MIVM在真空蒸餾分離錫鋅合金中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)分析

1、MIVM在真空蒸餾分離錫鋅合金中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)分析 基于分子相互作用體積模型，首先使用牛頓迭代法結(jié)合Sn、Zn的無(wú)限稀活度系數(shù)計(jì)算得出對(duì)勢(shì)能相互作用參數(shù)Bij和Bji，并利用Bj和Bji計(jì)算Sn-Zn二元系的活度aSn、aZn，并將理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值開展比照分析，最后計(jì)算得到Sn-Zn合金真空蒸餾過(guò)程中的氣液相平衡組成。結(jié)果說(shuō)明：活度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好;蒸餾溫度為1073K，液相中含錫量為90%時(shí)，氣相中含錫僅為0100001%，Sn-Zn合金能夠通過(guò)真空蒸餾實(shí)現(xiàn)良好分離。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明，蒸餾溫度1073K、恒溫時(shí)間100min，15Pa條件下，液相中含錫為90%時(shí)，氣相中含錫為0.

2、002%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)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(yù)測(cè)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(guò)的臥式真空爐開展生產(chǎn)，操作簡(jiǎn)單適用，處理能力和產(chǎn)品的品質(zhì)，可通過(guò)適當(dāng)控制蒸餾溫度和蒸餾時(shí)間來(lái)到達(dá)。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(diǎn)，真空冶金作為冶金領(lǐng)域的新技術(shù)，與傳統(tǒng)冶金方法相比具有工藝流程簡(jiǎn)單、資源和能耗消耗少、無(wú)廢水廢氣產(chǎn)生、精煉過(guò)程物料不被污染等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于合金的分離和粗金屬精煉。*理工大學(xué)已經(jīng)開展了錫鋅合金分離的小型、擴(kuò)大及工業(yè)化實(shí)驗(yàn)，雖然取得了較好的效果，但是目前仍

3、缺乏深入的理論根底研究。 二元合金的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)于定量分析合金的分離程度及產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用，然而由于合金熔體一般是高溫熔體，實(shí)驗(yàn)研究難度大。另外，二元合金體系數(shù)量較多，耗時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)還需大量的資金投入，所以通過(guò)模型預(yù)測(cè)合金的熱力學(xué)性質(zhì)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(zhǔn)正規(guī)溶液模型(Quas-iRegular Solution Model)等。由于溶液熱力學(xué)模型己經(jīng)發(fā)展了近一個(gè)世紀(jì)，且由于量子力學(xué)的出現(xiàn)使

4、人們對(duì)微觀世界中分子間相互作用及物質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)日益加深，因此當(dāng)前一個(gè)好的模型不僅應(yīng)該能對(duì)宏觀的熱力學(xué)性質(zhì)做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，還應(yīng)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構(gòu)造。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(jīng)在液態(tài)和固態(tài)合金熱力學(xué)性質(zhì)預(yù)測(cè)中取得了一定的有益結(jié)果，另一方面該模型對(duì)液態(tài)分子間的相互作用及構(gòu)造的描述也大體接近液態(tài)的真實(shí)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(wú)限稀活度系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可計(jì)算出合金中各組元的活度，另外，MIVM更接近實(shí)驗(yàn)溶液，且物理根底更清晰、可靠。為此，

5、本文作者采用MIVM計(jì)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(jìn)一步分析真空蒸餾錫鋅合金過(guò)程中Sn、Zn的分離程度。并在真空(真空度為15200Pa)條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了蒸餾溫度、蒸餾時(shí)間對(duì)殘留物組元含量的影響，并以此來(lái)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)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(shí)驗(yàn)根底數(shù)據(jù)。 最正確條件下蒸餾時(shí)間對(duì)產(chǎn)物純度的影響 從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，最正確實(shí)驗(yàn)條件為：蒸餾溫度1073K，壓強(qiáng)15Pa，恒溫時(shí)間100min，為了進(jìn)一步研究蒸餾時(shí)間對(duì)蒸餾產(chǎn)物成分含量的影響，開展了蒸餾溫度1073K，15Pa條件下，蒸餾時(shí)間對(duì)蒸餾產(chǎn)物純度的影響，結(jié)

6、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(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，這是由于隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋅大量揮發(fā)進(jìn)入氣相，所以殘留物中錫含量逐漸升高，同時(shí)少量錫也開始揮發(fā)進(jìn)入氣相，導(dǎo)致氣相中錫含量升高。100min后殘留物中鋅含量較小，此時(shí)錫開始大量揮發(fā)，所以其揮發(fā)速率急劇增大。 圖6 1073K，15Pa條件下蒸餾時(shí)間對(duì)產(chǎn)物純度的影響 本研究比較了1073K條件下殘留物和揮發(fā)物中錫含量的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果列于表6。 表6 殘留物和揮發(fā)物中錫含量的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值 從表6可看出，在液相錫含量相同的條件下，氣相中錫含量的實(shí)驗(yàn)值比理論值偏高，這是由于理論計(jì)算值是在平衡條件下獲得，而實(shí)驗(yàn)

7、值在未到達(dá)平衡的條件下得到的，其次，合金中微量的鉛與鋅之間存在一定的分子間相互作用，影響鋅的揮發(fā)，造成 氣相中錫含量升高，另外模型中所涉及參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)造成一定影響。 以上理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明MIVM具有很高的可靠性。同時(shí)MIVM只需二元系無(wú)限稀活度系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可開展預(yù)測(cè)。綜上所述，MIVM可用于二元合金熱力學(xué)性質(zhì)的預(yù)測(cè)，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)。 結(jié)論 (1)運(yùn)用MIVM計(jì)算出Sn-Zn二元系的活度，并與實(shí)驗(yàn)值開展比較分析，結(jié)果說(shuō)明，活度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好。同時(shí)還計(jì)算Sn-Zn合金的氣液相平衡組成。結(jié)果說(shuō)明，蒸餾溫度1073K，液相中含錫為90%時(shí)，氣相中含錫僅為0.00001%。 (2)Sn-Zn合金真空蒸餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，蒸餾溫度1073K，液相中含錫為90%時(shí)，氣相中含錫為0.002%。這是由于合金中微量的Pb與Z