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 ·