СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ Российский патент 1995 года по МПК C25C3/06 C22B21/06 

Изобретение относится к цветной металлургии.

Известен способ получения алюминия особой чистоты, заключающийся в том, что, используя в процессе исходный алюминий высокой чистоты, методом фракционной кристаллизации достигают снижения концентрации примесей железа, кремния и меди с получением алюминия особой чистоты. Для фракционной кристаллизации используется метод периодического прессования кристаллов в алюминии, образующихся на охлаждаемых поверхностях в объеме расплавленного алюминия. Для снижения концентрации перитектических примесей (титан, ванадий) перед фракционной кристаллизацией в расплавленный алюминий вводят бор.

Недостатком известного способа заключается в том, что при относительно низких концентрациях в исходном алюминии эвтектических примесей, у которых коэффициенты распределения (К) находятся в пределах 0,1-1,0, степень очистки мала. Так в известном способе показано, что концентрация кремния за один цикл очистки снизилась с 5 до 4,3 ppm, т.е. снизилась на 14% Если говорить о примеси магния, который присутствует в алюминии высокой чистоты в значительно больших количествах, чем кремний, и имеет К=0,5-0,6, то приведенный способ очистки не обеспечит необходимой очистки от него для получения алюминия особой чистоты.

Известен способ получения алюминия особой чистоты, при котором алюминий технической чистоты последовательно рафинируют следующими методами: трехслойным электролитическим рафинированием; электролизом в органических растворах группы алкилов фракционной кристаллизацией методом зонной плавки.

Недостатком способа заключается в низкой производительности двух последних стадий.

Известен также способ получения алюминия особой чистоты методом зонной плавки. При этом способе исходным материалом является алюминий высокой чистоты марки А995, полученный трехслойным электролитическим рафинированием. Перед зонной плавкой алюминий в расплавленном состоянии выдерживают в течение 20-24 ч в вакууме, что позволяет снизить содержание водорода, а также примесей щелочных и щелочно-земельных металлов (натрия и магния). Очистка алюминия по методу зонной плавки заключается в том, что на одном конце слитка, подвергаемого очистке, создается с помощью индукторов расплавленная зона, которая с определенной постоянной скоростью перемещается вдоль слитка. В расплавленной зоне эвтектические примеси (железо, кремний, медь, кальций и др. ), имеющие К>1, переносятся в конечную часть слитка. Перитектические примеси (хром, цирконий, ванадий, титан и др), имеющие К<1, при перемещении зоны переходят в начальную часть слитка. Для получения алюминия чистотой 99,999% производят от 7 до 12 проходов. По окончании процесса оба конца слитка отрезаются. Выход годного из слитка составляет около 70% Для получения алюминия большей чистоты количество проходов увеличивают. Продолжительность одного прохода составляет 11 ч.

Недостатком известного способа состоит в его низкой производительности и высоких затратах материалов и труда.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения алюминия особой чистоты (прототип), включающий трехслойное электролитическое рафинирование алюминия технической чистоты, при котором удаляется основная часть примесей, обработку полученного алюминия углеродистыми материалами из высокочистого углерода с целью удаления примеси магния, фракционную кристаллизацию расплавленного алюминия для удаления эвтектических примесей.

Существенный недостаток известного способа состоит в том, что при обработке алюминия углеродистыми материалами скорость удаления магния низкая, что снижает производительность всего процесса в целом. Второй существенный недостаток заключается в том, что перитектические примеси концентрируются в рафинированном алюминии на стадии фракционной кристаллизации, что снижает качество рафинированного алюминия.

Цель изобретения повышение производительности процесса и качества алюминия особой чистоты.

Это достигается тем, что очистку от металлических примесей осуществляют путем перемешивания алюминия с флюсом из фтористых и/или хлористых солей в количестве 0,1-0,3% от массы алюминия при 680-800^оС с числом оборотов мешалки 400-800 об/мин, затем вводят алюминий борсодержащие соединения или лигатуру в количестве, в 1,5-3 раза превышающем необходимое по стехиометрии при 680-800^оС и перемешивании с угловой скоростью 400-800 об/мин, а фракционную кристаллизацию проводят на охлаждаемом теле, вращающемся с угловой скоростью 500-2000 об/мин.

Существенное отличие предлагаемого способа состоит в том, что примеси в алюминии сгруппированы по классам по их отношению к воздействующему на очистку фактору. Воздействующие факторы выбраны так, чтобы охватить весь диапазон примесей и очистить алюминий высокой чистоты до алюминия особой чистоты.

Так примеси щелочных и щелочно-земельных металлов (Na, K, Li, Ca, Mg и др) выводятся из алюминия за счет их окисления при взаимодействии с расплавленным флюсом из фтористых и/или хлористых солей с образованием соответствующих фторидов или хлоридов, которые переходят в шлак.

Перитектические примеси (вступающие с алюминием в перитектическую реакцию) удаляются из алюминия за счет связывания в бориды соответствующих металлов, нерастворимых в алюминии. Эвтектические примеси (образующие эвтектику с алюминием) и бориды перитектических примесей выводят из алюминия кристаллизацией алюминия на вращающемся охлаждаемом теле.

Второе существенное отличие заключается в том, что по сравнению с прототипом каждая из стадий является высокопроизводительной, что обеспечивает высокую производительность всего процесса в целом.

Третье существенное отличие заключается в том, что определены предельные дозы флюса при флюсовом рафинировании и борсодержащих соединений при очистке от перитектических примесей.

Четвертое существенное отличие состоит в том, что для каждой из стадий очистки определены температурные интервалы и скорости перемешивания.

Для каждой из стадий принятые параметры обосновываются следующими обстоятельствами. Загрузка флюса в количестве менее 0,1% от массы алюминия не обеспечивает достижения необходимой глубины очистки от примесей щелочных и щелочно-земельных металлов (менее 0,0001% каждой из примесей). Загрузка флюса в количестве более 0,3% от массы алюминия не повышает эффективность очистки по продолжительности и глубине, т.е. флюс расходуется бесполезно.

При температуре алюминия ниже 680^оС эффективность очистки резко снижается, так как флюс переходит в твердое состояние, в результате чего снижается массообмен между алюминием и флюсом. При температуре выше 800^оС также снижается эффективность очистки в связи с улетучиванием активных составляющих флюса (AlF₃, AlCl₃).

Перемешивание алюминия с флюсом при числе оборотов мешалки менее 400 об/мин не обеспечивает необходимый массообмен и не достигается необходимая глубина очистки. При числе оборотов мешалки выше 800 об/мин глубина центральной вихревой воронки достигает уровня мешалки, что вызывает захват металлов воздуха и соответственно повышенные потери алюминия от угара и снижение качества металла.

Для определения необходимой дозировки борсодержащих соединений или борсодержащей лигатуры предварительно определяют в алюминии концентрацию перитектических примесей Ti, V, Zr. При дозировке менее чем с 1,5-кратным превышением против стехиометрического борсодержащих соединений или лигатуры не достигается необходимая глубина очистки (менее 0,0001%) от перитектических примесей из-за частичной потери бора на взаимодействие с алюминием и на другие потери. При дозировке бора более чем с трехкратным превышением алюминий загрязняется бором в виде борида алюминия и требуются дополнительные затраты на его очистку.

При перемешивании алюминия с борсодержащими соединениями с угловой скоростью менее 400 об/мин не достигается необходимая глубина очистки из-за недостаточного массообмена. При перемешивании с угловой скоростью более 800 об/мин глубина центральной вихревой воронки достигает уровня мешалки, что вызывает захват металлом воздуха и повышение угара алюминия.

Очистка от перитектических примесей при температуре алюминия ниже 680^оС не достигает необходимой глубины из-за повышения вязкости расплава и снижения в связи с этим массообмена. Повышение температуры алюминия свыше 800^оС вызывает увеличение потерь борсодержащих соединений и угар алюминия.

Очистку от эвтектических примесей осуществляют фракционной кристаллизацией из расплава введением охлаждаемого тела, вращающегося с угловой скоростью 500-2000 об/мин. При скорости менее 500 об/мин очистка малоэффективна, так как из-за недостаточной центробежной силы примеси, концентрирующиеся на границе твердого и жидкого алюминия, захватываются вместе с жидким алюминием в кристаллическую фазу. При угловой скорости более 2000 об/мин снижается производительность процесса, так как из-за высокой центробежной силы кристаллы срываются с поверхности охлаждаемого тела.

Для получения алюминия особой чистоты был взят алюминий высокой чистоты, полученный по трехслойному способу рафинирования. Содержание примесей составляло (10^-4%): Fe 6; Si 5; Cu 5; Mg 60; Na 5; Li 1,5; K 1; Ca 3; Ti 3; V 2; Zr 1.

Алюминий такого состава подвергали постадийной очистке. Примеси щелочных и щелочно-земельных металлов удаляли флюсом, составленным из криолита (Na₃AlF₆) и фтористого алюминия (AlF₃) в соотношении 1:1 по массе. Процесс проводили в транспортном ковше емкостью 2,5 т алюминия. Температура металла в ковше составляла 750^оС. В ковше устанавливали мешалку турбинного типа с регулируемой скоростью вращения. При скорости 450 об/мин в образовавшуюся вихревую воронку загружали порцию флюса из расчета 0,2% от массы металла. Через 9 мин перемешивание прекратили и отобрали пробу алюминия. Анализ показал содержание примесей (10^-4%): Mg 1; Na 0,6; K<1, Ca<1, Li<1; остальные примеси сохранились на уровне исходного металла. С поверхности металла сняли шлак, вновь включили мешалку и при скорости 480 об/мин в образовавшуюся вихревую воронку загрузили лигатуру Al-B с концентрацией бора 0,5% из расчета двухкратного превышения против стехиометрии для полной очистки от примесей Ti, V и Zr. Через 8 мин остановили мешалку и отобрали пробу для анализа. В результате анализа получили содержание примесей (10^-4%): Ti 0,7, V<1, Zr<1. Состав остальных примесей не изменился. Металл из ковша слили в тигель на установке по рафинированию методом фракционной кристаллизации. В расплавленный алюминий при 680^оС опустили полый, заглушенный с одной стороны ротор и при подаче сжатого воздуха в полость ротора начали его вращать с угловой скоростью 700 об/мин. При этом на поверхности ротора кристаллизовался слиток очищенного от эвтектических примесей алюминия. Ротор со слитком извлекали из расплавленного алюминия, слиток снимали, плавили и отбирали пробу для анализа. Содержание эвтектических примесей составили (10^-4%): Fe 1,2; Si 1,3; Cu 1,3; Mg 0,9; B<1. Полученный постадийной очисткой алюминий соответствовал марке A5N с суммарным содержанием примесей 6 ˙10^-4%
Результаты, полученные при других примерах осуществления способа, приведены в табл. 1-3.

Анализ приведенных в примерах данных показывает, что постадийная очистка алюминия высокой чистоты по заявляемому способу позволяет интенсифицировать процесс получения алюминия особой чистоты. Интенсификация выражается в повышении производительности на стадии очистки от примесей щелочных и щелочно-земельных металлов (в 30 раз). Производимый по заявляемому способу алюминий особой чистоты выше по качеству за счет более глубокой очистки от магния и перитектических примесей.

Использование: в цветной металлургии. Сущность: очистку алюминия высокой частоты осуществляют постадийным снижением различных классов примесей. Очистку от щелочных и щелочно-земельных металлов осуществляют путем перемешивания алюминия с флюсом из фтористых и/или хлористых солей в количестве 0,1 0,3% от массы алюминия, при 680 800°С с числом оборотов мешалки 400 800 об/мин, затем вводят в алюминий борсодержащие соединения или лигатуру в количестве, 10,5 3 раза превышающем необходимое по стехиометрии при 680 800°С и перемешивании с угловой скоростью 400 800 об/мин, для удаления перитектических примесей, а фракционную кристаллизацию проводят на охлаждаемом теле, вращающемся с угловой скоростью 500 2000 об/мин. 3 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ из алюминия высокой чистоты, включающий очистку от металлических примесей и фракционную кристаллизацию для удаления эвтектических примесей, отличающийся тем, что с целью повышения производительности процесса и качества металла, очистку от металлических примесей осуществляют путем перемешивания алюминия с флюсом из фтористых и/или хлористых солей в количестве 0,1 0,3% от массы алюминия при 680 - 800^oС при частоте мешалки 400 800 мин^-1, введения в алюминий борсодержащих соединений или лигатуры в количестве, в 1,5 3,0 раза превышающем необходимое по стехиометрии при 680 800^oС и перемешивании с угловой скоростью 400 800 мин^-1, а фракционную кристаллизацию проводят на охлаждаемом теле, вращающемся с угловой скоростью 500 2000 мин^-1.