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熔盐热还原制备铝钙(钡)合金的研究

秦家盈  
【摘要】:作为一种高效能的新型无硅复合脱氧剂,铝钙钡系合金能改变氧化物在钢中的存在状态,有效降低钢中氧含量,在提高钢材质量方面作用显著。目前,铝钙、铝钡合金的生产方法主要有对掺法、金属热还原法和熔盐电解法,其中对掺法金属烧损大,金属热还原法工艺复杂,熔盐电解法电流效率普遍较低,故其生产成本均较高。为此,本文开展了熔盐热还原法制备铝钙、铝钡合金的研究,以期建立一种新型低成本铝钙钡合金生产新工艺。通过热力学计算分析了在卤化物-氧化物熔盐中,以液态铝为还原剂制备Al-Ca与Al-Ba合金的可行性。结果表明,在1800 K以下,铝熔体能还原溶解在CaCl2和CaF2-CaCl2熔盐中的CaO,生成Al4Ca合金与铝钙复合氧化物,其中产物为12CaO·7Al2O3的反应更易进行。同样,在BaF2-BaCl2熔盐中,铝热还原制备铝钡合金在热力学上是可行的,其还原产物为Al4Ba合金及BaO·Al2O3或3BaO·Al2O3,其中产物为BaO·Al2O3的反应更易发生。研究了还原温度、还原时间及原料配比对铝钙合金制备过程中Ca的收率、A1的收率以及合金中钙含量的影响。结果显示,在800~1000℃温度范围内,随温度升高,铝的收率降低,而钙的收率及合金中的钙含量则先升高后降低:随还原时间的延长,钙的收率及合金中的钙含量升高,但铝的收率降低;随原料中CaO含量的增大,合金中的钙含量增大,而Ca和A1的收率则基本呈现降低的趋势;CaCl2熔盐中添加适量CaF2有利于提高合金中的钙含量和降低反应温度。CaF2-CaCl2熔盐中铝热还原制备铝钙合金适宜的工艺技术参数为:还原温度900℃,还原时间1.5 h,熔盐组成为15%CaF2-85%CaCl2, m(CaO):m(Al)=2:3,此条件下制得的铝钙合金中钙含量为17.3%,Al的收率为88.3%,Ca的收率为38.4%。用等温饱和法研究了BaO在BaF2-BaCl2体系中的溶解度,考察了还原温度、还原时间及原料配比对铝钡合金制备过程的影响。结果表明,BaO的溶解度随着BaF2含量的增加和温度的升高而增大:950℃时,BaO在15%BaF2-85%BaCl2熔盐中的溶解度可达30mass%以上。还原温度、还原时间及原料配比对Ba的收率、A1的收率以及合金中钡含量的影响规律与熔盐热还原制备铝钙合金的过程基本相同。熔盐热还原制备铝钡合金的适宜条件为:还原温度950℃,还原时间2 h,熔盐组成为15%BaF2-85%BaCl2,m(BaO):m(Al)=5:6,此时铝钡合金中Ba含量为14.9%,Al的收率为92.2%,Ba的收率为23.5%。利用熔盐热还原法制备的铝钙、铝钡合金经直接对掺制备了钙含量为9%、钡含量为7%的铝钙钡合金;XRD及SEM测试表明,其物相主要为Al、Al4Ca和Al4Ba,且分布均匀,合金成分及杂质含量可满足高品质钢脱氧的要求。


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