超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成高金涛王哲郭磊王明涌 Supergravity metallurgy:principles,experimental methods,techniques,and applications GUO Zhan-cheng.GAO Jin-tao,WANG Zhe,GUO Lei,WANG Ming-yong 引用本文： 郭占成，高金涛，王哲，郭磊，王明涌.超重力治金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计工程科学学报，2021， 43(12:1592-1617.doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.09.21.002 GUO Zhan-cheng.GAO Jin-tao,WANG Zhe,GUO Lei,WANG Ming-yong.Supergravity metallurgy:principles,experimental methods,techniques,and applications[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(12):1592-1617.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2021.09.21.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.09.21.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 利用超重力分离铝熔体中的夹杂颗粒 Separation of inclusion particles from aluminum melt by super gravity 工程科学学报.2018,40(2)：177 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.02.007 利用超重力富集和分离Sn-3%Fe熔体中的杂质元素铁 Enriching and separating iron impurity from Sn-3%Fe melt by super gravity 工程科学学报.2018.40(1)：41 https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.01.006 增氨析氨法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报.2018,40(8：937htps:loi.org10.13374.issn2095-9389.2018.08.007 粉末冶金在高嫡材料中的应用 Applications of powder metallurgy technology in high-entropy materials 工程科学学报.2019,41(12：1501htps:/1doi.0rg10.13374j.issn2095-9389.2019.07.04.035 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报.2018,40(10)：1139htps:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.001 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报.2018,40(11)：1300 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.003

超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成 高金涛 王哲 郭磊 王明涌 Supergravity metallurgy: principles, experimental methods, techniques, and applications GUO Zhan-cheng, GAO Jin-tao, WANG Zhe, GUO Lei, WANG Ming-yong 引用本文: 郭占成, 高金涛, 王哲, 郭磊, 王明涌. 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1592-1617. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002 GUO Zhan-cheng, GAO Jin-tao, WANG Zhe, GUO Lei, WANG Ming-yong. Supergravity metallurgy: principles, experimental methods, techniques, and applications[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1592-1617. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.09.21.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 利用超重力分离铝熔体中的夹杂颗粒 Separation of inclusion particles from aluminum melt by super gravity 工程科学学报. 2018, 40(2): 177 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.007 利用超重力富集和分离Sn-3% Fe熔体中的杂质元素铁 Enriching and separating iron impurity from Sn-3% Fe melt by super gravity 工程科学学报. 2018, 40(1): 41 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.006 增氮析氮法去除硅锰脱氧钢中夹杂物的研究 Nonmetallic inclusion removal of Si-Mn deoxidized steel by nitrogen absorption and release method 工程科学学报. 2018, 40(8): 937 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.007 粉末冶金在高熵材料中的应用 Applications of powder metallurgy technology in high-entropy materials 工程科学学报. 2019, 41(12): 1501 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.04.035 钢铁冶金过程中的界面现象 Interfacial phenomena in ironmaking and steelmaking 工程科学学报. 2018, 40(10): 1139 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.001 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报. 2018, 40(11): 1300 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.003

工程科学学报.第43卷.第12期：1592-1617.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1592-1617,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002;http://cje.ustb.edu.cn 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成区，高金涛，王哲，郭磊，王明涌 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zcguo(@ustb.edu.cn 摘要超重力显著增大两相间的重力差，可用于加速固-液、液-液、液-气高温黏稠混和体的相分离速度：超重力具有定向 性，避免搅拌等技术产生的熔体湍流返混，可用于深度脱除金属液中细小夹杂物：超重力条件下固-液界面张力微不足道，可 容易实现微孔渗流：超重力条件下进行结晶凝固，按结晶顺序实现固-液分离.可用于制备梯度材料：超重力加速固-液分离， 可细化凝固组织晶粒，但对非共晶熔体也易产生宏观偏析.将超重力技术应用于治金及材料生产过程中，有望解决高温冶金 和材料制备的一些难题.如复杂矿冶金渣有价组分的分离提取、冶炼渣中金属液的分离回收、多金属的熔析结晶分离、复杂 矿旷直接还原铁的渣-金分离：在高端金属材料方面，应用超重力技术，有望解决近零夹物金属材料的精炼除杂难题，提高梯度 功能材料、金属-陶瓷复合材料、多孔金属材料、器件材料表面电沉积修饰的制造水平.此外，在材料科学研究方面，超重力 凝固可作为一种材料基因组高通量制备方法 关键词超重力：相分离：夹杂物脱除：渗流技术：梯度材料 分类号TG142.71 Supergravity metallurgy:principles,experimental methods, techniques, and applications GUO Zhan-cheng.GAO Jin-tao,WANG Zhe,GUO Lei,WANG Ming-yong State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zcguo@ustb.edu.cn ABSTRACT Supergravity significantly increases the gravity difference between two phases and thus can accelerate phase separation in solid-liquid mixtures,liquid-liquid mixtures,and liquid-bubble mixtures that have high temperatures and viscosities.Due to its directionality,supergravity avoids turbulent backmixing in melts,typically seen in agitation and other separation techniques,and is applicable toward the deep removal of fine inclusions in liquid metals.Under supergravity,solid-liquid interfacial tension is negligible and microporous seepage is straightforwardly achievable.Particle-liquid separation during crystallization can be performed under supergravity to prepare gradient materials.Supergravity accelerates particle-liquid separation,which refines solidified grains,but can also produce macroscopic segregation in noneutectic melts.Supergravity is widely applicable and beneficial to many fields.In metallurgy and materials production,supergravity can be used to improve the separation and extraction of valuable components from metallurgical slags of complex ores,separation and recovery of molten metal in smelting slags,melt crystallization separation of polymetals,and slag-metal separation of reduced iron from complex ores.In addition,supergravity can also be applied to high-end metal materials to improve the refinement and removal of impurities in metal materials toward near zero inclusion.Furthermore,supergravity can improve the manufacturing of functional gradient materials,metal-ceramic composites,porous metal materials,and device materials via electrodeposition modification.Finally,supergravity solidification can be used as a high-throughput method for the preparation of 收稿日期：2021-09-21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(5217041283)

超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 郭占成苣，高金涛，王    哲，郭    磊，王明涌 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: zcguo@ustb.edu.cn 摘    要    超重力显著增大两相间的重力差，可用于加速固−液、液−液、液−气高温黏稠混和体的相分离速度；超重力具有定向 性，避免搅拌等技术产生的熔体湍流返混，可用于深度脱除金属液中细小夹杂物；超重力条件下固−液界面张力微不足道，可 容易实现微孔渗流；超重力条件下进行结晶凝固，按结晶顺序实现固−液分离，可用于制备梯度材料；超重力加速固−液分离， 可细化凝固组织晶粒，但对非共晶熔体也易产生宏观偏析. 将超重力技术应用于冶金及材料生产过程中，有望解决高温冶金 和材料制备的一些难题，如复杂矿冶金渣有价组分的分离提取、冶炼渣中金属液的分离回收、多金属的熔析结晶分离、复杂 矿直接还原铁的渣−金分离；在高端金属材料方面，应用超重力技术，有望解决近零夹物金属材料的精炼除杂难题，提高梯度 功能材料、金属−陶瓷复合材料、多孔金属材料、器件材料表面电沉积修饰的制造水平. 此外，在材料科学研究方面，超重力 凝固可作为一种材料基因组高通量制备方法. 关键词    超重力；相分离；夹杂物脱除；渗流技术；梯度材料 分类号    TG142.71 Supergravity  metallurgy:  principles,  experimental  methods,  techniques,  and applications GUO Zhan-cheng苣 ，GAO Jin-tao，WANG Zhe，GUO Lei，WANG Ming-yong State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: zcguo@ustb.edu.cn ABSTRACT    Supergravity significantly increases the gravity difference between two phases and thus can accelerate phase separation in solid –liquid  mixtures,  liquid –liquid  mixtures,  and  liquid –bubble  mixtures  that  have  high  temperatures  and  viscosities.  Due  to  its directionality,  supergravity  avoids  turbulent  backmixing  in  melts,  typically  seen  in  agitation  and  other  separation  techniques,  and  is applicable toward the deep removal of fine inclusions in liquid metals. Under supergravity, solid–liquid interfacial tension is negligible and  microporous  seepage  is  straightforwardly  achievable.  Particle –liquid  separation  during  crystallization  can  be  performed  under supergravity to prepare gradient materials. Supergravity accelerates particle –liquid separation, which refines solidified grains, but can also  produce  macroscopic  segregation  in  noneutectic  melts.  Supergravity  is  widely  applicable  and  beneficial  to  many  fields.  In metallurgy and materials production, supergravity can be used to improve the separation and extraction of valuable components from metallurgical  slags  of  complex  ores,  separation  and  recovery  of  molten  metal  in  smelting  slags,  melt  crystallization  separation  of polymetals, and slag–metal separation of reduced iron from complex ores. In addition, supergravity can also be applied to high-end metal materials to improve the refinement and removal of impurities in metal materials toward near zero inclusion. Furthermore, supergravity can improve the manufacturing of functional gradient materials, metal–ceramic composites, porous metal materials, and device materials via electrodeposition modification. Finally, supergravity solidification can be used as a high-throughput method for the preparation of 收稿日期: 2021−09−21 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（5217041283） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1592−1617，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1592−1617, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.21.002; http://cje.ustb.edu.cn

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 ·1593· material genomes. KEY WORDS supergravity:phase separation;inclusion removal;seepage technology:graded materials 从矿物到金属再到材料的高温冶金过程，包 绍了作者及其他学者近年来超重力冶金的研究成 括三个最主要的任务，一是实现从金属化合物到 果，供读者参考 单质金属或目标化合物转变的化学反应，二是实 1超重力对液-固界面作用的影响及强化 现化学反应的传热传质，三是目标产物与副产物 传质和相分离的原理 的相际分离.对于一般的冶金过程，特别是大综冶 金产品生产，高温化学冶金反应一般不是生产过 超重力即指加速度显著大于地面常重力加速 程的限制性环节，而传质传热和反应产物的相际 度(g=9.81ms2),通常用重力系数表示其大小，例 转移效率往往决定生产效率和技术经济性.“三 如160g,表示重力系数为160，重力系数等于实际 传”理论的应用极大地强化了冶金生产效率和产 加速度除以常重力加速度g地面上超重力可用旋 品质量的提高山，但是对于某些特殊冶金领域，如 转离心法产生，重力系数G2π2R/900g(n为转速 冶金熔渣中有价组分的高温分离、金属熔体中夹 (rmin),R为旋转半径).重力大小会显著影响流体 杂物深度去除、微孔或超细颗粒-金属复合材料制 的表面张力大小，造成流体与固体接触的Marangoni 备的渗流技术等2-，传统的“三传”技术由于定向 效应差别m;超重力也有别于传统的加压力，超重 性不足难以进一步提高强化效率，超重力技术不 力是一种“体力”，而加压是一种“面力”，以玻璃 仅能够强化传质，而且是一种定向分离技术，在化 板上的液滴为例，加压条件下液滴形状没有显著 工领域已广泛应用阿，但在冶金领域目前只有离心 变化，而超重力条件会发生显著改变，如图1所 铸造技术可称之为超重力技术应用阿本文总结介 示，其本质作用也是流体表面张力的变化 Microgravity Normal Supergravity Gravity Vacuum Normal Pressurize Supergravity Vacuum Wetting Solid Nonwetting Solid Gravity Droplets 图1重力对固-液界面Marangoni效应的彩响.超重力与附加压力对固-液接触角影响的区别 Fig.I Effect of gravity on the interface between solids and liquids,and the effect of supergravity and pressure on the contact angle of solids and liquids 对于高温化学治金，通常反应速度的限制性 如图2(b)所示 环节是反应物的扩散传质速度，而扩散传质速度 超重力虽然提高物质的化学位，但是对体系 取决于反应物的化学位梯度，由于物质的化学位 的一切平衡无影响，这就是普通热力学不考虑重 随重力系数增加而增加8)，因而超重力可以提高反 力场的原因1由于超重力提高物质的化学位，而 应的扩散传质速度，即提高反应速度.对于超重力 化学平衡又不发生改变，虽然理论上溶液的溶质 促进扩散传质速度，在化工反应领域已得到实验 分布会有改变，但因分子、离子间的作用力远大于 证实.扩散传质速度正比于D/(D为扩散系数， 超重力的作用，溶质分布变化微乎其微，只有当超 δ为扩散层厚度)，对于超重力的作用是增大了扩散 重力系数很大和超重力方向高度差很大时才有明 系数D,还是减小了边界层厚度，或是二者皆有的 显变化.因此，工程上单纯采用超重力富集或分离 问题.采用计时电流法测定的常温水溶液中铁氰 溶液中溶质或熔体中熔质是难以实现的.然而，当 酸根离子的扩散系数与重力系数的关系如图2(a) 因化学反应造成溶液或熔体中产生溶质的浓度梯 所示o,说明超重力略微增大了扩散系数D,这与 度时，超重力可通过强化自然对流，来加速溶质 超重力提高物质的化学位也是一致的.然而，扩散 传递 系数较小的变化对反应的强化作用有限.如果将 但是，对于高温熔体中的细小弥散相（品体颗 扩散系数按与重力系数无关处理，则扩散层厚度 粒、气泡、非金属夹杂物等)上浮或沉淀分离，由 与重力系数（包括微重力）呈双对数反比关系-]， 于其上浮或沉淀速度主要取决于其浮力因子大小

material genomes. KEY WORDS    supergravity；phase separation；inclusion removal；seepage technology；graded materials 从矿物到金属再到材料的高温冶金过程，包 括三个最主要的任务，一是实现从金属化合物到 单质金属或目标化合物转变的化学反应，二是实 现化学反应的传热传质，三是目标产物与副产物 的相际分离. 对于一般的冶金过程，特别是大综冶 金产品生产，高温化学冶金反应一般不是生产过 程的限制性环节，而传质传热和反应产物的相际 转移效率往往决定生产效率和技术经济性. “三 传”理论的应用极大地强化了冶金生产效率和产 品质量的提高[1] ，但是对于某些特殊冶金领域，如 冶金熔渣中有价组分的高温分离、金属熔体中夹 杂物深度去除、微孔或超细颗粒−金属复合材料制 备的渗流技术等[2−4] ，传统的“三传”技术由于定向 性不足难以进一步提高强化效率. 超重力技术不 仅能够强化传质，而且是一种定向分离技术，在化 工领域已广泛应用[5] ，但在冶金领域目前只有离心 铸造技术可称之为超重力技术应用[6] . 本文总结介 绍了作者及其他学者近年来超重力冶金的研究成 果，供读者参考. 1    超重力对液−固界面作用的影响及强化 传质和相分离的原理 超重力即指加速度显著大于地面常重力加速 度（g=9.81 m·s−2），通常用重力系数表示其大小，例 如 160g, 表示重力系数为 160，重力系数等于实际 加速度除以常重力加速度 g. 地面上超重力可用旋 转离心法产生，重力系数 G≈n 2 π 2R/900g（n 为转速 (r·min−1)，R 为旋转半径）. 重力大小会显著影响流体 的表面张力大小，造成流体与固体接触的 Marangoni 效应差别[7] ；超重力也有别于传统的加压力，超重 力是一种“体力”，而加压是一种“面力”，以玻璃 板上的液滴为例，加压条件下液滴形状没有显著 变化，而超重力条件会发生显著改变，如图 1 所 示，其本质作用也是流体表面张力的变化. Gravity Wetting Nonwetting Solid Liquid Microgravity Normal Gravity Supergravity Droplets Solid Vacuum Supergravity Normal Vacuum Pressurize 图 1    重力对固−液界面 Marangoni 效应的影响，超重力与附加压力对固−液接触角影响的区别 Fig.1    Effect of gravity on the interface between solids and liquids, and the effect of supergravity and pressure on the contact angle of solids and liquids 对于高温化学冶金，通常反应速度的限制性 环节是反应物的扩散传质速度，而扩散传质速度 取决于反应物的化学位梯度，由于物质的化学位 随重力系数增加而增加[8] ，因而超重力可以提高反 应的扩散传质速度，即提高反应速度. 对于超重力 促进扩散传质速度，在化工反应领域已得到实验 证实[9] . 扩散传质速度正比于 D/δ（D 为扩散系数， δ 为扩散层厚度），对于超重力的作用是增大了扩散 系数 D，还是减小了边界层厚度，或是二者皆有的 问题. 采用计时电流法测定的常温水溶液中铁氰 酸根离子的扩散系数与重力系数的关系如图 2（a） 所示[10] ，说明超重力略微增大了扩散系数 D，这与 超重力提高物质的化学位也是一致的. 然而，扩散 系数较小的变化对反应的强化作用有限. 如果将 扩散系数按与重力系数无关处理，则扩散层厚度 与重力系数（包括微重力）呈双对数反比关系[11−13] ， 如图 2（b）所示. 超重力虽然提高物质的化学位，但是对体系 的一切平衡无影响，这就是普通热力学不考虑重 力场的原因[8] . 由于超重力提高物质的化学位，而 化学平衡又不发生改变，虽然理论上溶液的溶质 分布会有改变，但因分子、离子间的作用力远大于 超重力的作用，溶质分布变化微乎其微，只有当超 重力系数很大和超重力方向高度差很大时才有明 显变化. 因此，工程上单纯采用超重力富集或分离 溶液中溶质或熔体中熔质是难以实现的. 然而，当 因化学反应造成溶液或熔体中产生溶质的浓度梯 度时，超重力可通过强化自然对流，来加速溶质 传递. 但是，对于高温熔体中的细小弥散相（晶体颗 粒、气泡、非金属夹杂物等）上浮或沉淀分离，由 于其上浮或沉淀速度主要取决于其浮力因子大小 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 · 1593 ·

1594 工程科学学报.第43卷，第12期 1.6(a) (b) 1.4 自12 ◇ (50e 0.8 0.6 1 100200 300400 500 0.01 0.1 10 100 1000 G 图2扩散系数(a)、扩散边界层厚度(b)与重力系数关系曲线 Fig.2 Relationship between the diffusion coefficient(a)or thickness of the mass transfer diffusion layer(b)and gravity coefficient △pg(其中p为弥散相密度)和流体的黏度.而浮力 很有效的方法.尽管通过熔体搅拌等技术也可促 因子大小与重力系数成正比，因此超重力可以加 进熔体中的细小弥散相的分离，而超重力具有 速相分离，特别是两相的密度差很小时，例如硅冶 方向性，因此是一种熔体中细小弥散相深度分离 炼渣中的金属硅液滴分离，超重力技术是一种 的有效方法，两者示意图如图3所示 (a) (b) Bubbl Inclusion Molter Inclusion metal Molten metal ●-Gas for stirring 图3搅拌上浮与超重力除杂示意图.(a)搅拌上浮：(b)超重力除杂 Fig.3 Schematic of inclusion removal by gas bubble stirring compared with supergravity:(a)stirring and floating;(b)impurity removal under supergravity 2超重力冶金研究的实验方法 吊杯内装有电阻加热炉的水平转子离心机比 较适合进行高温超重力实验，但需要解决高速旋 超重力可在反应器旋转条件下产生.工程实 转条件下反应器的连续加热与温度测控、高速旋 践应用，可根据熔体对象的性质、目的、规模、超 转反应器内部气氛控制等动态反应端与离心机外 重力的效果等因素设计相应工艺和反应器5-) 静态控制端联接的实验技术，加热炉的电阻加热 尽管工程上超重力反应器可有多种多样，但基本 电流输入和温度测量电势弱电输出，可分别采用 上可分为超重力过滤（或溢流）连续分离处理反应 装在离心机转轴上的滑动导电环来实现劉：反应 器和超重力富集批处理反应器两类，如图4所示， 器内的气氛输入或输出，可通过装在离心机转轴 而高温冶金超重力实验研究是开发工艺技术和设 上的磁流体密封滑动导流环来实现吼，至于反应 计反应器的基础.作为实验研究，应选取工程反应 器的结构及材料，可根据实验目的进行相应设计， 器中的某一点或区域进行实验，获得超重力大小 例如直桶式坩埚可进行不同相的沉降或上浮分离 等因素的影响规律，据此设计工程反应器和工艺 富集实验、带有微孔滤板的坩埚可进行固液相的 参数 热过滤分离实验

Δρg（其中 ρ 为弥散相密度）和流体的黏度. 而浮力 因子大小与重力系数成正比，因此超重力可以加 速相分离，特别是两相的密度差很小时，例如硅冶 炼渣中的金属硅液滴分离[13] ，超重力技术是一种 很有效的方法. 尽管通过熔体搅拌等技术也可促 进熔体中的细小弥散相的分离[14] ，而超重力具有 方向性，因此是一种熔体中细小弥散相深度分离 的有效方法，两者示意图如图 3 所示. (a) (b) Bubble Inclusion Inclusion Molten metal Molten metal Gas for stirring Normal gravity Super gravity 图 3    搅拌上浮与超重力除杂示意图. （a）搅拌上浮；（b）超重力除杂 Fig.3     Schematic  of  inclusion  removal  by  gas  bubble  stirring  compared  with  supergravity:  (a)  stirring  and  floating;  (b)  impurity  removal  under supergravity 2    超重力冶金研究的实验方法 超重力可在反应器旋转条件下产生. 工程实 践应用，可根据熔体对象的性质、目的、规模、超 重力的效果等因素设计相应工艺和反应器[15−17] . 尽管工程上超重力反应器可有多种多样，但基本 上可分为超重力过滤（或溢流）连续分离处理反应 器和超重力富集批处理反应器两类，如图 4 所示， 而高温冶金超重力实验研究是开发工艺技术和设 计反应器的基础. 作为实验研究，应选取工程反应 器中的某一点或区域进行实验，获得超重力大小 等因素的影响规律，据此设计工程反应器和工艺 参数. 吊杯内装有电阻加热炉的水平转子离心机比 较适合进行高温超重力实验，但需要解决高速旋 转条件下反应器的连续加热与温度测控、高速旋 转反应器内部气氛控制等动态反应端与离心机外 静态控制端联接的实验技术. 加热炉的电阻加热 电流输入和温度测量电势弱电输出，可分别采用 装在离心机转轴上的滑动导电环来实现[18] ；反应 器内的气氛输入或输出，可通过装在离心机转轴 上的磁流体密封滑动导流环来实现[19] ；至于反应 器的结构及材料，可根据实验目的进行相应设计， 例如直桶式坩埚可进行不同相的沉降或上浮分离 富集实验、带有微孔滤板的坩埚可进行固液相的 热过滤分离实验. 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 D/(10 5 cm2·g−1 ) 1 (a) 100 200 300 400 500 G 1 δ/(10−2 cm) (b) G 0.01 0.1 1 10 100 1000 图 2    扩散系数（a）、扩散边界层厚度（b）与重力系数关系曲线 Fig.2    Relationship between the diffusion coefficient (a) or thickness of the mass transfer diffusion layer (b) and gravity coefficient · 1594 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

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 ·1595· Basic laboratory research Centrifugal apparatus Metalic Filte Lead melt Particle Microporous filter plate Clean melt 图4超重力冶金研究实验反应器 Fig.4 Laboratory instrumentation for supergravity metallurgy 超重力高温冶金的主要科学特征是高温熔体相 冷实验在某一温度下将含有TO2的化合物结晶析 分离，因此，对于冶金高温熔体实施超重力分离与净 出，然后实施固液混合物超重力分离富集.温度是 化的前提是熔体存在两个或多个不同的相，例如金 影响分离提取率的主要因素，由相平衡决定；而超重 属液中夹杂物与金属液是不同的相，可以直接实施 力大小是影响产物纯度的主要因素，由固液分离率 超重力分离富集.而对于复杂矿冶炼渣分离富集有 决定.此外，结晶颗粒越大，越易分离.图5所示是 价组分，例如从钒钛磁铁矿高炉炼铁熔渣分离富集 1300℃从含钛高炉渣(Ti02质量分数约为22%)分 TO2组分，首先需要根据炉渣的高温相图或通过缓 离富集或分离CaTiO3结晶物的实验结果20-2训 (a) G=1 (b) G=750 G=750 1500-1440℃ SEM 40 um 440-1901 40m EDS 40m 0-1170 0 240m Energy/keV 图5超重力分离富集含钛高炉渣中钙钛矿(CTiO,).(a)含钛高炉渣熔析结品规律：(b)超重力分离富集钙钛矿的扫描电镜与能谱图 Fig.5 Separation of perovskites (CaTiO)in a titanium-bearing blast furnace slag by supergravity:(a)crystallization behavior of the titanium-bearing blast fumnace slag,(b)energy dispersive spectroscopy (EDS)and scanning electron microscopy (SEM)of separation of the perovskites by supergravity 下文采用图4所示超重力实验方法，总结了近 有限.以攀西地区的钒钛磁铁矿为例，该共生矿 年来有关复杂矿冶炼渣分离富集有价组分、多金 经高炉治炼后，T元素几乎全部转移至高炉渣 属分离富集、金属液除杂净化、多孔金属材料及 中，形成TO2质量分数为20%以上的含钛高炉 复合材料制备等一些典型代表性研究结果 渣：而V元素则在高炉炼铁过程被C还原形成含 3冶金熔渣中有价组分高温富集与分离 钒铁水，其在后续转炉炼钢过程中形成VO3质 量分数为10%以上的含钒转炉渣.目前，我国采 3.1复杂矿冶炼渣超重力分离富集有价组分 用“高炉-转炉”流程处理共生铁矿已伴随产生了 我国具有丰富的多元素共生铁矿资源，但长 大量含共生元素的特色炉渣，包括含钛高炉渣、 期以来主要依赖于“高炉-一转炉”流程来冶炼和提 含稀土高炉渣、含硼高炉渣、含钒转炉渣等.这 取铁元素，而对其它共生元素的回收利用则十分 类特色炉渣中共生组分的品位低、矿相结构复

超重力高温冶金的主要科学特征是高温熔体相 分离，因此，对于冶金高温熔体实施超重力分离与净 化的前提是熔体存在两个或多个不同的相，例如金 属液中夹杂物与金属液是不同的相，可以直接实施 超重力分离富集. 而对于复杂矿冶炼渣分离富集有 价组分，例如从钒钛磁铁矿高炉炼铁熔渣分离富集 TiO2 组分，首先需要根据炉渣的高温相图或通过缓 冷实验在某一温度下将含有 TiO2 的化合物结晶析 出，然后实施固液混合物超重力分离富集. 温度是 影响分离提取率的主要因素，由相平衡决定；而超重 力大小是影响产物纯度的主要因素，由固液分离率 决定. 此外，结晶颗粒越大，越易分离. 图 5 所示是 1300 ℃ 从含钛高炉渣（TiO2 质量分数约为 22%）分 离富集或分离 CaTiO3 结晶物的实验结果[20−21] . (a) G (b) =1 40 μm 40 μm 40 μm 40 μm 1500−1440 ℃ 1440−1290 ℃ 1290−1170 ℃ G=750 G=750 SEM EDS Energy/keV Ca Ca Ca Ti Ti Intensity O 图 5    超重力分离富集含钛高炉渣中钙钛矿 (CaTiO3 ). （a）含钛高炉渣熔析结晶规律；（b）超重力分离富集钙钛矿的扫描电镜与能谱图 Fig.5    Separation of perovskites (CaTiO3 ) in a titanium-bearing blast furnace slag by supergravity: (a) crystallization behavior of the titanium-bearing blast furnace slag; (b) energy dispersive spectroscopy (EDS) and scanning electron microscopy (SEM) of separation of the perovskites by supergravity 下文采用图 4 所示超重力实验方法，总结了近 年来有关复杂矿冶炼渣分离富集有价组分、多金 属分离富集、金属液除杂净化、多孔金属材料及 复合材料制备等一些典型代表性研究结果. 3    冶金熔渣中有价组分高温富集与分离 3.1    复杂矿冶炼渣超重力分离富集有价组分 我国具有丰富的多元素共生铁矿资源，但长 期以来主要依赖于“高炉−转炉”流程来冶炼和提 取铁元素，而对其它共生元素的回收利用则十分 有限. 以攀西地区的钒钛磁铁矿为例，该共生矿 经高炉冶炼后，Ti 元素几乎全部转移至高炉渣 中，形成 TiO2 质量分数为 20% 以上的含钛高炉 渣；而 V 元素则在高炉炼铁过程被 C 还原形成含 钒铁水，其在后续转炉炼钢过程中形成 V2O3 质 量分数为 10% 以上的含钒转炉渣. 目前，我国采 用“高炉−转炉”流程处理共生铁矿已伴随产生了 大量含共生元素的特色炉渣，包括含钛高炉渣、 含稀土高炉渣、含硼高炉渣、含钒转炉渣等. 这 类特色炉渣中共生组分的品位低、矿相结构复 Engineering application conceptual design Centrifugal apparatus Electromotor Filter Lead melt Particle Microporous filter plate Clean melt Metalic antimony Basic laboratory research 图 4    超重力冶金研究实验反应器 Fig.4    Laboratory instrumentation for supergravity metallurgy 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 · 1595 ·