有色金属真空冶金进展

    真空技术的发展和真空设备的普及成为真空冶金前进的基础。二十世纪七十年代以后，有色金属冶金中出现了一些真空过程，如炼锡厂的Pb-Sn合金真空蒸馏技术及设备出现^[1]，九十年代研究出卧式真空炉处理热镀锌渣和硬锌^[2,3]。随之在真空中铅一银分离，真空炼锂，粗硒蒸馏，粗镉蒸馏……广泛应用于生产。本文简要回顾了近三十年来有色金属真空冶金方面的一些进展，扼要说明其作用和应当注意发展的若干方面。

1、真空冶金的基本原理

1.1、合金分离的可能性判断

    经过热力学分析，作者提出用分离系数β来判断合金或粗金属组分用蒸馏法分离的可能性^[1,4]。对二个组分(1，2)的体系有

                    β= (γ₁/γ₂)·(P_1^*/P_2^*)

其中γ_i、P_i^*分别为组分i的活度系数和蒸汽压。γ_i既与组分i的浓度有关，又受温度影响；而纯组分物质i的饱和蒸气压P_i^*则决定于温度。β＞1时元素1在气相富集，β＜1时元素1在液相富集。这两种情况下，蒸馏可以分开这两元素。当β= 1时，蒸馏出的气相和凝聚相成分相同，不能分离两元素。

1.2、气一液相平衡成分

    利用气-液相平衡成分图^[4]，可定量估计真空蒸馏时合金组分分离的程度以及产品的成分。对A-B二元体系，以A_g和B_g表示气相成分的质量分数，A₁、B₁表示液相成分的质量分数，ρ_A、ρ_B似为气相中组分的蒸气密度，则气相物质中组分A的质量分数为

        A_g = [1+B₁／(βA₁)]^_-1

           = [1+(B₁／A₁)·(γ_B／γ_A)·(P_B^*／P_A^*)]^-1        (2)

    用某一温度下γ，P_^*的值及一系列的B₁／A₁，可作出A_g-A₁关系图。气-液相成分图可指导合金和粗金属真空蒸馏时选择技术条件和原料成分，以达到所需的产品。

1.3、金属在真空中的挥发性

      大气中进行金属和合金的蒸馏有两个困难：一是要在高于物料沸点的温度下进行，通常需要高的温度；二是大气中的氧气会在蒸馏温度下使金属氧化。故传统冶金中只有少数沸点较低的金属如Zn、Cd、Hg等采用蒸发法。在真空中，氧化作用基本上不复存在，而且使得金属的蒸发温度也相应降低，这样金属的蒸发、蒸馏就能够实现。

     例如，铅的沸点是1740^oC，在真空中蒸发铅，1000^oC左右P_p^*b=1.86×10²Pa，在10Pa的真空中，铅就能较快挥发。真空对金属蒸发有促进作用，但并不是真空度越高越好^[5,6]。研究表明，许多金属的w-P曲线都有图1形状的曲线。其中P为系统中的气体压力，叫是金属蒸发速率(g·cm^-2s^-1)。金属或合金的真空蒸馏，系统内气体压力降低就增大了金属的蒸发速率，但压力降到Pcrit以下，w不再增大。由此可确定真空蒸馏的适宜真空度，即系统内的气体压力略小于Pcrit。已经测定了Pb、Sb、Zn、Cd等金属在真空中的挥发曲线^[7]。

2、粗金属及合金的真空蒸馏分离2.1、Pb-SB合金真空蒸馏分离

2.2、锌一铁合金(热镀锌渣、硬锌)真空蒸馏和提取高纯锌

    Zn-Fe体系的气一液相平衡成分图(图4)表明真空蒸馏提取锌是完全可能的。热镀锌渣和硬锌实质都是锌一铁合金。为了在工业上实现真空蒸馏硬锌、热镀锌渣和铡取高纯锌，我们研制了卧式真空蒸馏系列设备及其技术。其中卧式真空蒸馏炉如图5所示。根据原料和目的的不同，可以调整其结构尺寸和材料。研制成功的设备和技术分别用于韶关冶炼厂、武钢实业公司冶炼厂、水口山铅锌厂、鞍山、宣威、贵阳等地，经济效益好，对环境没有污染，为我国新增了一种设备和技术，且有出口的前景。

    对硬锌需要提高锗等元素在渣中的富集度，对热镀锌渣则要尽可能提高锌的回收率和保证产锌含铁小于0.003％，而制取高纯锌，则要锌含铁小于3ppm。对钢铁热镀锌时产生的热镀锌渣进行真空蒸馏，工业试验得到含铁仅0.00004％的锌^[3]。处理锌精练时产生的硬锌，计算表明硬锌蒸馏时，锌蒸汽中含锗仅10^-8～10^-12，锌几乎金部残留在渣中。小型试验到工业试验，产出的锌中含锗10^-5，回收在渣中的锗占97％以上，与上述计算相符。硬锌中的镏和银也有类似情况，集中在渣中。硬锌真空处理于1997年工业化，产出锌，渣中富集锗、铟、银都在10倍，直接回收率都在97％。此外，用真空蒸馏等级锌，各种级别锌中含铁都在于分之一以下。