Способ получения алюминиево-кремниевого сплава и криолита

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВОГО СПЛАВА И КРИОЛИТА, включающий термообработку расплава алюминия смесью кремнефтористого натрия с окислом металла, отличающийся тем, что, с целью повышения извлечения фтора в качестве окисла металла используют окись циркония и/или окись титана.

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности касается получения алюминиево-кремниевых сплавов и фтористых солей.
Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов и криолита путем взаимодействия кремнефтористого натрия с алюминием по реакции
3Na₂SiF₆ + 4 Al 6NaF 4AlF₃ + 3Si (1) при температуре 700-900^оС.
Взаимодействие кремнефтористого натрия с алюминием протекает в три последовательные стадии по схеме (2-4) с образованием на одной из стадий газообразного четырехфтористого кремния:
3Na₂SiF₆ -> 6NaF + 3SiF₄ (2)
4Al + 3SiF₄ 4AlF₃ + Si (3)
6NaF + 4AlF₃ 6NaF 4AlF₃ (4)
Образование газообразного четырехфтористого кремния обусловливает потери фтора в газовую фазу. При проведении процесса при температуре 700^оС потери достигают 20% от загружаемого количества фтора.
Известен способ получения алюминиево-кремниевого сплава и криолита, включающий термообработку алюминия смесью кремнефтористого натрия с окисью алюминия.
Образующийся в процессе четырехфтористый кремний улавливается окисью алюминия с образованием трехфтористого алюминия, а окись кремния восстанавливается алюминием до элементарного кремния с последующей диффузией ее в алюминий.
Основной недостаток данного способа состоит в том, что окись алюминия полностью не улавливает четырехфтористый кремний, что приводит к потерям фтора в газовую фазу.
Окись алюминия начинает взаимодействовать с четырехфтористым кремнием при температуре выше 600^оС, а разложение кремнефтористого натрия становится заметным уже при 500^оС. Поэтому добавки окиси алюминия не обеспечивают полного улавливания четырехфтористого кремния и извлечение фтора составляет около 94%
При использовании вместо окиси алюминия гидроокиси алюминия достигается более полное улавливание фтора. Однако в результате высокой скорости испарения воды при контактировании расплавленного металла в соединении, содержащего воду, существует вероятность выброса металла, которая увеличивается при попадании соединения под слой металла, что вполне возможно при промышленной реализации способа. В связи с этим использование гидроокиси алюминия в промышленности затруднено.
Цель изобретения повышение степени извлечения фтора.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения алюминиево-кремниевого сплава и криолита, включающем термообработку расплава алюминия смесью кремнефтористого натрия с окислом металла, в качестве окисла металла используют окись циркония и/или окись титана.
При нагреве смеси кремнефтористого натрия с окисными соединениями циркония и/или титана происходит их взаимодействие с образованием соответствующих комплексных фторидов:
Na₂SiF₆ + ZrO₂ Na₂ZrF₆ + SiO₂ (5)
Na₂SiF₆ + TiO₂ Na₂TiF₆ + SiO₂ (6)
Взаимодействие окислов циркония и титана с кремнефтористым натрием по реакциям (5) и (6) протекает через газовую фазу путем взаимодействия этих окислов с четырехфтористым кремнием, продуктом разложения кремнефтористого натрия.
В отличие от окиси алюминия фторирование окислов циркония и титана начинается при более низких температурах, около 450^оС, поэтому добавки данных окислов обеспечивают более полное улавливание SiF₄, чем окислы алюминия. Это позволяет сократить потери фтора при взаимодействии кремнефтористого натрия с алюминием.
При нагреве на поверхности расплавленного алюминия кремнефтористого натрия, содержащего окислы циркония и/или титана, выделяющийся четырехфтористый кремний при температурах до 600^оС и выше будет улавливаться окислами титана и/или циркония. Количество добавляемых окислов должно соответствовать количеству выделившегося четырехфтористого кремния. При совместном использовании окислов циркония и/или титана с окислами алюминия, количество которых составляет 20 30% от веса кремнефтористого натрия, как в известном способе, количество окислов циркония и/или титана равно 0,1-5%
Применение меньших количеств окислов циркония и/или титана не обеспечивает полное улавливание четырехфтористого кремния.
При больших количествах вся окись алюминия не фторируется и частично остается в получаемом криолите. Поэтому увеличение содержания окислов циркония и/или титана требует уменьшения содержания окислов алюминия в смеси. При введении окислов циркония и/или титана их количество равно 20-40% от веса кремнефтористого натрия.
Образующиеся в результате реакций (5-6) комплексные фториды взаимодействуют с расплавленным алюминием по реакциям (7, 8) с образованием криолита и свободного металла, который переходит в алюминий:
3Na₂ZrF₆ + 4Al 6NaF 4AlF₃ + 3Zr (7)
3Na₂TiF₆ + 4Al 6NaF 4AlF₃ + 3Ti (8). Последнее является дополнительным преимуществом, поскольку цирконий и титан являются модификаторами алюминиево-кремниевых сплавов и полученный сплав может быть использован для легирования и модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов.
П р и м е р 1. Тщательно перемешанную смесь, состоящую из 800 г кремне-фтористого натрия и 200 г окиси титана (25%), загружали на поверхность алюминия, нагретого до температуры 900^оС. Масса алюминия 1000 г. По истечении 30 мин расплавленный солевой продукт снимался с поверхности алюминия и после охлаждения подвергался весовому, рентгенофазовому и химическому анализам. Алюминиевый сплав подвергался спектральному анализу на содержание в нем кремния и титана.
Согласно данным анализов солевой продукт состоял из криолита и хиолита (криолитовый модуль 1,57) и не содержал соединений титана. Вес солевого продукта 818 г, вес сплава 1066 г.
Извлечение фтора в солевой продукт составило 98% Содержание кремния и титана в алюминиевом сплаве соответственно равно 11,6% и 8,8%
П р и м е р 2. Смесь, состоящая из 800 г кремнефтористого натрия и 200 г окиси циркония, обрабатывалась аналогично примеру 1. Согласно данным весового, рентгенофазового и химического анализов солевой продукт содержал криолит, хиолит (криолитовый модуль 1,55) и не содержал соединений циркония. Вес солевого продукта 820 г, вес сплава 1086 г.
Извлечение фтора в солевой продукт составило 98,5% Содержание кремния и циркония в алюминиевом сплаве соответственно равно 11,4 и 10,5%
П р и м е р 3. Смесь, состоящую из 1600 г кремнефтористого натрия и 400 г окиси алюминия, делили на две равные части: в первую подавали 30 г окиси циркония, во вторую 30 г окиси титана. Каждую порцию тщательно перемешивали и обрабатывали алюминием в условиях аналогично примеру 1. Полученный солевой продукт в обоих случаях содержал криолит, хиолит (криолитовый модуль 1,55; 1,56) и не содержал соединений циркония и титана.
Извлечение фтора в солевой продукт составило 98,5% при применении окиси циркония и 98% при применении окиси титана. Алюминиево-кремниевый сплав содержал 1,7% окиси циркония и 1,8% окиси титана.
Изобретение позволит при использовании:
обеспечить высокое извлечение фтора до 98-98,5%
получить лигатурные сплавы для легирования и модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов.