有色金属真空冶金技术的开发历程与应用

关键词：有色金属;真空冶金;冶炼技术;开发应用;

真空冶金一般是指在低于0.1 MPa大气压的真空或者超高空环境下进行金属的冶炼、提纯、精炼、加工处理的冶金方式。通过采取真空冶金的方式不仅不会产生污染环境的炉气, 而且还能够有效防止气态金属二次氧化, 降低金属在温度还原和蒸发过程中所需解决问题的难度, 提升金属蒸发速率和反应速率。针对真空冶金技术的优势, 文章结合实际就真空冶金技术在有色金属加工生产中的应用问题进行探究。

1 冶金工业发展存在的问题

在社会经济的快速发展支持下我国冶金行业也得到了快速的发展, 总体产量达到了世界__, 在国民经济发展中起到了十分重要的作用。但是从发展实际情况来看, 仍然存在一些因素制约了冶金工业的长远、稳定发展, 具体表现在以下几个方面:__, 冶金工业发展对资源有着较强的依赖性, 资源利用率不高。从实际发展情况来看, 我国矿产资源, 特别是战略性金属资源的开发难度较大, 资源利用紧缺问题比较严重, 资源缺乏成为制约我国冶金工业发展的重要因素。第二, 金属品种比较多, 矿石品位较低, 资源使用比较复杂, 除了大型企业之外, 多数冶金工业发展过程中所使用的工艺技术比较落后, 金属回收率比较低。第三, 冶金过程中对周围环境的影响较大。第四, 金属产品大多是初级产品, 所包含技术产品和高附加值产品较少。

2 真空冶金技术概述

2.1 内涵

真空冶金是在低于标准大气压条件下进行的冶金作业。在真空冶金技术的作用下能够实现大气中无法进行的冶金过程, 防止金属氧化, 分离沸点不同的物质, 除去金属中的气体或杂质, 增强金属中碳的脱氧能力, 提高金属和合金的质量。

在具体操作中, 真空对冶金过程的重要作用具体表现在以下几个方面:__, 能够为气态生成物的冶金反应和基本操作提供重要的化学热力学和动力学支持, 从而使之前无法在常压状态下完成的冶金操作顺利完成。第二, 能够有效降低气体杂质以及容易挥发性杂质在金属中的溶解度, 进而在最大限度上降低其在金属中的总体含量。第三, 在使用操作的时候能够适当的降低金属或者杂质发挥时所需要的温度, 且在具体操作的时候还能够提升金属和杂质之间的总体分离系数。第四, 在具体操作的时候能够有效降低金属和空气、关联反应剂之间的作用, 减少杂质使用对金属和合金所造成的污染。第五, 节省成本。将传统的冶金行业改在真空中进行, 不但有利于复杂金属的冶炼, 还有利于环境保护。比如, 使用复杂锡资源清洁高效综合利用技术, 锡直收率由89%提高到97%, 金属回收率大于99%, 生产成本降低20%, 危险固废量减少80%。

2.2 特点

__, 金属在反应的时候受气体影响比较小。真空环境下的气体比较稀薄, 因而在这样状态下的金属冶炼基本上受空气的影响比较小。金属在真空环境中熔化的时候往往不会产生额外的溶解气体。在熔化的过程中需要始终遵循理想气体方程。第二, 在真空状态下能够更好的把控系统内外部的物质流动, 将大气环境明显分割, 根据实际应用需要来调控内外部的空气。第三, 真空环境下的生产污染较少。

3 有色金属真空冶金技术的开发历程

人们冶炼金属一般是在大气环境中进行, 通过在大气环境中冶金操作能够产生各种类型的金属和合金材料。从十九世纪末期的时候, 一些冶金专业开始想象真空冶炼操作, 但是在发展到上个世纪的时候真空冶金才逐渐走上了一条稳定发展的道路。

3.1 真空冶金技术的开发理论

有色金属的真空冶金操作主要是针对不同有色金属元素气化、冷凝性质所展开的工作, 通过真空冶金操作能够实现金属精准冶炼和合金分离的目的, 通过再加热处理将金属的温度控制在低于沸点的状态, 金属也能够实现蒸发。在进行真空冶金操作的时候冶金基本流程为:金属———气化———冷凝———金属, 在具体操作的过程中缩短了冶炼周期。

3.2 真空冶炼镉技术的试验

按照质量守恒定律的要求, 自熔体表面蒸发的杂质量要和熔体中失去杂质的量相等。假设镉的杂质含量是y的金属熔体质量为b (kg) , 蒸发表面积为a (m2) , 杂质从开始在转变的t秒时间内会以w的速率自熔体表面蒸发, 浓度在dt秒内会变化为dy (%) , 能够得到如 (1) 所示的公式。

结合这一计算公式可以发现蒸发速率会随压强的增加而减少, 随压强的减少而增加, 在达到某一个点的时候会出现转折变化。经过全面的统计分析发现在发生这种变化之后压强减少之后的速率也不会再继续增大, 在压强达到一定数值的时候, 镉的蒸发率也达到8×103gcm-2S-1, 接着进行镉的冷凝处理, 在试验过程中, 操作人员可以采用冷凝器和冷凝壁进行处理, 使得气体在和挡风板相遇之后在上面快速凝结, 从而结合蒸馏过程需要来合理调控冷凝温度。

3.3 真空冶炼技术的综合试验结果

结合试验分析可以发现冷凝镉在蒸馏完成之后可以达到95%左右的含量, 但在进行真空冶炼后得到的镉元素含量仅有0.01%, 且经过加工之后的镉元素蒸发速率要比之前传统冶炼技术效果良好。

从镉的蒸馏发展情况来看, 将真空冶炼技术应用到镉的加工中能够在一定程度上缩短冶炼周期, 提升镉的总体冶炼效率, 且在加工冶炼的过程中还能够达到清理冶炼金属表面氧化物的作用。

4 有色金属真空冶金的开发技术

4.1 真空还原在有色金属冶炼中的应用

真空还原主要是指在真空条件下还原金属的化合物或矿石以制取金属或合金的方法。在真空环境的影响下能够在一定程度上有效降低金属还原的温度, 从而富有效率的完成在常压环境状态下难以完成的金属冶金工作。例如金属氧化物的碳还原时, 其反应式为:2MeO (s) +C (s) =2Me+CO2 (g) , 在具体反应的时候不仅会产生气态的二氧化碳和一氧化碳, 而且还会产生一定数量的气态金属Me。真空还原已在有色金属冶金中广为应用, 真空碳还原已成为生产金属铌的主要方法, 它也是金属矾、钽的生产的重要方法。在真空中用硅作还原剂的真空硅热还原法, 以及在真空中用铝作还原剂的真空铝热还原法生产某些低沸点金属如钙、镁、钡等, 由于其工艺简单、成本较低, 而成为这些金属的工业生产方法之一。真空还原通常在真空电阻炉或真空感应炉中进行。

4.2 真空蒸馏在有色金属冶炼中的应用

真空蒸馏是借助真空操作工艺形式来将有色金属中的一些杂质及时清理, 在金属中提出符合要求的纯材料。真空蒸馏技术在具体应用操作的时候还划分为化学迁移反应法、真空蒸馏分离法两种工艺形式。

化学迁移反应法主要是指借助气体物质、金属反应所生成的一种新型化合物, 在将化合物移送到另外一个位置的时候化合物本身会出现一系列的逆变反应, 生成纯金属和气体。真空蒸馏分离方式主要是指在真空环境下按照金属之间不同的蒸气压区别来进行挥发、冷凝操作。

4.3 真空脱气在有色金属冶炼中的应用

真空脱气主要是指在真空环境下来将有害气体, 从液态金属和合金中分离的工艺形式。有色金属在通过脱气处理之后进行再次熔铸操作的时候不会因为金属本身存在气体而对金属结构产生不利的影响。另外, 在经过脱气处理之后的有色金属, 其中的晶粒边界杂质也会在最大限度上减少, 进而在一定程度上提升了金属的总体强度, 强化了有色金属的物理性能。

4.4 真空烧结在有色金属冶炼中的应用

真空烧结主要是指在真空环境下可以对金属、合金或化合物粉末进行压缩处理, 使其形成新的密金属形式。同时, 新形成的金属或者制品在高温烧结的状态下会在一定程度上提升材料的纯度。

在真空环境下进行烧结操作, 金属的制作和加工不会受到金属和气体之间反应的影响, 而且也不会出现吸附气体影响结果的现象。从实践操作情况来看, 在这样环境下所最终形成的金属制品不仅具备良好的密化效果, 而且还能够起到良好的净化和还原作用。

4.5 真空热处理在有色金属冶炼中的应用

真空冶金技术中真空热处理技术主要是指在真空环境中针对金属类型所开展的一种技术处理措施, 通过应用真空热处理技术形式能够让金属的组织结构发生深刻的变化, 进而在以往的基础上优化金属的物理性能和化学性能。

从实际操作情况来看, 真空热处理技术具体可以划分为真空猝火、真空化学处理、真空退火处理等几种类型。其中, 真空退火一般会在难以熔解的金属冶炼中应用, 真空猝火则是会在真空的环境下开展加热处理。

4.6 真空电弧双电机重熔在有色金属冶炼中的应用

真空电弧双电机重熔技术是一种新型金属熔炼技术形式, 在上个世纪七十年代的时候产生, 在具体实践操作的时候是符合时代发展需要的一种新型技术方式。在具体操作的时候, 真空电弧双电机重熔技术可以替代加工难度较大的高温冶金操作, 但是在实际应用的时候还会出现一些安全隐患, 在具体操作的时候还需要相关人员能够具体问题具体分析。

5 有色金属真空冶金的应用领域分析

从实际应用情况来看, 真空冶金的主要应用领域是真空熔炼领域、产品加工铸造中的冷坩埚真空感应熔炼炉、新型电子束熔炼、倒包大气注锭应用、电阻加热、活性气体腐蚀、超高真空加热等。

5.1 真空冶金在冷坩埚熔炼炉中的应用

冷坩埚熔炼炉包含真空熔炼炉、电磁感应加热电压环、电控系统、真空惰性气体四个部分。在系统运作的时候电源可以是中频或者高频, 在具体操作的时候可以根据炉料重量高低来对系统构造进行优化调整。在一般情况下炉料的多少和电源频率之间呈现出一种反比的关系。熔炼炉一般会应用导热性能比较高的金属材料制作, 坩埚壁会应有绝缘性能良好的材料进行填充处理。一般规模比较大的熔炼炉是由金属材料制作外壳的, 和大规模的熔炼率相比, 小规模的熔炼率则是会选择应用非金属材料来制作外壳。

5.2 新型电子束熔炼

电子束非间断性熔炼操作的时候允许将精炼和熔化进行充分分离, 从实际操作情况在溶解操作的时候能够为熔化反应提供充足的反应时间, 并实现对金属汇总杂质元素的全面清除。但此熔炼过程中所存在问题为必须于炉料中补足。从实际操作情况来看, 这种熔炼方式所包含的氧气含量较少, 能够借助水冷分液器来进行处理, 也可以通过电子束所具备的强烈热量来对非金属杂物进行分解处理, 从而有效提升制作材料的纯净度。

6 结语

综上所述, 在社会经济和科技的发展支持下我国有色金属冶金技术不断发展, 对冶金设备的使用也提出了更高的要求, 在这样的发展背景下多种类型的冶金技术形式出现。在真空环境下开展冶金操作不仅能有效去除其中的金属杂质, 提升制备材料的精准度, 而且还能够强化材料的化学性能和物理性能, 真空冶金将是有色金属冶金处理方面的重要发展方向。

参考文献

[1]杨斌, 徐宝强, 刘大春等.有色金属的真空冶金[C]北京:中国真空学会学术交流会, 2012.

[2]张雪冰.有色金属真空冶金技术的开发和应用[J].科技创新与应用, 2018, 252 (32) :165-166.

[3]潘友发, 胡沙.真空冶金技术的开发及应用[J].化工设计通讯, 2017, (7) :253-254.

[4]孔令鑫, 徐俊杰.有色金属合金溶液热力学模型研究进展[J].科技创新与应用, 2018, (12) :88-89.

[5]杨斌, 戴永年, 马文会等.有色金属真空冶金技术的开发和应用[C].北京.中国真空学会2006年学术会议论文摘要集, 2006.

[6]郭青蔚.真空冶金技术的发展和应用[J].世界有色金属, 1997, (12) :39-40.

[7]戴永年, 杨斌.有色金属的真空冶金[C]北京:中国真空学会科技进步奖 (1994-2000) 得奖人员论文集, 2000.