MIVM在真空蒸餾分離錫鋅合金中的應用及實驗研究

2013-07-08 孔令鑫真空冶金國家工程實驗室

　　基于分子相互作用體積模型，首先使用牛頓迭代法結合Sn、Zn的無限稀活度系數(shù)計算得出對勢能相互作用參數(shù)Bij和Bji，并利用Bj和Bji計算Sn-Zn二元系的活度aSn、aZn，并將理論計算值與實驗值進行對比分析，最后計算得到Sn-Zn合金真空蒸餾過程中的氣液相平衡組成。結果表明：活度計算值和實驗值吻合較好;蒸餾溫度為1073K，液相中含錫量為90%時，氣相中含錫僅為0100001%，Sn-Zn合金能夠通過真空蒸餾實現(xiàn)良好分離。進一步實驗驗證結果表明，蒸餾溫度1073K、恒溫時間100min，15Pa條件下，液相中含錫為90%時，氣相中含錫為0.002%，實驗結果與預測結果吻合較好。此研究為真空蒸餾分離Sn-Zn合金提供了可靠的理論依據(jù)及預測模型。

　　錫鋅合金分離是金屬二次資源回收錫、鋅的重要組成部分，采用專門改造過的臥式真空爐進行生產，操作簡單適用，處理能力和產品的品質，可通過適當控制蒸餾溫度和蒸餾時間來達到。該方法具有金屬回收率高，不需加其它試劑和輔料，可直接獲得金屬Sn和Zn等優(yōu)點，真空冶金作為冶金領域的新技術，與傳統(tǒng)冶金方法相比具有工藝流程簡單、資源和能耗消耗少、無廢水廢氣產生、精煉過程物料不被污染等優(yōu)勢，廣泛應用于合金的分離和粗金屬精煉。昆明理工大學已經開展了錫鋅合金分離的小型、擴大及工業(yè)化實驗，雖然取得了較好的效果，但是目前仍缺乏深入的理論基礎研究。

　　二元合金的熱力學性質對于定量分析合金的分離程度及產品質量具有重要作用，然而由于合金熔體一般是高溫熔體，實驗研究難度大。另外，二元合金體系數(shù)量較多，耗時較長，同時還需大量的資金投入，所以通過模型預測合金的熱力學性質就顯得尤為重要。許多研究者從不同角度，提出了諸多不同的溶液理論及模型，如正規(guī)溶液模型(Regular Solution Model)，亞正規(guī)溶液模型(Sub-Regular Solution Mode)，Wilson方程，準正規(guī)溶液模型(Quas-iRegular Solution Model)等。由于溶液熱力學模型己經發(fā)展了近一個世紀，且由于量子力學的出現(xiàn)使人們對微觀世界中分子間相互作用及物質結構的認識日益加深，因此當前一個好的模型不僅應該能對宏觀的熱力學性質做出準確的預測，還應該能基本正確地反映一些微觀信息，例如，分子間的相互作用及結構。分子相互作用體積模型就屬于此類模型之列。一方面該模型已經在液態(tài)和固態(tài)合金熱力學性質預測中取得了一定的有益結果，另一方面該模型對液態(tài)分子間的相互作用及結構的描述也大體接近液態(tài)的真實情況。

　　由于分子相互作用體積模型(Molecular Interaction Volume Model，MIVM)只需二元系無限稀活度系數(shù)實驗數(shù)據(jù)即可計算出合金中各組元的活度，另外，MIVM更接近實驗溶液，且物理基礎更清晰、可靠。為此，本文作者采用MIVM計算Sn-Zn二元系的活度aSn、aZn，并繪制Sn-Zn體系的氣液相平衡圖，從而進一步分析真空蒸餾錫鋅合金過程中Sn、Zn的分離程度。并在真空(真空度為15~200Pa)條件下通過實驗研究了蒸餾溫度、蒸餾時間對殘留物組元含量的影響，并以此來驗證計算結果的可靠性。以期為真空蒸餾分離Sn-Zn合金提供理論依據(jù)和實驗基礎數(shù)據(jù)。

最佳條件下蒸餾時間對產物純度的影響

　　從以上實驗結果可看出，最佳實驗條件為：蒸餾溫度1073K，壓強15Pa，恒溫時間100min，為了進一步研究蒸餾時間對蒸餾產物成分含量的影響，開展了蒸餾溫度1073K，15Pa條件下，蒸餾時間對蒸餾產物純度的影響，結果如圖6所示。

　　從圖6可看出，殘留物和揮發(fā)物中錫含量都隨著蒸餾時間的延長逐漸升高，這是由于隨著時間的延長，鋅大量揮發(fā)進入氣相，所以殘留物中錫含量逐漸升高，同時少量錫也開始揮發(fā)進入氣相，導致氣相中錫含量升高。100min后殘留物中鋅含量較小，此時錫開始大量揮發(fā)，所以其揮發(fā)速率急劇增大。

1073K，15Pa條件下蒸餾時間對產物純度的影響