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有色金屬真空冶金技術的開發歷程與應用

時間:2020-01-22 來源:冶金與材料 作者:張勇 本文字數:4694字
冶金技術論文第六篇:有色金屬真空冶金技術的開發歷程與應用
 
  摘要:在科學發展觀的要求下, 資源、能源的高效率應用得到了相關人員的關注。有色金屬冶煉行業是我國現代化工業發展的重要支撐力量, 但是從實際操作情況來看, 有色金屬在冶煉的過程中不可避免的會產生一些環境污染, 且金屬的回收率不高。針對這個問題需要在金屬冶煉中引進一種高新技術形式。真空冶煉技術是一種無污染、高效率的技術形式, 將其應用到有色金屬冶煉行業中能夠彌補以往冶煉的局限。為此, 文章在闡述真空冶金技術內涵、原理和特點的基礎上, 結合實際就真空冶金在有色金屬冶煉中的應用問題進行探究。
 
  關鍵詞:有色金屬;真空冶金;冶煉技術;開發應用;
 
  真空冶金一般是指在低于0.1 MPa大氣壓的真空或者超高空環境下進行金屬的冶煉、提純、精煉、加工處理的冶金方式。通過采取真空冶金的方式不僅不會產生污染環境的爐氣, 而且還能夠有效防止氣態金屬二次氧化, 降低金屬在溫度還原和蒸發過程中所需解決問題的難度, 提升金屬蒸發速率和反應速率。針對真空冶金技術的優勢, 文章結合實際就真空冶金技術在有色金屬加工生產中的應用問題進行探究。
 
  1 冶金工業發展存在的問題
 
  在社會經濟的快速發展支持下我國冶金行業也得到了快速的發展, 總體產量達到了世界第一, 在國民經濟發展中起到了十分重要的作用。但是從發展實際情況來看, 仍然存在一些因素制約了冶金工業的長遠、穩定發展, 具體表現在以下幾個方面:第一, 冶金工業發展對資源有著較強的依賴性, 資源利用率不高。從實際發展情況來看, 我國礦產資源, 特別是戰略性金屬資源的開發難度較大, 資源利用緊缺問題比較嚴重, 資源缺乏成為制約我國冶金工業發展的重要因素。第二, 金屬品種比較多, 礦石品位較低, 資源使用比較復雜, 除了大型企業之外, 多數冶金工業發展過程中所使用的工藝技術比較落后, 金屬回收率比較低。第三, 冶金過程中對周圍環境的影響較大。第四, 金屬產品大多是初級產品, 所包含技術產品和高附加值產品較少。
 
  2 真空冶金技術概述
 
  2.1 內涵
 
  真空冶金是在低于標準大氣壓條件下進行的冶金作業。在真空冶金技術的作用下能夠實現大氣中無法進行的冶金過程, 防止金屬氧化, 分離沸點不同的物質, 除去金屬中的氣體或雜質, 增強金屬中碳的脫氧能力, 提高金屬和合金的質量。
 
  在具體操作中, 真空對冶金過程的重要作用具體表現在以下幾個方面:第一, 能夠為氣態生成物的冶金反應和基本操作提供重要的化學熱力學和動力學支持, 從而使之前無法在常壓狀態下完成的冶金操作順利完成。第二, 能夠有效降低氣體雜質以及容易揮發性雜質在金屬中的溶解度, 進而在最大限度上降低其在金屬中的總體含量。第三, 在使用操作的時候能夠適當的降低金屬或者雜質發揮時所需要的溫度, 且在具體操作的時候還能夠提升金屬和雜質之間的總體分離系數。第四, 在具體操作的時候能夠有效降低金屬和空氣、關聯反應劑之間的作用, 減少雜質使用對金屬和合金所造成的污染。第五, 節省成本。將傳統的冶金行業改在真空中進行, 不但有利于復雜金屬的冶煉, 還有利于環境保護。比如, 使用復雜錫資源清潔高效綜合利用技術, 錫直收率由89%提高到97%, 金屬回收率大于99%, 生產成本降低20%, 危險固廢量減少80%。
 
  2.2 特點
 
  第一, 金屬在反應的時候受氣體影響比較小。真空環境下的氣體比較稀薄, 因而在這樣狀態下的金屬冶煉基本上受空氣的影響比較小。金屬在真空環境中熔化的時候往往不會產生額外的溶解氣體。在熔化的過程中需要始終遵循理想氣體方程。第二, 在真空狀態下能夠更好的把控系統內外部的物質流動, 將大氣環境明顯分割, 根據實際應用需要來調控內外部的空氣。第三, 真空環境下的生產污染較少。
 
  3 有色金屬真空冶金技術的開發歷程
 
  人們冶煉金屬一般是在大氣環境中進行, 通過在大氣環境中冶金操作能夠產生各種類型的金屬和合金材料。從十九世紀末期的時候, 一些冶金專業開始想象真空冶煉操作, 但是在發展到上個世紀的時候真空冶金才逐漸走上了一條穩定發展的道路。
 
  3.1 真空冶金技術的開發理論
 
  有色金屬的真空冶金操作主要是針對不同有色金屬元素氣化、冷凝性質所展開的工作, 通過真空冶金操作能夠實現金屬精準冶煉和合金分離的目的, 通過再加熱處理將金屬的溫度控制在低于沸點的狀態, 金屬也能夠實現蒸發。在進行真空冶金操作的時候冶金基本流程為:金屬———氣化———冷凝———金屬, 在具體操作的過程中縮短了冶煉周期。
 
  3.2 真空冶煉鎘技術的試驗
 
  按照質量守恒定律的要求, 自熔體表面蒸發的雜質量要和熔體中失去雜質的量相等。假設鎘的雜質含量是y的金屬熔體質量為b (kg) , 蒸發表面積為a (m2) , 雜質從開始在轉變的t秒時間內會以w的速率自熔體表面蒸發, 濃度在dt秒內會變化為dy (%) , 能夠得到如 (1) 所示的公式。
 
  結合這一計算公式可以發現蒸發速率會隨壓強的增加而減少, 隨壓強的減少而增加, 在達到某一個點的時候會出現轉折變化。經過全面的統計分析發現在發生這種變化之后壓強減少之后的速率也不會再繼續增大, 在壓強達到一定數值的時候, 鎘的蒸發率也達到8×103gcm-2S-1, 接著進行鎘的冷凝處理, 在試驗過程中, 操作人員可以采用冷凝器和冷凝壁進行處理, 使得氣體在和擋風板相遇之后在上面快速凝結, 從而結合蒸餾過程需要來合理調控冷凝溫度。
 
  3.3 真空冶煉技術的綜合試驗結果
 
  結合試驗分析可以發現冷凝鎘在蒸餾完成之后可以達到95%左右的含量, 但在進行真空冶煉后得到的鎘元素含量僅有0.01%, 且經過加工之后的鎘元素蒸發速率要比之前傳統冶煉技術效果良好。
 
  從鎘的蒸餾發展情況來看, 將真空冶煉技術應用到鎘的加工中能夠在一定程度上縮短冶煉周期, 提升鎘的總體冶煉效率, 且在加工冶煉的過程中還能夠達到清理冶煉金屬表面氧化物的作用。
 
  4 有色金屬真空冶金的開發技術
 
  4.1 真空還原在有色金屬冶煉中的應用
 
  真空還原主要是指在真空條件下還原金屬的化合物或礦石以制取金屬或合金的方法。在真空環境的影響下能夠在一定程度上有效降低金屬還原的溫度, 從而富有效率的完成在常壓環境狀態下難以完成的金屬冶金工作。例如金屬氧化物的碳還原時, 其反應式為:2MeO (s) +C (s) =2Me+CO2 (g) , 在具體反應的時候不僅會產生氣態的二氧化碳和一氧化碳, 而且還會產生一定數量的氣態金屬Me。真空還原已在有色金屬冶金中廣為應用, 真空碳還原已成為生產金屬鈮的主要方法, 它也是金屬礬、鉭的生產的重要方法。在真空中用硅作還原劑的真空硅熱還原法, 以及在真空中用鋁作還原劑的真空鋁熱還原法生產某些低沸點金屬如鈣、鎂、鋇等, 由于其工藝簡單、成本較低, 而成為這些金屬的工業生產方法之一。真空還原通常在真空電阻爐或真空感應爐中進行。
 
  4.2 真空蒸餾在有色金屬冶煉中的應用
 
  真空蒸餾是借助真空操作工藝形式來將有色金屬中的一些雜質及時清理, 在金屬中提出符合要求的純材料。真空蒸餾技術在具體應用操作的時候還劃分為化學遷移反應法、真空蒸餾分離法兩種工藝形式。
 
  化學遷移反應法主要是指借助氣體物質、金屬反應所生成的一種新型化合物, 在將化合物移送到另外一個位置的時候化合物本身會出現一系列的逆變反應, 生成純金屬和氣體。真空蒸餾分離方式主要是指在真空環境下按照金屬之間不同的蒸氣壓區別來進行揮發、冷凝操作。
 
  4.3 真空脫氣在有色金屬冶煉中的應用
 
  真空脫氣主要是指在真空環境下來將有害氣體, 從液態金屬和合金中分離的工藝形式。有色金屬在通過脫氣處理之后進行再次熔鑄操作的時候不會因為金屬本身存在氣體而對金屬結構產生不利的影響。另外, 在經過脫氣處理之后的有色金屬, 其中的晶粒邊界雜質也會在最大限度上減少, 進而在一定程度上提升了金屬的總體強度, 強化了有色金屬的物理性能。
 
  4.4 真空燒結在有色金屬冶煉中的應用
 
  真空燒結主要是指在真空環境下可以對金屬、合金或化合物粉末進行壓縮處理, 使其形成新的密金屬形式。同時, 新形成的金屬或者制品在高溫燒結的狀態下會在一定程度上提升材料的純度。
 
  在真空環境下進行燒結操作, 金屬的制作和加工不會受到金屬和氣體之間反應的影響, 而且也不會出現吸附氣體影響結果的現象。從實踐操作情況來看, 在這樣環境下所最終形成的金屬制品不僅具備良好的密化效果, 而且還能夠起到良好的凈化和還原作用。
 
  4.5 真空熱處理在有色金屬冶煉中的應用
 
  真空冶金技術中真空熱處理技術主要是指在真空環境中針對金屬類型所開展的一種技術處理措施, 通過應用真空熱處理技術形式能夠讓金屬的組織結構發生深刻的變化, 進而在以往的基礎上優化金屬的物理性能和化學性能。
 
  從實際操作情況來看, 真空熱處理技術具體可以劃分為真空猝火、真空化學處理、真空退火處理等幾種類型。其中, 真空退火一般會在難以熔解的金屬冶煉中應用, 真空猝火則是會在真空的環境下開展加熱處理。
 
  4.6 真空電弧雙電機重熔在有色金屬冶煉中的應用
 
  真空電弧雙電機重熔技術是一種新型金屬熔煉技術形式, 在上個世紀七十年代的時候產生, 在具體實踐操作的時候是符合時代發展需要的一種新型技術方式。在具體操作的時候, 真空電弧雙電機重熔技術可以替代加工難度較大的高溫冶金操作, 但是在實際應用的時候還會出現一些安全隱患, 在具體操作的時候還需要相關人員能夠具體問題具體分析。
 
  5 有色金屬真空冶金的應用領域分析
 
  從實際應用情況來看, 真空冶金的主要應用領域是真空熔煉領域、產品加工鑄造中的冷坩堝真空感應熔煉爐、新型電子束熔煉、倒包大氣注錠應用、電阻加熱、活性氣體腐蝕、超高真空加熱等。
 
  5.1 真空冶金在冷坩堝熔煉爐中的應用
 
  冷坩堝熔煉爐包含真空熔煉爐、電磁感應加熱電壓環、電控系統、真空惰性氣體四個部分。在系統運作的時候電源可以是中頻或者高頻, 在具體操作的時候可以根據爐料重量高低來對系統構造進行優化調整。在一般情況下爐料的多少和電源頻率之間呈現出一種反比的關系。熔煉爐一般會應用導熱性能比較高的金屬材料制作, 坩堝壁會應有絕緣性能良好的材料進行填充處理。一般規模比較大的熔煉爐是由金屬材料制作外殼的, 和大規模的熔煉率相比, 小規模的熔煉率則是會選擇應用非金屬材料來制作外殼。
 
  5.2 新型電子束熔煉
 
  電子束非間斷性熔煉操作的時候允許將精煉和熔化進行充分分離, 從實際操作情況在溶解操作的時候能夠為熔化反應提供充足的反應時間, 并實現對金屬匯總雜質元素的全面清除。但此熔煉過程中所存在問題為必須于爐料中補足。從實際操作情況來看, 這種熔煉方式所包含的氧氣含量較少, 能夠借助水冷分液器來進行處理, 也可以通過電子束所具備的強烈熱量來對非金屬雜物進行分解處理, 從而有效提升制作材料的純凈度。
 
  6 結語
 
  綜上所述, 在社會經濟和科技的發展支持下我國有色金屬冶金技術不斷發展, 對冶金設備的使用也提出了更高的要求, 在這樣的發展背景下多種類型的冶金技術形式出現。在真空環境下開展冶金操作不僅能有效去除其中的金屬雜質, 提升制備材料的精準度, 而且還能夠強化材料的化學性能和物理性能, 真空冶金將是有色金屬冶金處理方面的重要發展方向。
 
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    張勇.探索有色金屬真空冶金技術的開發[J].冶金與材料,2019,39(03):54-56.
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