金属蒸气冷凝法制取高纯镁粉前言w为满足国家对高纯镁粉的迫切需要, 我们采用金属 蒸气冷凝法以Mg-04高纯镁为原料制得了高纯镁粉并 进行了批量生产。在大型蒸发冷凝装置中粉末产率 达到200g/h,粉末化学纯度99.999.99%,物理化学性 能好,粒度组成广泛。研究结果表明, 采用该法可以 实现一定规模工业批量生产, 产品质量好, 经济效 益高。二、工艺w金属蒸气冷凝法制取镁粉的基本原理是: w利用金属镁具有较低熔点、较高蒸气压的特点,使固 态镁在一定温度和剩余氨气压力条件下在蒸发区熔 化成液态, 使产生的蒸气不断上升至同一体系中的 冷凝区, 在处于该区域的冷凝结晶器表面冷凝沉积 成粉末。研制高纯镁粉系采用现有生产Mg-04的设备三、成粉机理初探w1.成粉的物态变化w1） 蒸发过程 w在现有制粉装置中, 将固态棒状、块状高纯镁装入 大罐, 在制粉全过程结束后, 开罐发现罐内剩余料凝 固成具有罐底形状表面平坦酌镁沱, 勿庸置疑, 在变 化过程中, 固态镁首先熔化成液态进而不断产生蒸 气。当熔点在 651时镁的蒸气压为350.55Pa 。生产时蒸发区温度为800 , 罐内剩余压力在 14661.822659.2Pa。依镁三相点图, 产生蒸气过 程确系) 固液气三态变化。2） 冷凝成粉过程镁蒸气由蒸发区上升至罐上部冷凝区 后,经变化最终在冷凝区中央的圆盘平板 结晶器的平面上冷凝成粉末。在由蒸气 最终形成粉末的过程中, 是气态直接转 变成固态？ 还是呈气液 固三态变 化？ 或两种形式兼有？由于大型装置的 限定,无法设观察孔获得直观结果, 故仅 以如下实际数据做初步探讨。由图3可知, 饱和蒸气压与温度处于对应平衡 关系。当外压是时 其镁饱和蒸气压亦为此值, 其 平衡温度为1107 , 即镁沸点；若降低外压至真空 （亦即较低的剩余压力)。则饱和蒸气压等于外压时 的温度也就是此时的沸点, 显然沸点降低。例如, 罐 内外压（剩余压力）为帕， 则沸点为725 。另一方面, 罐内外压（剩余压力） 保持定值,而使 蒸发温度改变, 则可使物态转变形式发生变化。如, 剩余压力为1.33Pa时, 蒸发温度为800 ;则镁由固态 直接变为气态。相反的过程, 同样可以依据三相点图 分析。总之, 在一定温度下, 金属镁具有相对应的蒸气压, 若改变体系外压, 则可改变在一定温度下镁所呈现的 状态和三态变化形式。镁蒸气的冷凝条件以及冷凝物的聚集状态取决 于冷凝区的温度与压力。如冷凝器内镁蒸气分压 大于在冷凝器温度下 饱和蒸气压 , 镁蒸气就冷凝下来 或者具有 一定实际分压的镁蒸气进入冷凝器后, 由于冷凝器 温度降低到 = 的温度时, 镁蒸气立即开 始冷凝。如温度更低,则镁蒸气呈过饱和状态, 就完 全冷凝下来。进一步研究表明, 进入冷凝器的镁蒸气 350.55Pa , 镁蒸气首先冷凝成液态, 继续冷却才由 液态变为固态。进一步研究表明, 进入冷凝器的镁蒸气 350.55Pa时, 镁蒸气首先冷凝成液态, 继续冷却 才由液态变为固态。由试制过程工艺条件可阐明的成粉过程是:（1）罐内初始充氨使剩余氨气压 666.57331.5Pa, 入炉升温使蒸发区升温至800 并保持不变, 而冷凝区温度在近500, 产粉过 程中罐内剩余压力为22661Pa左右，临近出炉时 为1866222331Pa。依镁三相点图, 镁蒸气应由 气相经液相最终成为固相粉末。（2）由已鉴定镁粉呈球状颗粒也表明蒸气在冷 凝区遇冷凝结过程中, 是由于微小液滴表面张力 的作用, 凝聚的镁液滴有使自己的表面保持最小 表面积的作用, 因此继续凝固变为固相粉末时, 保 持原来形状, 成为球状粉末。（3）在试制条件下, 由于平板结晶器通以冷却水(出口 水温为20 , 此结晶器周围冷凝区温度低很多, 结晶 器通水部分上表面温度在4060 左右,此处过冷度很 大,镁液滴在其上迅速冷凝, 保持独立颗粒形状并呈松 散堆积的固相粉末, 并不冷凝成其他固态结晶结构。 综上所述, 在由蒸发区上升至冷凝区的镁蒸气在遇冷 后逐渐冷却饱和, 即 ,也就是冷却到露点以下 , 它将发生凝结, 形成微小液滴悬浮在冷凝区域, 而安 装在罐内冷凝区中间的通水冷却的圆盘平板结晶器, 温度比周围更低, 这使雾状液滴得到进一步冷却, 最后 授成固相粉末, 沉积在结晶器和罐壁上。由于冷凝器 表面上的温度随金属蒸气的不断冷凝逐渐升高, 因而 后冷凝的粉末颗粒比先冷凝的颗粒稍大。由此推测, 最初在冷凝器表面形成的少量粉末晶核不排除有镁蒸 气直接冷凝成固相粉末的可能性。因此可以说:产生蒸气过程的主要形式为:固 液 气;成粉过 程: 气 液 固。2.成粉的微观行为由该工艺制粉装置可知, 蒸发和冷凝处于同一体系内, 蒸气在冷的结晶器表面上冷凝沉积成粉末是一个复杂 的过程。金属形成蒸气后其原子与预先通入的惰性气 体分子碰撞, 随原子浓度的提高, 其相互撞击的机率也 越高。在其碰撞过程中, 存在着一种复杂的机械粉碎作 用, 致使蒸气在结晶形成粉末过程中粒度较小。同时从 收集粉末的平板结晶器及其罐壁来看, 由于温度太低, 过冷度很大, 在形成结晶时其晶核形成率大大高于晶核 成长率, 因而形成的球形固态金属粉末颗粒均匀、粒度 广泛、颗粒形状较为单一。四、工艺条件时成粉的影响w 外因条件可改变粉末的颗粒大小、形状等物理化学性 能, 也可改变产率等生产指标。预抽真空度、氟气纯度也 分别是影响条件之一。w1. 温度w1）提高蒸发温度可提高产率, 减小颗粒分散度, 改善颗粒 形状。w根据物质蒸气压与温度关系克一克方程：w可求出一定温度时的镁蒸气压。2）扩大蒸发区和冷凝区温差有利于提高产量自建竖式电 阻炉后实行上下两段分别送电制以控制蒸发区和冷却区温差 。研究表明, 在其他条件相同情况下, 扩大罐内上下两部分温 差有利于提高产量。产粉设备只下部送电, 上部靠辐射热既有 利于产粉,又节省电能。2.剩余氦气压力 选择合适的罐内剩余氢气压是提高粉末产量、控制粉末粒度 的重要因素。实验表明, 剩余氩气压高或低不仅产量不稳, 而且均较低； 氨气压高, 成粉相对较粗；氩气压较低, 成粉较细。多炉次实 验表明, 罐内剩余压力最佳值为3.冷凝结晶器表面温度 冷凝结晶器表面温度是影响成粉的另一重要因素。试制生产 时通过调节罐内结晶器和罐侧部的冷却水来实现一定的冷凝 结晶器表面温度。4.预抽真空度w蒸发罐在装料后充氢前需进行预抽真空,预抽真空度以较 高为好。这可使罐内剩余气体中氧、氮含量均降低, 从而 使产品中气体杂质含量降低, 粉末的外观颜色也与真空度 有关。真空度高, 粉末呈亮灰色, 反之呈暗灰色。综上所 述, 成粉最佳工艺条件是：w1）蒸发温度：800 恒温，冷凝区温度,600 （仪表数 ）； w2）剩余氩气压：w3） 冷却水温度：进水口1020 w 出水口2030 w4）预抽真空度 4.66Pa,蒸发过程24h/罐五、粉末特性w1.化学纯度w采用。Mg-04高纯镁作原料, 进行9 项杂质分析, 可获得 99.9%99.99%纯度的镁粉产品。因蒸发罐是钢罐, 液态镁与其壁接触造成Fe杂质含量略有升 高, 其余杂质保持在原料纯度。由于该法本身也具有一定提 纯作用,因而有些炉次杂质含量降低。镁粉中杂质元素含量范 围列于表中。2.粒度组成 本方法制得粉末粒度较小, 采用振动筛分粗略分级, 其平均 筛分粒度组成列于表3。 本方法所产粉末, 按粉末粒度分类级别大部分是细粉末（ 1040um), 极少量为中等粉末(40150um)3.粉未颗粒形状 对获得的粉末进行了颗粒形状的研究, 从微 细粉末的显微照片可看出, 粉末呈球状。有 关科研所也曾鉴定为球形粉末。1,2两级粒 度较大的粉末有部分呈无定形结晶或六角形 结晶。谢谢！