真空冶金理论与技术-真空蒸馏

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1、真空冶金理论与技术东北大学冶金13级05-08班第二章金属及合金的真空蒸馏金属的真空提纯真空冶金的特点：流程短，污染小，金属回收率高，加工费用低等。粗金属的真空精炼粗金属真空精炼仍处于起步阶段：开发某种粗金属真空精炼的可行性、基本规律和适用设备。2.1真空蒸馏的基本原理2.1.1纯金属的蒸气压和蒸气分子结构纯金属的饱和蒸汽压随温度的变化规律可以用Clausius－Clapeyron方程式表示：式中：P-蒸气压（Pa）；T-熔体温度（K）；L-挥发潜热（J/mol）；Vg-1mol熔体蒸发后的体积（m3/

2、mol）；Vl-1mol熔体的体积由于,且在低气压下代入得：移项：2.1真空蒸馏的基本原理2.1.1纯金属的蒸气压和蒸气分子结构如果将金属的挥发潜热L在温度变化不大时看作常数并积分：换为常用对数：设,,则：或者：lgP与T-1为直线关系2.1真空蒸馏的基本原理2.1.1纯金属的蒸气压和蒸气分子结构如果金属的挥发潜热L随温度的变化而变化，即：代入并整理：积分得：或者：2.1真空蒸馏的基本原理2.1.1纯金属的蒸气压和蒸气分子结构略去其中一些数值较小的项，用A、B、C、D代替各项的系数，则：部分元素的A、B、

3、C、D参考值（压力单位为×133.3Pa）部分元素的蒸气压曲线2.1真空蒸馏的基本原理2.1.1纯金属的蒸气压和蒸气分子结构借助精细的仪器和测试技术对金属蒸气的结构研究表明：许多金属的蒸气不是单原子分子，而是双原子、三原子等多原子分子。几种常见元素的气体分子结构气体中许多分子存在的数量受温度和压强的影响，通常压强降低或温度升高，多原子分子倾向于分解成较少原子数结合成的分子。2.1真空蒸馏的基本原理2.1.1纯金属的蒸气压和蒸气分子结构As4在温度较低和压强较高时存在的数量相对较多；而As2、As压强较低或

4、温度较高时的数量相对较大。金属气体的分子结构与其蒸发性质有关。砷的气体分子结构与总压、温度之间的关系2.1真空蒸馏的基本原理2.1.2纯金属的蒸发速率实际真空环境条件下气体分子一般尚未达到分子流状态，分子间的碰撞在一定程度上存在，环境中的气体压强还较大，导致物质的蒸发速率受到压强的影响。纯镉在不同温度下压强与蒸发速率的关系金属蒸发速率与压强的关系曲线一定温度下当系统压强大于临界压强Pcrit时，随着系统压强的减小，金属的蒸发速率明显提高；而当系统压强小于临界压强Pcrit时，金属的蒸发速率趋向于一个定值。

5、讨论？？？2.1真空蒸馏的基本原理2.1.2纯金属的蒸发速率液态金属表面存在两类气体分子：金属蒸发出来的气体分子和真空系统中原有气体的残余气体分子。已蒸发金属气体分子的数量取决于金属的蒸气压，其与温度有关，而与抽气过程无关；残余气体分子的数量则与抽气程度有关。金属蒸发速率的表达式：液态金属表面的气体分子存在模型式中：-最大蒸发速率；x-金属液面距冷凝面的距离；k=λp,λ-气体分子平均自由程；P残-残余气体压强；Pi-为金属i的蒸气压。当Pi＜＜P残时，Pi可省略，而温度一定和设备不变时，、x、k皆为定值

6、，则：当Pi≈P残时，即在Pcrit附近，则：当Pi＞＞P残时，P残可省略，则：2.1真空蒸馏的基本原理2.1.3合金元素的蒸气压合金中组元i的饱和蒸气压Pi，因与其他组元分子之间的相互作用而与组元i在纯物质时的蒸气压Pi*不同。式中：活度系数：即各组分对i作用后i表现出的活度与浓度之比，通常纯物质的=1根据各种物质对组元i的作用可以分为三种情况：第一种：所谓的理想溶液（=1),即相同物质的质点和不同物质的质点之间作用力相同，各种质点在溶液中均匀分布，即：Cd－Bi系组元活度和相图，a）组元活度；b）Cd

7、－Bi相图第二种：正偏差（>1)，表明不同元素分子之间的吸引力小于同种元素分子之间的吸引力。即：2.1真空蒸馏的基本原理2.1.3合金元素的蒸气压Pb－Zn系组元活度和相图，（a）组元活度；（b）Pb－Zn相图(a)(b)Pb－Cd系组元活度和相图，（a）组元活度；（b）Pb－Cd相图650℃时，富铅端的为7.94；富锌端的为34.6（其中为稀溶液中溶质i的活度系数）。正偏差？？？第三种：负偏差（＜1)，即不同元素分子之间的吸引力大于同种元素分子之间的吸引力。即：2.1真空蒸馏的基本原理2.1.3合金元素

8、的蒸气压质点间作用力增大的顺序为：成分范围较宽的固溶体＜成分范围较窄的固溶体＜异分熔点化合物(T↑→s+l)＜同分熔点化合物(T↑→s)，负偏差？？？Cu－Zn系组元活度和相图，（a）组元活度；（b）Cu－Zn相图Au－Sn系组元活度和相图，（a）组元活度；（b）Au－Sn相图(a)(b)二元系两端溶质的活度系数分别为：合金中各个组分的蒸发程度不同，提纯时杂质的含量关系到主体金属的纯度，分离时杂质的含量决定着组分分离的程度。2