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有色金屬真空冶金進展

  真空技術的發展和真空設備的普及成為真空冶金前進的基礎。二十世紀七十年代以后,有色金屬冶金中出現了一些真空過程,如煉錫廠的Pb-Sn合金真空蒸餾技術及設備出現[1],九十年代研究出臥式真空爐處理熱鍍鋅渣和硬鋅[2,3]。隨之在真空中鉛一銀分離,真空煉鋰,粗硒蒸餾,粗鎘蒸餾……廣泛應用于生產。本文簡要回顧了近三十年來有色金屬真空冶金方面的一些進展,扼要說明其作用和應當注意發展的若干方面。
  
  1、真空冶金的基本原理
  
  1.1、合金分離的可能性判斷
  
  經過熱力學分析,作者提出用分離系數β來判斷合金或粗金屬組分用蒸餾法分離的可能性[1,4]。對二個組分(1,2)的體系有
  
  β= (γ1/γ2)·(P1*/P2*)
  
  其中γi、Pi*分別為組分i的活度系數和蒸汽壓。γi既與組分i的濃度有關,又受溫度影響;而純組分物質i的飽和蒸氣壓Pi*則決定于溫度。β>1時元素1在氣相富集,β<1時元素1在液相富集。這兩種情況下,蒸餾可以分開這兩元素。當β= 1時,蒸餾出的氣相和凝聚相成分相同,不能分離兩元素。
  
  1.2、氣一液相平衡成分
  
  利用氣-液相平衡成分圖[4],可定量估計真空蒸餾時合金組分分離的程度以及產品的成分。對A-B二元體系,以Ag和Bg表示氣相成分的質量分數,A1、B1表示液相成分的質量分數,ρA、ρB似為氣相中組分的蒸氣密度,則氣相物質中組分A的質量分數為
  
  Ag = [1+B1/(βA1)]-1
  
  = [1+(B1/A1)·(γB/γA)·(PB*/PA*)]-1        (2)
  
  用某一溫度下γ,P*的值及一系列的B1/A1,可作出Ag-A1關系圖。氣-液相成分圖可指導合金和粗金屬真空蒸餾時選擇技術條件和原料成分,以達到所需的產品。
  
  1.3、金屬在真空中的揮發性
  
  大氣中進行金屬和合金的蒸餾有兩個困難:一是要在高于物料沸點的溫度下進行,通常需要高的溫度;二是大氣中的氧氣會在蒸餾溫度下使金屬氧化。故傳統冶金中只有少數沸點較低的金屬如Zn、Cd、Hg等采用蒸發法。在真空中,氧化作用基本上不復存在,而且使得金屬的蒸發溫度也相應降低,這樣金屬的蒸發、蒸餾就能夠實現。
  
  例如,鉛的沸點是1740oC,在真空中蒸發鉛,1000oC左右Pp*b=1.86×102Pa,在10Pa的真空中,鉛就能較快揮發。真空對金屬蒸發有促進作用,但并不是真空度越高越好[5,6]。研究表明,許多金屬的w-P曲線都有圖1形狀的曲線。其中P為系統中的氣體壓力,叫是金屬蒸發速率(g·cm-2s-1)。金屬或合金的真空蒸餾,系統內氣體壓力降低就增大了金屬的蒸發速率,但壓力降到Pcrit以下,w不再增大。由此可確定真空蒸餾的適宜真空度,即系統內的氣體壓力略小于Pcrit。已經測定了Pb、Sb、Zn、Cd等金屬在真空中的揮發曲線[7]。
  
  2、粗金屬及合金的真空蒸餾分離2.1、Pb-SB合金真空蒸餾分離
  
  2.2、鋅一鐵合金(熱鍍鋅渣、硬鋅)真空蒸餾和提取高純鋅
  
  Zn-Fe體系的氣一液相平衡成分圖(圖4)表明真空蒸餾提取鋅是完全可能的。熱鍍鋅渣和硬鋅實質都是鋅一鐵合金。為了在工業上實現真空蒸餾硬鋅、熱鍍鋅渣和鍘取高純鋅,我們研制了臥式真空蒸餾系列設備及其技術。其中臥式真空蒸餾爐如圖5所示。根據原料和目的的不同,可以調整其結構尺寸和材料。研制成功的設備和技術分別用于韶關冶煉廠、武鋼實業公司冶煉廠、水口山鉛鋅廠、鞍山、宣威、貴陽等地,經濟效益好,對環境沒有污染,為我國新增了一種設備和技術,且有出口的前景。
  
  對硬鋅需要提高鍺等元素在渣中的富集度,對熱鍍鋅渣則要盡可能提高鋅的回收率和保證產鋅含鐵小于0.003%,而制取高純鋅,則要鋅含鐵小于3ppm。對鋼鐵熱鍍鋅時產生的熱鍍鋅渣進行真空蒸餾,工業試驗得到含鐵僅0.00004%的鋅[3]。處理鋅精練時產生的硬鋅,計算表明硬鋅蒸餾時,鋅蒸汽中含鍺僅10-8~10-12,鋅幾乎金部殘留在渣中。小型試驗到工業試驗,產出的鋅中含鍺10-5,回收在渣中的鍺占97%以上,與上述計算相符。硬鋅中的鎦和銀也有類似情況,集中在渣中。硬鋅真空處理于1997年工業化,產出鋅,渣中富集鍺、銦、銀都在10倍,直接回收率都在97%。此外,用真空蒸餾等級鋅,各種級別鋅中含鐵都在于分之一以下。
標簽: 有色金屬真空冶金  

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