一种基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于循环气体反应制备Al‑Ti‑B细化剂的方法，属于铝合金材料制备技术领域。本发明专利技术所述方法为将干燥的氟盐KBF4及K2TiF6混合均匀、预热后加入到750‑800℃的工业纯铝熔体中，氟盐和工业纯铝熔体反应产生气体TiF4和BF3，部分与工业纯铝熔体相接触的TiF4和BF3与工业纯铝熔体反应生成第二相TiB2及TiAl3，其余TiF4和BF3通过气体循环反应装置实现TiF4和BF3与工业纯铝熔体的循环反应。本发明专利技术的技术方法，可实现TiF4和BF3反应气体的循环利用，提高氟盐的利用率和第二相的生成率，实现Al‑Ti‑B细化剂的清洁生产。

A Method and Device for Preparing Al-Ti-B Refiner Based on Circulating Gas Reaction

The invention discloses a method for preparing Al_ Ti_ B refiner based on cyclic gas reaction, which belongs to the technical field of preparing aluminium alloy materials. The method of the invention is to mix the dried fluoride salt KBF4 and K2TiF6 evenly, preheat them and add them to the industrial pure aluminium melt at 750 800 ~C. The reaction between fluoride salt and industrial pure aluminium melt produces gas TiF4 and BF3. TiF4 and BF3 which are partly in contact with industrial pure aluminium melt react with industrial pure aluminium melt to form the second phase TiB2 and TiAl3. The remaining TiF4 and BF3 realize TiF4 through gas circulation reaction device. Cyclic reaction of BF3 and industrial pure aluminium melt. The technical method of the invention can realize the recycling of TiF4 and BF3 reaction gases, improve the utilization rate of fluoride salts and the formation rate of the second phase, and realize the clean production of Al_Ti_B refiner.

【技术实现步骤摘要】
一种基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法及装置
本专利技术涉及一种基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法及装置，属于铝合金材料制备

技术介绍
随着铝合金在建筑、交通、电力、航空航天等领域的日益广泛应用，对铝合金的强韧性要求越来越高。晶粒细化是改善铝合金显微组织、提高铝合金力学性能的重要手段，不仅提高了铝合金的强度和塑韧性，还减少了铝合金的成分偏析、缩松及热裂倾向，为铝合金的应用带来更多可能性。目前，在细化铝合金晶粒的方法中，以Al-Ti-B合金线杆的应用最为广泛。据中国有色网提供的数据，2018年我国Al-Ti-B晶粒细化剂需求量为9.05万吨，预计2020年将达10.52万吨。Al-Ti-B晶粒细化剂的制备方法主要有氟盐法、纯钛颗粒法、氧化物法、自蔓延高温合成法等。其中氟盐法成本较低、生产设备简单、能连续生产出细化效果稳定且高效的线状Al-Ti-B晶粒细化剂，是目前Al-Ti-B细化剂的主流制备方法。常规氟盐法的工艺过程是将干燥的KBF4、K2TiF6混合均匀，加入到约750-800℃的工业纯铝熔体中，搅拌作用下氟盐与工业纯铝熔体反应，待KBF4、K2TiF6与工业纯铝熔体充分反应以及熔体精炼后浇铸成线坯，最后轧制成φ9.5mm的线材。相比于其他制备方法，氟盐法制备的Al-Ti-B晶粒细化剂中第二相TiAl3和TiB2数量较多，TiAl3颗粒尺寸为30~100μm，TiB2颗粒尺寸为0.05~3μm，分布较为均匀，细化性能较好。常规氟盐法中，氟盐KBF4和K2TiF6在搅拌作用下与工业纯铝熔体混合，受热分解生成BF3（g）和TiF4（g），部分与工业纯铝熔体相接触的TiF4和BF3与工业纯铝熔体反应生成第二相，其余未反应的TiF4和BF3则从熔体中溢出，反应气体TiF4和BF3的溢出造成了氟盐的浪费和对环境的污染。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法，可有效实现反应气体的循环利用，增加气相TiF4和BF4与工业纯铝熔体的反应界面，提高第二相生成率和氟盐利用率；同时，还可实现氟盐分解气体的零排放，实现Al-Ti-B细化剂的清洁生产，具体包括以下步骤：（1）将纯铝加热熔化后进行保温，将氟盐混匀预热后加入到纯铝熔体中，然后将整个反应系统密封，其中纯铝和氟盐的质量比为18:5；（2）在电磁搅拌作用下，氟盐分解产生气体，部分气体与纯铝熔体反应生成第二相TiAl3和TiB2；未反应的气体进过管道再次循环进入工业纯铝熔体，进行循环反应；（3）氟盐分解气体在纯铝熔体中循环反应50-80min后，得到含第二相TiAl3和TiB2的工业纯铝熔体，将含有第二相的工业纯铝熔体进行后处理获得Al-Ti-B细化剂。优选的，本专利技术所述氟盐为KBF4和K2TiF6的混合物，KBF4和K2TiF6的质量比为1:1.9，氟盐KBF4和K2TiF6粒度为150-280目。优选的，本专利技术步骤（1）中氟盐混匀的条件为：混料机中混均30-60min，预热条件为：300-360℃预热20-50min。优选的，本专利技术步骤（1）中纯铝加热熔化的条件为：加热到750-800℃保温20-50min。优选的，本专利技术步骤（3）中所述后处理过程为：向熔体中通入氮气精炼5-11min，精炼后的熔体浇铸成线坯，线坯最后轧制成φ9.5mm的Al-Ti-B细化剂线材。本专利技术的另一目的在于提供所述方法所用装置，包括石墨管1、密封装置2、排气阀3、气压表4、出气管5、进气管6、反应容器7、电阻丝9、电炉10、电磁搅拌器11、热电偶12，电炉10的内壁上设有电阻丝9，密封装置2置于电炉10的内部，反应容器7置于密封装置2内部，反应容器7的正下方设有电磁搅拌器11，进气管6依次穿过电炉10、密封装置2插入到反应容器7的内部，下端与石墨管1连接，出气管5位于反应容器7的上部，依次穿过密封装置2、电炉10与进气管6汇合后与总进气管8连通，总进气管8上设有排气阀3和气压表4，密封装置2与进气管6和出气管5的连接处进行密封处理。专利技术原理气体循环反应原理（1）反应热力学由图1可知，反应生成TiB2的曲线斜率较小，该反应受温度的影响较小；反应生成TiAl3曲线的斜率较大，该反应受温度的影响较大，且随温度上升，反应生成TiAl3的吉布斯自由能增加，反应趋势减弱，因此，为保证TiAl3的反应生成，反应温度不宜过高。另外，温度越高则工业纯铝熔体中越容易形成Al2O3夹杂；熔体温度在800℃以上时吸氢现象严重。因此将气体循环反应的温度控制在750-800℃范围内最佳。（2）反应动力学氟盐法生产Al-Ti-B细化剂由三个动力学过程组成：首先，氟盐受热分解产生气体；其次，分解气体与工业纯铝熔体反应获得第二相；最后是第二相的长大。其中，氟盐分解（反应（1）及（2））、以及气-液反应（反应（3）及（4））的动力学方程为：KBF4(s)=KF(s)+BF3(g）（1）K2TiF6(s)=2KF(s)+TiF4(g)（2）3TiF4(g)+13Al(l)=3TiAl3(s)+4AlF3(s)（3）6BF3(g)+3TiF4(g)+10Al(l)=3TiB2(s)+10AlF3(s)（4）氟盐分解产生大量的气体（TiF4和BF3），这些气相部分会和工业纯铝熔体反应生成细化剂的有效形核相TiAl3和TiB2，其余未与工业纯铝熔体反应的气体（TiF4和BF3）则从熔体中溢出，导致反应的不充分和对环境的污染；本专利技术使溢出的气体循环通入到熔体中进行循环反应，以此提高第二相的生成率和氟盐的利用率，并实现细化剂的清洁生产。根据前两个阶段的动力学反应速率方程，分别计算其反应速率，结合实际反应情况，当反应的熔体温度控制在750-800℃时，所需的反应时间为50-80分钟之间，在氟盐粒度相同的情况下，温度越高，反应速度越快，反应所需要的时间越短。配料比例：根据反应的动力学方程，在全部氟盐分解气体都能用于生成第二相的条件下，两种氟盐按摩尔比1:1，即KBF4和K2TiF6按1:1.9的质量比加入工业纯铝熔体中，可以保证产生的气体在循环系统中反应完全，不会造成氟盐和工业纯铝熔体的浪费，实现原料的高效利用。根据最后产物Al-Ti-B细化剂各元素质量比94:5:1，计算出两种氟盐KBF4和K2TiF6的物质的量之比为1:1；由于反应产物中会产生杂质AlF3，根据反应的动力学方程，生成AlF3消耗的工业纯铝的物质的量与氟盐的物质的量之比为7:6，因此反应加入的工业纯铝的量为最后产物Al-Ti-B细化剂中的Al、以及反应形成AlF3消耗的Al的和，计算得反应应该加入的工业纯铝的物质的量与氟盐的物质的量之比为61:15，即质量比为18:5。本专利技术的有益效果：（1）通过气体循环反应装置，增加气相TiF4及BF3与工业纯铝熔体的反应界面，实现TiF4和BF3与工业纯铝熔体的循环反应，以提高第二相的生成率和氟盐的利用率。（2）实现氟盐分解产生的气体TiF4和BF3的零排放，减轻了对环境的污染和对人员的危害，实现Al-Ti-B细化剂的清洁生产。附图说明图1生成TiAl3、TiB2和AlB2的曲线。图2为Al-Ti-B细化剂的气体循环反应制备工艺流程图。图3为气体循本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于循环气体反应制备Al‑Ti‑B细化剂的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）将纯铝加热熔化后进行保温，将氟盐混匀预热后加入到纯铝熔体中，然后将整个反应系统密封，其中纯铝和氟盐的质量比为18:5；（2）在电磁搅拌作用下，氟盐分解产生气体，部分气体与纯铝熔体反应生成第二相TiAl3和TiB2；未反应的气体进过管道再次循环进入工业纯铝熔体，进行循环反应；（3）氟盐分解气体在纯铝熔体中循环反应50‑80min后，得到含第二相TiAl3和TiB2的工业纯铝熔体，将含有第二相的工业纯铝熔体进行后处理获得Al‑Ti‑B细化剂。

【技术特征摘要】
1.一种基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）将纯铝加热熔化后进行保温，将氟盐混匀预热后加入到纯铝熔体中，然后将整个反应系统密封，其中纯铝和氟盐的质量比为18:5；（2）在电磁搅拌作用下，氟盐分解产生气体，部分气体与纯铝熔体反应生成第二相TiAl3和TiB2；未反应的气体进过管道再次循环进入工业纯铝熔体，进行循环反应；（3）氟盐分解气体在纯铝熔体中循环反应50-80min后，得到含第二相TiAl3和TiB2的工业纯铝熔体，将含有第二相的工业纯铝熔体进行后处理获得Al-Ti-B细化剂。2.根据权利要求1所述基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法，其特征在于：所述氟盐为KBF4和K2TiF6的混合物，KBF4和K2TiF6的质量比为1:1.9，氟盐KBF4和K2TiF6粒度为150-280目。3.根据权利要求2所述基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法，其特征在于：步骤（1）中氟盐混匀的条件为：混料机中混均30-60min，预热条件为：300-360℃预热20-50min。4.根据权利要求1所述基于循环气体反应制备Al-Ti-B细化剂的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：左孝青，黎平，闫敬明，罗晓旭，周芸，陈显宁，起华荣，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53