Кинетика испарения металлов из Sb–Pb–Ag сплава при вакуумной перегонке

Abstract

Большинство современных исследований сконцентрировано в основном на термодинамике разделения полиметаллических сплавов вакуумной перегонкой, поскольку позволяет определить возможность, направление и ограничение протекания металлургических реакций. При изучении кинетики испарения металлов можно выявить эффективные условия процесса, такие как температура, степень вакуума и продолжительность перегонки, необходимые при проектировании процесса разделения компонентов сплавов. Целью работы являлось определение скорости испарения металлов из Sb–Pb–Ag сплавов различного состава в зависимости от температуры и давления, а также выявление лимитирующей стадии процесса. При изготовлении опытных образцов навески исходных металлов были проплавлены в индукционной печи в атмосфере аргона высокой чистоты для получения сплавов состава, мол. %: 16–77 Sb; 75–20 Pb; 9–3 Ag. Определена кинетика испарения металлов из Sb–Pb–Ag сплава в интервале температур 823–1073 К и давлении 1,33–133 Па, описываемая уравнением первого порядка. Значения кажущейся константы скорости первого порядка при возгонке металлов из расплава зависят от температуры, давления и химического состава сплава. Коэффициенты общего массопереноса свинца, сурьмы, cеребра (kМе, м·с–1) при испарении из Sb–Pb–Ag (0,55–0,40–0,05) сплава составляют (3,718–7,852)·10–7, (1,194–2,436)·10–7, (1,859–3,790)·10–10 при Т = 823–1073 К, Р = 13,3 Па, соответственно. Рассчитана кажущаяся энергия активации испарения металлов из Sb–Pb–Ag расплава: Е = 20,93–46,41 кДж/моль. Кажущаяся энергия активации испарения металлов, рассчитанная по уравнению Аррениуса, приводит к заключению о более легком испарении компонентов из состава Sb–Pb–Ag сплава, по сравнению с чистым металлом: Е = 150–280 кДж/моль. Показано, что количественный перенос свинца и сурьмы в газовой фазе не ограничивает скорость при вакуумной перегонке. Испарение металлов из Sb–Pb–Ag сплава совместно контролируется массопереносом главным образом в жидкой фазе, а также через поверхностный слой на границе раздела фаз «жидкость – газ» в исследованных условиях эксперимента. Повышение температуры свыше 823 К способствует возрастанию константы скорости испарения kМе компонентов Sb–Pb–Ag сплава. Снижение давления в системе менее 133 Па способствует возгонке сурьмы, свинца и серебра. Most of today's research is mostly concentrated on the thermodynamics of the separation of polymetallic alloys by vacuum distillation, as it allows you to determine whether the direction and limitation of the flow of the metallurgical reactions. While studying the kinetics of evaporation of metals it is possible to identify the effective process conditions, such as temperature, vacuum grade and duration of distillation required in the design process for the separation of the components of the alloys. The goal of the work was to determine the rate of evaporation of the metals from the Sb–Pb–Ag alloys of different composition depending on temperature and pressure, and identify the limiting stage of the process. In the making prototype models, sample source metal was welded in an induction furnace in argon atmosphere of high purity, to obtain the alloy composition, mol. %: 16–77 Sb; 75–20 Pb; Ag 9–3. It this work the kinetics of evaporation of metals from Sb–Pb–Ag alloy in temperature range 823–1073 K and a pressure of 1.33–133 Pа is defined, as described by the first order equation. Values of the apparent rate of the first order constants with the sublimation of metals from the melt depends on temperature, pressure and chemical composition of the alloy. The total mass transfer coefficients of lead, antimony, silver (kMe, m·.s–1) evaporation of Sb–Pb–Ag (0,55–0,40–0,05) of the alloy is (3.718–7.852)·10–7, (1.194–2.436)·10–7, (1.859–3.790)·10–10 at T = 823–1073 K, P = 13.3 Pa, respectively. The calculated apparent activation energy of evaporation of the metals from the Sb–Pb–Ag alloy: E = 20,93–46,41 kJ/mol. The apparent activation energy of evaporation of the metals, calculated by the Arrhenius equation leads to the conclusion of an easier evaporation of components from the composition of the Sb–Pb–Ag alloy compared to pure metal: E = 150–280 kJ/mol. It is shown that quantitative transport of lead and antimony in the gas phase does not limit the speed in vacuum distillation. The evaporation of the metals from the Sb–Pb–Ag alloy is controlled jointly by mass transfer, mainly in the liquid phase, as well as through the surface layer at the phase interface liquid–gas in the studied experimental conditions. Increasing temperatures above 823 K increases the rate constants of the evaporation kMe components Sb–Pb–Ag alloy. Reducing system pressure less than 133 Pa contributes to the sublimation of antimony, lead and silver.