工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成高金涛王哲郭磊王明涌 Supergravity metallurgy:principles,experimental methods,techniques,and applications GUO Zhan-cheng.GAO Jin-tao,WANG Zhe,GUO Lei,WANG Ming-yong 引用本文： 郭占成，高金涛，王哲，郭磊，王明涌.超重力治金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计工程科学学报，2021， 43(12:1592-1617.doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.09.21.002 GUO Zhan-cheng.GAO Jin-tao,WANG Zhe,GUO Lei,WANG Ming-yong.Supergravity metallurgy:principles,experimental methods,techniques,and applications[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(12):1592-1617.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2021.09.21.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.09.21.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 利用超重力分离铝熔体中的夹杂颗粒 Separation of inclusion particles from aluminum melt by super gravity 工程科学学报.2018,40(2)：177 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.02.007 利用超重力富集和分离Sn-3%Fe熔体中的杂质元素铁 Enriching and separating iron impurity from Sn-3%Fe melt by super gravity 工程科学学报.2018.40(1)：41 https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.01.006 增氨析氨法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报.2018,40(8：937htps:loi.org10.13374.issn2095-9389.2018.08.007 粉末冶金在高嫡材料中的应用 Applications of powder metallurgy technology in high-entropy materials 工程科学学报.2019,41(12：1501htps:/1doi.0rg10.13374j.issn2095-9389.2019.07.04.035 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报.2018,40(10)：1139htps:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.001 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报.2018,40(11)：1300 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.003
超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成 高金涛 王哲 郭磊 王明涌 Supergravity metallurgy: principles, experimental methods, techniques, and applications GUO Zhan-cheng, GAO Jin-tao, WANG Zhe, GUO Lei, WANG Ming-yong 引用本文: 郭占成, 高金涛, 王哲, 郭磊, 王明涌. 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1592-1617. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002 GUO Zhan-cheng, GAO Jin-tao, WANG Zhe, GUO Lei, WANG Ming-yong. Supergravity metallurgy: principles, experimental methods, techniques, and applications[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1592-1617. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.09.21.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 利用超重力分离铝熔体中的夹杂颗粒 Separation of inclusion particles from aluminum melt by super gravity 工程科学学报. 2018, 40(2): 177 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.007 利用超重力富集和分离Sn-3% Fe熔体中的杂质元素铁 Enriching and separating iron impurity from Sn-3% Fe melt by super gravity 工程科学学报. 2018, 40(1): 41 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.006 增氮析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报. 2018, 40(8): 937 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.007 粉末冶金在高熵材料中的应用 Applications of powder metallurgy technology in high-entropy materials 工程科学学报. 2019, 41(12): 1501 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.04.035 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报. 2018, 40(10): 1139 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.001 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报. 2018, 40(11): 1300 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.003
工程科学学报.第43卷.第12期：1592-1617.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1592-1617,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002;http://cje.ustb.edu.cn 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成区，高金涛，王哲，郭磊，王明涌 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zcguo(@ustb.edu.cn 摘要超重力显著增大两相间的重力差，可用于加速固-液、液-液、液-气高温黏稠混和体的相分离速度：超重力具有定向 性，避免搅拌等技术产生的熔体湍流返混，可用于深度脱除金属液中细小夹杂物：超重力条件下固-液界面张力微不足道，可 容易实现微孔渗流：超重力条件下进行结晶凝固，按结晶顺序实现固-液分离.可用于制备梯度材料：超重力加速固-液分离， 可细化凝固组织晶粒，但对非共晶熔体也易产生宏观偏析.将超重力技术应用于治金及材料生产过程中，有望解决高温冶金 和材料制备的一些难题.如复杂矿冶金渣有价组分的分离提取、冶炼渣中金属液的分离回收、多金属的熔析结晶分离、复杂 矿旷直接还原铁的渣-金分离：在高端金属材料方面，应用超重力技术，有望解决近零夹物金属材料的精炼除杂难题，提高梯度 功能材料、金属-陶瓷复合材料、多孔金属材料、器件材料表面电沉积修饰的制造水平.此外，在材料科学研究方面，超重力 凝固可作为一种材料基因组高通量制备方法 关键词超重力：相分离：夹杂物脱除：渗流技术：梯度材料 分类号TG142.71 Supergravity metallurgy:principles,experimental methods, techniques, and applications GUO Zhan-cheng.GAO Jin-tao,WANG Zhe,GUO Lei,WANG Ming-yong State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zcguo@ustb.edu.cn ABSTRACT Supergravity significantly increases the gravity difference between two phases and thus can accelerate phase separation in solid-liquid mixtures,liquid-liquid mixtures,and liquid-bubble mixtures that have high temperatures and viscosities.Due to its directionality,supergravity avoids turbulent backmixing in melts,typically seen in agitation and other separation techniques,and is applicable toward the deep removal of fine inclusions in liquid metals.Under supergravity,solid-liquid interfacial tension is negligible and microporous seepage is straightforwardly achievable.Particle-liquid separation during crystallization can be performed under supergravity to prepare gradient materials.Supergravity accelerates particle-liquid separation,which refines solidified grains,but can also produce macroscopic segregation in noneutectic melts.Supergravity is widely applicable and beneficial to many fields.In metallurgy and materials production,supergravity can be used to improve the separation and extraction of valuable components from metallurgical slags of complex ores,separation and recovery of molten metal in smelting slags,melt crystallization separation of polymetals,and slag-metal separation of reduced iron from complex ores.In addition,supergravity can also be applied to high-end metal materials to improve the refinement and removal of impurities in metal materials toward near zero inclusion.Furthermore,supergravity can improve the manufacturing of functional gradient materials,metal-ceramic composites,porous metal materials,and device materials via electrodeposition modification.Finally,supergravity solidification can be used as a high-throughput method for the preparation of 收稿日期：2021-09-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(5217041283)
超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成苣，高金涛，王 哲，郭 磊，王明涌 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: zcguo@ustb.edu.cn 摘 要 超重力显著增大两相间的重力差，可用于加速固−液、液−液、液−气高温黏稠混和体的相分离速度；超重力具有定向 性，避免搅拌等技术产生的熔体湍流返混，可用于深度脱除金属液中细小夹杂物；超重力条件下固−液界面张力微不足道，可 容易实现微孔渗流；超重力条件下进行结晶凝固，按结晶顺序实现固−液分离，可用于制备梯度材料；超重力加速固−液分离， 可细化凝固组织晶粒，但对非共晶熔体也易产生宏观偏析. 将超重力技术应用于冶金及材料生产过程中，有望解决高温冶金 和材料制备的一些难题，如复杂矿冶金渣有价组分的分离提取、冶炼渣中金属液的分离回收、多金属的熔析结晶分离、复杂 矿直接还原铁的渣−金分离；在高端金属材料方面，应用超重力技术，有望解决近零夹物金属材料的精炼除杂难题，提高梯度 功能材料、金属−陶瓷复合材料、多孔金属材料、器件材料表面电沉积修饰的制造水平. 此外，在材料科学研究方面，超重力 凝固可作为一种材料基因组高通量制备方法. 关键词 超重力；相分离；夹杂物脱除；渗流技术；梯度材料 分类号 TG142.71 Supergravity metallurgy: principles, experimental methods, techniques, and applications GUO Zhan-cheng苣 ，GAO Jin-tao，WANG Zhe，GUO Lei，WANG Ming-yong State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: zcguo@ustb.edu.cn ABSTRACT Supergravity significantly increases the gravity difference between two phases and thus can accelerate phase separation in solid –liquid mixtures, liquid –liquid mixtures, and liquid –bubble mixtures that have high temperatures and viscosities. Due to its directionality, supergravity avoids turbulent backmixing in melts, typically seen in agitation and other separation techniques, and is applicable toward the deep removal of fine inclusions in liquid metals. Under supergravity, solid–liquid interfacial tension is negligible and microporous seepage is straightforwardly achievable. Particle –liquid separation during crystallization can be performed under supergravity to prepare gradient materials. Supergravity accelerates particle –liquid separation, which refines solidified grains, but can also produce macroscopic segregation in noneutectic melts. Supergravity is widely applicable and beneficial to many fields. In metallurgy and materials production, supergravity can be used to improve the separation and extraction of valuable components from metallurgical slags of complex ores, separation and recovery of molten metal in smelting slags, melt crystallization separation of polymetals, and slag–metal separation of reduced iron from complex ores. In addition, supergravity can also be applied to high-end metal materials to improve the refinement and removal of impurities in metal materials toward near zero inclusion. Furthermore, supergravity can improve the manufacturing of functional gradient materials, metal–ceramic composites, porous metal materials, and device materials via electrodeposition modification. Finally, supergravity solidification can be used as a high-throughput method for the preparation of 收稿日期: 2021−09−21 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（5217041283） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1592−1617，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1592−1617, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002; http://cje.ustb.edu.cn
郭占成等：超重力治金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 ·1593· material genomes. KEY WORDS supergravity:phase separation;inclusion removal;seepage technology:graded materials 从矿物到金属再到材料的高温冶金过程，包 绍了作者及其他学者近年来超重力冶金的研究成 括三个最主要的任务，一是实现从金属化合物到 果，供读者参考 单质金属或目标化合物转变的化学反应，二是实 1超重力对液-固界面作用的影响及强化 现化学反应的传热传质，三是目标产物与副产物 传质和相分离的原理 的相际分离.对于一般的冶金过程，特别是大综冶 金产品生产，高温化学冶金反应一般不是生产过 超重力即指加速度显著大于地面常重力加速 程的限制性环节，而传质传热和反应产物的相际 度(g=9.81ms2),通常用重力系数表示其大小，例 转移效率往往决定生产效率和技术经济性.“三 如160g,表示重力系数为160，重力系数等于实际 传”理论的应用极大地强化了冶金生产效率和产 加速度除以常重力加速度g地面上超重力可用旋 品质量的提高山，但是对于某些特殊冶金领域，如 转离心法产生，重力系数G2π2R/900g(n为转速 冶金熔渣中有价组分的高温分离、金属熔体中夹 (rmin),R为旋转半径).重力大小会显著影响流体 杂物深度去除、微孔或超细颗粒-金属复合材料制 的表面张力大小，造成流体与固体接触的Marangoni 备的渗流技术等2-，传统的“三传”技术由于定向 效应差别m;超重力也有别于传统的加压力，超重 性不足难以进一步提高强化效率，超重力技术不 力是一种“体力”，而加压是一种“面力”，以玻璃 仅能够强化传质，而且是一种定向分离技术，在化 板上的液滴为例，加压条件下液滴形状没有显著 工领域已广泛应用阿，但在冶金领域目前只有离心 变化，而超重力条件会发生显著改变，如图1所 铸造技术可称之为超重力技术应用阿本文总结介 示，其本质作用也是流体表面张力的变化 Microgravity Normal Supergravity Gravity Vacuum Normal Pressurize Supergravity Vacuum Wetting Solid Nonwetting Solid Gravity Droplets 图1重力对固-液界面Marangoni效应的彩响.超重力与附加压力对固-液接触角影响的区别 Fig.I Effect of gravity on the interface between solids and liquids,and the effect of supergravity and pressure on the contact angle of solids and liquids 对于高温化学治金，通常反应速度的限制性 如图2(b)所示 环节是反应物的扩散传质速度，而扩散传质速度 超重力虽然提高物质的化学位，但是对体系 取决于反应物的化学位梯度，由于物质的化学位 的一切平衡无影响，这就是普通热力学不考虑重 随重力系数增加而增加8)，因而超重力可以提高反 力场的原因1由于超重力提高物质的化学位，而 应的扩散传质速度，即提高反应速度.对于超重力 化学平衡又不发生改变，虽然理论上溶液的溶质 促进扩散传质速度，在化工反应领域已得到实验 分布会有改变，但因分子、离子间的作用力远大于 证实.扩散传质速度正比于D/(D为扩散系数， 超重力的作用，溶质分布变化微乎其微，只有当超 δ为扩散层厚度)，对于超重力的作用是增大了扩散 重力系数很大和超重力方向高度差很大时才有明 系数D,还是减小了边界层厚度，或是二者皆有的 显变化.因此，工程上单纯采用超重力富集或分离 问题.采用计时电流法测定的常温水溶液中铁氰 溶液中溶质或熔体中熔质是难以实现的.然而，当 酸根离子的扩散系数与重力系数的关系如图2(a) 因化学反应造成溶液或熔体中产生溶质的浓度梯 所示o,说明超重力略微增大了扩散系数D,这与 度时，超重力可通过强化自然对流，来加速溶质 超重力提高物质的化学位也是一致的.然而，扩散 传递 系数较小的变化对反应的强化作用有限.如果将 但是，对于高温熔体中的细小弥散相（品体颗 扩散系数按与重力系数无关处理，则扩散层厚度 粒、气泡、非金属夹杂物等)上浮或沉淀分离，由 与重力系数（包括微重力）呈双对数反比关系-]， 于其上浮或沉淀速度主要取决于其浮力因子大小
material genomes. KEY WORDS supergravity；phase separation；inclusion removal；seepage technology；graded materials 从矿物到金属再到材料的高温冶金过程，包 括三个最主要的任务，一是实现从金属化合物到 单质金属或目标化合物转变的化学反应，二是实 现化学反应的传热传质，三是目标产物与副产物 的相际分离. 对于一般的冶金过程，特别是大综冶 金产品生产，高温化学冶金反应一般不是生产过 程的限制性环节，而传质传热和反应产物的相际 转移效率往往决定生产效率和技术经济性. “三 传”理论的应用极大地强化了冶金生产效率和产 品质量的提高[1] ，但是对于某些特殊冶金领域，如 冶金熔渣中有价组分的高温分离、金属熔体中夹 杂物深度去除、微孔或超细颗粒−金属复合材料制 备的渗流技术等[2−4] ，传统的“三传”技术由于定向 性不足难以进一步提高强化效率. 超重力技术不 仅能够强化传质，而且是一种定向分离技术，在化 工领域已广泛应用[5] ，但在冶金领域目前只有离心 铸造技术可称之为超重力技术应用[6] . 本文总结介 绍了作者及其他学者近年来超重力冶金的研究成 果，供读者参考. 1 超重力对液−固界面作用的影响及强化 传质和相分离的原理 超重力即指加速度显著大于地面常重力加速 度（g=9.81 m·s−2），通常用重力系数表示其大小，例 如 160g, 表示重力系数为 160，重力系数等于实际 加速度除以常重力加速度 g. 地面上超重力可用旋 转离心法产生，重力系数 G≈n 2 π 2R/900g（n 为转速 (r·min−1)，R 为旋转半径）. 重力大小会显著影响流体 的表面张力大小，造成流体与固体接触的 Marangoni 效应差别[7] ；超重力也有别于传统的加压力，超重 力是一种“体力”，而加压是一种“面力”，以玻璃 板上的液滴为例，加压条件下液滴形状没有显著 变化，而超重力条件会发生显著改变，如图 1 所 示，其本质作用也是流体表面张力的变化. Gravity Wetting Nonwetting Solid Liquid Microgravity Normal Gravity Supergravity Droplets Solid Vacuum Supergravity Normal Vacuum Pressurize 图 1 重力对固−液界面 Marangoni 效应的影响，超重力与附加压力对固−液接触角影响的区别 Fig.1 Effect of gravity on the interface between solids and liquids, and the effect of supergravity and pressure on the contact angle of solids and liquids 对于高温化学冶金，通常反应速度的限制性 环节是反应物的扩散传质速度，而扩散传质速度 取决于反应物的化学位梯度，由于物质的化学位 随重力系数增加而增加[8] ，因而超重力可以提高反 应的扩散传质速度，即提高反应速度. 对于超重力 促进扩散传质速度，在化工反应领域已得到实验 证实[9] . 扩散传质速度正比于 D/δ（D 为扩散系数， δ 为扩散层厚度），对于超重力的作用是增大了扩散 系数 D，还是减小了边界层厚度，或是二者皆有的 问题. 采用计时电流法测定的常温水溶液中铁氰 酸根离子的扩散系数与重力系数的关系如图 2（a） 所示[10] ，说明超重力略微增大了扩散系数 D，这与 超重力提高物质的化学位也是一致的. 然而，扩散 系数较小的变化对反应的强化作用有限. 如果将 扩散系数按与重力系数无关处理，则扩散层厚度 与重力系数（包括微重力）呈双对数反比关系[11−13] ， 如图 2（b）所示. 超重力虽然提高物质的化学位，但是对体系 的一切平衡无影响，这就是普通热力学不考虑重 力场的原因[8] . 由于超重力提高物质的化学位，而 化学平衡又不发生改变，虽然理论上溶液的溶质 分布会有改变，但因分子、离子间的作用力远大于 超重力的作用，溶质分布变化微乎其微，只有当超 重力系数很大和超重力方向高度差很大时才有明 显变化. 因此，工程上单纯采用超重力富集或分离 溶液中溶质或熔体中熔质是难以实现的. 然而，当 因化学反应造成溶液或熔体中产生溶质的浓度梯 度时，超重力可通过强化自然对流，来加速溶质 传递. 但是，对于高温熔体中的细小弥散相（晶体颗 粒、气泡、非金属夹杂物等）上浮或沉淀分离，由 于其上浮或沉淀速度主要取决于其浮力因子大小 郭占成等： 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 · 1593 ·
1594 工程科学学报.第43卷，第12期 1.6(a) (b) 1.4 自12 ◇ (50e 0.8 0.6 1 100200 300400 500 0.01 0.1 10 100 1000 G 图2扩散系数(a)、扩散边界层厚度(b)与重力系数关系曲线 Fig.2 Relationship between the diffusion coefficient(a)or thickness of the mass transfer diffusion layer(b)and gravity coefficient △pg(其中p为弥散相密度)和流体的黏度.而浮力 很有效的方法.尽管通过熔体搅拌等技术也可促 因子大小与重力系数成正比，因此超重力可以加 进熔体中的细小弥散相的分离，而超重力具有 速相分离，特别是两相的密度差很小时，例如硅冶 方向性，因此是一种熔体中细小弥散相深度分离 炼渣中的金属硅液滴分离，超重力技术是一种 的有效方法，两者示意图如图3所示 (a) (b) Bubbl Inclusion Molter Inclusion metal Molten metal ●-Gas for stirring 图3搅拌上浮与超重力除杂示意图.(a)搅拌上浮：(b)超重力除杂 Fig.3 Schematic of inclusion removal by gas bubble stirring compared with supergravity:(a)stirring and floating;(b)impurity removal under supergravity 2超重力冶金研究的实验方法 吊杯内装有电阻加热炉的水平转子离心机比 较适合进行高温超重力实验，但需要解决高速旋 超重力可在反应器旋转条件下产生.工程实 转条件下反应器的连续加热与温度测控、高速旋 践应用，可根据熔体对象的性质、目的、规模、超 转反应器内部气氛控制等动态反应端与离心机外 重力的效果等因素设计相应工艺和反应器5-) 静态控制端联接的实验技术，加热炉的电阻加热 尽管工程上超重力反应器可有多种多样，但基本 电流输入和温度测量电势弱电输出，可分别采用 上可分为超重力过滤（或溢流）连续分离处理反应 装在离心机转轴上的滑动导电环来实现劉：反应 器和超重力富集批处理反应器两类，如图4所示， 器内的气氛输入或输出，可通过装在离心机转轴 而高温冶金超重力实验研究是开发工艺技术和设 上的磁流体密封滑动导流环来实现吼，至于反应 计反应器的基础.作为实验研究，应选取工程反应 器的结构及材料，可根据实验目的进行相应设计， 器中的某一点或区域进行实验，获得超重力大小 例如直桶式坩埚可进行不同相的沉降或上浮分离 等因素的影响规律，据此设计工程反应器和工艺 富集实验、带有微孔滤板的坩埚可进行固液相的 参数 热过滤分离实验
Δρg（其中 ρ 为弥散相密度）和流体的黏度. 而浮力 因子大小与重力系数成正比，因此超重力可以加 速相分离，特别是两相的密度差很小时，例如硅冶 炼渣中的金属硅液滴分离[13] ，超重力技术是一种 很有效的方法. 尽管通过熔体搅拌等技术也可促 进熔体中的细小弥散相的分离[14] ，而超重力具有 方向性，因此是一种熔体中细小弥散相深度分离 的有效方法，两者示意图如图 3 所示. (a) (b) Bubble Inclusion Inclusion Molten metal Molten metal Gas for stirring Normal gravity Super gravity 图 3 搅拌上浮与超重力除杂示意图. （a）搅拌上浮；（b）超重力除杂 Fig.3 Schematic of inclusion removal by gas bubble stirring compared with supergravity: (a) stirring and floating; (b) impurity removal under supergravity 2 超重力冶金研究的实验方法 超重力可在反应器旋转条件下产生. 工程实 践应用，可根据熔体对象的性质、目的、规模、超 重力的效果等因素设计相应工艺和反应器[15−17] . 尽管工程上超重力反应器可有多种多样，但基本 上可分为超重力过滤（或溢流）连续分离处理反应 器和超重力富集批处理反应器两类，如图 4 所示， 而高温冶金超重力实验研究是开发工艺技术和设 计反应器的基础. 作为实验研究，应选取工程反应 器中的某一点或区域进行实验，获得超重力大小 等因素的影响规律，据此设计工程反应器和工艺 参数. 吊杯内装有电阻加热炉的水平转子离心机比 较适合进行高温超重力实验，但需要解决高速旋 转条件下反应器的连续加热与温度测控、高速旋 转反应器内部气氛控制等动态反应端与离心机外 静态控制端联接的实验技术. 加热炉的电阻加热 电流输入和温度测量电势弱电输出，可分别采用 装在离心机转轴上的滑动导电环来实现[18] ；反应 器内的气氛输入或输出，可通过装在离心机转轴 上的磁流体密封滑动导流环来实现[19] ；至于反应 器的结构及材料，可根据实验目的进行相应设计， 例如直桶式坩埚可进行不同相的沉降或上浮分离 富集实验、带有微孔滤板的坩埚可进行固液相的 热过滤分离实验. 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 D/(10 5 cm2·g−1 ) 1 (a) 100 200 300 400 500 G 1 δ/(10−2 cm) (b) G 0.01 0.1 1 10 100 1000 图 2 扩散系数（a）、扩散边界层厚度（b）与重力系数关系曲线 Fig.2 Relationship between the diffusion coefficient (a) or thickness of the mass transfer diffusion layer (b) and gravity coefficient · 1594 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
郭占成等：超重力治金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 ·1595· Basic laboratory research Centrifugal apparatus Metalic Filte Lead melt Particle Microporous filter plate Clean melt 图4超重力冶金研究实验反应器 Fig.4 Laboratory instrumentation for supergravity metallurgy 超重力高温冶金的主要科学特征是高温熔体相 冷实验在某一温度下将含有TO2的化合物结晶析 分离，因此，对于冶金高温熔体实施超重力分离与净 出，然后实施固液混合物超重力分离富集.温度是 化的前提是熔体存在两个或多个不同的相，例如金 影响分离提取率的主要因素，由相平衡决定；而超重 属液中夹杂物与金属液是不同的相，可以直接实施 力大小是影响产物纯度的主要因素，由固液分离率 超重力分离富集.而对于复杂矿冶炼渣分离富集有 决定.此外，结晶颗粒越大，越易分离.图5所示是 价组分，例如从钒钛磁铁矿高炉炼铁熔渣分离富集 1300℃从含钛高炉渣(Ti02质量分数约为22%)分 TO2组分，首先需要根据炉渣的高温相图或通过缓 离富集或分离CaTiO3结晶物的实验结果20-2训 (a) G=1 (b) G=750 G=750 1500-1440℃ SEM 40 um 440-1901 40m EDS 40m 0-1170 0 240m Energy/keV 图5超重力分离富集含钛高炉渣中钙钛矿(CTiO,).(a)含钛高炉渣熔析结品规律：(b)超重力分离富集钙钛矿的扫描电镜与能谱图 Fig.5 Separation of perovskites (CaTiO)in a titanium-bearing blast furnace slag by supergravity:(a)crystallization behavior of the titanium-bearing blast fumnace slag,(b)energy dispersive spectroscopy (EDS)and scanning electron microscopy (SEM)of separation of the perovskites by supergravity 下文采用图4所示超重力实验方法，总结了近 有限.以攀西地区的钒钛磁铁矿为例，该共生矿 年来有关复杂矿冶炼渣分离富集有价组分、多金 经高炉治炼后，T元素几乎全部转移至高炉渣 属分离富集、金属液除杂净化、多孔金属材料及 中，形成TO2质量分数为20%以上的含钛高炉 复合材料制备等一些典型代表性研究结果 渣：而V元素则在高炉炼铁过程被C还原形成含 3冶金熔渣中有价组分高温富集与分离 钒铁水，其在后续转炉炼钢过程中形成VO3质 量分数为10%以上的含钒转炉渣.目前，我国采 3.1复杂矿冶炼渣超重力分离富集有价组分 用“高炉-转炉”流程处理共生铁矿已伴随产生了 我国具有丰富的多元素共生铁矿资源，但长 大量含共生元素的特色炉渣，包括含钛高炉渣、 期以来主要依赖于“高炉-一转炉”流程来冶炼和提 含稀土高炉渣、含硼高炉渣、含钒转炉渣等.这 取铁元素，而对其它共生元素的回收利用则十分 类特色炉渣中共生组分的品位低、矿相结构复
超重力高温冶金的主要科学特征是高温熔体相 分离，因此，对于冶金高温熔体实施超重力分离与净 化的前提是熔体存在两个或多个不同的相，例如金 属液中夹杂物与金属液是不同的相，可以直接实施 超重力分离富集. 而对于复杂矿冶炼渣分离富集有 价组分，例如从钒钛磁铁矿高炉炼铁熔渣分离富集 TiO2 组分，首先需要根据炉渣的高温相图或通过缓 冷实验在某一温度下将含有 TiO2 的化合物结晶析 出，然后实施固液混合物超重力分离富集. 温度是 影响分离提取率的主要因素，由相平衡决定；而超重 力大小是影响产物纯度的主要因素，由固液分离率 决定. 此外，结晶颗粒越大，越易分离. 图 5 所示是 1300 ℃ 从含钛高炉渣（TiO2 质量分数约为 22%）分 离富集或分离 CaTiO3 结晶物的实验结果[20−21] . (a) G (b) =1 40 μm 40 μm 40 μm 40 μm 1500−1440 ℃ 1440−1290 ℃ 1290−1170 ℃ G=750 G=750 SEM EDS Energy/keV Ca Ca Ca Ti Ti Intensity O 图 5 超重力分离富集含钛高炉渣中钙钛矿 (CaTiO3 ). （a）含钛高炉渣熔析结晶规律；（b）超重力分离富集钙钛矿的扫描电镜与能谱图 Fig.5 Separation of perovskites (CaTiO3 ) in a titanium-bearing blast furnace slag by supergravity: (a) crystallization behavior of the titanium-bearing blast furnace slag; (b) energy dispersive spectroscopy (EDS) and scanning electron microscopy (SEM) of separation of the perovskites by supergravity 下文采用图 4 所示超重力实验方法，总结了近 年来有关复杂矿冶炼渣分离富集有价组分、多金 属分离富集、金属液除杂净化、多孔金属材料及 复合材料制备等一些典型代表性研究结果. 3 冶金熔渣中有价组分高温富集与分离 3.1 复杂矿冶炼渣超重力分离富集有价组分 我国具有丰富的多元素共生铁矿资源，但长 期以来主要依赖于“高炉−转炉”流程来冶炼和提 取铁元素，而对其它共生元素的回收利用则十分 有限. 以攀西地区的钒钛磁铁矿为例，该共生矿 经高炉冶炼后，Ti 元素几乎全部转移至高炉渣 中，形成 TiO2 质量分数为 20% 以上的含钛高炉 渣；而 V 元素则在高炉炼铁过程被 C 还原形成含 钒铁水，其在后续转炉炼钢过程中形成 V2O3 质 量分数为 10% 以上的含钒转炉渣. 目前，我国采 用“高炉−转炉”流程处理共生铁矿已伴随产生了 大量含共生元素的特色炉渣，包括含钛高炉渣、 含稀土高炉渣、含硼高炉渣、含钒转炉渣等. 这 类特色炉渣中共生组分的品位低、矿相结构复 Engineering application conceptual design Centrifugal apparatus Electromotor Filter Lead melt Particle Microporous filter plate Clean melt Metalic antimony Basic laboratory research 图 4 超重力冶金研究实验反应器 Fig.4 Laboratory instrumentation for supergravity metallurgy 郭占成等： 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 · 1595 ·
.1596 工程科学学报，第43卷，第12期 杂，依靠传统的物理选矿方法一直难以实现其中 熔析结晶，分离产物为钙钛矿；在氧化气氛条 共生组分的有效分离与回收四对于这类复杂矿 件下熔析结品，分离产物为金红石：加入石英 炼铁熔渣，采用熔析结晶一超重力分离，可以有效 沙调整熔渣碱度CaO/SiO2至0.5左右进行熔析结 分离其中有价共生组分：如果结合高温化学反 晶，分离产物为黑钛石：加入炭粉反应后，分离 应，使熔渣中的共生组分转化成另一物相，再施 产物为碳化钛高炉炼铁含钛熔渣，在适宜的 以超重力分离就可得到相应的目标产物.例如高 条件下熔析结晶或化学转化，目标产物单一，而 炉炼铁含钛熔渣，如图6所示，在大气环境条件下 且转化比较彻底 Microstructure SEM TiO, Crystallization 0A100 Perovskite 200μm 25 子 Mass fraction of Ca/% Mass Oxidation Rutile 50 50 CaTiO, 200um Ti-bearing TiO 75 slag 25 Reduction Anosovite 100 0 200μm SiO, CaO0 25 50 75 100 Mass raction of SiO,/% Carbonization Tic 2m 图6不同条件下熔析结品一超重力分离含钛高炉渣中富钛相 Fig.6 Selective crystallization and separation of titanium-rich phases in a titanium-bearing blast furnace slag by supergravity 转炉钒渣(13.5%V203,37.3%Fe0,14.5%Si02, 熔渣，如图8所示，1400℃熔析结品超重力过滤分 12.5%TiO2,9.0%Mn0,4.0%Cr203,3.2%Al203,2.8% 离得到以铈为主的氟氧稀土[Ce,La,Pr,NdO4F3,稀 MgO,2.6%CaO)冷却过程优先析出高熔点的钒铁 土元素Ce的分离率达98%以上；尾渣1200℃进 尖晶石FeVO4,而且结晶析出很完全，而硅酸盐开 一步熔析结晶超重力过滤分离得到以镧为主的铁 始析出温度是1523K,因此在硅酸盐析出之前施 酸稀土[Ce,La,Pr,Nd]FeO3,La的分离率达97%以 以超重力过滤，就可将含钒物相分离.图7所示是 上；残渣1100℃进一步熔析结晶超重力过滤可将 攀钢转炉钒渣在温度1557K、重力系数900、分离 其余少量稀土化合物Ca[Ce,La,Nd,Prh[(Si,P)O4lF 时间20min的实验结果，V2O3的质量分数由原渣 分离出来B四 的13.5%提高到25.2%，V203的收得率达97.4%； 钛渣、钒渣和稀土渣，优先结晶析出相是目标 Si02的质量分数由原渣的14.5%降低到2.2%，Si02 产物，而硼镁铁矿炼铁渣(20%B2O3,50%MgO, 去除率达92.5%.少量V2O3生成低熔点MnV2O4 25%SiO2,3%Ca0,2%Al2O3)在缓慢冷却降温过程， 而进入尾渣，如果控制钒渣中MnO含量，V2O3收 首先析出高熔点镁橄榄相Mg2SiO4,开始析出温度 率可进一步提高2刃 是1623K:当温度降到1473K时，富含B03的遂 含稀土的熔渣，熔析结晶产物虽然与温度、渣 安石相Mg2B2O5也开始结晶析出，到温度降至 成分关系很大P8-0,但也可以实现高效率的稀土 1323K时，Mg2B,O5结晶基本完成.由于镁橄榄相 组分分离富集，例如包头白云鄂博稀土精矿(392% 和遂安石相析出温度区间存在重叠区，因此很难 RE0,17.3%Ca0,9.6%P205,9.1%Fe203,4.9%S03, 一步完成单一相分离，但可以先将Mg2SiO4和 13.3%F,1.1%Si02,3.5%Mg0,1.6%Ba0,0.4%Mn0) Mg2B2O5的混和相分离，然后再将混和物升温至
杂，依靠传统的物理选矿方法一直难以实现其中 共生组分的有效分离与回收[22] . 对于这类复杂矿 炼铁熔渣，采用熔析结晶−超重力分离，可以有效 分离其中有价共生组分；如果结合高温化学反 应，使熔渣中的共生组分转化成另一物相，再施 以超重力分离就可得到相应的目标产物. 例如高 炉炼铁含钛熔渣，如图 6 所示，在大气环境条件下 熔析结晶，分离产物为钙钛矿[23] ；在氧化气氛条 件下熔析结晶，分离产物为金红石[24] ；加入石英 沙调整熔渣碱度 CaO/SiO2 至 0.5 左右进行熔析结 晶，分离产物为黑钛石[25] ；加入炭粉反应后，分离 产物为碳化钛[26] . 高炉炼铁含钛熔渣，在适宜的 条件下熔析结晶或化学转化，目标产物单一，而 且转化比较彻底. CaO SiO2 TiO2 TiO2 CaTiO3 Ti-bearing slag Crystallization Oxidation Reduction 0 0 0 25 25 25 Mass fraction of SiO2 /% Carbonization Mass fraction of SiO2 Mass fraction of CaO/ /% % 50 50 50 75 75 75 100 100 100 Microstructure SEM 200 μm 200 μm 200 μm 2 μm Perovskite Rutile Anosovite TiC 图 6 不同条件下熔析结晶−超重力分离含钛高炉渣中富钛相 Fig.6 Selective crystallization and separation of titanium-rich phases in a titanium-bearing blast furnace slag by supergravity 转炉钒渣 （ 13.5%V2O3， 37.3%FeO， 14.5%SiO2， 12.5%TiO2， 9.0%MnO， 4.0%Cr2O3， 3.2%Al2O3， 2.8% MgO，2.6%CaO）冷却过程优先析出高熔点的钒铁 尖晶石 FeV2O4，而且结晶析出很完全，而硅酸盐开 始析出温度是 1523 K，因此在硅酸盐析出之前施 以超重力过滤，就可将含钒物相分离. 图 7 所示是 攀钢转炉钒渣在温度 1557 K、重力系数 900、分离 时间 20 min 的实验结果，V2O3 的质量分数由原渣 的 13.5% 提高到 25.2%， V2O3 的收得率达 97.4%； SiO2 的质量分数由原渣的 14.5% 降低到 2.2%，SiO2 去除率达 92.5%. 少量 V2O3 生成低熔点 MnV2O4 而进入尾渣，如果控制钒渣中 MnO 含量，V2O3 收 率可进一步提高[27] . 含稀土的熔渣，熔析结晶产物虽然与温度、渣 成分关系很大[28−30] ，但也可以实现高效率的稀土 组分分离富集，例如包头白云鄂博稀土精矿（39.2% REO， 17.3%CaO， 9.6%P2O5， 9.1%Fe2O3， 4.9%SO3， 13.3%F，1.1%SiO2，3.5%MgO，1.6%BaO，0.4%MnO） 熔渣，如图 8 所示，1400 ℃ 熔析结晶超重力过滤分 离得到以铈为主的氟氧稀土 [Ce,La,Pr,Nd]3O4F3，稀 土元素 Ce 的分离率达 98% 以上；尾渣 1200 ℃ 进 一步熔析结晶超重力过滤分离得到以镧为主的铁 酸稀土 [Ce,La,Pr,Nd]FeO3，La 的分离率达 97% 以 上；残渣 1100 ℃ 进一步熔析结晶超重力过滤可将 其余少量稀土化合物 Ca3 [Ce,La,Nd,Pr]2 [(Si,P)O4 ]3F 分离出来[31] . 钛渣、钒渣和稀土渣，优先结晶析出相是目标 产 物 ， 而 硼 镁 铁 矿 炼 铁 渣 （ 20%B2O3， 50%MgO， 25%SiO2，3%CaO，2%Al2O3）在缓慢冷却降温过程， 首先析出高熔点镁橄榄相 Mg2SiO4，开始析出温度 是 1623 K；当温度降到 1473 K 时，富含 B2O3 的遂 安 石 相 Mg2B2O5 也开始结晶析出 ，到温度降 至 1323 K 时，Mg2B2O5 结晶基本完成. 由于镁橄榄相 和遂安石相析出温度区间存在重叠区，因此很难 一步完成单一相分离 ，但可以先 将 Mg2SiO4 和 Mg2B2O5 的混和相分离，然后再将混和物升温至 · 1596 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
郭占成等：超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 .1597· G= G=900 errovanadium spine XRD 1-FeV0,(75-1519) 2-FeSi04(70-1861) 3-Fe,Ti018-68) 4-MnV0,(73-1634) Ferrovanadium spinel 0 um 27 -Slag +7 Normal +6 gravity 100um 40 60 80 100 20/() 图7超重力分离转炉钒渣中钒铁尖晶石(F©Vz0,) Fig.7 Separation of vanadium-iron spinel(FeV2O)in a vanadium-bearing converter slag by supergravity Rate of recovery (Ce) is98.36% Rate of recovery (La) 89770经 25m Rare earth 1400℃ concentrate Rare earth oxyfluoride 1200℃ 100m Rare earth ferrite Rat 97.70% 25m Slag 1100℃ 100μm 100 Hm Slag Britholite 图8超重力梯级分离稀土精矿熔渣中不同稀土相 Fig.8 Stepwise separation scheme of different rare-earth phases in a rare earth melt by supergravity Mg2B2O5和Mg2SiO4的熔点之间(1483~1523K),最后分离得到的遂安石中B2O3的质量分数可达 进一步进行超重力分离，如图9所示(T表示温度)， 45%以上2- (a) (b) (c) Mg,SO, Step 1一Mg2Si0:(4-769) 2-Mg,B,0.(15-537 Suanite and olivine i山 Slag 300m Step Mg.B.Os 菲果 Olivine 目目 (- Suanite mm 10 20 30 405060 70 8090 20) 图9超重力分步分离含硼渣中遂安石(Mg,BOs).(a)步骤1T=1443K,G=1000:(b)步骤：T=1523K,G=1000:(c)相应的电镜图及X射线行射图 Fig Two-step separation of suanite (MgzB2O)in a boron-bearing slag by supergravity:(a)step I:T=1443 K,G=1000(b)step Il:T=1523 K.G= 1000;(c)SEM and XRD
Mg2B2O5 和 Mg2SiO4 的熔点之间（1483～1523 K）， 进一步进行超重力分离，如图 9 所示（T 表示温度）， 最后分离得到的遂安石中 B2O3 的质量分数可达 45% 以上[32−34] . (a) (b) (c) 300 μm 1 mm Mg2SO4 Mg2B2O5 Intensity/a.u. Step Ⅰ 1 1 2 2 2 2 1 2 (020) (100) (110) (200) (−220) (−320) (−341) (0-21) (021) (111) (130) (131) (112) (211) (222) (133) (062) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 11 Step Ⅱ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2θ/(°) Slag Olivine Suanite 1—Mg2SiO4 (4-769) 2—Mg2B2O5 (15-537) Suanite and olivine 图 9 超重力分步分离含硼渣中遂安石 (Mg2B2O5 ). （a）步骤 I: T=1443K, G=1000；（b）步骤 II: T=1523K, G=1000；（c）相应的电镜图及 X 射线衍射图 Fig.9 Two-step separation of suanite (Mg2B2O5 ) in a boron-bearing slag by supergravity: (a) step I: T = 1443 K, G = 1000; (b) step II: T = 1523 K, G = 1000; (c) SEM and XRD G=1 G=900 Ferrovanadium spinel Slag Slag 50 μm 100 μm 20 40 2θ/(°) 60 80 +6 +4 +3 +5 +7 Intensity (a.u.) XRD 1 1 4 3 2 1 1 2 1 1 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1—Fe2VO4 (75-1519) 2—Fe2SiO4 (70-1861) 3—Fe2TiO4 (18-68) 4—Mn2VO4 (73-1634) Ferrovanadium spinel Normal gravity 4 3 2 4 3 2 4 3 2 4 3 4 2 4 2 4 2 1 4 2 1 4 3 1 100 图 7 超重力分离转炉钒渣中钒铁尖晶石 (FeV2O4 ) Fig.7 Separation of vanadium–iron spinel (FeV2O4 ) in a vanadium-bearing converter slag by supergravity Rare earth concentrate 1400 ℃ 1200 ℃ 1100 ℃ Supergravity Supergravity Slag Slag 100 μm 100 μm 100 μm 25 μm 25 μm 25 μm Rate of recovery (Ce) is 98.36% Rate of recovery (La) is 97.70% Rate of recovery (rare earth) is 97.70% Britholite Rare earth oxyfluoride Rare earth ferrite Ce La 100 μm 图 8 超重力梯级分离稀土精矿熔渣中不同稀土相 Fig.8 Stepwise separation scheme of different rare-earth phases in a rare earth melt by supergravity 郭占成等： 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 · 1597 ·
1598 工程科学学报，第43卷，第12期 3.2复杂共生矿直接还原铁-超重力低温渣/铁熔分 会进人铁水B7-9,而超重力渣/铁分离，由于温度 提高复杂共生矿资源利用率是解决我国铁矿 低、时间短，大部分元素P仍然保持在渣相中，从 资源的重要途径.传统高炉炼铁工艺，由于共生组 而可获得低P还原铁.图10(a)所示高磷鲕状赤铁 分稀释于炼铁熔渣中，不利于共生组分的分离提 矿(50.2%TFe,0.81%P)900℃经H2还原后（金属化 取.冶金界遍认为低温直接还原-高温渣铁熔 率~80%)，在1200℃温度下的超重力渣/铁分离效 分是解决这一问题的合理工艺3)，然而，由于渣/铁 果，当重力系数达到1200时，分离产品铁的P的质 高温熔分过程的炉衬侵蚀及为渣/铁良好分离而 量分数可降低至0.083%，达到了炼钢原料的要 加入添加剂，炉渣中共生组分含量虽然比高炉炼 求0-切]图10(b)所示稀土共生铁矿(27.1%TFe, 铁渣大幅提高，但含量仍然偏低，达不到经济利用 6.35%R0)900℃经H2还原后（金属化率~93%）， 要求.例如，钒钛磁铁矿转底炉直接还原-电炉 在1100℃温度下的超重力分离效果，当重力系数 渣/铁熔分工艺，理论上渣中TO2的质量分数可达 达到1000时，分离产品稀土渣中Re0的质量分数 45%左右，但实际工业试验仅为35%左右而如果 达29.96%43-灯硼镁铁矿直接还原后在1300℃温 采用超重力低温渣/铁分离，即在渣的熔点之上和 度下超重力分离，含硼渣中B2O3质量分数可达到 铁的熔点之下，则可以解决这一问题.特别是对于 35.61%;但是，钒钛磁铁矿直接还原产品，由于渣 高磷矿，直接还原温度下元素P不会进入还原铁， 相熔点高，当温度达到1350℃时，超重力分离才 但在渣/铁熔融分离的温度条件下大部分P元素仍 有较好的渣/铁分离效果 =1 G=1200 (a) 100 100 90 80 70 17o In slag phase 一能 % 1.0 口0.96% 3 0.5 0.0 In iron phase 10 Jo 300 600900 1200 Gravity coefficient G=1 G=1000 (b) 100 9000 ◆-MFe at1373K --MFe at 1473 K 60 -■-Re,O3at1373K --Re,O;at 1473 K -▲Re,O3at1373K 40 -△-Re,O,at1473K o 2004006008001000 Gravity coefficient 图10超重力渣/铁低温分离.(a)高磷鲕状赤铁矿：(b)稀土共生铁矿 Fig.10 Separation of slag and iron at low-temperature by supergravity:(a)high-phosphorus oolitic hematite:(b)rare earth symbiotic iron ore 3.3冶炼渣中金属液滴分离 炼渣（铝灰）中金属铝颗粒质量分数高达30%以上 高温冶炼反应剧烈，会产生大量金属液滴存在 为了回收渣中的金属颗粒，铜渣和钢渣通常采用细 于渣中，从冶炼炉排出熔渣中夹带了不少细小的金 磨浮选或磁选s6,铝灰通常采用氧化发热重熔炒 属液滴。例如，铜冶炼渣中含有质量分数为2%左右 灰回收金属铝，这些技术，不仅回收率低、能耗高， 的金属铜颗粒、炼钢渣中含有5%左右的铁颗粒、 还有二次污染.熔渣中金属液滴弥散分布难以聚集 硅冶炼渣中含有12%~21%左右的金属硅，而铝冶 分离的主要原因，一是金属液滴粒径小、表面张力
3.2 复杂共生矿直接还原铁−超重力低温渣/铁熔分 提高复杂共生矿资源利用率是解决我国铁矿 资源的重要途径. 传统高炉炼铁工艺，由于共生组 分稀释于炼铁熔渣中，不利于共生组分的分离提 取. 冶金界遍认为低温直接还原−高温渣/铁熔 分是解决这一问题的合理工艺[35] ，然而，由于渣/铁 高温熔分过程的炉衬侵蚀及为渣/铁良好分离而 加入添加剂，炉渣中共生组分含量虽然比高炉炼 铁渣大幅提高，但含量仍然偏低，达不到经济利用 要求. 例如，钒钛磁铁矿转底炉直接还原−电炉 渣/铁熔分工艺，理论上渣中 TiO2 的质量分数可达 45% 左右，但实际工业试验仅为 35% 左右[36] . 如果 采用超重力低温渣/铁分离，即在渣的熔点之上和 铁的熔点之下，则可以解决这一问题. 特别是对于 高磷矿，直接还原温度下元素 P 不会进入还原铁， 但在渣/铁熔融分离的温度条件下大部分 P 元素仍 会进入铁水[37−39] ，而超重力渣/铁分离，由于温度 低、时间短，大部分元素 P 仍然保持在渣相中，从 而可获得低 P 还原铁. 图 10（a）所示高磷鲕状赤铁 矿（50.2%TFe，0.81%P）900 ℃ 经 H2 还原后（金属化 率～80%），在 1200 ℃ 温度下的超重力渣/铁分离效 果，当重力系数达到 1200 时，分离产品铁的 P 的质 量分数可降低至 0.083%，达到了炼钢原料的要 求[40−42] . 图 10（ b）所示稀土共生铁矿（ 27.1%TFe， 6.35%ReO）900 ℃ 经 H2 还原后（金属化率～93%）， 在 1100℃ 温度下的超重力分离效果，当重力系数 达到 1000 时，分离产品稀土渣中 ReO 的质量分数 达 29.96% [43−44] . 硼镁铁矿直接还原后在 1300 ℃ 温 度下超重力分离，含硼渣中 B2O3 质量分数可达到 35.61%；但是，钒钛磁铁矿直接还原产品，由于渣 相熔点高，当温度达到 1350 ℃ 时，超重力分离才 有较好的渣/铁分离效果. (a) G=1 G=1200 G=1 G=1000 (b) 100 90 80 70 60 1.5 1.0 0.5 0.0 Mass fraction of P/ % Mass fraction of MFe, RE O2 3 /% In slag phase 0.96% In iron phase 1 300 600 900 1200 1 200 400 600 800 1000 Gravity coefficient Gravity coefficient 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Recovery ratios of P/ % MFe at 1373 K MFe at 1473 K Re2O3 at 1373 K Re2O3 at 1473 K Re2O3 at 1373 K Re2O3 at 1473 K 图 10 超重力渣/铁低温分离. （a）高磷鲕状赤铁矿；（b）稀土共生铁矿 Fig.10 Separation of slag and iron at low-temperature by supergravity: (a) high-phosphorus oolitic hematite; (b) rare earth symbiotic iron ore 3.3 冶炼渣中金属液滴分离 高温冶炼反应剧烈，会产生大量金属液滴存在 于渣中，从冶炼炉排出熔渣中夹带了不少细小的金 属液滴. 例如，铜冶炼渣中含有质量分数为 2% 左右 的金属铜颗粒、炼钢渣中含有 5% 左右的铁颗粒、 硅冶炼渣中含有 12%～21% 左右的金属硅，而铝冶 炼渣（铝灰）中金属铝颗粒质量分数高达 30% 以上. 为了回收渣中的金属颗粒，铜渣和钢渣通常采用细 磨浮选或磁选[45−46] ，铝灰通常采用氧化发热重熔炒 灰回收金属铝，这些技术，不仅回收率低、能耗高， 还有二次污染. 熔渣中金属液滴弥散分布难以聚集 分离的主要原因，一是金属液滴粒径小、表面张力 · 1598 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
郭占成等：超重力治金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 1599· 大，在熔渣中不易聚集长大，特别是铝液滴由于表 果会更好7-4图11(b)为转炉钢渣在微波加热角 面氧化膜的存在几乎不能聚集；二是由于粒径小浮 转子离心机重力系数62、温度1550℃、离心时间 力小，与熔渣基体的重力差难克服上浮或沉降过程 1min的实验结果，结果也说明超重力分离渣中 中熔渣的黏滞力.如前所述，超重力不仅可以克服 金属液滴效果很好.铝渣中的金属铝液滴表面有 金属液滴聚集的界面张力，而且显著增大了金属液 一层氧化铝膜，致使铝液滴的表面张力很大，常规 滴与熔渣的重力差，因此，热态熔渣在超重力条件 的高温分离效率很低，但在超重力作用下分离效 下可以快速实现金属液滴的分离 果很好，图11(c)是铝质量分数约12%~20%的二 图11(a)是金属铜质量分数为3.35%的闪速 次铝灰（炒灰分离后的铝灰）在重力系数1000和温 炉铜渣在1350℃重熔后导入立式离心分离机，在 度720℃的分离效果，分离时间5min时，金属 重力系数仅为80、分离时间仅1min条件下的试 A1的回收率达90%以上，残渣中已无明显的细小 验结果，试样横截面最外层是钼坩埚壁，在超重力 铝颗粒.此外，铁合金冶金渣也可以借助超重力分 的作用下金属Cu快速分离于坩埚壁，分离率达到 离其中的金属液滴，特别是硅冶炼渣中的金属硅， 了85%以上.实际上，由于熔渣导入过程降温及离 由于硅液滴的密度与熔渣的密度十分接近，熔融 心筒降温，熔渣在液态下的分离时间不足1min, 沉降分离很难，而在超重力条件下可实现很好的 这说明超重力显著增大了铜渣的分离速度.如果 分离，金属硅液滴沿重力反方向上浮聚集成硅液 在铜渣中加入少量碳粉或提高重力系数，分离效 连续相，熔渣在硅液下层 (a) 10 Ke 100m 100μm (b) Interface 100m 3 min 5 min (c) Before 100m After 100m 图11超重力分离治炼渣中金属液滴.(a)铜渣：(b)钢渣：(c)二次铝灰 Fig.11 Separation of various metal droplets from smelting slags by supergravity:(a)copper slag,(b)steel-making slag.(c)secondary aluminum ash 3.4危固冶炼渣超重力处理及循环利用 铝镁合金精炼渣中弥散细小的高熔点MgO 铝镁合金精炼渣主要由可溶性氯盐、氟盐和 等颗粒物，质量分数占30%~40%，如图12(a)所 不溶性氧化物组成，属危固冶金渣：不锈钢冶炼渣 示，若将高熔点颗粒物分离，则低熔点的氯盐和氟 及铬铁合金冶炼渣，由于Cr含量高，也是一种危 盐液相可作为精炼剂原料循环利用，而仅含少量 固治金渣 氯盐和氟盐的固相可作为陶瓷原料利用.图12(b)
大，在熔渣中不易聚集长大，特别是铝液滴由于表 面氧化膜的存在几乎不能聚集；二是由于粒径小浮 力小，与熔渣基体的重力差难克服上浮或沉降过程 中熔渣的黏滞力. 如前所述，超重力不仅可以克服 金属液滴聚集的界面张力，而且显著增大了金属液 滴与熔渣的重力差，因此，热态熔渣在超重力条件 下可以快速实现金属液滴的分离. 图 11（ a）是金属铜质量分数为 3.35% 的闪速 炉铜渣在 1350 ℃ 重熔后导入立式离心分离机，在 重力系数仅为 80、分离时间仅 1 min 条件下的试 验结果，试样横截面最外层是钼坩埚壁，在超重力 的作用下金属 Cu 快速分离于坩埚壁，分离率达到 了 85% 以上. 实际上，由于熔渣导入过程降温及离 心筒降温，熔渣在液态下的分离时间不足 1 min， 这说明超重力显著增大了铜渣的分离速度. 如果 在铜渣中加入少量碳粉或提高重力系数，分离效 果会更好[47−48] . 图 11（b）为转炉钢渣在微波加热角 转子离心机重力系数 62、温度 1550 ℃、离心时间 1 min 的实验结果[49] ，结果也说明超重力分离渣中 金属液滴效果很好. 铝渣中的金属铝液滴表面有 一层氧化铝膜，致使铝液滴的表面张力很大，常规 的高温分离效率很低，但在超重力作用下分离效 果很好，图 11（c）是铝质量分数约 12%～20% 的二 次铝灰（炒灰分离后的铝灰）在重力系数 1000 和温 度 720 ℃ 的分离效果 ，分离时间 5 min 时 ，金属 Al 的回收率达 90% 以上，残渣中已无明显的细小 铝颗粒. 此外，铁合金冶金渣也可以借助超重力分 离其中的金属液滴，特别是硅冶炼渣中的金属硅， 由于硅液滴的密度与熔渣的密度十分接近，熔融 沉降分离很难，而在超重力条件下可实现很好的 分离，金属硅液滴沿重力反方向上浮聚集成硅液 连续相，熔渣在硅液下层. (a) 10 kg Cu Slag Slag Steel 3 min 5 min Before After Before After Interface 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm 100 μm (b) (c) Supergravity 图 11 超重力分离冶炼渣中金属液滴. （a）铜渣；（b）钢渣；（c）二次铝灰 Fig.11 Separation of various metal droplets from smelting slags by supergravity: (a) copper slag; (b) steel-making slag; (c) secondary aluminum ash 3.4 危固冶炼渣超重力处理及循环利用 铝镁合金精炼渣主要由可溶性氯盐、氟盐和 不溶性氧化物组成，属危固冶金渣；不锈钢冶炼渣 及铬铁合金冶炼渣，由于 Cr 含量高，也是一种危 固冶金渣. 铝镁合金精炼渣中弥散细小的高熔点 MgO 等颗粒物，质量分数占 30%～40%，如图 12（a）所 示，若将高熔点颗粒物分离，则低熔点的氯盐和氟 盐液相可作为精炼剂原料循环利用，而仅含少量 氯盐和氟盐的固相可作为陶瓷原料利用. 图 12（b） 郭占成等： 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 · 1599 ·
·1600 工程科学学报，第43卷，第12期 所示是Cr质量分数为5.07%的不锈钢冶炼渣在 为0.881；而超重力条件下，Cr元素沿超重力方向 1300℃重熔，分别在常重力自然降温凝固和超 富集于样品下部，Cr质量分数达14.57%，且结晶 重力恒温处理l0min后自然降温凝固.常重力 完全，Cr“与Cr3谱图所占面积比仅为0.060.超重 条件下Cr元素分布均匀、结晶不完全，能谱 力条件下结晶完全和C“含量少的原因有待进一 测定价态拟合计算，Cr6与Cr谱图所占面积比 步研究 (a) G=1 G=600 Upper a:AL,O, b:Cao c:Mgo f:NaCl g:MgF, 102030405060708090 20M) Bottom a:NaCl b:MgCl c:KCI d:NaMgCl e e:KMgCl; f:CaCL, 102030405060708090 20M) (b) G=1 G=600 Interface 100um Upper Binding energy/eV Bottom Area of ratio for area of Cr()peak Cr(V)peak Cr(VI)and) 1758.48 1993.09 0.881 600 469.38 77m.46 0.060 Binding energy/eV 图12超重力处理危固治炼渣.(a)铝镁合金精炼渣：(b)不锈钢治炼渣 Fig.12 Treatment of hazardous smelting slags by supergravity:(a)reuse of an aluminum-magnesium alloy;(b)stainless steel slag for chromium fixation 4有色冶金多金属分离富集 在温度533K和超重力系数450条件下过滤，粗 有色金属矿一般为多金属共生矿，火法冶炼 锑Sb纯度约92%、粗铅Pb纯度约85%50，而常重 得到了多种金属的混和熔体，为实现多元金属的 力分步结晶粗锑纯度约85%、粗铅纯度约83%~ 分离，通常采用熔析结晶分离、蒸馏分离、电解分 85%51-5刘，真空蒸馏法粗锑纯度约76%、粗铅纯度 离等技术，或多种技术的组合分离工艺，如果将超 约779%53-54类似地，其他的Bi-X二元系、Zn-Ag二 重力分离技术与熔析结晶分离技术结合，分离效 元系、Pb-Ag-X三元系等都可以采用熔析结晶超 率将大幅得升.以铅冶炼或锑冶炼产品Pb-Sb 重力分离55，金属组元越多，相应的分离步骤也 (30%~45%)合金为例，如图13(a)所示，在超重力 越多，图13(b)给出了以典型多金属熔体贵铅为例 下熔析结晶，试样上部为粗锑，下部为粗铅：如果 的熔析结晶超重力分离步骤5
所示是 Cr 质量分数为 5.07% 的不锈钢冶炼渣在 1300 ℃ 重熔，分别在常重力自然降温凝固和超 重力恒温处理 10 min 后自然降温凝固. 常重力 条 件 下 Cr 元素分布均匀 、结晶不完全 ，能谱 测定价态拟合计算，Cr+6 与 Cr+3 谱图所占面积比 为 0.881；而超重力条件下，Cr 元素沿超重力方向 富集于样品下部，Cr 质量分数达 14.57%，且结晶 完全，Cr+6 与 Cr+3 谱图所占面积比仅为 0.060. 超重 力条件下结晶完全和 Cr+6 含量少的原因有待进一 步研究. (a) Upper Bottom Intensity/a.u. Intensity/a.u. Upper Bottom Intensity/a.u. Intensity/a.u. G=1 G=600 G=1 G (b) G=600 30 40 50 60 Interface 100 μm 2θ/(°) 10 20 70 80 90 30 40 50 60 2θ/(°) 10 20 70 80 90 a: Al2O3 b: CaO c: MgO d: MgSiO e: SiO2 f: NaCl g: MgF2 a: NaCl b: MgCl2 c: KCl d: NaMgCl3 e: KMgCl3 f: CaCl2 Binding energy/eV Binding energy/eV 1 600 Area of Cr(Ⅲ) peak 1758.48 1995.09 0.881 469.38 7777.46 0.060 Area of Cr(Ⅵ) peak Ratio for area of Cr(Ⅵ) and Cr(Ⅲ) 图 12 超重力处理危固冶炼渣. （a）铝镁合金精炼渣；（b）不锈钢冶炼渣 Fig.12 Treatment of hazardous smelting slags by supergravity: (a) reuse of an aluminum–magnesium alloy; (b) stainless steel slag for chromium fixation 4 有色冶金多金属分离富集 有色金属矿一般为多金属共生矿，火法冶炼 得到了多种金属的混和熔体，为实现多元金属的 分离，通常采用熔析结晶分离、蒸馏分离、电解分 离等技术，或多种技术的组合分离工艺，如果将超 重力分离技术与熔析结晶分离技术结合，分离效 率将大幅得升. 以铅冶炼或锑冶炼产品 Pb−Sb （30%～45%）合金为例，如图 13（a）所示，在超重力 下熔析结晶，试样上部为粗锑，下部为粗铅；如果 在温度 533 K 和超重力系数 450 条件下过滤，粗 锑 Sb 纯度约 92%、粗铅 Pb 纯度约 85% [50] ；而常重 力分步结晶粗锑纯度约 85%、粗铅纯度约 83%～ 85% [51−52] ；真空蒸馏法粗锑纯度约 76%、粗铅纯度 约 77% [53−54] . 类似地，其他的 Bi−X 二元系、Zn−Ag 二 元系、Pb−Ag−X 三元系等都可以采用熔析结晶超 重力分离[55−58] ，金属组元越多，相应的分离步骤也 越多，图 13（b）给出了以典型多金属熔体贵铅为例 的熔析结晶超重力分离步骤[59] . · 1600 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期
