ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Объект исследования: статья посвящена вопросу создания экологически безопасной, технологически эффективной и экономически выгодной высокопроизводительной комплексной схемы по переработке свинецсодержащих промпродуктов и отходов, в частности, силикатного шлака (CШ), образующегося при плавке медеэлектролитного шлама, с получением товарных моноэлементных продуктов. Для анализа поведения поликомпонентного сплава в процессе переработки, предварительного выбора температуры и давления системы, оценки эффективности разделения компонентов при вакуумной перегонке используют фазовые диаграммы температура–состав «Т–х» и давление–состав «Р–х». Цель работы: расчет равновесных состояний «газ–жидкость» VLE (vapor liquid equilibrium), в том числе зависимости состава фаз от температуры (Т-х) и давления (Р-х) для Sb-Ag сплава при вакуумной перегонке на основе модели MIVM (мolecular interaction volume model), а также определение термодинамических параметров процесса. Используемые методы и подходы: расчет коэффициентов активности компонентов Sb-Ag сплава выполнен с помощью объемной модели молекулярного взаимодействия мolecular interaction volume model (MIVM). Новизна: расчет диаграмм VLE с использованием модели MIVM. Основные результаты: в интервале температур 823…1073 К рассчитаны давления насыщенного пара (Па) для Ag (0,0053…50,544) × 10^–6 и Sb (3,954…273,664). Высокие значения р*_Sb/р*_Ag = (74,488…0,514) × 10⁷ и коэффициента разделения logβ_Sb = 5,842…12,253 создают теоретические предпосылки для селективного выделения этих металлов вакуумной дистилляцией, когда сурьма обогащается в газовой фазе (β_Sb > 1), а серебро – в жидкой. Мольная доля cеребра в газовой фазе у_Ag = (0,00001…1296,8) × 10^–8 увеличивается с ростом температуры 823–1073 К и мольной доли металла в сплаве х_Ag = 0,1…0,9. С использованием модели MIVM рассчитаны коэффициенты активности сурьмы  = 0,060…0,945 и серебра g_Ag = 0,000377…0,974 для Sb-Ag сплава различного состава в исследованном температурном диапазоне. Для фазовых диаграмм VLE может быть использовано правило рычага (правило отрезков) для прогнозирования количества вещества, остатков и возгонов при заданной температуре. Для границы раздела фаз «жидкость–газ» Sb-Ag сплава определены значения избыточных энергии Гиббса, энтальпии и энтропии:  = 1,9…6,9 кДж/моль; – = 2,03…8,77 кДж/моль;  = 0,13…2,55 Дж/моль × К. Практическая значимость: фазовые диаграммы VLE сплавов обеспечивают необходимой информацией для проектирования технологических параметров промышленного производства вакуумной металлургии, а также для прогнозирования температуры и давления процесса с целью получении Ag- и Sb-содержащих продуктов заданного состава.

1. Berman A. Total pressure measurements in vacuum technology. – 1^st ed. – New York: Academic Press, 1985. – 412 p. – eISBN: 9781483273792.

2. Winkler O., Bakish R. Vacuum metallurgy. – Amsterdam: Elsevier Science Ltd., 1971. – 906 р. – ISBN-10: 0444408576. – ISBN-13: 978-0444408570.

3. Jia G.-b., Yang B., Liu D.-c. Deeply removing lead from Pb-Sn alloy with vacuum distillation // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2013. – Vol. 23, iss. 6. – P. 1822–1831. – doi: 10.1016/S1003-6326(13)62666-7.

4. Process optimization for vacuum distillation of Sn–Sb alloy by response surface methodology / A. Wang, Y. Li, B. Yang, B. Xu, L. Kong, D. Liu // Vacuum. – 2014. – Vol. 109. – P. 127–134. – doi: 10.1016/j.vacuum.2014.07.013.

5. Dai Y.N. Vacuum metallurgy of nonferrous metals. – Beijing: Metallurgical Industry Press, 2009. – P. 72.

6. Recycling of metals from waste Sn-based alloys by vacuum separation / B. Yang, L.-x. Kong, B.-q. Xu, D.-c. Liu, Y.-N. Dai // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2015. – Vol. 25, iss. 4. – P. 1315–1324. – doi: 10.1016/S1003-6326(15)63730-X.

7. Research on the removal of impurities from crude nickel by vacuum distillation / D.C. Liu, B. Yang, F. Wang, Q.C. Yu, L. Wang, Y.N. Dai // Physics Procedia. – 2012. – Vol. 32. – P. 363–371. – doi: 10.1016/j.phpro.2012.03.570.

8. Dai Y.N., Yang B. Non-ferrous metals and vacuum metallurgy. – Beijing: Metallurgical Industry Press, 2000. – P. 40.

9. Smith J.M., Van Ness H.C., Abbott M.M. Introduction to chemical engineering thermodynamics. – 6th ed. – New York: McGraw-Hill, 2001. – 749 p. – ISBN-10: 0000053759. – ISBN-13: 978-0000053756.

10. Tao D.P. A new model of thermodynamics of liquid mixtures and its application to liquid alloys // Thermochimica Acta. – 2000. – Vol. 363, iss. 1–2. – P. 105–113. – doi: 10.1016/S0040-6031(00)00603-1.

11. Determination and modeling of the thermodynamic properties of liquid calcium–antimony alloys / S. Poizeau, H.J. Kim, J.M. Newhouse, B.L. Spatocco, D.R. Sadoway // Electrochimica Acta. – 2012. – Vol. 76. – P. 8–15. – doi: 10.1016/j.electacta.2012.04.139.

12. Thermodynamic properties of calcium–magnesium alloys determined by emf measurements / J.M. Newhouse, S. Poizeau, H. Kim, B.L. Spatocco, D.R. Sadoway // Electrochimica Acta. – 2013. – Vol. 91. – P. 293–301. – doi: 10.1016/j.electacta.2012.11.063.

13. Thermoelectric property of bulk CaMgSi intermetallic compound / N. Miyazaki, N. Adachi, Y. Todaka, H. Miyazaki, Y. Nishino // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 691. – P. 914–918. – doi: 10.1016/j.jallcom.2016.08.227.

14. Materials science and technology: a comprehensive treatment. Vol. 1. Structure of solids / ed. by V. Gerold. – Weinheim: VCH, 1993. – 621 p.

15. Selected values of the thermodynamic properties of binary alloys / R. Hultgren, P.D. Desai, D.T. Hawkins, M. Geiser, K.K. Kelley. – Metals Park, OH: American Society for Metals, 1973. – 1435 p.

16. Dai Y., Yang B. Vacuum metallurgy for non-ferrous metals and materials. – Beijing: Metallurgical industry Press, 2000. – 124 p. (In Chinese).

17. Application of molecular interaction volume model in vacuum distillation of Pb-based alloys / H.W. Yang, B. Yang, B.Q. Xu, D.C. Liu, D.P. Tao // Vacuum. – 2012. – Vol. 86, iss. 9. – P. 1296–1299. – doi: 10.1016/j.vacuum.2011. 11.017.

18. Experimental investigation and modelling of phase equilibria for the Ag–Cu–Pb system in vacuum distillation / W.L. Jiang, C. Zhang, N. Xu, B. Yang, B.Q. Xu, D.C. Liu, H.W. Yang // Fluid Phase Equilibria. – 2016. – Vol. 417. – P. 19–24. – doi: 10.1016/j.fluid.2016.02.026.

19. Measurement and modeling of phase equilibria for Sb-Sn and Bi-Sb-Sn alloys in vacuum distillation / C.B. Nan, H. Xiong, B.-q. Xu, B. Yang, D.C. Liu, H.W. Yang // Fluid Phase Equilibria. – 2017. – Vol. 442. – P. 62–67. – doi: 10.1016/j.fluid.2017.03.016.

20. Kinetics of Pb evaporation from Pb-Sn liquid alloy in vacuum distillation / J.Y. Zhao,  H.W. Yang, C.B. Nan, B. Yang, D.C. Liu, B.-q. Xu // Vacuum. – 2017. – Vol. 141. – P. 10–14. – doi: 10.1016/j.vacuum.2017.03.004.

21. Vapor–liquid phase equilibria of binary tin–antimony system in vacuum distillation: experimental investigation and calculation / L.-x. Kong, J. Xu, B.-q. Xu, S. Xu, B. Yang // Fluid Phase Equilibria. – 2016. – Vol. 415. – P. 176–183. – doi: 10.1016/j.fluid.2016.02.012.

22. Experimental and modeling vapor-liquid equilibria: separation of Bi from Sn by vacuum distillation / C.В. Nan, H.W. Yang, B. Yang, D. Liu, H. Xiong // Vacuum. – 2017. – Vol. 135. – P. 109–114. – doi: 10.1016/j.vacuum.2016.10.035.

23. Study on azeotropic point of Pb–Sb alloys by ab-initio molecular dynamic simulation and vacuum distillation / B. Song, N. Xu, W. Jiang, B. Yang, X. Chen, B. Xu, L. Kong, D. Liu, Y. Dai // Vacuum. – 2016. – Vol. 125. – P. 209–214. – doi: 10.1016/j.vacuum.2016.01.004.

24. Experimental investigation and calculation of vapor–liquid equilibria for Cu–Pb binary alloy in vacuum distillation / C. Zhang, W.L. Jiang, B. Yang, D.C. Liu, B.Q. Xu, H.W. Yang // Fluid Phase Equilibria. – 2015. – Vol. 405. – P. 68–72. – doi: 10.1016/j.fluid.2015.07.043.

25. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3 т. Т. 1: справочник / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с. – ISBN 5-217-02688-X.

26. Application of molecular interaction volume model in separation of Pb–Sn–Sb ternary alloy by vacuum distillation / L.-x. Kong, B. Yang, B.-q. Xu, Y.-f. Li, L. Li, D.-c. Liu, Y.-n. Dai // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2013. – Vol. 23, iss. 8. – P. 2408–2415. – doi: 10.1016/S1003-6326(13)62748-X.

27. Separation and enrichment of PbS and Sb₂S₃ from jamesonite by vacuum distillation / Z.W. Dong, H. Xiong, Y. Deng, B. Yang, J.Y. Zhao, Y.N. Dai, J.J. Wang // Vacuum. – 2015. – Vol. 121. – P. 48–55. – doi: 10.1016/j.vacuum.2015.07.009.

28. Application of MIVM for Pb–Sn–Sb ternary system in vacuum distillation / L.X. Kong, B. Yang, B.Q. Xu, Y.F. Li, D.C. Liu, Y.N. Dai // Vacuum. – 2014. – Vol. 101. – P. 324–327. – doi: 10.1016/j.vacuum.2013.10.004.

29. Application of MIVM for phase equilibrium of Sn–Pb–Sb system in vacuum distillation / L. Kong, B. Yang, B. Xu, Y. Li, D. Liu, Y. Dai // Fluid Phase Equilibria. – 2014. – Vol. 364. – P. 1–5. – doi: 10.1016/j.fluid.2013.12.003.

30. Баранов М.А. Сферическая симметрия электронных оболочек атомов и стабильность кристаллов // Электронный физико-технический журнал. – 2006. – Т. 1. – С. 34–48.