高純、超細金屬鋅粉關鍵技術參數控制研究

張國瑩，鄧長青，王秋銀，劉志民，張明宇，曾 鵬

（1.云南省能源研究院有限公司，云南 昆明650599；2.云南云銅鋅業股份有限公司，云南 昆明650000）

鋅濕法冶煉對電解新液要求較高，且隨著電解電流密度的升高，要求電解新液雜質含量必須控制更低水平，而實現新液深度凈化鋅粉質量至關重要。結合不同鋅粉生產使用經驗，凈化使用純度高（其純度在99.0%～99.8%）、鋅粉粒徑細（可以控制產品粒徑主要分布在10μm以下）、高活性還原鋅粉，且鋅粉表面沒有氧化膜，有效鋅98.5%以上[1]高純度超細金屬鋅粉除雜效果較好，可滿足不同電解新液凈化的要求。

在目前的蒸餾法、霧化法、電熱還原法、電解法等顆粒狀鋅粉制備方法中，蒸餾法較其它方法具有生產效率高，工藝簡單，產品粒度和純度可有效控制，是制備高活性超細鋅粉主要方法。但蒸餾法需要的能耗較高、傳統的加熱方式對環境有污染等問題，因此，選擇蒸餾法作為金屬鋅粉工藝制備研究方向，通過技術創新改進鋅粉生產的工藝裝備，提高鋅資源有效利用，降低鋅粉生產成本，有利于提升蒸餾法金屬鋅粉工藝的清潔與節能水平。

1 實驗原理及工藝流程

鋅（Zinc）元素周期表中原子序數為30，屬IIB族金屬元素。元素符號Zn。鋅是一種銀白色略帶淡藍色金屬，密度為7.14g/cm3，熔點為419.5℃，沸點907℃；鋅比熱容390J/（kg·K），汽 化 熱115.3kJ/mol，熔 化 熱7.322kJ/mol，蒸 氣 壓192.2Pa（692.73K），低沸點、適宜蒸汽壓為蒸餾鋅粉工藝研究提供理論支撐。

蒸餾法是在常壓下將鋅加熱到1000℃左右，使鋅發生氣化，通過導氣管將鋅蒸氣送入充有惰性氣體的密閉容器中快速冷卻，鋅蒸氣快速冷凝成核長大，獲得高純度鋅粉。在實際生產過程中，通過改變金屬鋅蒸餾及冷凝的熱工條件和冷凝器的類型，可以產出不同粒徑的球狀粉末產品。目前，蒸餾法使用的加熱方式主要包括臥式爐和塔式爐（包括單塔蒸餾法和雙塔蒸餾法）加熱，前者對原料的除雜能力有限，多采用含雜質（鉛、鐵、鎘等）含量低的鋅錠作原料，后者利用雙塔精餾除雜技術，可采用雜質鉛、鎘含量較高原料鋅錠生產鋅粉。蒸餾鋅粉生產工藝流程圖[2]（見圖1）。

圖1 蒸餾鋅粉實驗工藝流程圖

2 實驗原料及設備

2.1 實驗原料

實驗原料為某廠自產或外購的粗鋅，其純度為96%～99.8%，主要雜質為鎘、鐵、鉛、銅等，物理形狀22kg/塊～25kg/塊。

2.2 實驗設備

鋅在760mm汞柱大氣壓下其沸點溫度907℃，蒸餾爐選用中頻感應電熱坩堝式蒸餾爐。蒸餾爐用粘土石墨為蒸發器，粘土石墨有較好導磁性，熱傳熱導性，很好的柔韌性，耐急冷急熱，保證蒸發器爐子不會發生漏鋅現象，同時，實現鋅精餾可停可開技術，感應電爐實現零功率啟動，蒸發量可以根據生產需要在0t～4t之間無級調整[3]。

由于鋅蒸汽氣流速度相對要高，鋅蒸汽導氣管采用碳化硅管，即通過碳化硅管與冷凝器聯結，采用氮氣氣封。蒸餾鋅粉的冷凝，是非飽和的鋅蒸汽被引入冷凝器中，鋅蒸氣入口的導氣管采用輔助電加熱，鋅蒸氣入口導氣管與冷凝器水平軸線保證一定的夾角。冷凝器內部設壓力傳感器，裝有電磁閥卸爆閥門（PLC控制），冷凝器頂部另裝有一卸爆閥，保證實驗安全。

冷凝器裝有五支熱電偶，分別對進水口水溫、出水口水溫、冷凝器前段溫度、冷凝器后段溫度、鋅粉溫度進行測溫。

表1 實驗設備選擇與配置

3 不同條件實驗研究

為提升金屬鋅粉純度、粒度或比表面積，采用蒸餾法工藝開展金屬鋅粉單一因素條件實驗。根據鋅金屬蒸餾沸點低及不同金屬飽和蒸汽壓特性，考量鋅錠純度、蒸鋅溫度、蒸鋅壓力和氣化冷卻溫度等因素對金屬鋅粉物理化學性質影響，通過單一因素實驗找到對金屬鋅粉質量影響的主要因素及工藝條件控制方向，從而提高金屬鋅粉物理化學質量。

3.1 鋅錠成分對金屬鋅粉質量的影響

實驗首先采用自產鋅錠為原料，開展生產金屬鋅粉實驗，溫度1000℃，冷卻壓力0.01MPa，冷凝器控制溫度150℃，開展五組實驗，實驗結果如表2～表6。

表2 第一組鋅錠成分對金屬鋅粉質量影響實驗

表3 第二組鋅錠成分對金屬鋅粉質量影響實驗

表4 第三組鋅錠成分對金屬鋅粉質量影響實驗

表5 第四組鋅錠成分對金屬鋅粉質量影響實驗

表6 第五組鋅錠成分對金屬鋅粉質量影響實驗

圖2 原料含鋅與金屬鋅粉含鋅關系圖

分析第一至五組實驗產出金屬鋅粉含鋅數據，如圖2，金屬鋅粉含鋅并不會隨著鋅錠原料含鋅下降而下降，金屬鋅粉含量均保持在99.2%以上，分析原因鋅錠中含有的雜質成分主要是不易揮發的Pb、Fe、Cu等金屬，在熔煉過程中沉積在坩堝底部，鋅錠蒸餾產出鋅粉的工藝過程起到了提純作用。

注：鋅粉有效鋅指除氧化鋅以外以單質形態存在的鋅。

圖3 金屬鋅粉全鋅與有效鋅關系圖

分析第一至五組實驗全鋅與有效鋅含量數據，如圖3，有效鋅含量與全鋅含量有一定的正相關性，除此之外，還受操作條件影響，因而導致鋅金屬被氧化，產出氧化鋅，即無效鋅。

3.2 蒸鋅溫度對金屬鋅粉質量的影響

以Zn99.99品級的鋅錠為實驗原料，成分如表7，開展蒸鋅溫度對金屬鋅粉質量研究實驗，實驗溫度分別選取950℃，1000℃，1050℃、1100℃，冷卻壓力0.01MPa，冷凝器控制溫度150℃，開展四組實驗，不同溫度下產出金屬鋅粉成分如表8。

表7 蒸鋅溫度研究實驗鋅錠成分

表8 不同溫度下產出金屬鋅粉成分

圖4 蒸鋅溫度對金屬鋅粉質量

從圖4鋅錠與金屬鋅粉含鋅變化規律看出，在950℃～1100℃范圍內，金屬鋅粉含鋅對蒸發溫度不敏感，但在1000℃仍達到相對峰值，因而確定，1000℃為最佳控制溫度。

3.3 氣化冷卻溫度對金屬鋅粉質量的影響

以同一批次鋅錠為原料，開展氣化冷卻溫度對金屬鋅粉質量實驗，溫度為1000℃，冷卻壓力0.01MPa，冷凝器控制溫度分別為50℃、100℃、150℃，200℃、250℃，統計五組實驗產出金屬鋅粉成分如表9。

3.3.1 氣化冷卻溫度對產品含鋅的影響

表9 氣化冷卻溫度實驗結果

圖5 氣化冷卻溫度對金屬鋅粉化學質量

統計冷凝器控制溫度50℃、100℃、150℃，200℃、250℃五組實驗結果，從圖5中看出氣化冷凝溫度對金屬鋅粉含鋅影響無明顯規律。

3.3.2 氣化冷卻溫度對產品合格率的影響

統計第一至五組實驗產品合格率（將400目以上粒度的鋅粉作為合格）數據，產品合格率受氣化冷卻溫度影響較大，隨氣化氣化冷卻溫度提高產品合格率明顯下降，氣化冷卻溫度在100℃時為最佳氣化冷卻溫度。

表10 氣化冷卻溫度提高產品合格率

3.3.3 氣化冷卻溫度對產品粒度的影響

對氣化冷凝器控制溫度50℃、100℃、150℃，200℃、250℃五組實驗金屬鋅粉進行粒度分布檢測，檢測結果如表11～表15及圖6。

表11 氣化冷卻溫度50℃-金屬鋅粉激光粒度分布儀分析結果

表12 氣化冷卻溫度100℃-金屬鋅粉激光粒度分布儀分析結果

備注：粒度測試，超聲4min。

表13 氣化冷卻溫度150℃-金屬鋅粉激光粒度分布儀分析結果

表14 氣化冷卻溫度200℃-金屬鋅粉激光粒度分布儀分析結果

表15 氣化冷卻溫度250℃-金屬鋅粉激光粒度分布儀分析結果

圖6 超細金屬鋅粉隨氣化冷卻溫度變化情況

從粒度分析結果來看，氣化冷卻溫度為50℃～250℃時800目以上的超細金屬鋅粉分別為87.12%、87.04%、86.37%、82.69%、79.63%，從粒度分布來看粒度直徑集中在2～15.32um間。超細金屬鋅粉含量隨氣化冷卻溫度上升而下降，在冷卻溫度為50℃和100℃時較為接近，由此分析，在冷卻溫度100℃時為最佳氣化冷卻溫度控制條件。

3.4 反應壓力對金屬鋅粉質量的影響

實驗1#鋅錠為原料，反應氣氛對金屬鋅粉質量的影響實驗，蒸鋅爐溫度為1000℃，冷凝器控制溫度150℃，蒸鋅爐負壓分別為0.001MPa，0.003MPa，0.005MPa，三組實驗產出金屬鋅粉成分如表16。

表16 反應壓力對金屬鋅粉質量的影響實驗

從表16結果分析，蒸鋅爐壓力對金屬鋅粉含鋅影響較小，保持較小壓力有利于操作安全，最佳工藝條件控制0.001MPa。

4 結論

（1）鋅錠成分對金屬鋅粉質量的影響實驗中，由于鋅錠中含有主要是不易揮發的雜質成分Pb、Fe、Cu等金屬，在熔煉過程中沉積在坩堝底部，鋅錠蒸餾產出鋅粉的工藝過程起到了提純作用金屬鋅粉含鋅不會隨著鋅錠原料含鋅下降而下降，金屬鋅粉含量均保持在99.2%以上。

（2）蒸鋅溫度對金屬鋅粉質量的影響實驗中，金屬鋅粉質量受蒸發溫度影響較小，沒有明顯的規律，結合鋅金屬沸點溫度，1000℃為最佳控制溫度。

（3）氣化冷卻溫度對金屬鋅粉質量的影響實驗中，產品合格率受冷卻溫度影響較大，隨氣化冷卻溫度提高產品合格率明顯下降。氣化冷卻溫度為50℃～250℃時800目以上的超細金屬鋅粉分別為87.12%、87.04%、86.37%、82.69%、79.63%，從粒度分布來看粒度直徑集中在2um～15.32um間。超細金屬鋅粉含量隨氣化冷卻溫度上升而下降，在氣化冷卻溫度為50℃和100℃時較為接近，氣化冷卻溫度在100℃時為最佳氣化冷卻溫度。

（4）蒸鋅爐壓力對金屬鋅粉含鋅影響較小，保持較小壓力有利于操作安全，最佳工藝條件控制0.001MPa。