分子相互作用体积模型在锡锑合金真空蒸馏深度脱锑中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明理工大学真空冶金国家工程实验室 作者:王安祥

  基于分子相互作用体积模型,结合Sn、Sb 的无限稀活度系数γ∞ Sn、γ∞ Sb,运用牛顿迭代法计算了Sn-Sb 合金中Sn、Sb 的活度系数γSn、γSb,并预测了Sn-Sb 合金中Sb 的分离系数βSb,结果表明:βSb >> 1,理论上Sn、Sb 能够彻底地分离。同时绘制气液相平衡图,理论预测了Sn-Sb 合金组元在气液相间的分布情况,并与试验值进行对比,结果表明,当温度为1200 ~1400℃,平均相对误差S2* = 5. 86%,理论预测值与试验值吻合较好,研究结果为Sn-Sb 合金真空蒸馏分离过程提供了可靠的理论依据。

  真空冶金在合金分离和粗金属精炼等方面具有重要而广泛的应用。昆明理工大学采用真空蒸馏技术分离锡锑合金,并在来宾冶炼厂成功进行了工业试验。该方法克服了火法精炼加铝除锑工艺中,金属回收率低、能耗高、产生精炼渣难于处理、锡精炼过程中锑没有得到有效开路等问题。同时,与电解精炼相比,物料普适性高、工艺流程简单、无污染。

  工业试验结果表明:锡锑合金真空蒸馏分离过程中,锑难以高效脱除。理论探究锡锑合金真空蒸馏深度脱锑的可行性需引入各组元活度系数,然而,实验测定难度较大,因此利用模型预测合金活度就显得尤为重要。该方面已有许多研究者提出了一系列热力学计算模型,但各模型的应用都存在一定的局限性,如:周国治法仅适用于稀金属溶液;正规溶液模型(Regular Solution Model) 不适用于质点大小相差较大、质点间相互作用较强、热力学函数不对称的体系;Wilson 方程对强正偏差体系的拟合效果不是很理想,特别不适合强负偏差体系和混合偏差体系。

  分子相互作用体积模型( MIVM)只需二元系无限稀活度系数即可计算合金组元活度,与其他模型相比,其物理基础清晰、可靠,且更接近真实溶液,MIVM 的预测效果已得到某些学者的证实。因此,本研究利用MIVM 计算了锡锑合金组元的活度系数,理论上预测了锡锑合金真空蒸馏深度脱锑的可行性,并结合验证试验进行了深入研究。

  1、MIVM 计算锡锑合金真空蒸馏分离相关活度系数

  陶东平基于统计热力学和流体相平衡理论,推导出了液体及其混合物正则配分函数的新表达式,提出了液体混合物分子局部配位数概念及其表达式,从而建立了液体混合物热力学的一种新模型-MIVM,根据文献,锡锑合金组元活度系数可由无限稀活度系数γ∞S n、γ∞Sb及相关参数结合牛顿迭代法计算得到。锡锑合金组元相关参数见表1 -表3,MIVM 计算结果列于表4。

分子相互作用体积模型在锡锑合金真空蒸馏深度脱锑中的应用

分子相互作用体积模型在锡锑合金真空蒸馏深度脱锑中的应用

  4、结论

  (1) 基于MIVM 预测了锡锑合金组元的活度系数γSn、γSb,在此基础上计算锡锑合金中锑的分离系数βSb,结果表明:βSb >> 1,锡、锑能够彻底分离。绘制了气液相平衡图,并预测了蒸馏温度、炉内残压、液相组成间的关系。

  (2) 在蒸馏温度1200 ~1400℃ 范围内,采用MIVM 计算的锡锑真空蒸馏分离理论预测值与试验值平均相对误差S2* = 5. 86%,理论预测值与试验值较好吻合。MIVM 证实了锡锑合金采用真空蒸馏的方法深度脱锑的可行性,可用于锡锑二元合金热力学性质的预测。

  (3) 在1100℃以下和1400℃以上,MIVM 计算的锡锑真空蒸馏分离理论预测值与试验值平均相对误差较大,这是由于实验装备条件下,1100℃以下强制冷凝设备对气液平衡状态有着重要的影响;而在1400℃以上,试验系统残压大于理论值,导致液相中含锡量偏低,因此须提高真空泵抽速、扩大冷凝面提高冷凝速率等来降低炉内残压。MIVM 可用于指导锡锑真空蒸馏分离实践操作。

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