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 ·1601· (a) G=600 G=1 G=450 Sb-92% KuAe.adn S IAEEIEEIEIINI1111E1 200um 1 mm Pb-85% 2004m Residue Sb-rich phase (b) Sb impurity Sb-Ag phase Sb-Ag Ag-rich melt Ag-rich phas Sb-Ag melt Pb-Bi melt Pb-Bi phase Noble lead melt Supergravity treatment Silver converter 图13有色冶金多金属超重力分离富集.(a)Pb-Sb二元合金：(b)贵铅Pb-Sb-Bi-Ag多步分离示意图 Fig.13 Separation and enrichment of nonferrous metals by supergravity technology:(a)Pb-Sb alloy;(b)schematic process of a Pb-Sb-Bi-Ag alloy 以线路板为代表的电子废弃物(WPCBs)是一 Chen等s研究了线路板电子废弃物(WPCBs)熔 种最典型的富含多种金属的混和物，通常经机械 融金属熔体在超重力条件下冷却凝固，结果表明 破碎、风选等多种技术得到金属富集料，然后采用 沿超重力方向，铸锭分为四层，分别是富Fe层、富 湿法浸取、萃取、电解等技术回收各种金属.由于 Cu层、Cu层和富Pb层，如图14(b)所示，贵金属 湿法工艺流程长、污水排放多，因此近年来发展起 金、银、铂主要富集于C一Pb合金中.由此可见， 来的火法工艺[66逐渐取代湿法工艺，即将经预 无论是超重力分步分离，还是熔融混合金属超重 处理得到的金属富集料高温熔炼得到混合金属， 力凝固，都有利于不同金属的分离，特别是为贵金 然后电解分离获得各种单一金属.无论是湿法还 属的后续电解分离创造了条件 是火法工艺，目前回收的主要成分为铜和贵金属， 5金属液深度除杂净化 而对其它金属的回收率相当低，如锡、铅等.电子 废弃物金属富集料的主要金属为铜、铅、锡、锌、 5.1钢水深度脱除夹杂物 铝、铁等和贵金属金、银、铂、钯、铑等，大部分金 金属治炼工业中，金属液的洁净度是影响材 属以单质或合金形式存在，虽然各种金属或合金 料性能的主要因素之一，特别是高端金属材料，如 之间的熔点差异较大，在加热过程中各种金属是 高端轴承钢、高温合金、有机发光半导体蒸镀用 按熔点大小顺序熔化的，但在常重力条件下，由于 因瓦钢等.由于传统精炼方法存在钢液流动的返 金属间良好的润湿性，液滴所受重力不足以克服 混，钢液中细小夹杂物难于彻底去除，而没有返混 液态金属与未熔化金属或其他固体间的表面张 的静置上浮去除夹杂物需要相当长的时间，不适 力，熔融金属液滴也不能按熔点顺序从床层中分 合于生产.理论上，在没有搅拌流动的条件下，钢 离出来，而是悬于固体金属床层通道中产生“液 液中夹杂物上浮速度与重力系数成正比，如图15(a) 桥”.但是，如果在超重力条件下进行加热处理，则 所示，且不存在钢液返混问题，因此超重力作用可 基本上可以按金属熔点的大小实现顺序分离62-)， 有效实现夹杂物的快速定向上浮脱除67-0，图中 如图14(a)所示，贵金属金、银、铂富集于1200℃分 1为超重力作用时间.图15(b)是718高温合金钢 离的坩埚上部残余物和坩埚下部的金属铜中64-6的 样1200g,在马弗炉加热至1600℃后快速移到超以线路板为代表的电子废弃物（WPCBs）是一 种最典型的富含多种金属的混和物，通常经机械 破碎、风选等多种技术得到金属富集料，然后采用 湿法浸取、萃取、电解等技术回收各种金属. 由于 湿法工艺流程长、污水排放多，因此近年来发展起 来的火法工艺[60−61] 逐渐取代湿法工艺，即将经预 处理得到的金属富集料高温熔炼得到混合金属， 然后电解分离获得各种单一金属. 无论是湿法还 是火法工艺，目前回收的主要成分为铜和贵金属， 而对其它金属的回收率相当低，如锡、铅等. 电子 废弃物金属富集料的主要金属为铜、铅、锡、锌、 铝、铁等和贵金属金、银、铂、钯、铑等，大部分金 属以单质或合金形式存在，虽然各种金属或合金 之间的熔点差异较大，在加热过程中各种金属是 按熔点大小顺序熔化的，但在常重力条件下，由于 金属间良好的润湿性，液滴所受重力不足以克服 液态金属与未熔化金属或其他固体间的表面张 力，熔融金属液滴也不能按熔点顺序从床层中分 离出来，而是悬于固体金属床层通道中产生“液 桥”. 但是，如果在超重力条件下进行加热处理，则 基本上可以按金属熔点的大小实现顺序分离[62−63] ， 如图 14（a）所示，贵金属金、银、铂富集于 1200 °C 分 离的坩埚上部残余物和坩埚下部的金属铜中[64−65] . Chen 等[66] 研究了线路板电子废弃物（WPCBs）熔 融金属熔体在超重力条件下冷却凝固，结果表明 沿超重力方向，铸锭分为四层，分别是富 Fe 层、富 Cu 层、Cu 层和富 Pb 层，如图 14（b）所示，贵金属 金、银、铂主要富集于 Cu−Pb 合金中. 由此可见， 无论是超重力分步分离，还是熔融混合金属超重 力凝固，都有利于不同金属的分离，特别是为贵金 属的后续电解分离创造了条件. 5    金属液深度除杂净化 5.1    钢水深度脱除夹杂物 金属冶炼工业中，金属液的洁净度是影响材 料性能的主要因素之一，特别是高端金属材料，如 高端轴承钢、高温合金、有机发光半导体蒸镀用 因瓦钢等. 由于传统精炼方法存在钢液流动的返 混，钢液中细小夹杂物难于彻底去除，而没有返混 的静置上浮去除夹杂物需要相当长的时间，不适 合于生产. 理论上，在没有搅拌流动的条件下，钢 液中夹杂物上浮速度与重力系数成正比，如图 15（a） 所示，且不存在钢液返混问题，因此超重力作用可 有效实现夹杂物的快速定向上浮脱除[67−70] ，图中 t 为超重力作用时间. 图 15（b）是 718 高温合金钢 样 1200 g，在马弗炉加热至 1600 ℃ 后快速移到超 (a) (b) G=600 G=1 G=450 Sb cm cm 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 Pb Sb−92% 1 mm Pb−85% 200 μm 200 μm Supergravity Supergravity Supergravity G2 G1 G3 Supergravity treatment Residue Ag-rich melt Ag-rich phase Sb-rich phase Pb−Bi phase Sb−Ag melt Pb−Bi melt Noble lead melt Sb−Ag phase Sb−Ag Sb impurity Silver converter 图 13    有色冶金多金属超重力分离富集. （a）Pb−Sb 二元合金；（b）贵铅 Pb−Sb−Bi−Ag 多步分离示意图 Fig.13    Separation and enrichment of nonferrous metals by supergravity technology: (a) Pb–Sb alloy; (b) schematic process of a Pb–Sb–Bi–Ag alloy 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 · 1601 ·