cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2019-3-20-29cvmet-953Research ArticleМеталлургия цветных металловMetallurgy of Non-Ferrous MetalsПолучение лигатуры Al–B алюмотермическим восстановлением KBF4и B2O3 в среде расплавленных солевых флюсовProduction of the Al–B master alloy by KBF4and B 2O3aluminothermic reduction in molten salt flux mediumКатаевA. А.KataevA. A.

Мл. науч. сотр. лаборатории электродных процессов.

620137, г. Екатеринбург, ул. Академическая, 20.

Jjunior researcher.

620137, Russia, Ekaterinburg, Akademicheskaya str., 20.

aleksandr_kataev@mail.ruТкачёваО. Ю.TkachevaO. Yu.

Докт. хим. наук, вед. науч. сотр. лаборатории электродных процессов; проф. кафедры технологии электрохимических производств.

620137, г. Екатеринбург, ул. Академическая, 20.

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.

Dr. Sci. (Chem.), leading researcher; prof. of the Department of the electrochemical engineering technology.

620137, Russia, Ekaterinburg, Akademicheskaya str., 20.

620002, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 19.

o.tkacheva@ihte.uran.ruМолчановаН. Г.MolchanovaN. G.

Науч. сотр. лаборатории состава вещества.

620137, г. Екатеринбург, ул. Академическая, 20.

Scientific researcher.

620137, Russia, Ekaterinburg, Akademicheskaya str., 20.

ЗайковЮ. П.ZaikovYu. P.

Докт. хим. наук, науч. рук-ль; проф., зав. кафедрой технологии электрохимических производств.

620137, г. Екатеринбург, ул. Академическая, 20.

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.

Dr. Sci. (Chem.), research adviser; prof., head of the Department of the electrochemical engineering technology.

620137, Russia, Ekaterinburg, Akademicheskaya str., 20.

620002, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 19.

Zaikov@ihte.uran.ruИнститут высокотемпературной электрохимии УрО РАН.РоссияInstitute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the RAS.Russian FederationИнститут высокотемпературной электрохимии; Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина.РоссияInstitute of High-Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the RAS; Ural Federal University.Russian Federation201918062019032029Copyright © Катаев A.А., Ткачёва О.Ю., Молчанова Н.Г., Зайков Ю.П., 20192019Катаев A.А., Ткачёва О.Ю., Молчанова Н.Г., Зайков Ю.П.Kataev A.A., Tkacheva O.Y., Molchanova N.G., Zaikov Y.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/953

Исследован процесс получения лигатуры Al–B методом алюмотермического восстановления KBF4и B2O3с использованием фторидных флюсов KF–AlF3и КF–NaF–AlF3при температурах, соответственно, 983 и 1123 К и хлоридно-фторидных флюсов KCl–NaCl–KF при Т= 1173÷1223 К. Все эксперименты проводили при одинаковых условиях: скорость перемешивания расплавленной смеси – 400 об/мин, длительность синтеза – 30 мин. Максимальное количество бора (1,5 %) в сплаве Al–B было получено в случае применения в качестве борсодержащего сырья KBF4(3 % в расчете на В) в среде KF–AlF3с мольным (криолитовым) отношением (КО) компонентов KF/AlF3, равным 1,3, при Т= 983 К, при этом степень извлечения бора не превышала 75 %. Сравнимые результаты были получены в экспериментах с флюсом KF–NaF–AlF3(КО = 1,5) при Т= 1123 К. Однако при увеличении концентрации задаваемого бора степень его извлечения существенно снижалась, что связано с разложением при более высокой температуре не только KBF4, но и менее термически устойчивого NaBF4, который образуется в результате обменной реакции в расплаве. Поэтому не рекомендуется использование солей натрия в качестве компонента флюса. Лигатуры Al–B, полученные восстановлением KBF4в среде фторидных флюсов, представляли собой твердые растворы бора в алюминии, содержащие интерметаллид AlB2. Наименьшее количество бора в алюминии с минимальной степенью извлечения было получено в опытах с B2O3в среде расплавленного KF–AlF3с КО = 1,5. Тем не менее результаты сканирующей электронной микроскопии свидетельствуют о равномерном распре-делении B в матрице Al и отсутствии интерметаллидов, при этом найдено большое количество оксида Al2O3, который является продуктом реакций B2O3как с жидким Al, так и с флюсом KF–AlF3.

The study covers the process of obtaining the Al–B master alloy by the KBF4and B2O3aluminothermic reduction using KF–AlF3and KF–NaF–AlF3fluoride fluxes at 983 and 1123 К, respectively, and KCl–NaCl–KF chloride-fluoride fluxes at Т= 1173÷1223 К. All experiments were carried out under the same conditions: molten mixture stirring rate was 400 rpm, synthesis duration was 30min. The maximum amount of boron (1,5 %) in the Al–B alloy was obtained when using KBF4(3 % per B) as a boron-containing raw material in the KF–AlF3medium with a molar (cryolite) ratio (CR) of KF/AlF3equal to 1,3, atТ= 983 К, while boron recovery ratio did not exceed 75 %. Comparable results were obtained in experiments with KF–NaF–AlF3f lux (CR = 1,5) at Т= 1123 К. However, with the increased concentration of fed boron its recovery ratio decreased substantially. It is connected with the higher decomposition temperature of not only KBF4, but also less thermally stable NaBF4 formed as a result of exchange reaction in the melt. Therefore it is not recommended to use sodium salts as a f lux component. The Al–B master alloys obtained by KBF4reduction in fluoride fluxes were solid solutions of B in Al containing the AlB2intermetallic compound. The lowest amount of boron in aluminum with the minimum degree of extraction was obtained in experiments with the B2O3in molten KF–AlF3with CR = 1,5. Nevertheless, the results of scanning electron microscopy indicate a uniform distribution of B over the Al matrix and the absence of intermetallic compounds, while a large amount of Al2O3was found, which is the product of B2O3reactions with both liquid Al and KF–AlF3flux.

алюмотермиялигатура Al–Bсолевой флюскалиевый криолитбориды алюминияaluminothermyAl–B master alloysalt fluxpotassium cryolitealuminum boridesReferencesПопов Д.А., Огородов Д.В., Трапезников А.В. Альтернативные источники борсодержащего сырья для производства лигатуры Al—B (обзор). Тр. ВИАМ.2015. No. 10. C. 41—47.Popov D.A., Ogorodov D.V., Trapeznikov A.V. Alternative sources of boron-containing raw materials for the production of ligatures Al—B (review). Tr udy VIAM. 2015. No. 10. P. 41—47 (In Russ.).Попов Д.А., Огородов Д.В., Трапезников А.В. Альтернативные источники борсодержащего сырья для производства лигатуры Al—B (обзор). Тр. ВИАМ.2015. No. 10. C. 41—47.Popov D.A., Ogorodov D.V., Trapeznikov A.V. Alternative sources of boron-containing raw materials for the production of ligatures Al—B (review). Tr udy VIAM. 2015. No. 10. P. 41—47 (In Russ.).Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСиС, 2002. Napalkov V.I., Makhov S.V. Alloying and modifying aluminum and magnesium. Moscow: MISIS, 2002 (In Russ.).Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСиС, 2002. Napalkov V.I., Makhov S.V. Alloying and modifying aluminum and magnesium. Moscow: MISIS, 2002 (In Russ.).Chen Z., Wang T., Gao L., Fu H., Li T. Grain refinement and tensile properties improvement of aluminum foundry alloys by inoculation with Al—B master alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 553. P. 32—36.Chen Z., Wang T., Gao L., Fu H., Li T. Grain refinement and tensile properties improvement of aluminum foundry alloys by inoculation with Al—B master alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 553. P. 32—36.Birol Y. Al—Ti—B grain refiners via powder metallurgy processing of Al/K2TiF6/KBF4powder blends.J. Alloys Compd. 2009. Vol. 480. P. 311—314.Birol Y. Al—Ti—B grain refiners via powder metallurgy processing of Al/K2TiF6/KBF4powder blends.J. Alloys Compd. 2009. Vol. 480. P. 311—314.Birol Y.Production of Al—B alloy by heating Al/KBF4powder blends.J. Alloys Compd.2009. Vol. 481. P. 195—198.Birol Y.Production of Al—B alloy by heating Al/KBF4powder blends.J. Alloys Compd.2009. Vol. 481. P. 195—198.Wang X. The formation of AlB2 in an Al—B master alloy. J. Alloys Compd. 2005. Vol. 403. P. 283—287.Wang X. The formation of AlB2 in an Al—B master alloy. J. Alloys Compd. 2005. Vol. 403. P. 283—287.Raj S.C., Skyllas-KIazacos M.Electrochemical studies of the effect of TiO2and B2O3additions on the aluminium deposition reaction in molten cryolite bath. Electrochim. Acta.1992. Vol. 37. No. 10. P. 1787—1796.Raj S.C., Skyllas-KIazacos M.Electrochemical studies of the effect of TiO2and B2O3additions on the aluminium deposition reaction in molten cryolite bath. Electrochim. Acta.1992. Vol. 37. No. 10. P. 1787—1796.Sirtl E., Woerner L.M. Preparation and properties of aluminum diboride single crystals. J. Cr yst. Growth. 1972. Vol. 16. No. 3. P. 215—218.Sirtl E., Woerner L.M. Preparation and properties of aluminum diboride single crystals. J. Cr yst. Growth. 1972. Vol. 16. No. 3. P. 215—218.Birol Y. Production of Al—Ti—B grain refining master alloys from B2O3and K2TiF6. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 443. P. 94—98.Birol Y. Production of Al—Ti—B grain refining master alloys from B2O3and K2TiF6. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 443. P. 94—98.Mota J.M., Martinez M.A., Velasco F., Criado A.J. Preparation of aluminium boride by powder technology. Ceram. Int. 2004. Vol. 30. No. 2. P. 301—306.Mota J.M., Martinez M.A., Velasco F., Criado A.J. Preparation of aluminium boride by powder technology. Ceram. Int. 2004. Vol. 30. No. 2. P. 301—306.Utigard, T.A., Friesen K., Roy R.R., Lim J., Silty A., Dupuis C.The properties and uses of fluxes in molten aluminum processing. JOM. 1998. Vol. 50. P. 38—43.Utigard, T.A., Friesen K., Roy R.R., Lim J., Silty A., Dupuis C.The properties and uses of fluxes in molten aluminum processing. JOM. 1998. Vol. 50. P. 38—43.Wang, Q., Zhao H., Li Zh., Shen L., Zhao J. Production of Al—B master alloys by mixing KBF4salt into molten aluminum. Trans. Nonferr. Met. Soc. China.2013. Vol. 23. P. 2 9 4 —3 0 0.Wang, Q., Zhao H., Li Zh., Shen L., Zhao J. Production of Al—B master alloys by mixing KBF4salt into molten aluminum. Trans. Nonferr. Met. Soc. China.2013. Vol. 23. P. 2 9 4 —3 0 0.Birol Y.An improved practice to manufacture Al—Ti—B master alloys by reacting halide salts with molten aluminium.J. Alloys Compd. 2006. Vol. 420. P. 71—76.Birol Y.An improved practice to manufacture Al—Ti—B master alloys by reacting halide salts with molten aluminium.J. Alloys Compd. 2006. Vol. 420. P. 71—76.Крымов А.П., Нерубащенко В.В., Волейник В.В., Напал-ков В.И., Бурдин С.Г. Разработка технологии получения лигатуры Al—Ti—B. Цвет. металлы. 1979. No. 9. C. 81—82.Krymov A.P., Nerubashchenk o V.V., Voleinik V.V., Napalkov V.I., Burdin S.G. Development of Al—Ti—B ligature technology. Tsvetnye metally. 1979. No. 9. P. 81—82 (In Russ.).Крымов А.П., Нерубащенко В.В., Волейник В.В., Напал-ков В.И., Бурдин С.Г. Разработка технологии получения лигатуры Al—Ti—B. Цвет. металлы. 1979. No. 9. C. 81—82.Krymov A.P., Nerubashchenk o V.V., Voleinik V.V., Napalkov V.I., Burdin S.G. Development of Al—Ti—B ligature technology. Tsvetnye metally. 1979. No. 9. P. 81—82 (In Russ.).Savas Ö., Kayikci R. A Taguchi optimisation for production of Al—B master alloys using boron. J. Alloys Compd. 2013. Vol. 580. P. 232—238.Savas Ö., Kayikci R. A Taguchi optimisation for production of Al—B master alloys using boron. J. Alloys Compd. 2013. Vol. 580. P. 232—238.Moldovan P., Butu M., Popescu G., Buzatu M., Usurelu E., Soare V., Mitrica D. Thermodynamics of interactions in Al—K2TiF6—KBF4system. Revista de Chimie. 2010. Vol. 61. P. 82 8 —832 .Moldovan P., Butu M., Popescu G., Buzatu M., Usurelu E., Soare V., Mitrica D. Thermodynamics of interactions in Al—K2TiF6—KBF4system. Revista de Chimie. 2010. Vol. 61. P. 82 8 —832 .Аписаров А.П., Дедюхин А.Е., Редькин А.А., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П. Физико-химические свойства расплавленных электролитов KF—NaF—AlF3. Электрохимия. 2010. T. 46. No. 6. C. 672—678.Apisarov A.P., Dedyukhin A.E., Redkin A.A., Tkacheva O.Yu., Zaikov Yu.P. Physicochemical properties of KF—NaF—AlF3molten electrolytes. Russ. J. Electrochem. 2010. Vol. 46. No. 6. P. 633—639.Аписаров А.П., Дедюхин А.Е., Редькин А.А., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П. Физико-химические свойства расплавленных электролитов KF—NaF—AlF3. Электрохимия. 2010. T. 46. No. 6. C. 672—678.Apisarov A.P., Dedyukhin A.E., Redkin A.A., Tkacheva O.Yu., Zaikov Yu.P. Physicochemical properties of KF—NaF—AlF3molten electrolytes. Russ. J. Electrochem. 2010. Vol. 46. No. 6. P. 633—639.Tkacheva O., Redkin A., Rudenko A., Dedyukhin A., Zaikov Yu., Kataev A. physical-chemical properties of potassium cryolite-based melts containing KBF4. ECS Trans.2014. Vol. 64 (4). P. 129—133.Tkacheva O., Redkin A., Rudenko A., Dedyukhin A., Zaikov Yu., Kataev A. physical-chemical properties of potassium cryolite-based melts containing KBF4. ECS Trans.2014. Vol. 64 (4). P. 129—133.Руденко А.В., Ткачева О.Ю., Редькин А.А., Зайков Ю.П., Дедюхин А.Е., Катаев А.А. Флюсы для получения сплавов алюминий—бор. Расплавы. 2016. No. 5. С. 387—396.Rudenko A.V., Tkacheva O.Yu., Redkin A.A., Zaikov Yu.P., Dedyukhin A.E., Kataev A.A. Fluxes for producing aluminum — boron alloys. Rasplavy.2016. No. 5. P. 387—396 (In Russ.).Руденко А.В., Ткачева О.Ю., Редькин А.А., Зайков Ю.П., Дедюхин А.Е., Катаев А.А. Флюсы для получения сплавов алюминий—бор. Расплавы. 2016. No. 5. С. 387—396.Rudenko A.V., Tkacheva O.Yu., Redkin A.A., Zaikov Yu.P., Dedyukhin A.E., Kataev A.A. Fluxes for producing aluminum — boron alloys. Rasplavy.2016. No. 5. P. 387—396 (In Russ.).Tkacheva O., Zakiryanova I., Apisarov A., Dedyukhin A., Zaikov Y., Kataev A. Interaction of B2O3with molten KF—AlF3and KF—NaF—AlF3. J. Mol. Liq. 2017. Vol. 231. P. 149 —153.Tkacheva O., Zakiryanova I., Apisarov A., Dedyukhin A., Zaikov Y., Kataev A. Interaction of B2O3with molten KF—AlF3and KF—NaF—AlF3. J. Mol. Liq. 2017. Vol. 231. P. 149 —153.Суздальцев А.В., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П., Катаев А.А. Получение сплавов Al—B в расплавленных солях. Тр. Кольского науч. центра РАН. 2015. Вып. 5 (31). C. 139—143.Suzdal’tsev A.V., Tkacheva O.Yu., Zaikov Yu.P., Kataev A.A. Production of Al—B alloys in molten salts. Tr udy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN. 2015. Vol. 5 (31). P. 139—143 (In Russ.).Суздальцев А.В., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П., Катаев А.А. Получение сплавов Al—B в расплавленных солях. Тр. Кольского науч. центра РАН. 2015. Вып. 5 (31). C. 139—143.Suzdal’tsev A.V., Tkacheva O.Yu., Zaikov Yu.P., Kataev A.A. Production of Al—B alloys in molten salts. Tr udy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN. 2015. Vol. 5 (31). P. 139—143 (In Russ.).Duschanek H., Rogl P. The Al—B (aluminum—boron) system. J. Phase Equilib.1994. Vol. 15. P. 543—552.Duschanek H., Rogl P. The Al—B (aluminum—boron) system. J. Phase Equilib.1994. Vol. 15. P. 543—552.Дедюхин А.Е., Аписаров А.П., Ткачева О.Ю., Редькин А.А., Зайков Ю.П., Фролов А.В., Гусев А.О. Растворимость Al2O3 в расплавленной системе KF—NaF—AlF3. Расплавы.2009. No. 2. C. 23—28.Dedyukhin A.E., Apisarov A.P., Tkacheva O.Yu., Redkin A.A., Zaikov Yu.P., Frolov A.V., Gusev A.O.Solubility of Al2O3in the molten KF—NaF—AlF3system. Rasplavy. 2009. No. 2. P. 23—28 (In Russ.).Дедюхин А.Е., Аписаров А.П., Ткачева О.Ю., Редькин А.А., Зайков Ю.П., Фролов А.В., Гусев А.О. Растворимость Al2O3 в расплавленной системе KF—NaF—AlF3. Расплавы.2009. No. 2. C. 23—28.Dedyukhin A.E., Apisarov A.P., Tkacheva O.Yu., Redkin A.A., Zaikov Yu.P., Frolov A.V., Gusev A.O.Solubility of Al2O3in the molten KF—NaF—AlF3system. Rasplavy. 2009. No. 2. P. 23—28 (In Russ.).Chrenkova M., Danek V., Vasiljev R., Silny A., Kremenetsky V., Polyakov E. Density and viscosity of the (LiF—NaF—KF)eut—KBF4—B2O3melts. J. Mol. Liq.2003. Vol. 102 (1—3). P. 213—226.25. Barton C.J., Gilpatrick L.O., Bornmann J.A., Stone H.H., McVay T.N., Insley H.Phase relations in f luoroborate systems. I. Material preparation and the systems NaF—NaBF4and KF—KBF4. J. Inorg. Nucl. Chem. 1971. Vol. 33. Iss. 2. P. 337—343.Chrenkova M., Danek V., Vasiljev R., Silny A., Kremenetsky V., Polyakov E. Density and viscosity of the (LiF—NaF—KF)eut—KBF4—B2O3melts. J. Mol. Liq.2003. Vol. 102 (1—3). P. 213—226.25. Barton C.J., Gilpatrick L.O., Bornmann J.A., Stone H.H., McVay T.N., Insley H.Phase relations in f luoroborate systems. I. Material preparation and the systems NaF—NaBF4and KF—KBF4. J. Inorg. Nucl. Chem. 1971. Vol. 33. Iss. 2. P. 337—343.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.