[发明专利]工业铝电解槽直接电解生产铝-钛-硼三元中间合金

说明书

本发明属于一种铝基合金的生产新工艺，具体地说是铝-硼-钛三元中间合金工艺的创新。

做为“第二金属材料”的铝在工农业生产、生活，国防上有着极其广泛的应用，尤其是铝合金的不断发展，其以高强度、低重量、加工性能好的优势更加引人注意。近些年来发现，铝中填加微量钛、硼后有明显的细作晶粒作用，可大大提高其加工性能，对消除铸造裂痕及挤压加工铝材大晶粒缺陷等有显著的作用。为获取这种优良加工性能的铝合金，各国都积极研究铝-钛-硼三元中间合金的生产工艺并逐渐形成热还原法和对掺法两种工艺流程。热还原法的典型方式是采用钛和硼的碱金属氟化物（主要是钛氟化钾、硼氟化钾之类）做为添加物，在低频感应炉中加热溶化铝料到900℃以下，利用铝还原出B和Ti，最终生成Al-Ti-B三元中间合金（参考日本专利特公照49-17133，17，Apr;1974）这种生产工艺虽然可以获得合格的Al-Ti-B中间合金。但这类钛、硼化物的价格昂贵，在形成合金过程中的泥状浮渣含有大量Al元素，铝耗严重，其生产成本在15000元/吨以上。对掺法是直接用金属钛与硼化物加入到在坩埚中做二次熔化的铝料之中，熔合后搅拌而生成（参见英国专利3785807，12，Nov，1975）。这种工艺所存在的问题仍然是价格昂贵（钛金属40000元/吨，且因提炼困难，原料十分紧张），因二次烧损和能源消耗，其成本高过15000元/吨以上。以上工艺在我国目前未见报导，但做为重要中间合金已经引起国内 专家与企业的密切关注。

本发明的目的在于设计一种工业化生产的铝-钛-硼合金的新工艺，使合金中的钛硼之比可达到3∶1-50∶1之间，并尽量提高其二者在合金中的绝对含量，努力实现低耗能，低耗铝及大幅度降低生产成本以满足对铝钛硼三元中间合金日益增长的需要。

本发明的基本设想是在不改变原电解法冶炼铝的设备工况下，在工业铝电解槽中直接生产铝钛硼三元中间合金，并尽可能采用廉价的硼化合物或钛化合物工业原料以利于大幅度降低产品成本。

通过理论上的分析，可以证明本发明构思是完全可能实现的：在工业铝电解槽中阴极是电解铝，通常在电解质中也含有一定数量的Al，在此种情况下如果电解质中同时含有TiO₂和B₂O₃之类的金属氧化物，那么处于生产状态下的电解槽中完全可能产生下列两类反应，其结果应当是生成纯金属和氧气，参看以下反应式：

热还原反应：

电解反应：

在阳极：

在阴极：

由于TiO₂和B₂O₃的电解电压均小于Al₂O₃的分解电压，这就说明这两种氧化物中的金属元素完全有可能与电解铝同时析出并更好 地熔合在一起易于均匀形成合金成份。同时伴随发生的热还原反应也能促进硼和钛金属析出。而且其反应的中间产物恰好又是电解槽中的原料Al₂O₃，这就减少了铝料的消耗，极大限度地利用了资源。显然，最关键的问题在于整个工艺过程中能不能保证合金中钛、硼的绝对含量达到一定的百分比，因为按以往电解法冶炼Al-Ti合金的经验告诉我们，工业铝电解槽中的工作温度下液相铝中的钛含量不会超过2.0%，通过实验证明，在有硼析出的条件下合金中的钛含量反而可以大幅度提高。目前，所试产品种的钛量也已经突破4%，完全可以达到有关Al-Ti-B中间合金的国际标准，因而从理论到实践都证明这种工艺方法完全是可以实现的。