外场强化技术在冶金中的应用

外场强化技术在冶金中的应用——特殊冶金•外场强化技术简介•外场强化技术的应用•外场强化技术的发展展望1.外场强化技术简介随着现代技术的不断发展和学科间的交叉融合，新的冶金方法和理论不断出现。电磁学、微波物理、超声波物理、等离子体物理、激光物理、自蔓延合成、富氧和制氢技术等渗透到冶金过程的各个领域，在此基础上出现了有别于传统冶金的新方法—特殊冶金。特殊冶金是目前冶金学科在外场作用下最活跃的冶金过程，尤其是在非常规外场(常规外场：重力场、温度场、浓场)，或者多场耦合等苛刻条件下的冶金基本理论以及冶金过程等，达到利用一切可利用的资源和先进技术手段，制备国民经济发展所必须的各类材料，并逐步实现冶金—材料一体化、冶金过程绿色化和材料多功能化的目标。外场强化技术的分类及应用领域2.外场强化技术的应用2.1电磁冶金■电磁冶金是基于磁流体力学的新兴冶金学科分支，它涉及电磁理论、冶金工程、材料科学与工程等多学科交叉领域。■电磁冶金将电磁场引入冶金过程，利用电磁力及电磁热效应等实现能量传输、搅拌、运动控制与形状控制，从而实现强化冶金过程之目的，是建立在电磁场理论、流体力学和冶金学等学科基础上的边缘性交叉学科。■根据电磁场生成方式的不同和使用形式的差异，电磁场应用分为：电磁搅拌、电磁铸造、电磁制动、电磁净化、电磁感应加热、电磁悬浮和强磁场技术等。电磁铸造电磁铸造(ElectromagneticCasting简称EMC)是借助电磁力克服金属液的静压力实现无接触铸造的方法。由于这种无模铸造法所得铸坯内部组织及表面质量好,生产效率高,因而发展很快。电磁铸造具有以下优点:(1)铸件表面非常光滑,粗糙度达0.8～1.6,没有模铸生产所固有的缺陷,不需进行去皮加工,金属收得率高(2)铸件内部组织均匀,晶粒细小；(3)冷却水利用率高,无须使用润滑油,改善工作条件；(4)铸速可增加20%～30%,提高生产率；(5)可铸造复杂形状的铸件。电磁冶金的应用实例2.2微波冶金■微波是一种介于超短波和红外线之间的高频电磁波，波长为1mm-1m，频率范围300MHz-300GHz，微波能就是以此频率传播的电磁能量。■微波加热的方式从物体内部加热，因而加热速度快、加热均匀，加热过程是能量传递而不是热量传递，因而反应灵敏而且它还具有选择性促进或加速化学反应，易于快速控制等特点。■微波作为一种清洁、干净有效的能源，随着高新技术发展和对微波技术研究的日益深入，尤其是在化学化工领域以及化学冶金领域中。微波冶金是利用微波加热技术从矿石中提取金属及其化合物，用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的新工艺。微波强化浸出随着冶金原料的日趋贫化,难处理矿、低品位矿逐渐被开采利用,采用湿法冶金工艺处理该类矿石虽更具优势,但存在浸出率低、浸出时间长等缺点。为克服上述缺点,增大矿石反应面积是常用、有效的方法之一。1.B.Nanthakumar等研究了低品位难浸金矿的微波预处理,结果表明,经微波辐照预处理后,矿石中的总碳可降低60%以上,致密硫化物则基本被氧化为结构更为疏松的氧化物。微波预处理后的矿石用氰化物浸出,金回收率可达95%以上,与不经预处理、在580℃下常规氰化浸出26h的金浸出率相当。2.周晓东等在常规和微波辐照条件下,研究了氧化铜矿的氨浸。结果表明,常规条件下,不断搅动浸出2h,铜浸出率为20.5%,而在低功率微波辐照下浸出4min,铜浸出率就达26.8%,微波对难选氧化铜矿的氨浸具有明显的催化作用3.卢友中等对微波辅助碱分解低品位钨矿进行了研究,结果发现,常规碱分解40min,WO3浸出率不到60%;分解240min,WO3浸出率约为96%。而以微波辅助加热,即使在减少碱用量30%和不添加添加剂情况下,分解40min,WO3浸出率即可达96%。微波强化浸出特点：提高金属浸出率，缩短浸出时间微波辅助萃取微波可以穿透萃取介质,直接加热物料,所以微波辅助萃取可强化传统萃取过程中的传质、传热,缩短萃取时间,提高萃取效率。1.高云涛等在微波辅助聚乙二醇--硫酸铵双水相体系中研究了微波辐照条件下铂(Ⅱ)和钯(Ⅱ)络阴离子的萃取及分配行为。结果发现,微波辐照对体系的分相有较好的促进作用,能有效提高萃取率,增大分配比和饱和吸附容量;非等温动力学研究表明,微波辐照可增大萃取速率。2.戴江洪等研究了微波辅助,从低品位铜矿浸出液中(铜离子质量浓度2g/L)萃取铜。在微波功率180W、相比=0.5、pH=2条件下萃取8min,铜萃取率达98%左右。微波碳热还原碳既是冶金中应用广泛的还原剂,又是一种很好的微波吸收物质,可在短时间内升温到1000K以上。碳急剧升温后,还原能力增强,可缩短还原时间和降低反应温度。微波碳热还原就是利用碳对微波的良好吸收性能来还原氧化物,从而得到有用的金属或化合物。1.N.Standish等研究了铁矿石的微波碳热还原,发现微波加热可以解决传统加热方法无法解决的“冷中心'问题,而且氧化物的碳热还原速率明显提高。2.黄孟阳等用微波碳热还原钛铁矿的研究表明,微波加热在较低温度下就能发生还原反应。微波碳热还原速率与样品的含碳量关系密切,样品中碳质量分数低于20%时,还原速率随含碳量增加而明显增加。微波碳热还原还可用于材料的制备。肖劲等以乙炔黑还原氢氧化铝,加入单质添加剂作催化剂,在氮气气氛中,于1300℃下反应1h,获得完全氮化的片状氮化铝(AlN)粉末。微波碳热还原大大降低了反应温度,缩短了反应时间。微波干燥微波最普通的应用是干燥和脱水。水是良好的微波吸收物质,以微波辐照含水物料可实现物料的快速、均匀发热,脱水效率高。微波干燥还能克服传统辐射加热干燥存在的干燥温度高、脱水速慢、甚至局部过热而影响产品质量等弊端。S.Kocakusak等在微波功率100-700W条件下,探讨了硼酸的微波加热干燥。试验表明:试样的温度能很快上升到90-100℃,但随即就开始下降,表明游离水已快速脱除。整个微波干燥过程中,硼酸中的结晶水没有发生分解,干燥后的物料既没被污染,也没发生物理形态的改变,而且干燥时间短,干燥温度相对较低。秦文峰等研究了用微波干燥仲钼酸铵。仲钼酸铵与水相比为弱吸收微波物质,因此,干燥过程中,微波主要是对水作选择性加热。在微波功率525W、辐照时间90s、物料质量15g条件下,物料的脱水率达到99.98%,而用传统方法,达到同样效果所用时间为50min。微波干燥克服了传统干燥方式的干燥速度慢、温度分布不均匀、局部过热而结块、能耗高等缺点。微波辐射在氧化铝生产中的应用2.3超声波冶金■人们通常把频率大于20kHz的声波称为超声波,其频率已超出了人耳所能感知的范围,所以我们听不见超声波。■超声波具有束射，吸收，高功率和声压作用等基本特性。■超声波既是一种波动形式，又是一种能量形式。超声波按应用类型可分为两大类，检验超声和功率超声，在冶金过程中应用的超声大多属功率超声。■超声波在冶金反应中的作用机理主要体现在机械作用，空化作用，热作用和软化和减磨作用四个方面。超声波在钢铁冶金中的应用火法冶金中的应用1.超声波去夹杂物钢液中微小的夹杂物上浮是非常困难的,只有当它们聚集起来才会使上浮更加容易。近年来,Hanataka等对超声波处理溶液中夹杂物的行为进行了研究,得出的结论是驻波可以使粉末成功分层、集聚。2.超声波去气鲁曼里等用声波和超声波处理了含5%~7%镁的铝镁合金。结果表明:超声波对熔融金属中排除气体的作用很大,超声弹性振动在几分钟内可以使合金完全去气。3.超声波对铸坯质量的影响Kuznetsov曾将超声波振动施加于小方坯、大方坯和板坯的浇铸中,得到很平滑的铸坯表面,但板坯振痕深度有所增加;还有人证实了超声振动可以使凝固组织的晶粒细化,以防止偏析。超声波在有色冶金中的应用2.4自蔓延冶金自蔓延高温合成(Selfpropagatinghightemperaturesynthesis,简称SHS.俗称燃烧合成)是一种合成、制造各种材料的新技术。所谓自蔓延冶金就是将自蔓延高温合成技术与现代冶金过程（冶金分离技术）相结合，以制备陶瓷或金属微粉为目的的特殊冶金技术。该方法充分利用化学能（强放热体系）获得到冶金熔体，再经过冶金过程可获得所需的金属或合金。SHS的主要特点是:(1)生产工艺简单,反应迅速,生产过程时间短;(2)最大限度利用材料人工合成中的化学能,反应是自热过程,一经引发不需补充能量,节约能源;(3)合成反应温度高,可以使大多数杂质挥发而得到高纯产品;(4)合成过程经历了极大的温度梯度(最大可达105K/cm),生成物中可能出现缺陷集中和非平衡相,使产品活性高,可获得复杂相和亚稳相;(5)集材料合成和燃烧于一体,可广泛应用于合成金属、陶瓷和复合材料。自蔓延高温合成技术自蔓延冶金的成果与进展2.5等离子体冶金•等离子是固态、液态气态之外的物质的第4态，由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。•等离子冶金是研究根据物理、化学、冶金及材料科学与工程等原理，把等离子应用于炼铁、炼钢、冶金废尘处理、铁合金及粉末处理等工艺过程的冶金学科分支。主要涉及物理学、传热学、化学与化学工程、冶金工程、材料科学与工程，其研究对象涉及冶金领域的各个方面，从原料的处理、冶金过程到废弃物的利用及冶金产品的深加工。随着等离子体技术的发展，等离子体冶金已经由早期的冶炼转移到处理冶金废弃物和冶金产品功能化上。等离子体冶金首先涉及的是温度为103-104K的低温等离子体。低温等离子体具有温度高、热流密度大、气氛可控等特点，为冶金过程中的重熔、精炼、还原提供了一个理想的高温热源。等离子体冶金技术主要应用等离子体在冶金中发展方向2.6激光冶金激光冶金就是利用高能激光束进行材料的超常规热化学与光化学冶金的新方法，可用于先进材料的合成和制备、材料及零件表面的改性、特殊加工和快速成型。激光冶金表面技术主要发展方向纳米表面技术绿色再制造复合表面技术半导体激光加工光纤激光加工准分子激光表面工程集成化激光智能制造及柔性加工2.7高压冶金加压冶金具有反应速度快，流程短，操作环境好，能耗低，加工成本低，建设投资少等一系列优点，符合冶金行业可持续发展要求。传统的加压冶金主要是铝土矿溶出等碱法工艺中。近年来，加压湿法冶金应用于处理重有色金属硫化矿发展迅速，在环境保护及强化金属提取方面显示了明显的优越性，加压氨浸、加压酸浸、加压碱浸和加压氰化等技术研究都得到迅速发展。高压冶金技术主要应用高压冶金技术主要应用2.8氢冶金为了阻止全球气候变暖，各国政府都高度重视无碳和低碳能源的开发和利用。氢能具有来源丰富、热效率较高、能量密度大、使用清洁、可运输、可储存、可再生等特点，已得到世界各国的普遍注。发展氢经济是２１世纪世界经济新的竞争领域。中国应当审时度势，把建立取代化石能源的“氢经济”产业革命作为实现新型工业化、实现中国和平发展的重要战略目标。为此，1999年的北京第125次香山科学会议上，徐匡迪院士提出了铁矿氢还原工艺设想，2002年国家自然科学基金委员会在上海大学举办的冶金战略论坛上，徐匡迪院士再次提出了氢冶金的技术思想，国外冶金界纷纷提出氢冶金的战略设想。当前的氢冶金工艺有氢直接还原、氢熔融还原和氢等离子直接炼钢等工艺。氢冶金就是利用氢作为还原剂代替碳还原剂，减少ＣＯ２排放，保证炼铁工业的可持续发展氢。冶金是钢铁工业的发展方向，但大规模廉价制氢方法还是难以在短期内商业化运行，此外，高磷矿的利用迫在眉睫。为此，在总结目前熔融还原工艺的基础上，提出了碳通过氧化成ＣＯ供热，再用ＣＯ制氢，氢作为还原剂还原铁矿的技术思想。在考察和总结目前熔融还原工艺ＥＸ等的基础上，基于只能使用粉矿和煤的前提，提出铁粉矿终还原路线设想，见下图。氢冶金工艺路线示意图。该工艺将终还原炉煤气预热到６００～７００℃，预还原度３０％～５０％，用喷吹方式加入终还原炉。煤主要用作发热剂，将其粉碎成煤粉，氧－煤燃烧为终还原炉提供热量。水煤气转化将终还原炉煤气中的ＣＯ转化为Ｈ２，