Thermodynamic modeling of the processes of purification of primary aluminum from vanadium impurities

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This article discusses the interaction of chemical elements in the three-component Al-V-B system. Vanadium reduces electrical conductivity in primary aluminum, which requires its reduction during aluminum electrolysis to values less than 0.02%. In order to reduce the concentration of vanadium impurities, thermodynamic calculations were carried out for the reactions of separation of the metallic phase of aluminum and impurities of vanadium intermetallic compounds through the use of a boron-containing flux. The calculation of thermodynamic parameters was carried out in HSC Chemistry 9.0. for AlB2 and VB2 compounds, the chemical reaction AlB2 + V = VB2 + Al within the operating temperatures of electrolysis and casting of primary aluminum of 650–950°С and the conditions of immersion of boron-containing flux into the melt to a ladle depth of 0.5, 1.0, 1.5 and 2 m, i.e. within the pressure range of 102.39–148.99 kPa. Thermodynamic analysis showed that the Gibbs energy (ΔGT) values in the entire range of operating temperatures of the electrolysis and casting of primary aluminum for VB2 are significantly lower than AlB2, therefore, they will be formed predominantly in this temperature range. The order of stability also suggests that vanadium can be easily removed from aluminum melts by adding boron. The results obtained allow us to conclude that chemical reactions of primary aluminum purification from vanadium impurities can occur due to boron additives.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. B. Kuandykov

Toraighyrov University

Author for correspondence.
Email: azeka200892@mail.ru
Kazakhstan, Pavlodar

P. О. Bykov

Toraighyrov University

Email: azeka200892@mail.ru
Kazakhstan, Pavlodar

V. А. Chaikin

Smolensk Regional Branch of the Russian Foundry Association

Email: azeka200892@mail.ru
Russian Federation, Safonovo

М. М. Suyundikov

Toraighyrov University

Email: azeka200892@mail.ru
Kazakhstan, Pavlodar

А. К. Zhunusov

Toraighyrov University

Email: azeka200892@mail.ru
Kazakhstan, Pavlodar

V. А. Salina

Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural State Mining University

Email: azeka200892@mail.ru
Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

N. К. Kulumbaev

Toraighyrov University

Email: azeka200892@mail.ru
Kazakhstan, Pavlodar

References

  1. V.I. Shpakov, V.S. Razumkin, V.G. Kokoulin, Ye.V. Nizovtsev, V.G. Ivanov, L.P. Trifonenkov, V.M. Nikitin. Sposob ochistki alyuminiya i yego splavov ot primesey tyazhelykh metallov [Method for cleaning aluminum and its alloys from heavy metal impurities]. Patent. RU 2084548 C1 RF. No. 94 94038553; declared 12.10.1994; published 20.07.1997. [In Russian]
  2. Gorlanov Ye.S., Batrachenko A.A., Smailov B.S.-A., Morozov A.YU. Rol’ vanadiya v rasplavakh alyuminiyevykh elektrolizerov [The role of vanadium in melts of aluminum electrolyzers] // Metallurg. 2019. 62. P. 1048–1052. [In Russian].
  3. Gorlanov Ye.S., Batrachenko A.A., Smailov B.S.-A., Skvortsov A.P. Ispytaniya obozhzhennykh anodov s povyshennym soderzhaniyem vanadiya [Testing of baked anodes with increased vanadium content] // Metallurg. 2018. 62. P. 62–69. [In Russian].
  4. Gorlanov Ye.S. Legirovaniye katodov alyuminiyevykh elektrolizerov metodom nizkotemperaturnogo sinteza diborida titana [Alloying of aluminum electrolyzer cathodes by low-temperature synthesis of titanium diboride]. Dissertation for the degree of Doctor of Engineering Sciences. St. Petersburg: St. Petersburg State University, 2020. [In Russian].
  5. Ibragimov A.T., Pak R.V. Elektrometallurgiya alyuminiya. Kazakhstanskiy elektroliznyy zavod [Electrometallurgy of aluminum. Kazakhstan Electrolysis Plant]. Pavlodar: Dom pechati, 2009. [In Russian].
  6. Troitskiy I.A., Zheleznov V.A. Metallurgiya alyuminiya [Metallurgy of aluminum]. M.: Metallurgiya, 1984. [In Russian].
  7. Banchila S.N., Filippov L.P. Izucheniye elektroprovodnosti metallov [Study of electrical conductivity of metals] // Teplofizika vysokikh temperatur. 1973. 11. P. 668–671. [In Russian].
  8. Fomin N.Ye., Ivlev V.I., Yudin V.A. Vliyaniye primesey na elektrosoprotivleniye medi i alyuminiya [Effect of impurities on the electrical resistance of copper and aluminum] // Vestnik Mordovskogo universiteta. 2014. 24. P. 50–57. [In Russian].
  9. Mirzoyev F.M. Teplofizicheskiye svoystva alyuminiya razlichnoy stepeni chistoty i splavov sistemy A–Si [Thermophysical properties of aluminum of varying degrees of purity and alloys of the A–Si system]. Dissertation for the degree of Cand. Sci. (Phys. and Mathematics). Dushanbe: Taj. Tech. University named after Academician M.S. Osimi, 2019. [In Russian].
  10. Lyakishev N.P. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh sistem: spravochnik [State diagrams of double metal systems: reference book]. Vol. 3. M.: Mashinostroyeniye, 1996. [In Russian].
  11. Specifications for coke LLP “UPNK-PV” ST-TOO 131240008552-009-2015. [In Russian].
  12. TI – KEZ–017–2009 «Proizvodstvo melkoy chushki». Pavlodar: AO «KEZ», 2009. [In Russian].
  13. Khaliq A., Rhamdhani M.A., Brooks G.A., John F., Grandfield J.F. Removal of vanadium from molten aluminum. P. I. Analysis of VB2 formation // Metallurgical and Materials Transactions B. 2014. 45. P. 752–768.
  14. Khaliq A., Brooks G., John F., Rhamdhani M.A. Removal of vanadium from molten aluminum. P. II. Kinetic analysis and mechanism of VB2 formation // Metallurgical and Materials Transactions B. 2013. 45. 769–783.
  15. Khaliq A., Rhamdhani M. A., Brooks G. A., Grandfield J. F. Removal of vanadium from molten aluminum. P. III. Analysis of industrial boron treatment practice // Metallurgical and Materials Transactions B. 2014. 45. P. 784–794.
  16. Chervyakova K. YU. Issledovaniye i razrabotka tekhnologii polucheniya slitkov i listov boralyuminiya povyshennoy prochnosti [Research and development of technology for producing ingots and sheets of high-strength boron-aluminum]. Abstract of a dissertation for the degree of candidate of technical sciences. M.: MISiS, 2019. [In Russian].
  17. Lyakishev N.P., Pliner Yu.L., Lappo S.I. Borsoderzhashchiye stali i splavy [Boron-containing steels and alloys]. M.: Metallurgiya, 1986. [In Russian].
  18. Sletova N.V., Chaykin V.A. Tekhnologiya rafinirovaniya i modifitsirovaniya alyuminiyevykh splavov s primeneniyem ekologicheski chistykh preparatov, obespechivayushchikh stabil’nyye pokazateli kachestva otlivok [Technology of refining and modifying aluminum alloys using environmentally friendly pure preparations providing stable quality indicators of castings]: monograph. M.: MGOU, 2013. [In Russian].
  19. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database / A. Roine. – Pori: Outokumpu research OY, 2002.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Al – V phase diagram [10].

Download (157KB)
3. Fig. 2. Peritectic transformations of vanadium (temperature range 400 – 1080 °C) [10].

Download (66KB)
4. Fig. 3. Al – B phase diagram [16].

Download (152KB)
5. Fig. 4. V–B phase diagram [17].

Download (197KB)
6. Fig. 5. Dependence of the change in Gibbs energy and enthalpy on temperature for VВ2 and AlB2.

Download (214KB)
7. Fig. 6. Dependence of the change in Gibbs energy and enthalpy on temperature for the reaction AlB2 + V = VB2 + Al.

Download (168KB)
8. Fig. 7. Dependence of the change in Gibbs energy on the temperature and depth of immersion of boron-based flux in the aluminum melt for VВ2 and AlB2 compounds.

Download (217KB)
9. Fig. 8. Dependence of the change in Gibbs energy on the temperature and depth of immersion of the boron-based flux in the aluminum melt for the reaction AlB2 + V = VB2 + Al.

Download (249KB)
10. Fig. 9. Dependence of the change in Gibbs energy on the temperature and depth of immersion of the boron-based flux in the aluminum melt for the reaction AlB2 + V = VB2 + Al.

Download (241KB)
11. Fig. 10. Dependence of the change in Gibbs energy on the immersion depth of the boron-based flux sample in the aluminum melt at a temperature of 650 0C and 950 0C (extreme points of the operating temperature range) for the reaction AlB2 + V = VB2 + Al.

Download (135KB)
12. Fig. 11. Dependence of the change in the Gibbs energy of the reaction on the immersion depth of the sample.

Download (123KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».