ОБРЕЧЕНЫ НА ПАРТНЕРСТВО

Первые хоздоговоры с ОК РУСАЛ Институт высокотемпературной электрохимии заключил в 2003–2004 годах. Перед учеными стояло несколько задач: увеличить энергоэффективность производства алюминия за счет модификации состава традиционного криолит-глиноземного электролита; создать новые материалы для нерасходуемых (инертных) анодов, на которых выделяется кислород, в отличие от угольных расходуемых анодов, выделяющих парниковые газы; разработать низкотемпературную технологию получения алюминия в электролитах на основе калиевого криолита.

Эти прикладные работы имели и фундаментальный эффект, поскольку дали «пищу» для более глубоких исследований физико-химических свойств новых электролитов, механизма и кинетики протекания электродных процессов при электролизе расплавов на электродах, изготовленных из металлов, керамики и керметов. По их результатам сотрудники ИВТЭ защитили 4  кандидатских диссертации и одну докторскую.

Сейчас в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (Соглашение № 14.607.21.0042, IN RFMEFI60714X0042) в Институте высокотемпературной электрохимии реализуются два проекта, в которых в качестве индустриальных партнеров ИВТЭ выступают OOO НПЦ Магнитной гидродинамики и OАO «РУСАЛ Красноярск». Первый проект направлен на разработку технологий выпуска новых сплавов на основе алюминия.

Алюминиевые сплавы — пожалуй, самый востребованный продукт на рынке потребления «крылатого» металла, поэтому ОК РУСАЛ активно развивает литейное производство и планирует довести долю сплавов до 75% в общем объеме выпуска продукции. Конечно, производственники крайне заинтересованы в разработке оптимальных технологий получения сплавов алюминия с редкоземельными и переходными металлами, прежде всего со скандием и бором. Подробно об этом проекте мы поговорили с ведущим научным сотрудником лаборатории электродных процессов ИВТЭ УрО РАН доктором химических наук Ольгой Ткачевой.

— Сейчас лигатурные сплавы алюминия со скандием получают методами прямого сплавления или алюмотермическим восстановлением скандийсодержащих соединений под солевым флюсом. Недостатки металлотермического способа задания скандия в алюминий известны — значительные энергозатраты, повышенная коррозионная активность сред по отношению к конструкционным материалам из-за высокой температуры процесса, загрязнение сплава продуктами коррозии, высокая стоимость производства. Нужно было снизить энергопотребление и уменьшить материальные затраты.

— Мы комбинируем методы алюмотермического восстановления скандия и электрохимического восстановления алюминия из их оксидов. Оптимизировать процесс можно за счет выбора электролита. Для этого потребовались фундаментальные исследования фазовых равновесий системы «калий-натриевый криолит — оксид скандия» и совместной растворимости оксидов скандия и алюминия в криолитовых расплавах различного состава. Легкоплавкие смеси калиевого и натриевого криолитов отличаются высокой электропроводностью, скоростью растворения и электролитического разложения оксидов. В этих расплавленных средах процесс получения сплавов алюминия со скандием может проходить при достаточно низких температурах — 750–830^оС.

В разработанной в ИВТЭ экспериментальной установке — электролизере — происходит непрерывная автоматическая подача требуемого количества оксида скандия в расплав, обеспечивается оптимальный температурный режим и равномерное распределение скандия в объема слитка. За счет снижения температуры процесса удалось уменьшить перенапряжение электродных реакций. Новая  технология позволяет организовать одностадийный непрерывный процесс без замены электролита, повысить извлечение скандия из его соединений и усовершенствовать структуру лигатурных сплавов алюминия со скандием, а именно — получать сплавы с минимальным количеством трудно растворимых интерметаллидов.

Можно смело сказать, что такие экономно-легированные сплавы — уникальный продукт, их не производят нигде в мире.

— Мы используем в этом процессе флюсы нового состава, которые обладают улучшенной протекторной функцией за счет низкой температуры плавления и эффективной рафинирующей способностью, поскольку в них хорошо растворяется оксид алюминия. А их невысокая плотность по сравнению с алюминиевым расплавом обеспечивает быстрое разделение металлического сплава и солевой части. В нашей экспериментальной установке, так же как и в случае со скандием, происходит стабильный непрерывный процесс литья. Опытные партии сплава алюминия с бором отличаются однородной макроструктурой и равномерным распределением интерметаллидов в матрице алюминия.

Лигатуры «алюминий-бор» выпускают лишь несколько предприятий в мире, в России их вообще не производят, так что наша технология импортозамещающая.

— Сплавы алюминия со скандием, обладающие повышенной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, отвечают потребностям высокотехнологичных отраслей — автомобильной и аэрокосмической, роботостроения, однако используются они пока очень ограниченно из-за их высокой стоимости. Увеличение производства таких сплавов и снижение их стоимости за счет инновационных технологий позволит расширить область их применения. Например, новые легкие и коррозионностойкие конструкционные материалы на основе алюминий-скандиевых сплавов в будущем могут заменить тяжелые и громоздкие стальные конструкции. Сплавы алюминия с бором также отличаются высокой прочностью, а еще хорошей электропроводностью. Они используются для рафинирования электротехнического алюминия или в качестве источника бора в многокомпонентных сплавах.

Разработанные в ИВТЭ технологии получения алюминиевых сплавов уже отрабатываются на экспериментальных установках индустриальных партнеров института — АO «РУСАЛ Красноярский алюминиевый завод» и OOO НПЦ магнитной гидродинамики.

В рамках упомянутой выше ФЦП реализуется также проект по алитированию штырей для электролизеров Содерберга. Цель его — оптимизировать процесс нанесения защитного алюминидного покрытия на анодные токоподводящие штыри. Ученые ИВТЭ предлагают использовать жидкофазный метод с применением фторидного флюса, благодаря чему повышается скорость нанесения и качество покрытия. Опытный образец установки изготовлен и смонтирован на мостовом кране ОАО РУСАЛ Красноярск.

Еще одна область сотрудничества Института высокотемпературной электрохимии и ОК РУСАЛ — разработка низкотемпературной технологии производства алюминия с использованием инертного анода. Это по-настоящему революционный подход, который может дать существенный экономический и экологический эффект. 

Вот что рассказала об этой проблеме О.Ю. Ткачева:

— Сегодня практически весь первичный алюминий получают методом Эру-Холла, который более чем за 100 лет не претерпел принципиальных изменений. Это электролитическое разложение глинозема, растворенного в натриевом криолитовом расплаве при температуре около 950°С. Процесс сопровождается выбросом в атмосферу вредных газов (углекислого, угарного и фреонов), создающих парниковый эффект, и расходом угольных анодов. Так, в производстве по классической технологии на одну тонну алюминия расходуется до 500 кг угольных анодов — их приходится заменять каждые три недели. Кардинально модифицировать процесс Эру-Холла можно, если заменить расходуемые угольные аноды на нерасходуемые инертные: они не взаимодействуют с электролитом и выделяющимся на них кислородом. Благодаря использованию таких анодов (металлических, керамических, керметных) в сочетании со смачиваемыми алюминием катодами (например, на основе диборида титана) существенно уменьшается межполюсное расстояние в алюминиевых электролизерах и снижается расход электроэнергии. Поскольку инертная анодная масса не содержит углеродов, побочным продуктом получения алюминия становится не углекислый газ, а кислород. Один электролизер сможет вырабатывать такой же объем кислорода, как 70 гектаров леса. Кроме того, инертный анод не расходуется и не требует замены, что существенно снижает операционные затраты. Однако при высоких температурах электролиза инертные аноды применять невозможно из-за агрессивности криолит-глиноземного расплава. Попытки разработать низкотемпературный процесс получения алюминия были направлены на модификацию традиционного электролита на основе натриевого криолита: понижения температуры добивались главным образом за счет увеличения содержания фторида алюминия. Однако из-за низкой растворимости глинозема в таких расплавах они не нашли применения в промышленности. 

Сотрудники ИВТЭ занялись поиском новых электролитов на основе калиевого криолита. Такие смеси плавятся при температуре ниже 800^оС, а растворимость глинозема в них выше, чем в натриевой системе. Ученые изучают физико-химические свойства таких расплавов, особенности и механизм протекания электролиза, влияние вносимых с глиноземом в электролизную ванну примесей фторидов натрия и кальция. Подбор новых легкоплавких электролитов с оптимальными свойствами и выявление  закономерностей низкотемпературного электрохимического получения алюминия с использованием инертных анодов позволят решить массу проблем: прекратить выбросы парниковых газов и полиароматических углеводородов, снизить себестоимость производства более чем на 10% за счет экономии анодов и электроэнергии, сократить капитальные затраты при строительстве новых заводов более чем на 30%.

На июльском совещании ученые и производственники обсудили дальнейшие совместные планы. Как отметил Ю.П. Зайков, сотрудничество с индустриальными партнерами в рамках федеральных целевых программ очень перспективно для академического института, поскольку позволяет привлекать значительные внебюджетные средства. А работать с ОК РУСАЛ вдвойне приятно, потому что эта компания нацелена на внедрение отечественных научных разработок.