总序
有色金属是重要的基础原材料, 广泛应用于电力、 交通、 建筑、 机械、 电子信息、 航空航天和国防军工等领域,
在保障国民经济建设和社会发展等方面发挥了不可或缺的作用。
改革开放以来, 特别是新世纪以来, 我国有色金属工业持续快速发展, 已成为世界最大的有色金属生产国和消费国, 产业整体实力显著增强,
在国际同行业中的影响力日益提高。主要表现在: 总产量和消费量持续快速增长, 2008年, 十种有色金属总产量2 520万吨,
连续七年居世界第一, 其中铜产量和消费量分别占世界的20%和24%; 电解铝、 铅、
锌产量和消费量均占世界总量的30%以上。经济效益大幅提高, 2008年, 规模以上企业实现销售收入预计2.1万亿以上,
实现利润预计800亿元以上。产业结构优化升级步伐加快, 2005年已全部淘汰了落后的自焙铝电解槽; 目前, 铜、 铅、
锌先进冶炼技术产能占总产能的85%以上; 铜、 铝加工能力有较大改善。自主创新能力显著增强, 自主研发的具有自主知识产权的350
kA、 400 kA大型预焙电解槽技术处于世界铝工业先进水平, 并已输出到国外; 高精度内螺纹铜管、 高档铝合金建筑型?及时速350
km高速列车用铝材不仅满足了国内需求, 已大量出口到发达国家和地区。国内矿山新一轮找矿和境外矿产资源开发取得了突破性进展,
现有9大矿区的边部和深部找矿成效显著, 一批有实力的大型企业集团在海外资源开发和收购重组境外矿山企业方面迈出了实质性步伐,
有效增强了矿产资源的保障能力。
2008年9月份以来, 我国有色金属工业受到了国际金融危机的严重冲击, 产品价格暴跌, 市场需求萎缩, 生产增幅大幅回落,
企业利润急剧下降, 部分行业已出现亏损。纵观整体形势, 我国有色金属工业仍处在重要机遇期, 挑战和机遇并存,
长期发展向好的趋势没有改变。今后一个时期, 我国有色金属工业发展以控制总量、 淘汰落后、 技术改造、 企业重组、
充分利用境内外两种资源, 提高资源保障能力为重点, 推动产业结构调整和优化升级, 促进有色金属工业可持续发展。
实现有色金属工业持续发展, 必须依靠科技进步, 关键在人才。为了全面提高劳动者素质,
培养一大批高水平的科技创新人才和高技能的技术工人, 由中国有色金属工业协会牵头, 组织中南大学出版社及有关企业、
科研院校数百名有经验的专家学者、 工程技术人员, 编写了《中国有色金属丛书》。《丛书》内容丰富, 专业齐全, ?学系统, 实用性强,
是一套好教材, 也可作为企业管理人员和相关专业大学生的参考书。经过编写、 编辑、 出版人员的艰辛努力,
《丛书》即将陆续与广大读者见面。相信它一定会为培养我国有色金属行业高素质人才, 提高科技水平, 实现产业振兴发挥积极作用。
康义
2009年3月
前言
锌粉及合金锌粉, 是铅锌产业重要的产品之一。近年, 伴随着我国铅锌产业的蓬勃发展, 锌粉及合金锌粉的产能也迅猛增长。提高生产技术水平、
节能降耗, 将成为该产品保持旺盛生命力的重要课题。
本书从基本原理出发, 侧重生产应用, 对我?锌粉及合金锌粉的生产技术现状做了系统的介绍。重点介绍了蒸馏锌粉生产、 精馏锌粉生产、
冶金还原用电炉锌粉生产、 冶金还原用喷吹锌粉生产、 碱性电池锌粉生产等技术的原理、 工艺流程、 主要设备特点、
主要技术经济指标及操作经验。同时也介绍了相关的粉末冶金知识及生产中的安全防护等。
本书共分7章, 第1、 7章由郭天立中冶葫芦岛锌业股份公司编写, 第2、 3章由徐红江中冶葫芦岛锌业股份公司编写,
第4章由熊家政、 赵涛、 鲁志昂株洲火炬工业炉有限责任公司共同编写, 第5章由杨如中中冶葫芦岛锌业股份公司、 郭天立、
李勇株洲火炬工业炉有限责任公司共同编写, 第6章由周炳利辽宁省葫芦岛市经济合作办公室编写。
本书适用于锌粉生产企业的工人、 技术人员和管理人员, 也可供大、 中专学校、 职业培训学校的教师和学生以及相关研究、
设计人员参考。
在本书的编写过程中, 中南大学出版社领导和编辑们给予了非常具体的指导和帮助, 也得到了中国有色金属工业协会、 葫芦岛锌业股份公司、
株洲火炬工业炉有限责任公司各级领导的大力支持, 特别是周炳利教授级高级工程师利用业余时间完成了大量的工作,
所有编者都表现出了极好的合作精神。在此, 一并?示衷心的感谢。
受编者工作范围和技术水平的限制, 书中难免有错误和片面之处, 敬请广大读者和同仁提出宝贵意见。
郭天立
2010-11-11
第1章 概论
1.1 粉体材料的界定
关于粉体材料, 并没有严格的定义。一般情况下, 固体物质的外观尺寸在1 mm以下的材料, 称为粉体材料。
粒度是粉体材料最具代表性的特性之一, 粒度的单位, 除采用国际单位毫米mm外, 实际中习惯采用泰勒标准筛制表示。
泰勒标准筛制的单位为网目数mesh, 简称目。网目数同时表示了筛网的孔径和粉体的粒度。所谓网目数是指筛网1英寸25.4
mm长度上的网孔数。目数越大, 网孔越细。由于网孔是网面上丝间的开孔, 每一英寸上的网孔数与丝的根数应相等,
所以网孔的实际尺寸还与丝的直径有关。如果以m代表目数, a代表网孔尺寸, d代表丝径, 则其间关系为:
泰勒标准筛制的网目数与毫米的对照关系见表1-1。
表1-1 泰勒筛制的网目数与毫米对照表
1.2 粉体材料的主要性能
实践中, 通常将粉体材料的性能分为化学性能、 物理性能和工艺性能三类介绍。
化学成分主要指粉末中主成分的含量和杂质的含量。金属?末的化学分析与常规的金属试样分析方法相同。
物理性能主要包括颗粒形状、 粒度及粒度组成、 比表面积、 颗粒密度、 粉末体密度等。
工艺性能主要包括松装密度、 振实密度、 流动性等。
1.2.1 粉体材料的颗粒形状
颗粒形状是指粉末颗粒的几何形状。可将粉末试样均匀分散在玻璃试片上, 用放大镜或各式显微镜进行观察,
也可以用图像分析仪进行分析。颗粒形状可以笼统地划分为规则形状和不规则形状两大类。规则形状的颗粒外形可近似地用某种几何形状的名称描述,
它们与粉末生产方法密切相关。
一般来说, 准确地描述粉末颗粒的形状是很困难的。在测定和表示粉末形状时, 常采用表面形状因子、
体积形状因子和比形状因子来近似地表述。
直径为d的均匀球体, 其表面积和体积分别为S=πd2和V=π6d3,
其中的系数π和π6就称为球的表面形状因子和体积形状因子。对于任意形状的颗粒,
其表面积和体积可以认为与某一相当的直径的平方和立方成正比, 而比例系数则与选择的直径有关。如果用投影面径da代表直径,
则表面积和体积分别为S=fd2a和V=kd3a, 两者的比值fk称为比形状因子。
对于规则的球形颗粒, f=π, k=π6, fk=6。其他形状颗粒fk均大于6。形状愈复杂,
则比形状因子就愈大。表1-2列出了某些金属粉末的近似形状与比形状因子的关系。
表1-2 某些粉末的近似形状与比形状因子的关系
1.2.2 粉体材料的粒度和粒度组成
用直径表示颗粒大小称为粒径或粒度。由于组成粉末的无数颗粒不可能同样大小,
因此又用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量来表示颗粒大小的状况, 称为粒度组成, 也称粒度分布。
粒度仅指单个颗粒, 而粒度组成则指整个粉末体。通常所说的粒度包含有粉体平均粒度的意思, 具有统计学平均粒径的含义。
粉末粒度的测定方法很多, 但每种方法都依据固定的测量原理, 因此都有一个最佳的粒度测定范围, 如表1-3所示。
表1-3 常用的粒度测量方法及其粒度测量范围
1.2.3 粉体材料的比表面积
比表面积是粉末体的一种综合性质, 是由单颗粒性质和粉末体性质共同决定的。
粉末比表面积定义为1 g质量的粉末所具有的总表面积, 单位为m2g。
粉末比表面积是粉末的平均粒度、 颗粒形状和颗粒密度的函数。测定粉末比表面积通常采用吸附法和透过法。
1吸附法
利用气体在固体表面的物理吸附测定物质的比表面积的方法称为吸附法, 其原理是: 测量?附在固体表面上气体单分子层的质量或体积,
再由气体分子的横截面积计算1 g物质的总表面积, 即得克比表面积。
气体被吸附是由于固体表面存在剩余力场, 根据这种力的大小和性质不同, 分为物理吸附和化学吸附。前者是范德华力起作用,
气体以分子状态被吸附; 后者是化学键力起作用, 相当于化学反应, 气体以原子状态被吸附。物理吸附常在低温下发生,
而且吸附量受气体压力的影响较显著。建立在多分子层吸附理论上的BET法是低温氮气吸附法,
属于物理吸附。这种方法已广泛应用于比表面积的测定。
2透过法
透过法根据利用介质的?同, 分为气体透过法和液体透过法。液体透过法只适用于粗粉末或孔隙较大的多孔性固体, 如金属过滤器,
在粉末测试中应用得很少。
气体透过法是测定气体透过粉末床层的透过率来计算粉末比表面积或平均粒径的方法。根据常压气体通过粉末床层的流速、
压力降与粉末床层的孔隙率、 几何尺寸及粉末表面积等参数的关系, 可以推导出来,
这种参数关系经过修正也可以推广应用于低压气体。
气体透过法是当前测定粉末及多孔材料的比表面积, 特别是测定亚筛级粉末平均粒度的重要工业方法。
气体透过粉末床层的透过率或所受的阻力, 与粉末的粗细或比表面积的大小有关。粉末愈细, 比表面积愈大, 对流体的阻力也愈大,
因而单位时间内透过单位面积的流体量就愈小, 也就是说, 当粉末床层的孔隙度不变时,
气体通过粗粉末比通过细粉末的流量大。透过率或流量是容量测量的, 所以只要找出它们与粉末比表面积的定量关系, 就可以得到粉末的比表面积,
这种关系前人已经推导出来。这就是气体透过法测量粉末比表面积的原理。
1.2.4 粉体材料的松装密度和振实密度
松装密度是粉末试样自然地充满规定的容器时, 单位容积的粉末质量, 单位为gcm3或kgm3。
振实密度是将粉末装入?动容器中, 在规定的条件下振动, 直到粉末的体积不再减小时所测得的粉末密度,
单位为gcm3或kgm3。一般振实密度比松装密度高20%~50%。
松装密度是粉末自然堆积的密度, 因而取决于颗粒间的黏附力、 相对滑动的阻力以及粉末体孔隙被小颗粒填充的程度、 粉末体的密度、
颗粒形状、 颗粒密度和表面状态、 粉末的粒度及粒度组成等因素。粉末颗粒形状愈规则, 其松装密度就愈大; 颗粒表面愈光滑,
松装密度也愈大; 粉末颗粒愈粗大, 其松装密度就愈大; 细粉末形成拱桥和互相黏附妨碍了颗粒相互移动,
故粉末的松装密度减小。粉末颗粒越致密, 松装密度就越大。粉末粒度范围小的粗细粉末, 松装密度都较低。当粗细粉末按一定比例混合均匀后,
可获得最大松装密度, 因为粗颗粒之间的大孔隙可被一部分细颗粒填充。
1.3 粉体材料的生产方法
粉体材料的生产方法有许多种, 大致上可分为三类: 机械法、 物理化学法和雾化法, 也可以把雾化法纳入机械法。
机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎而化学成分基本上不发生变化的工艺过程。
物理化学法则是借助化学的或物理的作用, 改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程。物理化学法包括电解法、 还原法、 液相法、
气相法等方法。
1.3.1 粉体材料的机械粉碎法
机械粉碎法也称固相法, 是用磨细来制造粉末体的方法。磨机种类多种多样, 如球磨、 旋涡研磨、 高能球磨、 冷气流破碎等。
粉碎的物料可以是金属包括有色金属、 金属氧化物及铁合金、 合金钢等。产生粒子的形状也多种多样, 有不规则的、 盘状的、 近球形的,
粒度为10~500 μm。
1.3.2 粉体材料的雾化法生产
将熔化的物料用较高压力的气体空气或惰性气体或水, 喷到料上使之分散似雾状的方法为雾化法。这种方法应用得较多,
处理的物料可以是金属、 合金钢、 各种合金等。产生的粒子为近球形、 不规则形、 球形, 粒度为20~1000 μm。
雾化法又大致分为气体雾化法、 水雾化法、 旋转圆盘雾化法和旋转电极雾化法几种。
1.3.3 粉体材料的电解法生产
电解法分水溶液电解和熔盐电解两种, 处理的物料为金属、 合金, 得到的粒子为树枝状晶体或不规则粒子, 粒度为150~1000
μm。
1.3.4 粉体材料的还原法生产
这是以金属氧化物为原料生产金属粉末的方法, 包括气体还原法、 金属热还原法、 碳还原法等, 产生的粉末有海绵状、 近球形状,
粉末的粒度小于150 μm。
1.3.5 粉体材料的液相法生产
在水溶液中将金属化合物沉淀, 有的成凝胶, 再干燥处理而制成粉末的方法, 或在水溶液中用高压氢还原,
也有将金属盐溶液以雾状喷入高温气体中干燥成粉, 或氧化成氧化物粉的方法为液相法。
这种方法应用广泛, 以生产化合物粉末为多, 粒径小于150 μm, 甚至达到纳米级。水溶液还原还可得到金属粉。
1.3.6 粉体材料的气相法生产
气相法是先将原料转变为气体, 然后冷凝转化为固体粉末的方法。气体的转化, 有单纯转化, 也有化学反应转化。处理的原料可以是金属、
合金或化合物。
原料转化为气体的加热方?也有很多种, 如电阻加热、 高频感应加热、 等离子体加热、 电子束加热、 激光加热、 电弧加热,
甚至一次能源煤、 天然气等加热。
转化的环境有常压, 也有真空。该方法也有广泛的应用, 产生的粉末粒度可以细到纳米级。
1.4 锌粉的分类与用途
实际上, 锌粉并没有一个分类的标准, 按锌粉的主要用途可分为以下几类。
1冶金还原用锌粉
该类锌粉主要是利用锌的标准电极电位比许多重金属都负的性质, 在重金属溶液中将比锌电位正的金属离子置换还原出来。
这类锌粉可以是纯度主品位较高的锌粉, 也可以是纯度不很高含金属锌90%以上甚至有意添加一些微量有益元素如铅、
锑等的锌粉。这类锌粉的粒度一般为0.175~0.043 mm。
2电池材料用锌粉
由于锌的负电性特征, 又价廉易得, 在化学电源中是应用最多的一种负极材料,
如锌-二氧化锰Zn-MnO2干电池等。这类锌粉基本是添加了微量有益元素的合金锌粉, 粒度一般为0.121~0.074
mm。
3防腐用锌粉
锌的用途很广泛, 但一半左右用于腐蚀防护领域, 锌作为保护层覆盖在钢材或钢铁制品表面上。
镀锌是钢铁腐蚀最有效的防护方法之一。锌镀层对钢铁的保护作用主要体现在以?方面:
①镀锌层可以避免钢材和腐蚀介质直接接触。
②当镀锌层出现钢铁暴露点或因腐蚀或机械损伤后露出钢铁基体时, 钢铁基体与镀锌层就会构成微电池。由于锌比铁活泼,
所以镀锌层充当微电池的阳极被腐蚀, 铁则成为微电池的阴极而受到保护。
③当镀锌层因选择性溶解出现较小的不连续间隙时, 镀锌层因为形成腐蚀产物而发生体积膨胀,
使得间隙愈合从而阻碍电化学反应的进一步发展。
镀锌层广泛用于钢铁材料的腐蚀防护。在获得镀锌层的途径中, 有两种与锌粉有关:
①粉末法渗锌。渗锌镀层比其他镀层具有较高的硬度和耐磨性。渗锌层与铁的电位差比锌与铁的电位差小, 作为阳极保护层,
渗锌层具有更好的防护效果。渗锌层在大多数中性和微碱性介质中耐蚀性较好,
还可以改善钢的耐腐蚀疲劳性能以及提高钢在含硫化氢气流中的耐蚀性。渗锌层主要用于弹簧、 紧固件、
钢管以及需要严格控制尺寸误差的零部件。
②喷镀锌层。 其最大特点是厚度没有限制。虽然喷镀层稍微粗糙多孔, 但仍能起到保护作用。喷锌层可用于现场保护各种形状、 大小的部件,
特别适合于无法移动的大型结构如桥梁、 建筑结构等的防护, 但不适合带沟、 槽和内孔的零件。在一些要防护的部件结?大、
设备和场地受到限制, 喷镀方法无法采用的情况下,
富锌油漆就成为最有效的方法。富锌油漆尤其适合一些特大型结构如房屋和海洋工程中的钢结构、 浮动码头、 水塔、 桥梁、 压力容器外壳、
船壳等。该法具有方便、 灵活的优点, 欠缺是保护期限不是很长。
防腐用锌粉一般都具有较高的纯度, 同时粒度要求都较细, 至少要达到-0.043 mm。
1.5 锌粉的主要生产方法
锌粉的生产方法与其他粉体材料的生产方法基本相同。一般来说, 生产方法与用途有关。不同的用途, 要求锌粉具有某些特殊性质,
也就诞生了相应的生产方法。
1.5.1 冶金还原用锌粉的生产方法
实践中, 冶金还原用锌粉, 根据企业的客观条件会选择两类方法: 一是喷吹法, 二是气相凝聚法。
1喷吹法
这一方法一般使用粗锌做原料, 在加热条件下, 把原料粗锌熔化,
再使用高压空气在特定的条件下将液体锌破碎并同时凝固为粉末。加热设备可以是反射炉, 使用煤气、 天然气等为燃料,
也可以是电炉。高压风通过特殊设计的喷嘴实现液体锌的破碎。喷吹法的核心技术是喷嘴的设计,
使用不同的喷嘴生产的锌粉粒度差异很大。喷嘴为非标设备, 并不被广泛掌握,
致使该技术的推广受到限制。该法在同一台熔炼炉内可以安装多套喷嘴, 所以产量可调, 可以实现大产量生产。同时,
由于工艺机理上是高压风破碎液体锌, 不必像气相冷凝法那样要使锌先蒸发变成锌蒸气, 所以生产工艺是比较节能的。
喷吹法以粗锌甚至是商品锌如阴极锌片为原料, 这类原料只要稍做加工就可以成为商品。制成锌粉返回冶金还原过程使用,
相当于整体冶金生产过程中中间品的循环使用, 这一点对资源的合理利用是不利的。
对于生产合金锌粉而言, 喷吹法又有其有利的一面。这是因为, 熔融的液体锌合金可以实现充分的合金化,
经过高压风或惰性气体的物理破碎, 不会改变合金的组成即不会造成合金偏析, 可以生产成分稳定均匀的合金锌粉。 在这方面,
喷吹法相比其他的锌粉生产方法具有明显的优势。
2气相凝聚法
这种方法基本上采用两种工艺: 电炉法和蒸馏法。
①电炉法。以各种含锌的氧化物为原料, 可以是硫化锌精矿经过焙烧后的氧化锌矿, 也可以是天然氧化锌矿,
还可以是各种冶金过程中或其他工业过程产生的含锌的氧化物中间产品。
原料在以石墨为电极的电弧炉内熔化, 氧化锌与熔体中的焦炭反应产生锌蒸气蒸发, 原料中的其他杂质如铁等与熔体中的造渣剂如石灰石、
石英石等反?并造渣脱除。锌蒸气从炉内导出, 并在特定的冷凝器内冷凝变成锌粉。
电炉法以次级氧化锌物料为原料直接生产锌粉, 不但可以有效使用杂料, 而且属直接法生产锌粉,
不必像其他方法那样在已经提炼为粗锌后再制锌粉返回使用, 所以是资源合理使用又节能的流程。
电炉法生产锌粉, 在锌蒸气冷凝成锌粉前的冶金过程, 基本上等同于电炉炼锌过程, 所以在电炉内的冶金反应中,
一些容易被碳还原并挥发的元素如铅、 镉等也会有一部分随锌一起蒸发并冷凝, 所以该法产出的锌粉,
主品位一般会视所处理原料的杂质情况而有不同程度的降低。实践证明, 虽然所产锌粉的主品位没有其他锌粉高,
但并不会影响冶金还原的置换过程。相反, 由于原料中基本上都会有少量的铅,
致使锌粉中也会含有一定量的铅。这种“含铅合金锌粉”对于置换一些含有超电位的金属杂质如钴、 镍等,
具有比“纯锌粉”更优的效果。
电炉法生产锌粉, 其锌蒸气的冷凝系统也有特殊的结构, 可以保证产出-0.121 mm甚至更细的锌粉,
完全能够满足冶金还原反应的需要。
对于有原料杂料来源保障的企业, 采用电炉法生产锌粉, 是一种很好的选择, 符合循环经济的原则。
②蒸馏法。蒸馏法生产锌粉是以粗锌为原料。?先把锌熔化蒸发成锌蒸气, 锌蒸气在特定的冷凝装置内冷凝为锌粉的冶金过程。蒸馏法生产锌粉,
使用的加热热源为煤气或天然气。 对于缺少该类热源的企业, 该法不适用。
从反应机理和过程来讲, 蒸馏法属于间接法, 且需将锌先蒸发为锌蒸气, 所需能耗较高。 蒸馏法相比喷吹法在能耗上没有优势,
相比电炉法在原料的选择上也缺乏优势。
但是, 蒸馏法可以通过技术条件的控制, 生产出粒度相当细的锌粉, 很容易达到-0.043 mm。更细的锌粉,
通过技术手段也一样可以实现。显然, 使用蒸馏法生产锌粉用于冶金还原过程, 能耗稍高,
且锌粉质量是过剩的。该方法生产的锌粉以追求粒度细为目标, 应用于冶金还原以外的其他领域如作为防腐漆生产的添加剂等,
具有明显的优势。
1.5.2 化学电源干电池用锌粉的生产方法
化学电源干电池用锌粉, 俗称电池锌粉, 是合金锌粉的一种, 且对锌粉的粒度及粒度分布有特殊的要求。
理论上讲, 电解法、 雾化法包括离心雾化法等都可以生产此类锌粉。这类方法的共同特点是: 在一定程度上可以控制产品的粒度。同时,
电池锌粉需要添加有益的合金元素, 该类方法对于合金锌粉成分的均匀稳定有利。
实践上, 电池锌粉采用雾化法生产的?多。雾化法虽然在一定程度上可以控制锌粉的粒度及粒度组成,
但要实现自由控制在现阶段是做不到的。
从技术角度讲, 不断改进完善雾化法, 包括开发新的生产方法, 以实现对锌粉粒度的自如控制是未来努力的方向,
同时研究更宽范围内的粒度组成在电池领域的自如使用也不失为一种好的研究方向。
1.5.3 化工防腐用锌粉的生产方法
化工防腐用锌粉, 对金属锌含量及粒度均有特殊要求, 粒度至少在-0.043 mm以下,
也有的用户对颗粒形状提出特殊要求。近年该类锌粉有逐渐要求更细的趋势, 属于超细甚至纳米锌粉范畴。
该类锌粉的生产, 一般为间接法, 要求以达到一定纯度的锌锭为原料。其生产方法, 以气相凝固法居多。
超细乃至纳米锌粉的生产方法, 与用途密切相关。根据用途不同, 除对粒度有要求外, 对颗粒形状也有要求,
其生产方法均在纳米粉体的生产方法内。
这类锌粉的开发与使用, 国内还比较薄弱, 是未来发展的方向之一。
1.6 锌粉标准
1.6.1 锌粉标准范围
本标准规定了锌粉的要求、 试验方法、 检验规则及包装、 标志、 运输和贮存。
本标准适用于以金属锌或锌物料为原料, 用蒸馏法、 雾化法、 电热还原法生产的金属锌粉, 主要供涂料、 染料、 冶金、
化工及制药等工业部门使用。
1.6.2 锌粉引用标准
引用标准有:
GBT 1715—1979 颜料筛余物测定法。
GBT 5314—1985 粉末冶金用粉末的取样方法。
GBT 6524—1986 金属粉末粒度分布的测定光透法。
1.6.3 锌粉标准要求
1产品分类
锌粉按化学成分分为一级、 二级、 三级、 四级四个等级。
锌粉按粒度分为FZn30、 FZn45、 FZn90、 FZn125四种规格。
2化学成分
锌粉的化学成分应符合表1-4的规定。
表1-4 锌粉化学成分标准
3粒度及筛余物
锌粉的粒度应符合表1-5的规定。
表1-5 锌粉粒度标准
锌粉用作与饮用水接触的涂料时, 杂质铅和镉的含量应分别不大于0.01%。
生产立德粉用的锌粉, 铅含量可不做规定; 生产保险粉用的锌粉, 除金属锌和筛余物外, 其他成分可不规定。
需方如对化学成分或粒度有特殊要求时, 由供需双方商定。
4外观
锌粉外观呈灰色, 锌粉内不应混入外来夹杂物。
1.6.4 锌粉试验方法
1化学成分分析方法
锌粉的化学成分仲裁分析方法按国标Na2EDTA滴定法测定全锌量、 金属锌量、 光焰?子吸收光谱法测定铅量、
光焰原子吸收光谱法测定铁量、 光焰原子吸收光谱法测定镉量、 质量法测定酸不溶物含量、 质量法测定硫量的规定进行。
2粒度的测定方法
锌粉粒度分布的仲裁测定方法按GBT 6524 中光透法的规定进行。
锌粉筛余物的仲裁测定方法按GBT 1715 中甲法的规定进行。
1.6.5 锌粉检验规则
1检查和验收
锌粉由生产厂家技术监督部门进行检验, 保证产品质量符合本标准的规定, 并填写质量证明书。
需方应对收到的产品按本标准的规定进行检验, 如检验结果与本标准的规定不符时, 应在收到产品之日起30天内向供方提出,
由供需双方协商解决。如需仲裁, 仲裁取样在需方共同进行。
2组批
锌粉应成批提交验收, 每批应由同一规格、 等级的锌粉组成若干个生产批构成一个检验批的时间应不超过7天。每批净重不超过5
t。
3检验项目
每批锌粉应进行化学成分、 粒度和外观的检验。
4仲裁取样和制样
仲裁取样方法按GBT 5314 的规定进行。
将所有试样混匀, 并缩分至1 kg, 均匀分成4等份, 1份供供方分析用, 1份供需方分析用, 1份供仲裁分析用,
1份备用。
5检验结果判定
化学成分的仲裁分析结果与本标准规定不符时, 该批为不合格品。
粒度的仲裁测定结果与本标准规定不符时, 该批为不合格品。
锌粉的颜色与本标准规定不符时, 该批为不合格品; 有外来夹杂物时, 该桶为不合格品。
1.6.6 锌粉包装、 标志、 运输和贮存等
1包装
锌粉用铁桶包装, 内衬塑料袋, 袋口用绳扎紧, 桶盖应牢固并密封, 每桶净重分为25 kg、 40 kg、 50
kg。需方如有特殊要求时, 由供需双方商定。
2标志
包装桶表面应涂上不易脱落的颜色标志, 各包装桶的颜色标志规定如下:
包装桶上应注明: 生产厂名称及厂址, 产品名称, 净重, 注册商标, 防潮、 防火、 轻放标志。
每个包装桶上应有产品合格证, 其上注明: 生产厂名称及厂址, 产品名称, 批号, 牌号、 等级, 标准编号, 生产日期。
3运输和贮存
锌粉在运输过程中应防潮、 防火、 轻放, 避免撞击和跌落。
锌粉应贮存在通风、 干燥、 防火的库房内。
4质量证明书
每批锌粉出厂时应附有产品质量证明书, 其上应注明: 生产厂名称及厂址, 产品名称, 批号, 牌号、 等级、 批净重和桶数,
主要技术指标检验结果及技术监督部门印记, 标准编?, 出厂日期。
5使用说明书
每批锌粉出厂时应附有产品使用说明书, 说明书内一般应包括下列内容: 产品特点, 主要用途及适用范围, 主要参数, 使用注意事项,
生产厂名称、 厂址等。
6订货单内容
本标准所列材料的订货单或合同内应包括下列内容: 产品名称, 牌号, 等级, 数量, 本标准编号、 代号, 其他。
1.6.7 锌粉化学成分的测定
锌粉化学成分的测定主要包括:
①Na2EDTA滴定法测定全锌量。
②Na2EDTA滴定法测定金属锌量。
③光焰原子吸收光谱法测定铅量。
④光焰原子吸收光谱法测定铁量。
⑤光焰原子吸收光谱法测定镉量。
⑥重量法测定酸不溶物含量。
⑦重量法测定硫量。
1.7 锌粉的粒度分级
1.7.1 锌粉粒度分级原理
目前工业化使用的分级方法主要有: 旋流式分级、 干式机械分级叶轮式, 旋流式、
碟式分级及卧螺式分级。这些分级方法都是基于重力场和离心力场进行分级的。
1锌粉粒度的重力场分级原理
重力场分级是根据层流状态下的斯托克斯定律, 在分级过程中, 假设流场是按层流状态进行, 并假设超细固体颗粒呈球形,
在介质中是自由沉降。因此可认为在分级过程?, 这种超细球形颗粒在自身重力场作用下,
在介质气体或液体中沉降时单一颗粒所受到的介质阻力Fp为
单一颗粒所在某一介质中受到的重力Fg为
颗粒在介质中自由沉降时, 沉降速度逐渐增大, 与此同时所受到的阻力也增大,
因而自由沉降加速度也逐渐减小。当介质的阻力等于颗粒的重力时, 其沉降加速度为零, 沉降速度保持恒定。这一定速称之为颗粒的沉降末速
v0, 此时, Fp=Fg, 整理后为
式1-3表明, 当被分级的物质及所采用的介质一定即δ、 ρ、 η一定时, 沉降末速只与颗粒的直径大小有关。因此,
根?不同直径的颗粒的末速差异, 可对颗粒大小不同的颗粒进行分级。上式是基于假设流场为层流, 颗粒呈球形,
在介质中是以自由沉降形式进行。这些与实际情况都有较大差异。对于大颗粒物料来说, 往往颗粒形状影响较大,
因此实际应用式1-3时要引入形状修正系数可从有关文献中获得。对于超细颗粒来说, 形状因素可忽略不计,
但其在沉降过程中往往要受到较多干扰, 应属于干涉沉降。对于同一颗粒, 其干涉沉降的末速度往往较自由沉降时末速度小,
因此对上式需进行修正。
2锌粉粒度的离心力场分级原理
由上述沉降末速度的表达式1-3可知, 当被分级的物质、 介质及颗粒的粒径都相同时, 要提高颗粒的沉降末速度,
关键是要提高重力加速度g。
颗粒在离心力场中所受到的离心力Fc为
式1-4表明, 对于一定的颗粒及一定的介质, 其受到的离心力随旋转半径r和旋转角速度ω增大而增大,
ω的增大效果最明显。在离心沉降过程中, 对于同一颗粒所受到的介质的阻力Fp为
当介质的阻力与离心力达到平衡时, 颗粒在离心力场中的沉降速度达最大值且为恒速 v0r,
v0r可由Fc=Fp导出:
当颗粒极细时, 可采用斯托克斯阻力公式近似代替, 即
kρd2v20r≈3πηdv0r
1-7
代入式1-6得
定义: j=ω2rg, 为离心分离因素, 并将离心加速度 a=rω2代入式1-8得
从式1-9可以看出, 当被分级的物质一定, 介质一定, 介质的黏度一定, 离心加速度或分离因素一定时,
颗粒的离心沉降速度只与颗粒的直径大小有关。因而可采用离心力场根据颗粒离心沉降速度的不同,
对颗粒大小不同的颗粒进行分级。当被分级的物料及介质的各种特性一定时, 提高颗粒的离心沉降速度?关键是提高离心加速度
a或分离因素j。
对于超细颗粒来说, 可将其非球形直径d按式1-10经验值换算成当量球体直径dc
考虑到颗粒在较浓的悬浮液中是以阻滞沉降进行, 其沉降速度远小于自由沉降时的速度, 因此, 要引入经验修正系数
1-λ5.5, 其中λ为悬浮液中固相颗粒的容积浓度。
对于浓悬浮液中的超细颗粒, 在离心力场作用下, 其离心沉降速度可按下式1-11计算。
式1-11指出, 当其他条件一定时, 提高离心沉降速度的关键是要提高分离因素j。
3锌粉粒度的分级效率与分级精度
分级效率是?判一种分级方法优劣的重要指标, 在工业化应用中, 这一指标十分重要。对于某一分级方法即使分级出的产品分布范围很窄,
但分级效率很低, 在工业化生产中仍无实际应用价值。
分级效率通常有如下几种表示方法, 即部分分级效率、 总分级效率、 牛顿分级效率、 分级精度又称锐度、
理查德分级效率和粒级效率曲线等。
①部分分级效率Edi。
它是指分级出的产品中粒径为di的颗粒的质量占分级给料量中粒径为di的颗粒的质量分数。部分分级效率Edi可用式1-12表示。
②总分级效率E。它是指分级出的产品的总质量占?级给料量的质量分数, 可用下式表示
③牛顿分级效率ηN。它在实际应用中经常采用, 是一种最经典的分级效率表示方法。其计算公式如下
设Q代表被分级的原料总量; Q1代表原料中粗粒量; Q2代表原料中细粒量。m、 n、 p分别代表原料、
粗粒级部分和细粒级部分中实有的粗粒级物料的百分含量, 则有
Q=Q1+Q2
Qm=Q1n+Q2p
1-14
将式1-14代入牛顿分级效率的计算公式并整理得
式1-15是经常用来计算牛顿分级效率的具体公式。
④分级精度S2575。经常是用相当于分配率为75%和25%的粒度d75和d25来表示, 即
通常 S2575之值越大, 分级精越高。
⑤理查德Richard分级效率。理查德分级效率ηN也是较早采用的一种分级效率计算方法, 计算方法如下
4锌粉粒度各种分级效率与分级精度表达方法的评价与建议
评价分级效果的?劣由分级效率来衡量。理想分级是把颗粒在分级点彻底地分开, 即小于分级粒径的颗粒不混杂在粗粒产品中,
大于分级粒径的颗粒不混杂在细粒产品中, 这时分级效率应为100%。如果仅把原样分成两部分, 每部分的粒度分布均与原样完全相同,
这称之为分割, 分割的分级效率就视为0%。然而, 实际分级是介于两者之间, 衡量分级效果优劣的分级效率, 要能定量确定分级的清晰程度,
并能全面完整地评价真实分级效果。
牛顿分级效率计算法, 符合理想分级时效率为100%, 分割时效率为0%, 是比较好的分级效率计算法。理查德分级效率计算法,
符合理想分级时效率为100%, 但分割时效率不为0%,
且不是定值。规范化粒级效率曲线切割粒径点的斜率dηD*pdD*pD*p-1只符合分割时效率为0%,
但且不符合理想分级时效率为100%。
为此, 通常采用粒级效率曲线切割粒径点的斜率对应的正弦来评价分级效率, 即
sin[arctandηD*pdD*pD*p-1]
这种表示既符合理想分级时效率为100%, 又符合分割时效率为0%, 而且粒级效率曲线通常均要测定,
便于使用。另外分级精度锐度d25d75也基本符合两种分级极端情况的效率值。
5锌粉粒度分级极限与分级粒径
不同的分级设备有不同的分级极限。 在工程上通常理解为, 分级极限是指某一特定设备对粉体进行分级时, 实际所能获得的最小粒度限度。因此,
在工程上往往将它与分级设备所能达到的最小分级粒径相联系, 有时甚至互用。分级粒径有时又称切割粒径或中位分离点,
它是评判某一分级设备技术性能的一个很重要的指标, 也是实际生产中设备选型的一个重要依据。
分级粒径的确定有图解法和计算法两种, 在工程上较实用且易理解的是计算法。计算法可结合不同的分级设备的具体形式,
根据其物理和数学模型推导出直观的和实用的具体计算公式。为了便于理解以及以后应用与分析问题方便, 以下分别对涡轮式气流分级机、
水力悬流器、 沉降式离心机等分级设备的分级粒径计算方法和公式进行推导。
图1-1 涡轮式气流分级机分级原理
①涡轮式气流分级机的分级原理及分级粒径。图1-1中圆形表示分级叶轮的截面, 气流以虚线表示,
P交于叶轮表面上的某一点。叶轮平均半径为R, 颗粒粒径为d, 密度为γ。颗粒在P点上受两个相反力的作用,
即由叶轮旋转而产生的离心惯性力F和气流阻力T。这两个力可以分别用下列方程表示
当颗粒所受离心惯性力大于阻力, 即FT时, 颗粒沿叶轮方向飞向器壁, 然后由分级机底部排出机外, 成为粗粒级产品;
当离心惯性力小于阻力, 即F〈T时, 颗粒随中心气流从排出管排出; 当颗粒所受到的力F=T时,
理论上颗粒将绕半径为R的分级圆轨道连续不停地旋转。此时, 颗粒的直径称为分级粒径dT。由此得
式1-20仅适用于球形颗粒, 对于非球形颗粒需引入形状修整系数Ps后得
将叶轮转速 代入式1-20得
由式1-22可知, 要获得较细的分级产品, 关键是要降低分级粒径。 提高叶轮转速n, 增大分级叶轮直径2R,
提高被分级物料密度, 减小气流速度 vr, 减小气流的黏度和密度等, 可使分级粒径dr降低, 获得较细的?品。然而,
对于某一型号的分级设备及物料与介质而言,
其上述参数往往是固定的。此时的分级粒径就是该设备对这种物料的分级极限。即该设备所获得的分级产品的粒径下限最低值,
就是此条件下的分级粒径dr。从理论上讲, 要想获得比粒径下限更低的产品是不可能的。
②水力旋流器的分级原理及分级粒径。水力旋流器的分级粒径是在如下假定条件下确定的, 即与重力场中的水力分级机类比,
只有那些回转半径小于溢流管半径的颗粒才能进入到溢流管中; 并假定微细颗粒在自由沉降条件下运动。则位于溢流管辖方圆柱体上的临界颗粒,
径向沉降速度可用斯托克斯公式表示
在溢流管下方圆柱面上颗粒的向心速度为
对于分级粒径dT, 存在 vrou=Urou, 因此得
料浆在入口处的速度Utf与给料口直径df的关系为Utf=4Qπd2f; Utou随Utf增大而增大,
其关系如下
式中: ψx为速度变化系数, 与旋流器的结构尺寸有关, 但总有ψx1。将式1-26代入式1-25,
得
对于水力旋流器, 减小给料直径及浆料黏度和介质的密度, 或增大浆料流量、 分级液面的高度、 颗粒的密度都可使分级粒径降低,
即可获得较细的产品。
③沉降离心机的分级粒径。对于?心沉降分级, 分级割粒径dT是相当于转鼓一半的液池容积能沉降下来的颗粒。对于柱形转鼓,
分割此一半液池容积的半径Re按式1-28计算
πR22-R2e=πR2e-R21
1-28
由式1-28可知
这样, 直径dr或d50的颗粒从Re处沉降到鼓壁R=R2所需的时间t1应等于其在转鼓内的停留时间t2,
t1和t2为
由t1=t2及V0=kd2T, 可得dT或d50的计算公式
将式1-29Re的值代入式1-32后可求得柱形转鼓的dT值。其他形式的转鼓以同样方法求得Re后,
再用式1-32求dT或d50。
式1-32指出, 增大转鼓角速度、 转鼓的半径及转鼓液池的容积都可降低分级粒径, 因而可获得更细的产品。
1.7.2 锌粉分级技术
锌粉冷凝系统产出的锌粉须经粒度分级后才能成为供工业使用的合格锌粉,
本工序的任务是把粗粉分级为适合工业应用的不同粒级的锌粉产品。锌粉分级主要有两种方法: 一种是机械筛分, 一种是气流筛分。
1机械筛分
就是采用旋振筛或直线筛把粗粉分成不同粒级的产品, 筛上物返炉, 合格产品送到储仓或装入包装容器中。其主要设备有锌粉储仓、 星型卸料阀、
振动筛、 布袋收尘器等。机械筛分具有效率低、 分级不彻底、 工人劳动强度大, 但投资省的特点。
2气流分级
气流分级机由锌粉储仓、 给料系统、 两级涡轮分级机、 旋风收尘、 布袋收尘器及制氮系统组成。粗粉在由料钟进入锌粉储仓时,
由格栅把≥10 mm的块料除去, 集中收集后返回备料系统; ≤10 mm毛粉进入锌粉储仓,
再由进料装置送入自分流分级区进行第一次分级, 大部分粗颗粒被分离, 细粉夹带少量粗颗粒被上升氮气带入两级涡轮分级区进行二次分级,
细粉通过分级轮进入捕集器收集, 粗颗粒从分级机排料阀排出, 氮气流夹带的细颗粒经旋风收尘和布袋收尘后全部回收,
无尘氮气返回自分流分级区循环利用。工艺流程如图1-2所示。
图1-2 锌粉气流分级工艺流程
气流分级系统具有如下优点:
①高效低耗, 同样处理量, 能耗比机械筛分机低, 分级效率提高50%以上。
②高精度, 分级细度高, 彻底杜绝产品中过大颗粒及筛余物。
③负压生产, 无粉尘污染, 环境优良。
④分级过程氮气保护, 无锌粉燃烧、 爆炸的危险。
由于气流分级的诸多优越性, 在行业内受到了广泛关注, 随着大功率电炉锌粉生产线的投运, 气流?级将逐步取代传统的机械筛分。
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