有色金屬真空冶金技術的開發與應用研究

（甘肅工業職業技術學院，甘肅 天水 741025）

傳統的有色金屬冶煉技術相對滯后，冶煉流程過長、對資源的消耗過高，在冶煉過程中會產生污染物，影響自然環境。并且傳統的冶煉技術咋冶煉后資源的回收利用率也很低。這些問題促使了新的冶煉技術—有色金屬真空冶煉技術的開發利用。在真空條件下，氧氣含量很少，有色金屬和大氣環境隔開很難被氧化。并且，有色金屬同大氣中物質的交流得到控制，減少了有色金屬冶煉對環境的影響。因此，通過對有色金屬真空冶煉技術的開發和應用進行分析，希望能夠為充分發揮真空冶煉技術的優勢提供一些理論上的指導。

1 有色金屬真空冶金技術的開發

21世紀以來，有色金屬的真空冶金技術得到了非?？焖俚某砷L和發展，有色金屬的真空冶煉技術具備著傳統冶煉方法無可比擬的優勢。首先，有色金屬的真空冶煉工作原理是：系統壓力比大氣壓小的前提下，在超高真空范圍內進行的金屬礦物或者是其他資源的熔煉加工和處理。有色金屬真空冶煉技術分為真空蒸餾、真空分離等等[1]，詳細分類可參考表1。由于真空冶金技術分析眾多，我們接下來以鎘的真空精煉試驗對有色金屬真空冶煉技術的具體開發進行詳細分析。

1.1 開發真空冶煉技術的理論分析

有色金屬真空冶金技術通過針對不同有色金屬元素氣化和冷凝的不同性質，實現金屬精煉和合金各類分離的目的。再進行加熱，溫度控制在低于沸點的范圍，金屬便能蒸發，金屬氣體又在較低溫處冷凝成為金屬液體或固體。這樣就使得有色金屬真空冶煉由傳統的化學過程簡化成物理過程，冶煉流程變為金屬—氣化—冷凝—金屬，縮短了冶煉周期，并且原料和產物都是金屬[2]。

1.2 開發真空冶煉鎘技術的試驗過程

設鎘雜質含量為y（%）的金屬熔體質量為b（kg），蒸發表面積為a（m2），雜質從過程開始的t秒時間內，以w（kg·-m2·s-1）速率自熔體表面蒸發，其濃度在dt秒內的變化為dy（%）。根據質量守恒定律，自熔體表面蒸發的雜質的量必然等于熔體中失去的雜質的量，從而得出方程：

根據該方程進行計算可得出結論：蒸發速率隨壓強減小而增大，經過一定的時間后發生轉折，此后壓強減小蒸發速率將不在增大，壓強達到一定數值，鎘的蒸發率可達到8×10-3g·cm-2·s-1。

圖1 真空冶煉鎘的蒸餾溫度—時間變化圖

接著進行鎘的冷凝處理，在試驗過程中，我們采用冷凝器與冷凝壁，這樣能夠讓氣體與擋板相遇之后在其面上凝結，方便控制冷凝溫度來配合蒸餾過程的進行。冷凝過程中，鎘金屬的蒸氣壓隨溫度降低，一部分的蒸氣凝結氣相中金屬就會減少。根據計算公式能得出：控制20壓強在以內，冷凝率可達到95%以上。試驗過程中的具體變化以圖1為參照。

1.3 開發真空冶煉技術的試驗結果

根據試驗分析可得出冷凝鎘在蒸餾完全后可達到95%左右。進行真空冶煉后的鎘的雜質含量僅有0.01%，并且粗鎘的蒸發速率遠遠高于傳統的冶煉技術。從鎘的蒸餾變化過程圖我們可以看出，真空冶煉技術大大縮短了冶煉周期，提高了冶煉效率。真空冶煉過程中的清除和脫脂作用有利于冶煉反應的正向進行，起到清潔金屬表面氧化物的作用。真空冶煉技術可以能夠精確控制冶煉成分，低熔點有害雜質、微量元素和氣體都能夠被去除，同時還能保證金屬元素不被二次氧化。

2 有色金屬真空冶金技術的應用

核電級的海綿鋯是核能軍工領域重要的戰略原材料。鋯基合金與核燃料的兼容性優良、耐腐蝕性和加工性能優異，多用于反應堆核燃料的包殼、格柵、端塞和其他堆芯材料。但是，傳統的冶煉裝置由于采用的技術相對落后，影響冶煉爐的吊裝精度，進而影響到鋯的生產效率。并且，傳統的冶煉爐的吊裝裝置內有極大數量的加熱線圈，一旦操作不當，冶煉爐內部與堅硬物體發生碰撞就會導致加熱線圈受到損害，既影響生產又造成經濟損失。

因而將真空冶煉技術應用于鋯生產所必需的冶煉爐裝置，其中冶煉爐內的液壓缸設計時利用真空蒸餾技術，減少鋯生產過程中和其他金屬元素的物化反應。提高了鋯的生產效率，避免了傳統技術在吊裝過程中帶來的浮動，有效解決了吊裝過程中鋯的精度問題。并且，真空冶煉技術應用于鋯的冶煉裝置，由于真空冶煉技術中的真空加熱能避免裝置爐內加熱線圈和堅硬物體的碰撞，這樣就技能減少工作人員的不當操作，從而節省生產成本?？傮w來說。真空冶煉技術應用于冶煉裝置爐，既能確保裝置設備的運行精度和提高吊裝的安全系數、簡化吊裝操作流程、降低操作人員的工作強度，很大程度上提高了鋯的生產效率，降低了生產過程中的資源消耗，由此可見，真空冶煉技術具有很好的應用前景。

3 結語

通過對有色金屬的真空冶煉技術的開發和應用進行詳細分析，能夠得出真空冶煉技術具有污染小、冶煉周期短和冶煉效率高的諸多優點，將該技術應用于冶煉裝置，突破了傳統冶煉技術的阻礙，極大地促進了有色金屬冶煉行業的發展。但是，真空冶煉技術在實際運行過程中會受到真空度、冶煉溫度和冶煉時間的影響，如何減少這些影響因素的干擾，這就還需要我們進一步地探索研究。