Mg-Zn分离结合气液相平衡研究

田源

摘要：高纯镁合金具有诸多优异的性能且其生产能力和技术水平在近些年都有着大幅提高，因而高纯镁合金被广泛应用于航空航天、军工以及交通运输等领域。但是随着科技的不断进步，对镁的纯度要求不断升高，而镁中锌元素是最难除去的杂质金属，也是制备高纯度镁的最大障碍。本文用气液相平衡结合真空分离理论对Mg-Zn分离进行了理论计算，得到随着温度的不断升高，锌分离系数不断升高；结合气液相平衡得到温度升高Zn的饱和蒸气压明显升大。

关键词：气液相平衡；高纯镁合金

1.介绍

高纯镁及镁合金因其轻质、耐腐蚀、良好的生物相容性等特点被广泛应用于国防、冶金、建材、化工、电子和医疗器械等各个领域，是现在及未来最具有潜力的新兴金属材料[1,2]。

目前，对于提纯金属镁的方法众多，部分学者采用真空蒸馏分段冷凝的方式制备高纯镁，通过有效的理论计算分析杂质的分离程度是一种简便有效的手段。李冬生等[3]在真空蒸馏提纯铟的过程中通过实验计算了杂质的分离系数及活度系数，丰富了热力学参数。

由于镁锌元素的饱和蒸汽压相近，在实际实验中难以精确控制压力，导致镁锌分离不彻底，故本研究通过Mg-Zn分离系数结合气液相平衡计算了各组元的蒸发系数，定量分析镁锌的分离程度。

2.分离系数

在真空蒸馏过程中，通过计算其分离系数来判断真空分离效果。当分离系数β值大于1，杂质锌相对于镁的挥发比例越大，蒸馏后杂质锌含量去除效果越明显。Mg-Zn二元体系中杂质的分离系数可根据式（1）计算

（1）

式中，、分别为组元i、j的纯物质饱和蒸气压，、分别为组元i、j的活度系数。

已知镁锌组元饱和蒸汽压与温度的关系如表1

表1不同温度下，镁锌的饱和蒸汽压

元素	lgp与温度的关系	温度范围/K
Mg	lgp=-7780T-1-0.855lgT+13.54	298K-923K
Mg	lgp=-7550T-1-1.411lgT+14.915	923K-1363K
Zn	lgp=-6850T-1-0.755lgT+13.36	298K-693K
Zn	lgp=-6620T-1-1.255lgT+14.465	693K-1180K

结合活度系数及公式（1），分别计算Zn、Mg的分离系数，计算结果见图2。

图1不同温度下Zn的分离系数

由图1可知，在温度范围为873-1273K时，随着温度的升高Zn的分离系数升高趋势逐渐加快，其蒸发系数大于1，即随着温度的升高锌与镁分离的可能性更高；当温度为873K时，随着锌含量的不断升高，锌分离系数增加得最快，当锌含量为90%时锌分离系数远大于1，镁锌分离效果越明显；但当锌含量较小时，锌的蒸发系数接近于1，则杂质锌难以从镁中分离。

3.蒸发速率

在真空蒸馏提纯镁的过程中，金属的挥发速率与其真空蒸馏效率密切相关，可作为优化工艺的关键热力学参考。实验中采用式（2）计算镁的平均蒸发速率：

（2）

结合MIVM模型［4］计算获得的活度系数，确定不同温度下的理论蒸发速率，Langmuir［5］导出纯物质的挥发速率进行修正，利用修正后的纯物质的挥发速率计算得：

（3）

式中：v为挥发速率；为冷凝系数，对于液态金属其值一般近似为1；M为元素的摩尔质量；R为气体常数；T为液态金属的表面温度。

图2Mg的蒸发速率

由图2知，温度对Mg的蒸发速率影响较大，提高温度有利于增大Mg的挥发速率。随着加热温度的增加，液态金属表面的Mg原子活化能更高，更容易挣脱液态金属的束缚进入气相中，因此Mg的蒸发速率逐渐增大。

3.Mg-Zn气液相平衡

真空蒸馏分离合金过程中，通过对Mg-Zn二元体系气液相图的计算和绘制，定量地估算出一定温度下合金组分的分离程度、气液相中各组分的百分含量，对实验和生产中镁锌分离具有重要的指导意义。

对于Mg-Zn二元体系，其气相成分及液相成分分别用质量分数表示为：、、、，则：

气相中：

（4）

液相中：

（5）

在蒸发过程中，两相达到平衡时，杂质锌在气相中的分布为：

（6）

将计算的活度系数及饱和蒸气压代入式（46），即可得到Mg-Zn二元体系的气液相平衡图，如图3所示。

图3 Mg-Zn二元体系气液相平衡图

由图3知，随着温度升高和液相中Zn含量增加，气相中Zn含量也逐渐增加。分析认为，温度升高Zn的饱和蒸气压明显升大，导致Zn挥发程度较大。

4.结论

本文通过真空蒸馏Mg-Zn分离计算结合气液相平衡得到以下结论：

（1）温度范围为873-1273K时，随着温度的升高Zn的分离系数升高趋势逐渐加快，其蒸发系数大于1，即随着温度的升高锌与镁分离的可能性更高；

（2）温度对Mg的蒸发速率影响较大，提高温度有利于增大Mg的挥发速率。随着加热温度的增加；

（3）镁锌气液相计算可知，温度升高Zn的饱和蒸气压明显升大，导致Zn挥发程度较大。

参考文献

[1]王益志. 杂质对高纯镁合金耐蚀性的影响[J]. 铸造, 2001, 050(002):61-66.

[2]李卿, 胡志方, 李忠岐,等. 真空蒸馏法制备高纯镁[J]. 有色金属工程, 2014, 4(6):3.

[3]李冬生, 杨斌, 刘大春,等. 真空蒸馏法从粗铟中脱除镉锌铊铅的研究[J]. 真空科学与技术学报, 2012, 32(004):296-300.

[4]于强, 伍继君, 马文会,等. 利用MIVM模型预测冶金级硅真空精炼过程杂质的挥发特性[J]. 真空科学与技术学报, 2016(10):7.

[5]Langmuir, Irving. Adsorption of gases on glass, mica and platinum[J]. Journal of the American Chemical Society, 1918, 40(9):1361-1403.