铅黄铜除铅机理及工艺研究

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铅黄铜由于其冷热加工性能、切削性能极佳,自润滑性良好,能满足各种形状材料的精加工,因此铅黄铜广泛应用于生活的各个领域。但铅黄铜中的铅容易以固态或气态的形式析出进入环境,并能不断富集,严重污染环境和危害人体健康。各国相继颁布含铅铜合金的使用限令。欧美、日本出台的法令规定:2006年后水管道的铅溶出量需从0.05mg/L降低到0.01mg/L。我国也出台了相关条令对铅等有害物质作了严格限制。鉴于含铅铜合金的使用限制,我国每年有大量的废旧铅黄铜需要进行除铅除杂的环保再生利用,因此开展对铅黄铜除铅机理及工艺研究对促进废旧铅黄铜的绿色回收循环利用具有重大的意义。本论文以铅黄铜为研究对象,应用冶金热力学和动力学基础理论,探索研究了铅黄铜除铅机理及其可行性,采用Factage热力学模拟计算和试验研究了铅黄铜除铅工艺和Ca对除铅效果的影响,并通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)及X射线衍射分析(XRD)等检测手段对研究结果进行检测分析。主要研究内容和研究结果如下:(1)经过对铅黄铜除铅机理进行热力学、动力学理论分析,从理论上探索研究了铅黄铜除铅试验可行性。(2)通过Fact Sage对铅黄铜除铅进行热力学模拟计算,模拟结果显示:1mol的Ca与铅黄铜除铅体系中Pb、Cu、Zn、Mg各主要元素充分反应中Ca与Pb反应的吉布斯自由能最低,添加Cu-Ca、Mg-Ca合金能与Pb形成高熔点、低密度的Ca-Pb化合物,在Na F的吸附作用下上浮,通过扒渣达到除铅的目的。在Cu-Ca除铅体系中,Ca的添加量为2.5Wt.%时,除铅率达到99.7%。Mg-Ca除铅体系中,Ca的添加量为3.2Wt.%,除铅率达到99.8%。(3)试验研究了铅黄铜除铅工艺和Ca元素对除铅效果的影响。随着Ca添加量的增加,铅黄铜除铅率呈先增加后平缓的变化规律,在Cu-Ca体系中,添加2.5Wt.%Ca时,除铅效果最好。在Mg-Ca体系中添加3.2Wt.%Ca时,除铅效果最好,且随着Mg含量的增加,铅黄铜合金中的β相逐渐增加,α相逐渐减少。合金α相组织呈先细化后增大再减小的的变化过程。(4)通过正交试验优选影响试验结果的因素以确定各因素的最佳水平。优化试验的最佳除铅率为86%,除铅元素添加量为5.56Wt.%,保温时间为10min,Na F的添加量为5Wt%,保温温度的误差均方小于误差列的误差均方,保温温度归为误差一列。经扫描电镜、能谱分析以及XRD分析,残存在黄铜内的铅(0.45Wt.%)都以Ca-Pb化合物的形式稳定存在于合金组织中,降低了Pb的危害。
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