基于分子动力学铅基合金若干性质的研究

金属铅的冶炼采用火法还原的方法，目前采用熔析或加硫的方法除铜，以及加锌除金、银的方法提纯粗铅，课题组通过实践证明通过真空蒸馏的方法可以有效去除铅基合金中的Cu、Ag、Au。本项目主要针对Pb-Ag、Pb-Cu、Pb-Au合金的性质进行研究，项目采用Parrinello-Rahman方法建立铅基合金焓值计算模型，由嵌入原子法（DB EAM）建立及计算合金的结合能及形成能。采用分子间作用势模型结合NRTL方程计算合金的热力学因子，并利用Darken方程计算三种铅基合金的互扩散系数。通过铅基合金真空蒸馏实验研究考察不同条件下Cu、Ag、Au的迁移规律，并把实验结果与模拟结果进行比较，对模拟计算数据进行误差分析，获得置信度较高的分子动力学计算模型。进而从理论和实验的角度获得铅基合金的一些热力学和动力学性质，为铅基合金的真空蒸馏提供理论依据。

针对现有铅冶炼工艺Cu、Ag、Au三种元素去除及粗铅提纯存在流程长、能耗高等缺点，本项目采用真空蒸馏实现金属铅与铜、银、金高效分离提纯。研究从热力学、动力学以及分子动力学模拟三个角度，分别研究了Pb-Cu、Pb-Ag和Pb-Au三个二元合金体系的热力学及动力学性质，为铅基合金真空蒸馏分离实验研究提供了理论指导，丰富了真空蒸馏基础理论。. 采用分子相互作用体积模型（Molecular Interaction Volume Model，MIVM）预测了Pb-Cu、Pb-Ag、Pb-Au三种二元铅基合金在1073~1473K温度范围内的活度系数；由克拉博龙-克劳修斯方程推导出二元合金真空蒸馏分离系数和气液相平衡成分计算公式，结合预测得到的活度系数值，计算出Pb-Cu、Pb-Ag、Pb-Au合金体系在10Pa，1073~1473K下的分离系数和气液相平衡成分；计算了Pb-Cu、Pb-Ag、Pb-Au三种合金体系不同成分下，各组元的饱和蒸气压及临界压强，并由麦克斯韦运动方程推导出二元合金体系的合金组元挥发速率方程，获得了Pb-Cu、Pb-Ag、Pb-Au合金体系挥发速率；采用分子动力学模拟了Pb-Cu、Pb-Ag、Pb-Au合金体系的对相关函数、配位数、合金相关半径、团簇原子数、焓值、结合能、形成能以及自扩散和互扩散系数，从微观的角度解释了铅基合金真空蒸馏时Pb挥发到气相的机理。.以含铜15%的Pb-Cu合金为原料，通过研究蒸馏温度、时间对合金分离效果的影响，获得合金分离的最佳实验条件，并对5~95%的Pb-Cu合金开展真空蒸馏分离实验研究，通过真空蒸馏分离，气相中可以获得纯度大于99.54%的粗铅，液相中获得纯度大于99.90%的粗铜；以含银10%的Pb-Ag合金为原料，通过研究蒸馏温度、时间对合金分离效果的影响，获得合金分离的最佳实验条件，并对2.5~10%的Pb-Au合金开展真空蒸馏分离实验研究，通过真空蒸馏分离，气相中可以获得纯度大于99.23%的粗铅，液相中获得纯度大于99.97%的粗银；以含金10%的Pb-Au合金为原料，在炉内压强30Pa，蒸馏时间60min、蒸馏温度1273~1473K条件下开展 Pb-Au合金真空分离效果实验研究，研究结果表明在通过真空蒸馏在气相中可获得纯度大于99.90%的铅，在液相中获得纯度大于98.5%的金。