2019年, 第29卷, 第6期　刊出日期：2019-06-25

  

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Materials Science and Engineering
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  稀土金属RE添加对Al-12%Si-4%Cu-1.6%Mn耐热合金凝固过程和高温强度的影响

  廖恒成,许何婷,胡以云

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1117-1126.

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  采用显微组织观察和拉伸实验研究稀土金属(RE)添加对Al-12%Si-4%Cu-1.6%Mn耐热合金凝固过程和高温强度的影响。在加入RE的合金中观察到大量细小针状富RE相，固溶处理不能改变其形态与大小，表明其具有良好的热稳定性。RE的加入已完全改变共晶CuAl₂相的凝固过程，从偏聚在最终共晶晶粒边界上的网络状变成离散的块状，生长在如头发丝的富RE细针上。在含有Ce的合金中，块状CuAl₂、颗粒状Al₁₅Mn₃Si₂ 和针状富RE相共生在一起；然而，在仅加入La的合金中，此共生现象并未发生。RE的加入不能显著改善合金的高温强度。而针状富RE相的形成也未显著改变合金拉伸过程中微裂纹的萌生与扩展。
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  非等温退火对大变形铝试样组织和力学性能的影响：模拟与实验

  A. R. KHODABAKHSHI, M. KAZEMINEZHAD

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1127-1137.

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  为了研究铝在非等温退火过程中的组织演变和流动应力，分别采用2、4和6道次多向锻造工艺，使试样应变量为1、2和3。然后，在150、200、250、300和350 °C下对试样进行非等温退火。通过对变形阶段和退火阶段的模拟，研究位错密度和流动应力的演化规律。结果发现，经2、4和6道次多向锻造的试样在温度分别达到250、250和300 °C时其热稳定性仍然较好。模拟结果与实验数据吻合较好。与模拟得到的流动应力值相比，经2 道次和4道次多向锻造的样品在350 °C非等温退火后的实验流动应力值偏低。其根本原因在于，模拟所用非等温退火模型仅是基于晶内位错密度演化，只考虑了回复和再结晶现象；然而，在350 °C退火后，除了回复和再结晶外，还会发生晶粒长大现象，这使得模拟和实验得到的流动应力值出现偏差。
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  AlCu4SiMg合金的动态再结晶体积分数模型构建及其在有限元模型中的应用

  权国政,施瑞菊,赵江,刘乔,熊威,邱慧敏

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1138-1151.

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  为了更好地剖析AlCu4SiMg合金的动态再结晶（DRX）行为和流变行为的耦合效应，实施了具有DRX演变模型的有限元模拟。利用Gleeble-3500热模拟试验机，在温度为648~748 K，应变速率为0.01~10 s^-1的变形条件下对该合金进行等温压缩实验。依据实验所得的真实应力-应变数据，拟合应变硬化率曲线(表征dσ/dε与σ之间的关系)，并识别产生动态再结晶时的临界应变值(ε_c)。通过对材料参数的求解，确定DRX的体积分数方程和DRX达到50%时的应变方程。构建DRX体积分数演变的有限元(FE)模型，对一系列等温压缩实验进行模拟仿真。DRX体积分数演变可视化结果显示：在同一应变速率条件下，达到相同DRX体积分数的应变量随温度的降低而增加；在同一温度条件下，该应变量随应变速率的增加而增加。最后，通过金相分析验证AlCu4SiMg 合金的DRX动力学模型及有限元模拟结果的可靠性。
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  预变形2219铝合金应力松弛时效成形统一本构建模及回弹预测

  汪凯,湛利华,杨有良,马子尧,李喜财,刘健,

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1152-1160.

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  通过应力松弛时效实验和有限元仿真研究预变形2219铝合金应力松弛行为。结果表明：应力能促进时效析出进程，缩短到达峰值强度的时间。且初始应力越大，时效后的剩余应力越高，合金的屈服强度越大。基于显微组织演变和时效强化理论建立统一本构模型，并通过子程序开发将其嵌入有限元仿真模型中。发现仿真回弹后的半径与实验值间的相对误差为3.6%，回弹为16.8%。从而可知，所建立的应力松弛时效本构模型能较好预测带筋壁板时效过程中的回弹行为。
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  焊缝熔深对2219铝合金TIG焊接头拉伸性能的影响

  张登魁,赵玥,董明晔,王国庆,吴爱萍,单际国,蒙丹阳,刘宪力,宋建岭,张中平

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1161-1168.

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  采用数值模拟和实验的方法研究焊缝熔深对2219铝合金TIG焊接头拉伸性能的影响。结果表明，当其他几何参数一致时，在一定范围内，盖面焊缝的熔深越大，接头的拉伸性能越低。较大的盖面焊缝熔深可造成焊趾处更集中的应力，导致接头更容易断裂。根据必要的假设提出的一种分析盖面熔深与接头拉伸性能间数学关系的模型验证了实验结论。盖面焊缝熔深的减少可通过降低焊接电流、氦气流量或增加焊接电压来调控。
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  比较研究SiC和MoS₂对铝基复合材料磨损行为影响

  Mohammad ROUHI, Mohammad MOAZAMI-GOUDARZI, Mohammad ARDESTANI

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1169-1183.

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  为了提高纯铝对钢的干滑动摩擦耐磨性，通过压制烧结混合粉末的方法制备不同SiC、MoS₂和SiC/MoS₂颗粒含量的铝基复合材料。显微结构分析表明，该合金结构致密，这与密度和硬度测试结果相吻合。在恒定载荷和滑动速度下进行复合材料与对偶为AISI 52100钢的销-盘式磨损试验。结果显示，当Al/SiC和Al/MoS₂复合材料中增强相的最佳含量分别为10 vol%和2 vol%时，材料的磨损率最低；而Al/10SiC/2MoS₂复合材料的磨损率和摩擦因数最低。扫描电镜观察表明，在纯铝中加入MoS₂颗粒后，材料的主要磨损机理由粘着磨损转变为以磨粒磨损为主。对于Al/SiC和Al/SiC/MoS₂复合材料，其主要的磨损机理为轻微的剥层磨损。Al/SiC/MoS₂复合材料与Al/SiC复合材料的摩痕和磨损表面接近，表明SiC颗粒在这两种复合材料摩擦学行为中起主导作用。
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  提高复合挤压铸造Al/Al-Cu双金属宏观复合材料界面结合的新方法

  MohammadHosseinBABAEE,AliMALEKI,BehzadNIROUMAND

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1184-1199.

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  开发一种简便的提高复合挤压铸造Al/Al-4.5wt.%Cu 双金属复合材料界面结合的新方法，并研究该方法对此双金属的显微组织和力学性能的影响。在挤压铸造Al-4.5wt.%Cu的内表面机加工一种特殊的同心槽图案，利用ProCAST和ANSYS软件对双金属构件界面区域的传热、凝固和产生的应力分布进行数值模拟，并进行实验验证。模拟结果表明，表面沟槽尖端完全熔化，沿界面产生较大的局部应力梯度场，这会导致插入界面的氧化铝层破裂，促进双金属组分的扩散结合。显微组织表征证实双金属界面存在明显的过渡区。通过加工表面图案，双金属的平均过渡区厚度和抗拉强度分别显著增加到375 μm 和54 MPa。因此，该方法是一种经济可行的复合挤压铸造铝-铝宏观复合双金属的方法，不需要提前对固体镶块进行任何成本和时间密集型的化学或涂层处理。
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  过热浆铸7075铝合金的阳极氧化工艺参数

  ItsareeIEWKITTHAYAKORN,SomjaiJANUDOM,NarissaraMAHATHANINWONG,SeppoKARRILA,JessadaWANNASIN,

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1200-1210.

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  通过对过热浆铸7075铝合金基体阳极氧化工艺参数包括电压、电流密度、温度和电解液的选择，确定合适的阳极氧化工艺参数。该合金阳极氧化所用溶液为硫酸电解液、硫酸与硼酸或柠檬酸的混合液。阳极氧化所用电压为15~30 V，测试电流密度为2 和 3 A/dm²，温度为 5 和 15 °C。测试氧化膜的厚度、表面形貌、硬度和耐腐蚀性。结果发现，该合金在硫酸溶液中阳极氧化的最佳参数为25 V、2 A/dm²和5 °C。此条件下形成的氧化膜表面光滑且厚度均一、孔隙率低、硬度高，且具有最优的耐腐蚀性。然而，在较高温度(15 °C)下进行阳极氧化时，可以观察到不连续的氧化膜。所用替代电解质是硫酸与硼酸或柠檬酸的混合溶液。结果表明，硼酸和柠檬酸电解液均能提高氧化膜的厚度、硬度、耐蚀性和品质。 但是，这些氧化膜的性能仍然比不上合金在硫酸电解液中低温下(25 V, 2 A/dm²，5 °C)形成的氧化膜的性能。
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  铸态 Mg-8Li-xZn-yGd (x=1, 2, 3, 4; y=1, 2)合金的显微组织与力学性能

  欧阳思杰,刘文才,吴国华,冀浩,高占奎,彭翔,李中权,丁文江,

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1211-1222.

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  通过真空熔炼方法制备铸态 Mg-8Li-xZn-yGd (x=1, 2, 3, 4; y=1, 2; wt.%)合金，并对合金的显微组织和力学性能进行研究。结果表明：随着Zn含量的增加，W相(Mg₃Zn₃Gd₂)的体积分数增加，而 Mg₃Gd相的体积分数减少。Mg-8Li-xZn-1Gd合金强度的提高是因为随着锌含量的增加，细小片状W相的第二相强化以及Zn的固溶强化。随着钆含量的增加，Mg-8Li-4Zn-yGd合金的强度降低，这是因为形成粗化和不连续网状的W相。Mg-8Li-4Zn-1G合金表现出最优的综合性能，屈服强度为154.7 MPa、 抗拉强度为197.0 MPa、伸长率为 12.4%。另外，对合金的时效行为进行研究。
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  挤压镁合金薄壁方管的耐撞性能

  李志刚,杨海峰,张照生,孙野,韩郅通,韦济飞

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1223-1232.

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  对不同长度的完整AZ31B镁合金薄壁方管和A6063铝合金薄壁方管以及具有诱导特征的薄壁管进行不同应变率的轴向压缩试验研究。研究发现，压缩过程中镁合金薄壁管局部屈曲，进而断裂，其中在断裂阶段出现3种耐撞性能断裂模式，分别是水平断裂、斜向断裂和螺旋断裂。相比于铝合金方管，镁合金薄壁管的吸能效果较差。在上述研究基础上，进一步分析长宽比、应变率和诱导特征对薄壁管耐撞性能的影响。结果表明，随着长宽比从1增加到4，镁合金薄壁管的最大压缩载荷和整体吸能比以幂函数的规律减小，而铝合金薄壁管则基本保持不变。随着压缩速率从5×10^-5增加到10 m/s，镁合金薄壁管的主要耐撞性能参数以指数形式增加，而铝合金薄壁管则变化很小。此外，本文作者引入的圆孔和缝的诱导特征未明显提高镁合金薄壁管的吸能效果，因此，后期需要在薄壁管不同位置设计更多种类和尺寸的诱导特征来提高镁合金薄壁管的吸能比。
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  复合铸造法制备的镁/铜复合材料的界面组织和力学性能

  徐德兴,杨长林,赵康宁,李宏祥,张济山

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1233-1241.

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  采用复合铸造法制备镁/铜复合材料，并对其显微组织演化、相组成和界面结合强度进行研究。研究发现，界面实现冶金结合并且由两个亚层组成：靠近纯铜一侧的亚层I，厚度为30 μm，主要由Mg₂Cu相组成，并且在上面随机分布一些枝状相MgCu₂；靠近纯镁一侧的亚层II，厚度为140 μm，主要由层状的Mg₂Cu+(Mg)纳米共晶相和少量分离的Mg₂Cu组成。复合材料的平均界面剪切强度为13 MPa。本研究为镁/铜复合材料作为储氢材料的应用提供了一个新的制备方法。
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  Fe含量对Ti5553合金α相析出响应与硬化行为的影响

  朱文光,李沛,孙逊,陈威,张华磊,孙巧艳,刘彬,肖林,孙军

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1242-1251.

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  利用混合元素烧结法制备含0、0.4、1.2和2.0 wt.% Fe的Ti5553合金。研究Fe元素对绝热w相变、α相析出长大以及时效硬化行为的影响规律。结果表明，2 wt.% Fe元素的加入可提高β相的稳定性，抑制绝热w相析出。随着Fe含量增加，α相析出孕育期变长，尺寸变小。α相沿晶析出倾向增强，尤其是在炉冷时，Ti5553-2Fe合金形成明显的魏氏组织。随后，利用Pandat软件并结合经典动力学理论分析Fe含量对Ti5553合金α相析出长大行为的影响机制。硬度曲线表明，不同Fe含量合金的硬度均随时效时间延长先增加，6 h达到峰值后缓慢降低。Ti5553-2Fe合金具有最高的峰值硬度，这是Fe等合金元素点阵错配引起的固溶强化与细小α相析出引起的时效强化共同作用的结果。
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  粉末冶金Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.2W金属间化合物的高温动态力学行为

  欧阳思慧,刘彬,刘咏,昝祥,梁霄鹏,李争

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1252-1262.

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  采用分离式霍普金森拉杆动态冲击变形实验研究粉末冶金Ti-47Al-2Nb-2Cr-0.2W (at.%)双态组织和近层片组织在高应变率下(800~1600 s^-1)的动态力学行为和变形机理。结果表明，粉末冶金TiAl金属间化合物的韧性-脆性转变温度(DBTT) 随应变速率增加而增大，动态加载下两种组织的高温强度均高于准静态加载下的高温强度；在高应变速率(800~1600 s^-1)和高温(650~850 °C)条件下，粉末冶金TiAl金属间化合物的双态组织和近层片组织的加工硬化速率均对应变速率和温度不敏感。在动态加载条件下，堆垛层错及孪晶的形成是主要的变形机制。Zerilli-Armstrong模型能够恰当描述粉末冶金TiAl金属间化合物的高温动态变形行为。
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  摩擦堆焊法在Ti-6Al-4V表面制备的AA2124/4wt.%B₄C纳米复合涂层的显微组织和磨损特性

  I.ESTHER,I.DINAHARAN,N.MURUGAN

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1263-1274.

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  为了提高Ti-6Al-4V的耐磨性，运用摩擦堆焊法在其表面制备AA2124/4wt.%B₄C 纳米复合涂层。采用传统搅拌铸造方法制备复合材料，然后用自主研发的摩擦堆焊机在不同的转速下进行涂覆。采用传统和先进显微技术对复合镀层的显微组织进行观察，采用销-盘装置对制备材料的滑动磨损性能进行评价。复合涂层的厚度和宽度均随转速的增加而增加。涂层与基体的界面呈直线，未观察到厚的金属间层。结果还表明，纳米B₄C粒子在复合涂层中分布均匀，晶粒细小，铝基体与B₄C颗粒的界面结合良好。总之，该复合涂层由于其较小的有效接触面积，较低的摩擦因数和良好的界面结合性能，使钛合金基体的耐磨性得到提高。
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  不同电解条件下制备铜粉的形貌及结晶学比较分析

  Neboj？aD.NIKOLI？,LjiljanaAVRAMOVI？,EvicaR.IVANOVI？,VesnaM.MAKSIMOVI？,ZvezdanaBA？？AREVI？,NenadIGNJATOVI？

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1275-1284.

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  研究不同析氢条件下恒电位电解法制备铜粉的过程。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、粒度分布(PSD)和比表面积测定(SSA)对铜粉进行表征。根据电解过程析氢量的大小，形成树枝状和菜花状两种类型的颗粒。当析氢量大到足以对近电极层中的流体动力学条件产生强烈影响时，形成菜花状颗粒，否则形成树枝状颗粒。虽然颗粒的宏观结构差异很大，但他们的微观结构却相似，也就是说，这两种颗粒在微观层面上都是由近似球形的Cu颗粒小团聚体组成；球状形貌的存在是造成两种颗粒中Cu晶粒随机取向的原因。菜花样颗粒的比表面积是树枝状颗粒的3倍以上，其粒径则比树枝状颗粒的小很多。由此可见，强析氢条件对于铜粉制备是有益的。
Mining, Minerals Processing and Metallurgical Engineering
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  基于多场耦合分析和微震监测的岩体失稳预警

  罗周全,汪伟,秦亚光,向军

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1285-1293.

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  针对当前岩体失稳预警多从单个角度入手，缺乏对灾害孕育内在机理的深入考虑，开展基于多场耦合分析和微震监测的岩体失稳预警研究。建立考虑损伤的岩体多场耦合模型，并编制相应的解算程序。对微震活动性参数与岩体稳定性之间的关系进行分析，建立多参量预警指标体系。基于D-S数据融合理论，构建多场耦合分析和微震监测融合的岩体失稳预警模型。以某地下矿山采场为研究对象，应用多场耦合模型及其解算程序进行采动响应特征分析，运用微震实测数据验证多场耦合分析的正确性。通过构建的预警模型对采场岩体失稳进行预警，预警结果与现场实际情况吻合，验证了预警模型的有效性。
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  不同碳材料辅助下混合中度嗜热微生物浸出黄铜矿的比较研究

  朱萍,刘学端,陈爱佳,刘宏伟,尹华群,邱冠周,郝晓东,梁伊丽,

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1294-1303.

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  采用混合中度嗜热微生物研究4种碳材料(人造石墨、炭黑、活性炭和碳纳米管)对黄铜矿浸出的催化作用。结果表明，添加人造石墨和活性炭能使溶液pH值降低，氧化还原电位维持在合适的范围，使浸出液中总铁、三价铁浓度和矿渣表面吸附微生物的数量增加，最终提高黄铜矿中铜的浸出率；而添加炭黑和碳纳米管能抑制浸矿微生物的生长，最终导致浸出效率降低。X射线衍射分析表明，在添加人造石墨和活性炭实验组中，黄钾铁矾和硫膜是钝化层的主要成分，但钝化层的形成不会影响黄铜矿的进一步分解。此外，人造石墨和活性炭的添加使浸出体系中游离微生物和吸附微生物的群落结构发生改变。在黄铜矿浸出末期，硫氧化菌A. caldus S1(丰度为93%~98%)成为优势菌种，而铁氧化菌L. ferriphilum YSK所占比例仅为1%~2%。
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  好氧条件下铬污染土壤中Cr(VI)的土著微生物还原

  苏长青,李立清,杨志辉,柴立元,廖骐,石岩,黎佳未

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1304-1311.

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  生物修复是一种环境友好型的修复技术，在铬污染土壤修复中发挥着越来越重要的作用。为了研究土著微生物对土壤中Cr(VI)的还原过程，在生物反应器里进行一系列微生物好氧培养实验。结果显示：在土著微生物存在情况下，在铬污染土壤中添加培养基使Cr(VI)浓度在66 h内从1521.9降低至199.2 mg/kg，而灭菌土壤中Cr(VI)浓度稍微降低，表明Cr(VI)的还原归因于土著微生物的作用。在微生物修复过程中，Cr(VI)的生物还原发生在 、Mn⁴⁺和Fe³⁺的还原后，而先于 的还原。Cr(VI)还原过程可分为两个阶段，分别以生物还原作用的指数方程模型和主要离子综合效应的线性方程模型为特征。土著Cr(VI)还原菌在Cr(VI)污染土壤的原位修复中具有潜在的应用前景。
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  基于石灰苛化法研究CaO在含草酸盐稀铝酸钠溶液中的反应动力学与机理

  张佰永,潘晓林,王江洲,于海燕,涂赣峰

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1312-1322.

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  基于草酸盐石灰苛化法研究水合铝酸三钙和草酸钙分别在稀铝酸钠溶液和草酸钠溶液中的反应动力学和机理，并获得铝酸钠溶液去除草酸盐的最佳条件及其去除机理。水合铝酸三钙和草酸钙的生成分别受化学反应控制和内扩散控制，分别计算其反应速率方程和表观活化能。在含草酸盐的稀铝酸钠溶液中能够形成具有空间交错片状结构的水铝钙石相，其通过吸附大幅度降低溶液中草酸盐杂质。随着反应时间的延长，生成的草酸钙能够转化为水合铝酸三钙。在反应温度为50 °C、搅拌速度为200 r/min下，草酸盐苛化效率达到90%以上，氧化铝损失率在31%以下。
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  铝酸钠溶液中锂离子对溶液种分的影响

  黄文强,刘桂华,剧锦斌,李小斌,周秋生,齐天贵,彭志宏

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1323-1331.

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  研究锂离子对铝酸钠溶液分解率和氢氧化铝的锂含量、形貌和结晶习性的影响。结果表明，随着溶液中锂离子浓度的增加，溶液的分解率和氢氧化铝中锂含量均增大，而溶液中锂析出的质量分数减小。溶液中锂离子的存在使得氢氧化铝优先成核(或二次成核)而产生更多细小的颗粒，导致溶液中总粒子数显著增多。升高温度或减小溶液中锂离子浓度可减小氢氧化铝中锂浓度和减少细粒子数。此外，溶液中锂离子促进三水铝石(110)和(200)晶面的优先生长，导致大量细棒状和片状氢氧化铝附着在粗粒上，并促进成核，这将导致氧化铝强度的降低。研究结果将为提高氧化铝质量提供指导作用。
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  草酸水溶液中天青石转化为酸性草酸锶水合物的动力学

  Mert ZORAGA, Cem KAHRUMAN, Ibrahim YUSUFOGLU

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1332-1345.

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  H₂C₂O₄水溶液中SrSO₄转化为酸性草酸锶水合物(H[Sr(C₂O₄)_1.5(H₂O)])的反应为连串反应。在连串反应的第一步，SrSO₄与H₂C₂O₄反应，转化为赝晶SrC₂O₄ H₂O。第二步，SrC₂O₄ H₂O与H₂C₂O₄反应，生成H[Sr(C₂O₄)_1.5(H₂O)]。如果溶液达到H[Sr(C₂O₄)_1.5(H₂O)]的饱和浓度，当反应混合物冷却至室温时，Sr(HC₂O₄)(C₂O₄)_0.5 H₂O发生结晶。根据溶解的S和Sr的量计算SrSO₄的转化率发现，对于H₂C₂O₄浓度大致相同的溶液，反应初始阶段的反应速率随着温度的升高而增大；在低H₂C₂O₄浓度溶液中，一定时间之后反应进行缓慢，并且由于固体颗粒表面形成SrC₂O₄ H₂O保护层而停止；在一定温度下，SrSO₄的转化率随着H₂C₂O₄浓度的增加而增大。利用收缩核模型得到每一步骤的动力学方程。
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  络合-超滤处理含钴稀溶液及PAA-Co络合物的剪切稳定性

  高静,邱运仁,李茂林,乐恢赏

  中国有色金属学报（英文版）. 2019, 29(6): 1346-1352.

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  采用聚丙烯酸钠(PAAS)作络合剂，研究旋转盘膜络合-超滤处理含钴稀溶液及PAA-Co络合物的剪切稳定性。研究聚合物/金属离子质量比(P/M)及pH对钴截留率的影响，并得到较佳的P/M及pH条件为P/M=8和 pH=7。在此条件下，当旋转盘转速小于710 r/min时，PAA-Co络合物的截留率达97%以上。采用络合-解离分区模型研究钴在膜面的存在形态，并得到PAA-Co络合物解络的临界剪切速率(PAA-Co络合物解络的最小剪切速率)。在pH=7条件下，PAA-Co络合物的临界剪切速率为1.4×10⁴ s^-1，对应的旋转盘临界转速为710 r/min。当剪切速率大于1.4×10⁴ s^-1时，PAA-Co络合物解络，可通过剪切诱导解络-超滤实现络合剂和Co(II)的分别回收。