg, about 80 grams) to produce about 100 grams of Al—Sc alloy containing about 2 wt% scandium. be able to.

図５Ａ及び図５Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ－Ｓｃ合金を製造するための還元槽の設計を示す。いくつかの実施形態では、還元槽（５００Ａまたは５００Ｂ）は、ＳｃＦ_３及び／またはＡｌＦ_３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴（５１０Ａまたは５１０Ｂ）とを有する。いくつかの実施形態では、還元槽（５００Ａまたは５００Ｂ）は、アノード（５４０Ａまたは５４０Ｂ）と、導電体（５３０Ａまたは５３０Ｂ）及びＡｌ－Ｓｃ（５２０Ａ及び５２０Ｂ）を含むカソードとを有する。導電体（５３０Ａまたは５３０Ｂ）は、ＴｉＢ_２などの任意の導電体を含み得る。いくつかの実施形態では、還元槽内の組み合わせ型還元プロセスが進行するにしたがって、Ｓｃ_２Ｏ_３を添加して、Ａｌまたは／及びＳｃをカソードに還元し、これにより、Ａｌ－Ｓｃ合金（５２０Ａまたは５２０Ｂ）を製造することができる。いくつかの実施形態では、等成形グラファイト傾斜インサート５５０Ａのような傾斜インサートを還元槽５００Ａの底部に追加することができる。例えば、小規模製造では、傾斜インサートを追加することは、電解質浴５１０Ａ及びＡｌ－Ｓｃ金属５２０Ａを片側にプールするために好ましい。いくつかの実施形態では、傾斜インサートを有していない還元槽５００Ｂは、より多量の塩を収容することができ、これにより、組成ドラフトからの誤差を低減することが可能となる。いくつかの実施形態では、傾斜インサートを有していない還元槽５００Ｂは、アノードの浸漬を増加させることができ、これにより、アノード短絡リスクを低減することが可能となる。 5A and 5B show the design of a reduction tank for producing an Al—Sc alloy according to an embodiment of the present disclosure. In some embodiments, the reduction tank (500A or 500B) has an electrolyte bath (510A or 510B) containing ScF ₃ and / or AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF. In some embodiments, the reduction tank (500A or 500B) has an anode (540A or 540B) and a cathode containing a conductor (530A or 530B) and Al-Sc (520A and 520B). The conductor (530A or 530B) may include any conductor such as TiB ₂ . In some embodiments, as the combined reduction process in the reduction tank progresses, Sc ₂ O ₃ is added to reduce Al or / and Sc to the cathode, thereby the Al—Sc alloy (520A). Alternatively, 520B) can be manufactured. In some embodiments, an inclined insert, such as an equiformed graphite inclined insert 550A, can be added to the bottom of the reduction tank 500A. For example, in small-scale production, the addition of tilted inserts is preferred for pooling the electrolyte bath 510A and Al-Sc metal 520A on one side. In some embodiments, the reduction tank 500B without the tilted insert can accommodate a larger amount of salt, which makes it possible to reduce errors from the composition draft. In some embodiments, the reduction tank 500B without the tilted insert can increase the immersion of the anode, which can reduce the risk of anode short circuit.

図６は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物におけるＳｃ濃度（重量％）のばらつきを示す。図７は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度を重量％で示す。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される組み合わせ型還元プロセスにより、液体状態のＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる（例えば、図５Ａ及び５Ｂは、アルミニウム及びスカンジウムを含む、液体状態であり得るカソード５２０Ａ及びカソード５２０Ｂを示す）。いくつかの実施形態では、液体Ａｌ－Ｓｃ合金を鋳造用の鋳型に注入し、その結果成形されたＡｌ－Ｓｃ合金鋳造物を収集することができる。例えば、小さなインゴット鋳型を使用して、小さなＡｌ－Ｓｃ合金インゴット（例えば、６０２及び７０２）を鋳造することができる。別の例では、大きなインゴット鋳型を使用して、大きなＡｌ－Ｓｃ合金インゴット（例えば、６０４及び７０４）を鋳造することができる。別の例では、ワッフル型インゴット鋳型を使用して、ワッフル型Ａｌ－Ｓｃ合金インゴット（例えば、６０６及び７０６）を鋳造することができる。いくつかの実施形態では、互いに異なるインゴット鋳型での鋳造により、Ａｌ－Ｓｃ合金インゴットの厚さにわずかなばらつきが生じ、これにより、インゴット全体のＳｃ分布のばらつきが生じる。いくつかの実施形態では、ワッフル型鋳造は、Ａｌ－Ｓｃ合金の全体にわたってより一貫したＳｃ分布を有するＡｌ－Ｓｃ合金インゴットを製造することができ、これにより、より一貫した再現性を有する鋳造が可能となる。 FIG. 6 shows variations in Sc concentration (% by weight) in an exemplary casting according to the embodiments of the present disclosure. FIG. 7 shows the Sc concentration in an exemplary casting according to an embodiment of the present disclosure in% by weight. In some embodiments, the combined reduction process described herein can produce a liquid Al—Sc alloy (eg, FIGS. 5A and 5B show a liquid state comprising aluminum and scandium). (Shows cathode 520A and cathode 520B). In some embodiments, a liquid Al—Sc alloy can be injected into a casting mold and the resulting Al—Sc alloy casting can be collected. For example, a small ingot mold can be used to cast small Al—Sc alloy ingots (eg, 602 and 702). In another example, a large ingot mold can be used to cast large Al—Sc alloy ingots (eg, 604 and 704). In another example, a waffle-type ingot mold can be used to cast waffle-type Al—Sc alloy ingots (eg, 606 and 706). In some embodiments, casting in different ingot molds results in slight variations in the thickness of the Al—Sc alloy ingots, which results in variations in the Sc distribution throughout the ingot. In some embodiments, waffle casting can produce an Al—Sc alloy ingot with a more consistent Sc distribution throughout the Al—Sc alloy, which allows casting with more consistent reproducibility. It will be possible.

図８Ａ及び図８Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ－Ｓｃ合金を検出する分析方法を示す。いくつかの実施形態では、Ｓｃの重量％は、ＳＥＭ－ＥＤＳ（走査型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法）スキャナを使用して分析することができる。例えば、図８Ａ及び図８Ｂにおいて、円８０２Ａ、円８０２Ｂは、１回のスキャンでＳＥＭ－ＥＤＳによって分析された領域を示す。ワッフル型ナゲット８００Ａのスカンジウム含有量を分析及び測定するために、３回の別々のスキャン８０２Ａを実施した。いくつかの実施形態では、正確な組成分析のために、製造されたＡｌ－Ｓｃ合金鋳造物の全体の厚さを分析することが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、厚いワッフル型インゴット８００Ａのような厚いＡｌ－Ｓｃ合金鋳造物は、若干の誤差を伴う組成分析結果が得られる。いくつかの実施形態では、図８Ａに示すように、Ｓｃの重量％は、鋳型の底面でより高くなる。例えば、液体Ａｌ－Ｓｃが鋳型内で凝固すると、より重く、より高密度のＳｃ金属が鋳造物の底部に沈降し、これにより、鋳造物の底部側ではＳｃ重量％がより高くなり、鋳造物の頂部側ではＳｃ重量％がより低くなる。例えば、ワッフル型ナゲットの頂部側のＳＥＭ－ＥＤＳスキャン結果は、ワッフル型ナゲットの底部側のＳＥＭ－ＥＤＳスキャン結果と比較して、Ｓｃ重量％が比較的低いことを示した。いくつかの実施形態では、Ａｌ－Ｓｃ合金インゴット中において、Ｓｃの他の一貫性のない分布が存在し得る。いくつかの実施形態では、液体Ａｌ－Ｓｃ合金の少量の試料を収集し、急速に凝固させて、「スプラット」鋳造物８００Ｂを成形することができる。いくつかの実施形態では、スプラット鋳造物８００Ｂは薄く成形することができ、これにより、１回のスキャンで全体の厚さを分析して、誤差を低減することが可能となる。例えば、スプラット鋳造物をＳＥＭ－ＥＤＳスキャンすることによって、Ａｌ－Ｓｃ合金のＳｃ重量％をより正確に検出することができる。 8A and 8B show an analytical method for detecting an Al—Sc alloy according to an embodiment of the present disclosure. In some embodiments,% by weight of Sc can be analyzed using a SEM-EDS (scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) scanner. For example, in FIGS. 8A and 8B, circles 802A and 802B indicate regions analyzed by SEM-EDS in a single scan. Three separate scans 802A were performed to analyze and measure the scandium content of the waffle nugget 800A. In some embodiments, it may be desirable to analyze the overall thickness of the manufactured Al—Sc alloy casting for accurate composition analysis. In some embodiments, thick Al—Sc alloy castings, such as the thick waffle ingot 800A, give compositional analysis results with some error. In some embodiments, the weight% of Sc is higher at the bottom of the mold, as shown in FIG. 8A. For example, when the liquid Al-Sc solidifies in the mold, heavier and denser Sc metal settles to the bottom of the casting, which results in a higher Sc weight% on the bottom side of the casting and the casting. On the top side of, the Sc weight% is lower. For example, the SEM-EDS scan results on the top side of the waffle nugget showed a relatively low Sc weight% compared to the SEM-EDS scan results on the bottom side of the waffle nugget. In some embodiments, there may be other inconsistent distributions of Sc in the Al—Sc alloy ingot. In some embodiments, a small sample of liquid Al—Sc alloy can be collected and rapidly solidified to form a “splat” casting 800B. In some embodiments, the splat casting 800B can be formed thin, which allows the overall thickness to be analyzed in a single scan to reduce errors. For example, by SEM-EDS scanning a splat casting, the Sc weight% of the Al—Sc alloy can be detected more accurately.

いくつかの実施形態では、約２重量％以上のＳｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造するために商業運転を実施することができる。いくつかの実施形態では、商業運転では、液体アルミニウムを含むカソードを使用することができ、Ｓｃ_２Ｏ_３を電気分解して例示的なＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ浴に溶解させることができる。参考として、図１に示すアルミニウム－スカンジウム相図では、約２重量％スカンジウムでは液相温度が約８００°Ｃとなることを示している。 In some embodiments, commercial operation can be performed to produce an Al—Sc alloy containing about 2% by weight or more of Sc. In some embodiments, in commercial operation, a cathode containing liquid aluminum can be used and Sc ₂ O ₃ can be electrolyzed and dissolved in an exemplary ScF ₃ -AlF ₃ -NaF bath. For reference, the aluminum-scandium phase diagram shown in FIG. 1 shows that the liquid phase temperature is about 800 ° C. for about 2% by weight scandium.

いくつかの実施形態では、商業運転は２５０～８００アンペアの還元槽を使用することができ、この場合、電流効率に応じて約１００～２５０ｇ／時でＳｃを還元することができ、約５～１２ｋｇ／時でＡｌ－２重量％Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、約５～１２ｋｇのバッチを１時間毎にタップするか、または、約１００ｋｇのバッチを１日１回または１日２回タップすることができる。例えば、約１２０ｋｇの金属（例えば、密度２．２で約５５リットル）を有する内径４０ｃｍのるつぼは、４４ｃｍの金属深さを有し得る。追加の２０ｋｇ溶融塩浴（密度２．１）は、約７．６ｃｍの深さを有し得る。いくつかの実施形態では、上述したように、略最適な浴組成は、約２６．８重量％のＳｃＦ_３、約２４．６重量％のＡｌＦ_３、約４６．６重量％のＮａＦ、及び約２重量％のＳｃ_２Ｏ_３であり得る。いくつかの実施形態では、商用運転の各ステップは、下記の通りであり得る。 In some embodiments, commercial operation can use a reduction tank of 250-800 amps, in which case Sc can be reduced at about 100-250 g / hour, depending on the current efficiency, from about 5 to. An Al-2 wt% Sc alloy can be produced at 12 kg / hour. In some embodiments, a batch of about 5-12 kg can be tapped every hour, or a batch of about 100 kg can be tapped once a day or twice a day. For example, a crucible with an inner diameter of 40 cm having about 120 kg of metal (eg, about 55 liters at a density of 2.2) can have a metal depth of 44 cm. An additional 20 kg molten salt bath (density 2.1) can have a depth of about 7.6 cm. In some embodiments, as mentioned above, the substantially optimal bath composition is about 26.8% by weight ScF ₃ , about 24.6% by weight AlF ₃ , about 46.6% by weight NaF, and about. It can be 2% by weight Sc ₂ O ₃ . In some embodiments, each step of commercial operation may be as follows.

いくつかの実施形態では、最初のステップでは、９８ｋｇのＡｌを溶融させ、約１０００°Ｃに加熱し、るつぼに充填し、金属が浴に混合するのを最小限に抑えるように注意しながら、既に存在する２０ｋｇのＡｌ－２重量％Ｓｃに添加する。 In some embodiments, in the first step, 98 kg of Al is melted, heated to about 1000 ° C, filled in a crucible, taking care to minimize metal mixing in the bath, while being careful. Add to 20 kg of Al-2 wt% Sc already present.

いくつかの実施形態では、次のステップでは、約２５０～８００アンペア（浴－金属界面で０．２～０．６５Ａ／ｃｍ^２）での電気分解を８～２０時間行い、これにより、約４５～９０％の電流効率で約２ｋｇのＳｃが生成する。いくつかの実施形態では、観察された電流効率は、例えば、このバッチサイズ及びタッピング周波数に必要な電解電流及び持続時間を決定することができる。例えば、２０ｋｇの電解質浴は、４００ｇのＳｃ_２Ｏ_３を含有することができ、３ｋｇのＳｃ_２Ｏ_３を連続的に添加することによって、この商業運転でＡｌ－Ｓｃ合金を製造することができる。 In some embodiments, the next step is to perform electrolysis at about 250-800 amps (0.2-0.65 A / cm ² at the bath-metal interface) for 8-20 hours, thereby about 45. Approximately 2 kg of Sc is produced with a current efficiency of ~ 90%. In some embodiments, the observed current efficiency can determine, for example, the electrolytic current and duration required for this batch size and tapping frequency. For example, a 20 kg electrolyte bath can contain 400 g Sc ₂ O ₃ and by continuously adding 3 kg Sc ₂ O ₃ the Al—Sc alloy can be produced in this commercial operation. ..

いくつかの実施形態では、次のステップでは、還元槽内に約２０ｋｇのＡｌ－２重量％Ｓｃを残して、約１００ｋｇのＡｌ－２重量％Ｓｃを除去（例えば、サイフォン）する（例えば、２０ｋｇＡｌ－２重量％Ｓｃを使用して、次の商業運転を開始することができる）。 In some embodiments, the next step is to remove (eg, siphon) about 100 kg of Al-2 wt% Sc, leaving about 20 kg of Al-2 wt% Sc in the reduction tank (eg, 20 kgAl). -The next commercial operation can be started using -2% by weight Sc).

いくつかの実施形態では、約２５０日／年にわたる約１００～２００ｋｇ／日の製造速度は、単一の還元槽での約２５～５０トン／年の製造速度に相当する。いくつかの実施形態では、年間５００トン製造するプラントは、これらの還元槽を約１０個備え、例えば、約５０００～８０００Ａ総電流で、すなわち２００ｋＡで、上述のようにＡｌ及びＳｃを共還元することができる。 In some embodiments, a production rate of about 100-200 kg / day over about 250 days / year corresponds to a production rate of about 25-50 tonnes / year in a single reduction tank. In some embodiments, a plant producing 500 tonnes per year comprises about 10 of these reduction tanks, for example, at a total current of about 5000-8000 A, i.e. 200 kA, to co-reduce Al and Sc as described above. be able to.

実施例 Example

実験１～３：液体アルミニウムに２重量％（ｗｔ％）のＳｃを製造して、２ｗｔ％のＳｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金（Ａｌ－２ｗｔ％Ｓｃ合金）を製造した。 Experiments 1 to 3: 2% by weight (wt%) Sc was produced in liquid aluminum, and an Al—Sc alloy (Al-2wt% Sc alloy) containing 2 wt% Sc was produced.

ＳｃＦ_３－ＡｌＦ_３－ＮａＦ－Ｓｃ_２Ｏ_３浴を使用して、３つの小規模実験を行った。実験１及び実験２では、２．０ｗｔ％Ｓｃ及び２．３ｗｔ％Ｓｃを含有するＡｌ－Ｓｃ合金を製造した。実験３では、３．４２ｗｔ％Ｓｃ及び３．４４ｗｔ％Ｓｃを含有する２つのバッチＡｌ－Ｓｃ合金を製造した。 Three small experiments were performed using ScF ₃ -AlF ₃ -NaF-Sc ₂ O ₃ baths. In Experiment 1 and Experiment 2, Al—Sc alloys containing 2.0 wt% Sc and 2.3 wt% Sc were produced. In Experiment 3, two batch Al—Sc alloys containing 3.42 wt% Sc and 3.44 wt% Sc were produced.

実験１～３の実験パラメータ： Experimental parameters of Experiments 1 to 3:

浴組成：ＮａＦ－ＡｌＦ_３－ＳｃＦ_３－Ｓｃ_２Ｏ_３ Bath composition: NaF-AlF ₃ -ScF ₃ -Sc ₂ O ₃

基準電極：Ａｌ－２０ｗｔ％のＳｃを含む小さなＢＮカップに挿入したＷワイヤ。 Reference electrode: W wire inserted into a small BN cup containing Al-20 wt% Sc.

るつぼ温度：１０００°Ｃ。 Crucible temperature: 1000 ° C.

実験１～３の実験手順（注記：実験１及び実験２は、ステップ８で終了した）： Experimental procedure of Experiments 1 to 3 (Note: Experiments 1 and 2 were completed in step 8):

１．傾斜インサートを備えたるつぼの底部にＡｌ金属を配置し、誘導溶融装置を使用してグローブボックス内のＡｌ金属を融解させる。 1. 1. Al metal is placed at the bottom of the crucible with the tilted insert and an induction melting device is used to melt the Al metal in the glove box.

２．化学ドラフトチャンバ内で、３００ｇのフラックス成分を予混合する。 2. 2. Premix 300 g of flux components in a chemical fume hood.

３．ＴｉＢ_２カソード、外径０．３７５インチのグラファイトアノードを用意する。 3. 3. Prepare a TiB ₂ cathode and a graphite anode with an outer diameter of 0.375 inches.

４．るつぼをケージに入れる。 4. Put the crucible in the cage.

５．るつぼに、予混合した浴粉末を添加する。 5. Add the premixed bath powder to the crucible.

６．るつぼを入れたケージを還元槽内に配置し、１０００°Ｃに加熱する。 6. Place the cage containing the crucible in the reduction tank and heat to 1000 ° C.

７．分析のために、浴と金属の両方から少量（約１～３ｇ）の試料を取り出す：浴についてはＬＥＣＯ酸素分析を行い、金属についてはＩＣＰ－ＯＥＳ分析を行う。 7. For analysis, take a small amount (about 1-3 g) of sample from both the bath and the metal: perform LECO oxygen analysis on the bath and ICP-OES analysis on the metal.

８．最大８Ｖ、最大１０Ａで電気分解を行い、約１５Ａ／時の総電荷、例えば、約６０％の電流収率で６ｇのＳｃ_２Ｏ_３を還元するのに十分な電荷を得る。 8. Electrolysis is performed at a maximum of 8 V and a maximum of 10 A to obtain a total charge of about 15 A / hour, eg, enough charge to reduce 6 g of Sc ₂ O ₃ at a current yield of about 60%.

９．鋼鉄製のおたまを使用して、約８０ｇのＡｌ－Ｓｃ合金を取り出す。 9. Using a steel ladle, take out about 80 g of Al—Sc alloy.

１０．ＬＥＣＯ酸素分析のために、少量（１～３ｇ）の試料を浴から取り出す。 10. A small amount (1-3 g) of sample is removed from the bath for LECO oxygen analysis.

１１．６ｇのＳｃ_２Ｏ_３を供給し、それが溶解するまで浴を攪拌する。 Supply 11.6 g of Sc ₂ O ₃ and stir the bath until it dissolves.

１２．Ａｌ金属を添加する。 12. Add Al metal.

１３．ステップ２～１１を約２～４回繰り返す。 13. Repeat steps 2-11 about 2-4 times.

１４．室温に冷却し、分解する。 14. Cool to room temperature and decompose.

実験１～３の結果と考察 Results and discussion of Experiments 1 to 3

実験１及び実験２では、内部に段差を有する特注のるつぼを使用し、ＴｉＢ_２カソード接続に巻き付けられたＡｌ金属が配置される深い部分と、アノード及び基準電極が配置される浅い部分とを形成した。これらの実験は、１５ｇのＡｌ金属と１００ｇの浴から開始した。 In Experiments 1 and 2, a custom-made crucible with a step inside was used to form a deep part where the Al metal wound around the TiB ₂ cathode connection was placed and a shallow part where the anode and reference electrode were placed. bottom. These experiments started with 15 g of Al metal and 100 g of bath.

実験１では、金属は、２．０ｗｔ％Ｓｃで、２１ｇまで成長した。これは、Ｓｃの還元と共に、浴から金属へのかなりのＡｌ電解採取活性を示しているように思われる（図２の還元槽２００に示したように）。しかしながら、アノードを浸漬するのに十分な浴がもともと存在していないことにより、浴を追加した結果、ＴｉＢ_２カソードに取り付けられた鋼製リードに浴が接触してしまい、金属も、５ｗｔ％のＦｅを含有することとなった。 In Experiment 1, the metal grew to 21 g at 2.0 wt% Sc. This appears to indicate significant Al electrowinning activity from the bath to the metal, along with the reduction of Sc (as shown in the reduction tank 200 of FIG. 2). However, due to the lack of an inherently sufficient bath to immerse the anode, the addition of the bath resulted in the bath coming into contact with the steel reed attached to the TiB ₂ cathode, and the metal was also 5 wt%. It will contain Fe.

実験２では、るつぼの形状を変更することにより、浴と鋼鉄製リードとの間の接触を排除した。この場合、金属は、２．３１ｗｔ％Ｓｃで、１７．５ｇまで成長した。 In Experiment 2, the contact between the bath and the steel reed was eliminated by changing the shape of the crucible. In this case, the metal was 2.31 wt% Sc and grew to 17.5 g.

実験３では、底部に金属をプールするために、平らな底部を有する外径５インチ、深さ４インチの等成形グラファイト、２０°等成形グラファイト傾斜インサート５５０Ａを使用した（図５Ａ参照）。これは、３００ｇの浴を保持し、１００ｇのＡｌを最初に還元槽に配置した。それらの間に酸化スカンジウムを供給して、電解を２回行った。 In Experiment 3, an isoformed graphite with an outer diameter of 5 inches and a depth of 4 inches and a 20 ° isoformed graphite inclined insert 550A with a flat bottom were used to pool the metal at the bottom (see FIG. 5A). It held a 300 g bath and placed 100 g Al first in the reduction tank. Scandium oxide was supplied between them and electrolysis was performed twice.

観察及び測定結果は次の通りであった： The observation and measurement results were as follows:

１回目のステップ７（浴及び金属の試料の取り出し）の実施：金属はＡｌ－３．１４ｗｔ％Ｓｃであり、いくらかの金属熱反応を示した。浴は、５．３７重量％のＳｃ_２Ｏ_３に相当する１．８７％の酸素、または、フッ化物の不純物として添加された２．５０重量％のＡｌ_２Ｏ_３が添加された２重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含む。 Performing the first step 7 (bath and removal of metal sample): The metal was Al-3.14 wt% Sc and showed some metal thermal reaction. The bath was added with 1.87% oxygen, which corresponds to 5.37% by weight Sc ₂ O ₃ , or 2% by weight of 2.50% by weight Al ₂ O ₃ added as an impurity of fluoride. Sc ₂ O ₃ is included.

１回目のステップ８（電気分解）の実施：１７．５Ａ／時で電流を印加すると、ＣＯ_２の発生に起因すると考えられる少量のバブリングがアノードで観察された。 Performing the first step 8 (electrolysis): When a current was applied at 17.5 A / hour, a small amount of bubbling, believed to be due to the generation of CO ₂ , was observed at the anode.

１回目のステップ９（Ａｌ－Ｓｃ合金の取り出し）の実施：電気分解によって添加された約０．３ｇのＳｃに相当する、初期濃度に対してＳｃが０．３０ｗｔ％増加したＡｌ－３．４４ｗｔ％Ｓｃ合金を８０ｇ取り出すことに成功した。これは、電解後のＳｃ量がより小さい実験１及び実験２の両方と異なっていた。 Implementation of the first step 9 (removal of Al—Sc alloy): Al-3.44 wt with Sc increased by 0.30 wt% with respect to the initial concentration, which corresponds to about 0.3 g of Sc added by electrolysis. We succeeded in extracting 80 g of the% Sc alloy. This was different from both Experiment 1 and Experiment 2 in which the amount of Sc after electrolysis was smaller.

１回目のステップ１０（浴試料の取り出し）の実施：浴酸素は、０．４０重量％、例えば、４．０Ａ／時に対応する１．２ｇ酸化物イオンによって低下し、１７．５Ａ／時の電流印加に対して２３％の電流収率を示した。電解によって金属に添加された０．３ｇのＳｃは、浴酸素の０．０５重量％の還元に対応して、浴から０．４６ｇのＳｃ_２Ｏ_３を消費することができる。したがって、酸素の還元量の０．３５ｗｔ％は、Ａｌ_２Ｏ_３の還元量２．２３ｇに相当し、１．１８ｇのアルミニウムが生成される。 Performing the first step 10 (removal of bath sample): Bath oxygen is reduced by 0.40 wt%, for example, the corresponding 1.2 g oxide ion at 4.0 A / hour and a current of 17.5 A / hour. The current yield was 23% with respect to the application. 0.3 g of Sc added to the metal by electrolysis can consume 0.46 g of Sc ₂ O ₃ from the bath in response to a 0.05 wt% reduction of bath oxygen. Therefore, 0.35 wt% of the reduced amount of oxygen corresponds to 2.23 g of the reduced amount of Al ₂ O ₃ , and 1.18 g of aluminum is produced.

１回目のステップ１１（６ｇのＳｃ_２Ｏ_３の供給）の実施：よく溶けたように見えた。 Implementation of the first step 11 (supply of 6 g of Sc ₂ O ₃ ): Appeared to melt well.

１回目のステップ１２の実施：８０ｇのＡｌ金属を添加し、グラファイトロッドで攪拌し、還元槽内に存在する約２０ｇの金属と凝集させる。 Implementation of the first step 12: Add 80 g of Al metal and stir with a graphite rod to agglomerate with about 20 g of metal present in the reduction tank.

２回目のステップ８（電気分解）の実施：１４．７Ａ／時で電流を印加した。 Performing the second step 8 (electrolysis): A current was applied at 14.7 A / hour.

２回目のステップ９（Ａｌ－Ｓｃ合金の取り出し）の実施：１回目のステップ９の結果と非常に近い６０ｇのＡｌ－３．４２ｗｔ％Ｓｃ合金を取り出すことに成功した。金属熱反応と電解反応との組み合わせによって、約２．７ｇのＳｃが、新たに追加されたＡｌ金属に添加された。 Implementation of the second step 9 (removal of Al—Sc alloy): Successful removal of 60 g of Al-3.42 wt% Sc alloy, which is very close to the result of the first step 9. By the combination of the metal thermal reaction and the electrolytic reaction, about 2.7 g of Sc was added to the newly added Al metal.

２回目のステップ１０（浴試料の取り出し）の実施：浴は１．２３ｗｔ％酸素を含んでおり、これは供給よりも酸化物還元が多いことを示している。１回目のステップ１０に対する０．２４ｗｔ％酸素の還元は、浴から消費された０．７２ｇの酸素に、１回目のステップ１１で添加された６ｇのＳｃ_２Ｏ_３から消費された２．０９ｇの酸素を加えたものに相当し、これにより、電気分解で消費された酸素は２．８１ｇとなる。
これは９．４３Ａ／時の電流印加に相当し、１４．７Ａ／時で電流を印加した場合の電流効率が６４％であることを示している。 Performing a second step 10 (removal of bath sample): The bath contains 1.23 wt% oxygen, which indicates more oxide reduction than supply. The reduction of 0.24 wt% oxygen to step 10 of the first time is 2.09 g of oxygen consumed from 0.72 g of oxygen consumed from the bath and 6 g of Sc ₂ O ₃ added in step 11 of the first time. It corresponds to the one to which oxygen is added, so that the amount of oxygen consumed by electrolysis is 2.81 g.
This corresponds to a current application of 9.43 A / hour, and indicates that the current efficiency when a current is applied at 14.7 A / hour is 64%.

全体として、実験３は、３．４２～３．４４％Ｓｃで、２回の実験で約１４０ｇの金属を製造した。供給量及び浴酸素濃度の低下に基づいて、元の浴から１．９ｇの酸素が消費され、これは酸化スカンジウム５．４ｇまたはスカンジウム３．５ｇに相当する。４．８ｇのスカンジウムが合金に添加され、スカンジウムの約７３％は酸化物還元に由来した。酸素消費量は浴からの酸化物の減少を示し、２回の実験間の類似性はある程度の再現性を示した。 Overall, Experiment 3 produced about 140 g of metal in the two experiments at 3.42 to 3.44% Sc. Based on the decrease in supply and bath oxygen concentration, 1.9 g of oxygen is consumed from the original bath, which corresponds to 5.4 g of scandium oxide or 3.5 g of scandium. 4.8 g of scandium was added to the alloy and about 73% of scandium was derived from oxide reduction. Oxygen consumption showed a decrease in oxides from the bath and the similarity between the two experiments showed some reproducibility.

他の例 Other examples

図６は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（ｗｔ％）のばらつきを示す。小型インゴットＡｌ－Ｓｃ合金鋳造物６０２の４つの試料はそれぞれ、Ｓｃ濃度において、約０．１、０．４、１、及び１．９という比較的大きいばらつきを示した（例えば、ワッフル型鋳造物と比較した場合）。大型インゴットＡｌ－Ｓｃ合金鋳造物６０４の３つの試料もそれぞれ、Ｓｃ濃度において、約０．２、０．５、及び０．８という比較的高いばらつきを示した（例えば、ワッフル型の鋳造物と比較した場合）。ワッフル型Ａｌ－Ｓｃ合金鋳造物の４つの試料６０６はそれぞれ、Ｓｃ濃度において、約０．６、０．６、０．７、及び０．５という比較的低いばらつきを示した（例えば、小型鋳造物及び大型鋳造物と比較した場合）。 FIG. 6 shows the variation in Sc concentration (wt%) in an exemplary casting according to the embodiments of the present disclosure. The four samples of the small ingot Al-Sc alloy casting 602 each showed relatively large variations in Sc concentration of about 0.1, 0.4, 1, and 1.9 (eg, waffle castings). When compared to). The three samples of the large ingot Al-Sc alloy casting 604 also showed relatively high variability in Sc concentration of about 0.2, 0.5, and 0.8 (eg, with waffle-type castings). When compared). The four samples 606 of the waffle-type Al—Sc alloy casting each showed relatively low variability in Sc concentration of about 0.6, 0.6, 0.7, and 0.5 (eg, small casting). When compared to objects and large castings).

図７は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（ｗｔ％）を示す。小型金型Ａｌ－Ｓｃ合金鋳造物の３つの試料７０２は、すべての合金にわたるＳｃ分布は、一貫性のないばらつきを示した（例えば、ワッフル型鋳造物と比較した場合）。第１の小型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約０．９重量％～約４．８重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．８重量％であった。第２の小型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布のばらつきはほとんどまたは全くなく、平均Ｓｃ分布は約２．５重量％であり、第３の小型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２．９重量％～約３．８重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約３．４重量％であった。 FIG. 7 shows the Sc concentration (wt%) in an exemplary casting according to an embodiment of the present disclosure. Three samples 702 of the small mold Al-Sc alloy casting showed inconsistent variability in Sc distribution across all alloys (eg, when compared to waffle casting). In the first small mold sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 0.9% by weight to about 4.8% by weight, and the average Sc distribution was about 2.8% by weight. The second small mold sample has little or no variation in Sc distribution across all alloys, the average Sc distribution is about 2.5% by weight, and the third small mold sample has Sc distribution across all alloys. The range was from about 2.9% by weight to about 3.8% by weight, and the average Sc distribution was about 3.4% by weight.

図７を引き続き参照して、大型金型Ａｌ－Ｓｃ合金鋳造物の４つの試料７０４も、合金中のＳｃ分布は、一貫性のないばらつきを示した（例えば、ワッフル型鋳造物と比較した場合）。第１の大型金型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％～約２．９重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．５重量％であった。第２の大型金型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２．１重量％～約３．９重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約３重量％であった。第３の大型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布のばらつきはほとんどまたは全くなく、平均Ｓｃ分布は約３．１重量％であった。第４の大型金型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約１．２重量％～約３．２重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．２重量％であった。 With reference to FIG. 7, the four samples 704 of the large mold Al—Sc alloy casting also showed inconsistent variability in the Sc distribution in the alloy (eg, when compared to the waffle casting). ). In the first large mold sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 2% by weight to about 2.9% by weight, and the average Sc distribution was about 2.5% by weight. In the second large mold sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 2.1% by weight to about 3.9% by weight, and the average Sc distribution was about 3% by weight. The third large template sample had little or no variation in Sc distribution across all alloys, with an average Sc distribution of approximately 3.1% by weight. In the fourth large mold sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 1.2% by weight to about 3.2% by weight, and the average Sc distribution was about 2.2% by weight.

図７を引き続き参照して、ワッフル型Ａｌ－Ｓｃ合金鋳造物の４つの試料７０６は、すべてのインゴットにわたるＳｃ分布は一貫性のあるばらつきを示した（例えば、小型鋳造物及び大型鋳造物と比較した場合）。第１のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％～約３．６重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．８重量％であった。第２のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％～約３．３重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．７重量％であった。第３のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％～約３．２重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．６重量％であった。第４のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約３．９重量％～約４．９重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約４．４重量％であった。 With reference to FIG. 7, the four samples 706 of the waffle-type Al—Sc alloy casting showed consistent variability in Sc distribution across all ingots (eg, compared to small and large castings). if you did this). In the first waffle type sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 2% by weight to about 3.6% by weight, and the average Sc distribution was about 2.8% by weight. In the second waffle type sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 2% by weight to about 3.3% by weight, and the average Sc distribution was about 2.7% by weight. In the third waffle type sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 2% by weight to about 3.2% by weight, and the average Sc distribution was about 2.6% by weight. In the fourth waffle type sample, the Sc distribution over all alloys ranged from about 3.9% by weight to about 4.9% by weight, and the average Sc distribution was about 4.4% by weight.

図７を引き続き参照して、すべての鋳造物の試料（７０２、７０４及び７０６）は、２重量％よりも高い平均Ｓｃ重量％を示した。試料７０２では、第１の小型金型試料のＳｃ分布のばらつきが比較的大きく、試料の少なくとも一部は２重量％未満のＳｃ含有量を示した。試料７０４では、第４の大型金型試料のＳｃ分布のばらつきが比較的大きく、試料の少なくとも一部は２重量％未満のＳｃ含有量を示した。試料７０６では、４つのワッフル型鋳型試料のすべてが、すべての合金にわたるＳｃ分布が一貫性のあるばらつきを示し、ワッフル型試料の分析部分のすべては、２重量％以上のＳｃ含有量を示した。 With reference to FIG. 7, all casting samples (702, 704 and 706) showed an average Sc weight% higher than 2% by weight. In the sample 702, the variation in the Sc distribution of the first small mold sample was relatively large, and at least a part of the sample showed an Sc content of less than 2% by weight. In the sample 704, the variation in the Sc distribution of the fourth large mold sample was relatively large, and at least a part of the sample showed an Sc content of less than 2% by weight. In sample 706, all four waffle mold samples showed consistent variability in Sc distribution across all alloys, and all analytical portions of the waffle sample showed Sc content of 2% by weight or more. ..

図８Ａ及び図８Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ－Ｓｃ組成物を検出する分析方法を示す。いくつかの実施形態では、Ｓｃの重量％は、ＳＥＭ－ＥＤＳ（走査型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法）スキャナを使用して分析することができる。例えば、図８Ａ及び図８Ｂにおいて、円８０２Ａ、８０２Ｂは、１回のスキャンでＳＥＭ－ＥＤＳによって分析された領域を示す。ワッフル型ナゲット８００Ａのスカンジウム含有量を分析及び測定するために、３回の別々のスキャン８０２Ａを実施した。いくつかの実施形態では、Ｓｃの重量％は、鋳型の底面でより高くなる。液体Ａｌ－Ｓｃが鋳型内で凝固すると、より重く、より高密度のＳｃ金属が鋳造物の底部に沈降し、これにより、鋳造物の底部側ではＳｃ重量％がより高くなり、鋳造物の頂部側ではＳｃ重量％がより低くなる。例えば、ワッフル型ナゲットの頂部側のＳＥＭ－ＥＤＳスキャン結果は、ワッフル型ナゲットの底部側のＳＥＭ－ＥＤＳスキャン結果と比較して、Ｓｃ重量％が比較的低いことを示した。いくつかの実施形態では、液体Ａｌ－Ｓｃ合金の少量の試料を収集し、急速に凝固させて、「スプラット」型鋳造物８００Ｂを成形することができる。そして、スプラット型鋳造物のＳＥＭ－ＥＤＳスキャンでは、Ａｌ－Ｓｃ合金のＳｃ重量％をより正確に検出することができる。 8A and 8B show an analytical method for detecting an Al—Sc composition according to an embodiment of the present disclosure. In some embodiments,% by weight of Sc can be analyzed using a SEM-EDS (scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) scanner. For example, in FIGS. 8A and 8B, circles 802A, 802B indicate regions analyzed by SEM-EDS in a single scan. Three separate scans 802A were performed to analyze and measure the scandium content of the waffle nugget 800A. In some embodiments, the weight percent of Sc is higher at the bottom of the mold. As the liquid Al-Sc solidifies in the mold, heavier, denser Sc metal settles to the bottom of the casting, which results in a higher Sc weight% on the bottom side of the casting and the top of the casting. On the side, the Sc weight% is lower. For example, the SEM-EDS scan results on the top side of the waffle nugget showed a relatively low Sc weight% compared to the SEM-EDS scan results on the bottom side of the waffle nugget. In some embodiments, a small sample of liquid Al—Sc alloy can be collected and rapidly solidified to form a “splat” cast 800B. Then, in the SEM-EDS scan of the splat type casting, the Sc weight% of the Al—Sc alloy can be detected more accurately.

図９は、本開示の実施形態による還元槽内に異なる電流を印加することによって製造されたＡｌ－Ｓｃ合金試料を示す。実験中、ＣＦ_４やスラッジ層を生成することなくＡｌ－Ｓｃ合金を製造するための２つの運転ポイントを特定した。この２つの運転ポイントは、約３０～４０アンペアの範囲で動作する還元槽、及び約１４～１８アンペアの範囲で動作する還元槽である。還元槽をこれらの運転ポイントで運転し、例えば、Ａｌ－Ｓｃ合金中の電流収率及びＳｃ濃度を決定した。還元槽（例えば、約４インチの内径を有する）に３０Ａの電流を印加することにより、Ａｌ－Ｓｃ合金試料（９０２、９０４、９１２、９１４、９１８及び９２０）を製造した。製造されたＡｌ－Ｓｃ合金は、約２．７～３．３重量％のＳｃ含有量を有し、電流収率は約４５～５５％であった。還元槽（例えば、約４インチの内径を有する）に１６Ａの電流を印加することにより、Ａｌ－Ｓｃ合金試料（９０８及び９１０）を製造した。製造されたＡｌ－Ｓｃ合金試料は、約２．１～２．５重量％のＳｃ含有量を有し、電流収率は約１８～２９％であった。１６Ａでの運転中、アノードでのガス発生はほとんどまたは全く観察されず、これは、電気分解反応が最小限に抑えられたことを示す。還元槽（例えば、約４インチの内径を有する）に印加される３０Ａの電流は、約０．４Ａ／ｃｍ^２の電流密度に換算することができ、還元槽（例えば、約４インチの内径を有する）に印加される１６Ａの電流は、約０．２Ａ／ｃｍ^２の電流密度に換算することができる。試料９０６及び試料９１６については、プロセス中に塩成分を添加した。 FIG. 9 shows an Al—Sc alloy sample produced by applying different currents to the reduction tank according to the embodiment of the present disclosure. During the experiment, two operating points were identified for the production of Al—Sc alloys without forming CF ₄ or sludge layers. These two operating points are a reduction tank operating in the range of about 30-40 amps and a reduction tank operating in the range of about 14-18 amps. The reduction tank was operated at these operating points to determine, for example, the current yield and Sc concentration in the Al—Sc alloy. Al—Sc alloy samples (902, 904, 912, 914, 918 and 920) were produced by applying a current of 30 A to a reduction tank (eg, having an inner diameter of about 4 inches). The Al—Sc alloy produced had a Sc content of about 2.7 to 3.3% by weight and a current yield of about 45 to 55%. Al—Sc alloy samples (908 and 910) were produced by applying a current of 16 A to a reduction tank (eg, having an inner diameter of about 4 inches). The Al—Sc alloy samples produced had a Sc content of about 2.1-2.5 wt% and a current yield of about 18-29%. During operation at 16A, little or no gas generation was observed at the anode, indicating that the electrolysis reaction was minimized. A current of 30 A applied to a reduction tank (eg, having an inner diameter of about 4 inches) can be converted to a current density of about 0.4 A / cm ² , with a reduction tank (eg, having an inner diameter of about 4 inches). The current of 16 A applied to) can be converted into a current density of about 0.2 A / cm ² . For Sample 906 and Sample 916, a salt component was added during the process.

本開示を読むことにより当業者には明らかなように、本発明のさらなる実施形態は、上記に具体的に開示された形態以外の形態で提示することができる。したがって、上記の特定の実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと見なされるべきである。当業者であれば、通常の実験のみを用いて、本明細書に記載された特定の実施形態に対する多数の等価物を認識するか、または確認することができるであろう。上記の例示的な実施形態により本発明を説明及び図示したが、本開示は、単なる例示であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の実施形態の詳細に様々な変更を行うことができることを理解されたい。本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。開示された実施形態の特徴は、本発明の範囲及び精神の範囲内で、様々な方法で組み合わせたり、再構成したりすることができる。本発明の範囲は、上記の説明に含まれる実施例に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲及びその等価物に記載されている通りである。 As will be apparent to those skilled in the art by reading the present disclosure, further embodiments of the invention can be presented in forms other than those specifically disclosed above. Therefore, the particular embodiments described above should be considered exemplary and not limiting. One of ordinary skill in the art will be able to recognize or confirm a number of equivalents to the particular embodiments described herein using only routine experiments. Although the invention has been described and illustrated by the above exemplary embodiments, the present disclosure is merely exemplary and various modifications to the details of the embodiments of the invention are made without departing from the spirit and scope of the invention. Please understand that you can do it. The present invention is limited only by the appended claims. The features of the disclosed embodiments can be combined and reconstructed in various ways within the scope and spirit of the invention. The scope of the present invention is not limited to the examples included in the above description, but is as described in the appended claims and their equivalents.

Claims (18)

アルミニウム－スカンジウム（Ａｌ－Ｓｃ）合金の製造方法であって、
（ａ）ＳｃＦ_３ と、ＡｌＦ _３ と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの部分とを含む電解質浴を用意するステップと、
（ｂ）前記電解質浴と接触するカソードであって、アルミニウムを含む該カソードを用意するステップと、
（ｃ）前記電解質浴と接触するアノードを用意するステップと、
（ｄ）前記電解質浴にＳｃ_２Ｏ_３の第１の部分を添加し、アルミニウムイオン及びスカンジウムイオンをカソードと反応させてＡｌ－Ｓｃ合金を製造する金属熱反応ステップと、
（ｅ）前記カソードに電流を印加し、それにより、アルミニウムイオン及びスカンジウムイオンを前記カソードと反応させてＡｌ－Ｓｃ合金を製造する電解反応ステップと、を含み、
前記スカンジウムイオンを前記カソードと反応させた後、
前記電解質浴は、ＳｃＦ_３、ＡｌＦ_３、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つを含み、
前記カソードは、Ａｌ－Ｓｃ合金を含む、ことを特徴とする方法。 A method for manufacturing an aluminum-scandium (Al-Sc) alloy.
(A) A step of preparing an electrolyte bath containing ScF ₃ , AlF ₃ , and at least one portion of LiF, NaF, and KF.
(B) A cathode that comes into contact with the electrolyte bath and contains the aluminum, and a step of preparing the cathode.
(C) A step of preparing an anode that comes into contact with the electrolyte bath, and
(D) A metal thermal reaction step of adding the first portion of Sc ₂ O ₃ to the electrolyte bath and reacting aluminum ions and scandium ions with the cathode to produce an Al—Sc alloy .
( E ) An electrolytic reaction step of applying an electric current to the cathode, whereby aluminum ions and scandium ions are reacted with the cathode to produce an Al—Sc alloy.
After reacting the scandium ion with the cathode,
The electrolyte bath comprises at least one of ScF ₃ , AlF ₃ , LiF, NaF, and KF.
A method characterized in that the cathode contains an Al—Sc alloy . 請求項１に記載の方法であって、
前記Ａｌ－Ｓｃ合金は、１～１２重量％のスカンジウムを含有することを特徴とする方法。 The method according to claim 1.
The method characterized by the Al—Sc alloy containing 1 to 12% by weight of scandium. 請求項１に記載の方法であって、
前記Ａｌ－Ｓｃ合金は、３～１２重量％のスカンジウムを含有することを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
The method characterized by the Al—Sc alloy containing 3 to 12% by weight of scandium. 請求項１に記載の方法であって、
前記カソードにおける前記アルミニウム及び前記スカンジウムの少なくとも一部が液体であることを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
A method characterized in that at least a part of the aluminum and the scandium at the cathode is a liquid. 請求項１に記載の方法であって、
前記カソードに印加される前記電流は、０．２～１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有することを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
A method characterized in that the current applied to the cathode has a current density of 0.2 to 1.0 A / cm ² . 請求項１に記載の方法であって、
前記カソードに印加する前記電流を制御することによって、前記スカンジウムイオンと前記アルミニウムイオンとのモル比を、０：１～２：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
Further comprising the step of maintaining the molar ratio of the scandium ion to the aluminum ion to a predetermined molar ratio in the range of 0: 1 to 2: 1 by controlling the current applied to the cathode. A method characterized by. 請求項１に記載の方法であって、
前記カソードに印加する前記電流を制御するか、または、前記電解質浴にＳｃ_２Ｏ_３の第２の部分を添加することによって、酸素イオンとフッ化物イオンとのモル比を、１：２０～１：２５０の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
By controlling the current applied to the cathode or by adding a second portion of Sc ₂ O ₃ to the electrolyte bath, the molar ratio of oxygen ions to fluoride ions is 1: 20-1. : A method comprising further maintaining a predetermined molar ratio in the range of 250. 請求項１に記載の方法であって、
前記電解質浴にＬｉＦの第２の部分を添加することによって、リチウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～４：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
By adding the second portion of LiF to the electrolyte bath, the molar ratio of lithium ion to the scandium ion and the aluminum ion is set to a predetermined molar ratio in the range of 0.5: 1 to 4: 1. A method characterized by further inclusion of steps to maintain in. 請求項１に記載の方法であって、
前記電解質浴にＮａＦの第２の部分を添加することによって、ナトリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
By adding the second portion of NaF to the electrolyte bath, the molar ratio of sodium ion to the scandium ion and the aluminum ion is set to a predetermined molar ratio in the range of 0.5: 1 to 6: 1. A method characterized by further inclusion of steps to maintain in. 請求項１に記載の方法であって、
前記電解質浴にＫＦの第２の部分を添加することによって、カリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１～６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
By adding the second portion of KF to the electrolyte bath, the molar ratio of potassium ion to the scandium ion and the aluminum ion is set to a predetermined molar ratio in the range of 0.5: 1 to 6: 1. A method characterized by further inclusion of steps to maintain in. 請求項１に記載の方法であって、
前記電解質浴に、Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 The method according to claim 1 .
The step of adding at least one second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF to the electrolyte bath is further included. How to feature. 請求項１１に記載の方法であって、
Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７～３８重量％のＳｃＦ_３、１５～２８重量％のＡｌＦ_３、４３～５５重量％のＮａＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加されることを特徴とする方法。 The method according to claim 11.
At least one said second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one of said LiF, NaF, and KF said that the electrolyte bath was 17-38% by weight. ScF ₃ , 15-28% by weight of AlF ₃ , 43-55% by weight of NaF, and 1-5% by weight of Sc ₂ O ₃ . 請求項１１に記載の方法であって、
Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２～４５重量％のＳｃＦ_３、１８～３３重量％のＡｌＦ_３、３１～４３重量％のＬｉＦ、及び１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加されることを特徴とする方法。 The method according to claim 11.
At least one said second portion of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one of said LiF, NaF, and KF said that the electrolyte bath is 22-45% by weight. ScF ₃ , 18-33 wt% AlF ₃ , 31-43 wt% LiF, and 1-6 wt% Sc ₂ O ₃ are added. 請求項１１に記載の方法であって、
Ｓｃ_２Ｏ_３及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４～３２重量％のＳｃＦ_３、１２～２４重量％のＡｌＦ_３、５１～６３重量％のＫＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加されることを特徴とする方法。 The method according to claim 11.
At least one of the second parts of Sc ₂ O ₃ and AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF said that the electrolyte bath was 14 to 32% by weight. ScF ₃ , 12-24% by weight AlF ₃ , 51-63% by weight KF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ are added. 請求項１のいずれか記載の方法であって、
前記電解質浴に、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含むことを特徴とする方法。 The method according to any one of claims 1 .
A step of adding at least one second portion of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and at least one second portion of LiF, NaF, and KF to the electrolyte bath. A method characterized by further inclusion. 請求項１５に記載の方法であって、
Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７～３８重量％のＳｃＦ_３、１５～２８重量％のＡｌＦ_３、４３～５５重量％のＮａＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加されることを特徴とする方法。 The method according to claim 15.
At least one of the second parts of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF of the second part of the electrolyte bath 17 A method characterized in that it is added to contain up to 38% by weight ScF ₃ , 15-28% by weight AlF ₃ , 43-55% by weight NaF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ . 請求項１５に記載の方法であって、
Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２～４５重量％のＳｃＦ_３、１８～３３重量％のＡｌＦ_３、３１～４３重量％のＬｉＦ、及び１～６重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加されることを特徴とする方法。 The method according to claim 15.
At least one of the second parts of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF of the second part of the electrolyte bath 22 A method characterized in that it is added to include up to 45% by weight ScF ₃ , 18 to 33% by weight AlF ₃ , 31 to 43% by weight LiF, and 1 to 6% by weight Sc ₂ O ₃ . 請求項１５に記載の方法であって、
Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｃＦ_３、及びＡｌＦ_３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４～３２重量％のＳｃＦ_３、１２～２４重量％のＡｌＦ_３、５１～６３重量％のＫＦ、及び１～５重量％のＳｃ_２Ｏ_３を含むように添加されることを特徴とする方法。 The method according to claim 15.
At least one of the second parts of Sc ₂ O ₃ , ScF ₃ , and AlF ₃ and at least one of LiF, NaF, and KF have the electrolyte bath 14 A method comprising an addition of up to 32% by weight ScF ₃ , 12-24% by weight AlF ₃ , 51-63% by weight KF, and 1-5% by weight Sc ₂ O ₃ .