鉛黃銅復合分離法除Pb工藝探討

鄭少鋒　易志勇　陳婷婷　胡美俊

摘要：

簡述了目前國內外鉛黃銅除Pb工藝的現狀，在分析復合分離法除Pb的理論基礎上得出了Ca元素除Pb的可行性.歸納總結了SiCa及MgCa除Pb劑對除Pb效果的影響及對除Pb后合金性能的影響.SiCa除Pb劑除Pb后，黃銅熔體中的Pb脫除率達到83%，但除Pb后黃銅基體中Si含量超標；MgCa除Pb劑除Pb后，黃銅熔體中的Pb脫除率達到77.3%，基體中添加的Mg與Cu形成Cu2Mg金屬間化合物，在切削過程中起到與游離Pb相似的潤滑、斷屑作用，從而實現鉛黃銅的脫Pb及再生環保易切削黃銅的開發.

關鍵詞：

鉛黃銅； 復合分離法； 除Pb； 金屬化合物； 環保； 易切削

中圖分類號：TF 811 文獻標志碼： A

Abstract：

This paper briefly describes the current technologies of removing lead from lead brass at home and abroad.Based on the theoretical analysis of compound separation method，it was inferred that Ca element had the potential of removing lead.The effects of SiCa and MgCa on removing lead and properties of alloys without lead were summarized.The lead removal rate of brass melt reached 83% with SiCa as deleading agent and the Si content in brass substrate after deleading exceeds the limit；the lead removal rate of brass melt reached 77.3% with MgCa as deleading agent and Mg added to the substrate reacts with Cu and generated metal compound Cu2Mg，which possessed the ability of lubricating and chipbreaking similar to free lead in the process of cutting and removed lead from lead brass and developed a kind of brass that was environmentalfriendly and easytocut.

Keywords：

lead brass； compound separation method； deleading Pb； metal compounds； environmental protection； free cutting

在改善金屬材料的切削加工性能方面，Pb被認為是最佳元素，已普遍應用到銅材、鋼材和鋁材等領域[1]，典型代表就是鉛黃銅.但Pb在黃銅中的固溶度很小，基本是以游離狀態彌散地分布于CuZn二元合金中.鉛黃銅中，Pb在α相中的溶解度<0.03%（質量分數），而在β相中也僅為3%（質量分數）左右.彌散均勻分布的Pb質點在加工時既能起到潤滑作用，又能使切削斷屑，可提高切削速度；切削后的表面質量良好，可改善黃銅的切削性能.

然而Pb對環境和人體健康構成的危害正日益為人們所關注.目前，國內外環境保護政策對含Pb銅合金的使用進行了限制[2-3]，特別是飲用水黃銅管中Pb含量的限制，我國的水管道中Pb的溶出標準與國際標準還存在一定的差距.有鑒于此，開發無Pb易切削黃銅成為保護環境、節約資源的一種有效途徑.國內許多學者在開發無Pb易切削黃銅方面做了大量的研究，如無Pb易切削鉍黃銅、無Pb易切削鎂黃銅和無Pb易切削硅黃銅等的開發[4-7].然而這些易切削黃銅的開發與研究并沒有對當前市場上鉛黃銅的回收利用起到促進作用，因為其制備的原材料并不是市場上回收利用的鉛黃銅，所以并沒從根本上解決目前市場存在的鉛黃銅的回收利用問題.因此，開展鉛黃銅回收循環再利用，消除鉛黃銅對環境和人體健康的影響，具有極其重要的意義.

1鉛黃銅除Pb工藝的技術現狀

鉛黃銅的回收利用能有效地消除Pb對環境和人體健康的影響.國內外學者在鉛黃銅脫Pb方面做了大量的研究，而在脫Pb過程中都不可避免地遇到Zn的阻礙.由于Zn的活性比Pb大，傳統除Pb方法易造成Zn的大量損失，且除Pb效果不佳.有學者提出硫化法除Pb[8]，其原理是基于S與Cu、Pb、Zn的親合力逐漸減弱，在熔煉過程中添加Cu2S，高溫下與Pb反應生成PbS.PbS屬于高熔點化合物（PbS的熔點為1 114℃），密度比黃銅密度?。≒bS密度為7.5 g/cm3），通過靜置保溫一段時間，密度小的PbS會逐漸上浮到熔體表面形成熔渣，經過扒渣達到除Pb的效果.

然而，孫志強[9]經過對Cu、Pb分別與S的反應熱力學標準吉布斯自由能的計算得出：反應生成的Cu2S的標準吉布斯自由能比反應生成PbS的標準吉布斯自由能低，高溫下PbS的穩定性要低于Cu2S的穩定性（計算結果如圖1所示）.由此表明，高溫時Cu2S與Pb反應生成的標準吉布斯自由能大于零，故反應不能進行.

KEMP等[10]采用稀硝酸浸出除Pb，在SnPb黃銅切屑中添加稀硝酸與Pb反應生成Pb（NO3）2沉淀以達到除Pb效果.具體操作為：在1 t銅合金切屑中添加640 L水和60 L的硝酸，18℃保溫、攪拌90 min.但整個試驗過程具有一定的危險性，后續Cu的回收過程太過繁瑣，試驗周期過長，成本過高.

REGELBRUGGE等[11]采用pH≥5的羧基溶液浸泡薄鑄件，浸泡后的鑄件Pb含量達到當時美國黃銅水管所允許Pb含量的標準.楊家玲等[12]采用FeCl3為試劑浸泡鉛黃銅，反應如下：

Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2

Zn+2FeCl3=2FeCl2+ZnCl2

在強酸溶液中，CuCl2能反應形成HCuCl2，而ZnCl2不反應.CuCl2能溶于氨水中，故可用氨水處理，溶液中剩余Fe2+、Pb2+和Zn2+，再將Fe2+和Pb2+除去，以實現除Pb的目的.

李昆侖等[13]采用一種表面除Pb溶液進行鉛黃銅表面除Pb的方法.結果表明，Pb能溶于一些有機酸中，再添加相關催化劑，可大幅提高Pb的溶解度[14].因此可采用此類相關的溶劑作為除Pb劑.零件表面經過此種方法除Pb處理后，Pb的質量分數由2%～3%降低到0.4%以下.

2復合分離法除Pb理論探討

文獻[1517]采用的是復合分離法除Pb.在鉛黃銅熔煉過程中添加含Ca元素的合金除Pb劑，與Pb形成高熔點且密度比熔體小的化合物，通過靜置和扒渣以達到除Pb效果.復合分離法除Pb的關鍵在于，添加的除Pb劑能否與Pb形成高熔點且密度比熔體小的化合物.

鉛黃銅的熔煉過程可以認為是在恒溫、恒壓下進行的，其過程就是添加的各合金元素與鉛黃銅所含的元素之間發生反應.熱力學計算可從理論上得到熔煉過程中各反應大概發生的情況，從而指導熔煉的實際操作.通過計算各反應的吉布斯自由能，可以從理論上判斷各個反應能否自行發生.通常使用Vant Hoff等溫方程式：

因此，熱力學計算ΔGΘ具有重要的實際意義，對試驗的正確開展起指導作用.

圖2為熱力學軟件FactSage對1 mol的Ca與Pb、Cu、Zn、Mg各元素充分反應的吉布斯自由能.由圖2可以看出，在800～900℃（1 073～1 173 K）范圍內，各個反應生成的吉布斯自由能的值：反應（6）>反應（5）>反應（2）>反應（10）>反應（4）>反應（7）>反應（8）>反應（9）>反應（1）>反應（3）.反應（3）生成的CaPb標準吉布斯自由能最負，易優先形成；其次是Ca2Pb以及CaZn2與CaZn，Ca與Cu、Mg不易發生反應.綜合全圖，只有反應消耗Pb之后Ca才會依次與Zn、Cu反應生成CaZn2、CaZn、CaCu5、CaMg2、CaCu、Ca2Cu化合物.所以熔體中的Ca容易與Pb發生反應，形成CaPb、Ca2Pb化合物，其密度都比黃銅小，可通過靜置上浮達到除Pb效果.

3兩種含Ca合金除Pb劑的除Pb效果比較

3.1SiCa合金除Pb劑

依據金屬冶金原理方法，在合金精煉過程中添加SiCa合金與Pb形成高熔點、密度較銅液小的化合物，通過保溫靜置上浮和扒渣達到除Pb的效果.該方法使用的原材料是市場上含Pb的廢雜黃銅，其主要操作過程是在氮氣保護下，用中頻感應爐熔化，待合金熔化后加入與Pb生成大粒子化合物的SiCa合金.保溫一段時間后，Ca與Pb通過復合分離法形成高熔點、低密度的化合物，降低銅合金中的Pb含量.通過對黃雜銅進行除Pb試驗研究，結果顯

示，此方法在黃銅熔體中的Pb脫除質量分數可以達到83%.經過此方法處理后的鉛黃銅，其除Pb效果明顯.但是此方法熔煉條件苛刻，需要在真空爐氮氣保護下進行熔煉，生產成本高，Pb含量高的銅合金除Pb時效果不是很理想，仍不能滿足現在環境保護所要求的標準；且經過此方法處理后的鉛黃銅中的Si含量超標，合金性能是否達標還需要后續試驗研究[3，16-17].

3.2MgCa合金除Pb劑

樊小偉[15]通過對鉛黃銅合金原料的固液相線的計算，模擬計算MgCa合金添加量與保溫溫度對鉛黃銅除Pb效果的影響規律，以計算結果作為整個除Pb熔煉試驗的理論指導，確定除Pb熔煉過程中的工藝參數.該文獻使用的原材料是廢舊鉛黃銅.試驗過程是通過添加MgCa合金可與鉛黃銅中的Pb形成高熔點低密度固體CaPb化合物.待形成高熔點低密度固體CaPb化合物后，往熔體中添加絮凝劑，熔鹽體中各陰、陽離子間能相互配位絡合，聚集形成復雜塊狀密度小的復合物，即熔渣.在絮凝劑復合造渣作用下，可經上浮和扒渣去除，達到除Pb目的.試驗結果顯示，此方法在黃銅熔體中的Pb脫除質量分數可以達到77.3%.經除Pb處理后，黃銅基體殘余的Pb以穩定的CaPb3化合物形式存在.基體中添加的Mg與Cu形成金屬間化合物Cu2Mg，這些金屬化合物粒子彌散地分布于黃銅基體中，切削過程中起到與游離Pb相似的潤滑、斷屑作用，從而實現鉛黃銅的脫Pb及再生環保易切削黃銅的開發.與NAKANO等[16]的方法相比，此方法直接在大氣環境下熔煉，對設備要求不高，降低了生產成本.而除Pb后，基體中殘余的Pb以穩定的化合物存在，消除了對人體和自然環境的危害.

4結語

我國目前黃雜銅的回收利用工藝技術還不太成熟，基本處于試驗探索階段.對現有工藝技術的改進與完善，以及對高效除Pb劑的開發，是今后努力的方向.復合分離法解決了熔煉過程中對設備要求過高的問題，從而節約了經濟成本，為鉛黃銅除Pb工藝的廣泛應用和推廣提供了良好的基礎.其除Pb劑的開發為鉛黃銅的除Pb及再生環保易切削黃銅提供了一種全新的思路，在除Pb的同時致力于再生環保易切削黃銅的開發，為再處理鉛黃銅的回收利用提供了一個新方向.

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