一种熔盐电解氧化铍制备铍合金的方法及电解系统

本发明涉及一种铍合金的方法，具体涉及一种熔盐电解氧化铍制备铍合金的方法，还涉及其电解系统，属有色金属冶金领域。

背景技术：

1、铍主要以合金形式使用，全球95%左右的铍最终进入各类铍合金，其中铍铜合金约75%、铍铝及其它铍合金约占20%。铍铜和铍铝合金是国防军工、核能及航空航天领域不可或缺的战略材料，并在人工智能等新兴科技中展现出关键价值。例如，铍铜凭借其优异的弹性、导电导热及抗疲劳性能，在国防与航天中扮演“精密关节”角色，用于各类尖端武器的信号开关、电连接器、继电器弹簧及电磁屏蔽部件，也用于核反应堆控制棒驱动机构等极端工况；铍铝合金则基于其轻质、高比刚度及中子减速特性，作为“轻量化结构骨骼”和“中子调控材料”，用于制造军机结构件、导弹仪器舱、卫星镜体及惯性导航部件，并在核反应堆中作为中子减速体和反射体。而在当前蓬勃发展的人工智能领域，铍铜因其百万次弹性不变形的特性，成为人形机器人触觉传感器、精密连接器及柔性传感结构的核心材料；铍铝合金则凭借其轻量化与超高导热的双重优势，被用于ai算力芯片的热沉材料与半导体散热基板等。

2、然而，目前铍合金制备的方法还存在诸多问题尚未克服。例如，铍铜母合金的制备目前主要有碳热还原法、金属热还原法和共熔法。其中，碳热还原法是主流工艺，通常将氧化铍、碳源与铜屑在电弧炉中于1800~2100℃高温下进行还原熔炼。这种方法存在流程长、杂质含量高、温度高、能耗大的问题，并且熔炼过程产生的含铍烟尘毒性大，对环保和职业健康构成严峻挑战；而铍铝合金的制备则主要依靠精密铸造、粉末冶金（如热等静压）等技术。然而，由于铍和铝互溶度极低且熔点差异巨大，合金实质上是两相复合体，制备难度极高。铸造法易产生变形和热裂等缺陷；粉末冶金法虽能改善性能，但工艺复杂、成本高昂；新兴的增材制造技术则面临熔池不稳定、气孔、成分偏析和残余应力等一系列问题难以克服。当前，急需建立一种清洁高效的铍铜、铍铝等铍母合金制备技术，以解决现有制备方法存在的剧毒粉尘污染、高能耗与低成品率等产业瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是在于提供一种熔盐电解氧化铍制备铍合金的方法。该方法简单，成本低廉，效率高，且制得的铍合金品质高。

2、本发明的第二个目的是在于提供一种熔盐电解氧化铍制备铍合金的电解系统。该系统完全适配本发明方法。

3、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种熔盐电解氧化铍制备铍合金的方法，该方法为：将非铍金属、氧化铍、惰性熔盐以及电解添加剂混合置于电解槽中进行电解熔炼，其中，电解熔炼过程中通入惰性气体以搅动熔池。

4、本发明在熔盐电解时通过吹入一定压力的惰性气体搅动熔池，强化熔盐离子传质，提高电解效率，更重要的是，促进在熔融液相非铍金属与熔盐界面处还原得到的细小“铍微粒”迅速被液相金属捕获，进入到液相非铍金属中得到铍母合金，有效避免传统方法制备铍合金产生的铍易偏析问题。

5、作为一个优选的方案，所述惰性气体从电解槽的底部通入。可以从电解装置的任意部位吹入惰性气体，只要吹入的惰性气体能够搅动熔池，优选从电解槽底部吹入惰性气体搅动效果更佳。

6、作为一个优选的方案，电解槽中的布料方式为：惰性熔盐以及电解添加剂混合铺设于氧化铍上方，氧化铍铺设于非铍金属上方。

7、作为一个优选的方案，通入的惰性气体压力为0.1~0.5mpa。本发明采用该压力范围气体通入电解槽能够提高电解效率，当吹入的惰性气体压力太小，起不到搅动作用，压力太大则引起物料飞扬，也会影响电解熔炼的效果。实际上，吹入的惰性气体压力可以根据处理物料的重量以及电解槽的体积形貌进行调整。由于具体实施时，炉膛大小不一样，同样重量的物料在不同容量的炉膛内时熔体高度不一样，物料层熔体深度超过阴阳极距。

8、作为一个优选的方案，惰性气体的温度为700~900℃。惰性气体包括氩气、氦气中至少一种，进一步优选为氩气。为了不让通入的惰性气体影响反应速度，先对惰性气体进行预热处理，以缩短反应时间。

9、作为一个优选的方案，所述非铍金属包括铝、铜、锑中至少一种。这类金属能与铍形成有限固溶体、共晶组织或可时效析出的金属间化合物，即工程可用合金，可改善铍金属单质存在的塑性差、脆性大、高温易氧化等问题。

10、作为一个优选的方案，所述非铍金属与氧化铍的质量比为1~3:1。

11、作为一个优选的方案，氧化铍纯度大于99.0wt％，氧化铍的添加量优选为0.5kg以上。本发明可以处理任意规模重量的物料，但处理大规模重量的物料更有实际生产的意义，因此，本发明优选处理氧化铍添加量为0 .5kg以上，进一步优选不少于1kg。

12、作为一个优选的方案，所述氧化铍与惰性熔盐的质量比为1.2~10:1，进一步优选为2.5~6:1。

13、作为一个优选的方案，所述惰性熔盐包括碱土金属氯化物和碱土金属氟化物。碱土金属包括ca、ba中至少一种。采用该组合成分的惰性熔盐能够提高电解效率。

14、作为一个优选的方案，碱土金属氯化物中的碱土金属包括ca和ba。

15、作为一个优选的方案，钙氯化物和钡氯化物的质量比为0.5~2:1。

16、作为一个优选的方案，所述碱土金属氟化物在惰性熔盐中的质量含量为1.5~4.5wt%。

17、作为一个优选的方案，所述电解添加剂的质量为惰性熔盐的1~5wt%。控制电解添加剂在合适的范围能够提高beo在惰性熔盐中的溶解度、改善熔盐流动性、抑制副反应，有利于提高电解效率，其添加量过低改善效果不明显，其添加量过高，则可导致熔盐粘度显著升高，流动性变差，气泡排出困难，添加剂中ce、sr也易共析出到合金中污染合金成分。

18、作为一个优选的方案，所述电解添加剂包括锶氧化物、铈氧化物中至少一种，以及锶氯化物、铈氯化物中至少一种。该类电解添加剂能够有效调控界面张力，抑制铍二次氧化、团聚上浮并降低熔盐熔点、拓宽液相稳定区间以及提升beo溶解度，缓解阴极浓差极化等。

19、作为一个优选的方案，电解添加剂中的氧化物与氯化物的摩尔比为0.9~1.1:0.9~1.1，更优选为1:1。

20、作为一个优选的方案，所述电解熔炼的条件为：温度为700~1200℃，时间为30~200min，进一步优选为60~150min，槽电压为2.0~3.5v，阴阳极距为4~15cm，进一步优选为4~8cm。

21、作为一个优选的方案，阳极熔盐电解产生的气体及时排出并收集处理。该气体包括氧气和二氧化碳，通过气流及时传导到烟尘收集袋中进行净化处理，这样可以避免传统熔盐电解法中新生的铍易重新氧化的问题。

22、作为一个优选的方案，所述铍合金中的铍含量为4~15wt%。

23、本发明还提供了一种熔盐电解氧化铍制备铍合金的方法对应的电解系统，其包括电解槽、阴极导杆、阳极导杆、惰性阳极和直流电源，电解槽底部设有气体喷管及用于出料的放液口，顶部设有进料口及微负压烟气出口，所述的电解槽底部以石墨为内衬，阴极导杆的一端与电解槽底部的石墨内衬相连，另一端通过导线与直流电源负极相连，阳极导杆的一端从炉膛顶部伸入，与电解槽内部的石墨阳极相连，另一端通过导线与直流电源的正极相连，电解槽外设置有电阻加热层。

24、作为一个优选的方案，所述惰性阳极为石墨阳极（灰分＜0.15%）或tib2与陶瓷复合惰性阳极；阳极导杆和阴极导杆均为铜导电杆；气体喷气管的材质为氮化硅陶瓷管或刚玉陶瓷管。

25、作为一个优选的方案，采用螺旋进料装置补充氧化铍物料。电解槽的侧壁材料为热压烧结氮化硅陶瓷，中间保温层为轻质高铝耐火纤维砖或硅酸钙隔热砖。

26、作为一个优选的方案，随着熔盐电解的进行，装置内下层逐渐富集得到液态铍合金（铍铝/铍铜/铍锑母合金）。

27、相比于现有技术，本发明可以一步清洁、高效炼出高品质铍合金（铍铝/铍铜/铍锑母合金），制备方法简单，成本低廉，有效解决了目前传统铍合金制备存在的能耗高、污染重、效率低及成品率低等问题，配套的电解系统简单实用，能够实现铍合金的连续规模化生产。