高纯、超细金属锌粉关键技术参数控制研究

张国莹，邓长青，王秋银，刘志民，张明宇，曾 鹏

（1.云南省能源研究院有限公司，云南 昆明650599；2.云南云铜锌业股份有限公司，云南 昆明650000）

锌湿法冶炼对电解新液要求较高，且随着电解电流密度的升高，要求电解新液杂质含量必须控制更低水平，而实现新液深度净化锌粉质量至关重要。结合不同锌粉生产使用经验，净化使用纯度高（其纯度在99.0%～99.8%）、锌粉粒径细（可以控制产品粒径主要分布在10μm以下）、高活性还原锌粉，且锌粉表面没有氧化膜，有效锌98.5%以上[1]高纯度超细金属锌粉除杂效果较好，可满足不同电解新液净化的要求。

在目前的蒸馏法、雾化法、电热还原法、电解法等颗粒状锌粉制备方法中，蒸馏法较其它方法具有生产效率高，工艺简单，产品粒度和纯度可有效控制，是制备高活性超细锌粉主要方法。但蒸馏法需要的能耗较高、传统的加热方式对环境有污染等问题，因此，选择蒸馏法作为金属锌粉工艺制备研究方向，通过技术创新改进锌粉生产的工艺装备，提高锌资源有效利用，降低锌粉生产成本，有利于提升蒸馏法金属锌粉工艺的清洁与节能水平。

1 实验原理及工艺流程

锌（Zinc）元素周期表中原子序数为30，属IIB族金属元素。元素符号Zn。锌是一种银白色略带淡蓝色金属，密度为7.14g/cm3，熔点为419.5℃，沸点907℃；锌比热容390J/（kg·K），汽 化 热115.3kJ/mol，熔 化 热7.322kJ/mol，蒸 气 压192.2Pa（692.73K），低沸点、适宜蒸汽压为蒸馏锌粉工艺研究提供理论支撑。

蒸馏法是在常压下将锌加热到1000℃左右，使锌发生气化，通过导气管将锌蒸气送入充有惰性气体的密闭容器中快速冷却，锌蒸气快速冷凝成核长大，获得高纯度锌粉。在实际生产过程中，通过改变金属锌蒸馏及冷凝的热工条件和冷凝器的类型，可以产出不同粒径的球状粉末产品。目前，蒸馏法使用的加热方式主要包括卧式炉和塔式炉（包括单塔蒸馏法和双塔蒸馏法）加热，前者对原料的除杂能力有限，多采用含杂质（铅、铁、镉等）含量低的锌锭作原料，后者利用双塔精馏除杂技术，可采用杂质铅、镉含量较高原料锌锭生产锌粉。蒸馏锌粉生产工艺流程图[2]（见图1）。

图1 蒸馏锌粉实验工艺流程图

2 实验原料及设备

2.1 实验原料

实验原料为某厂自产或外购的粗锌，其纯度为96%～99.8%，主要杂质为镉、铁、铅、铜等，物理形状22kg/块～25kg/块。

2.2 实验设备

锌在760mm汞柱大气压下其沸点温度907℃，蒸馏炉选用中频感应电热坩埚式蒸馏炉。蒸馏炉用粘土石墨为蒸发器，粘土石墨有较好导磁性，热传热导性，很好的柔韧性，耐急冷急热，保证蒸发器炉子不会发生漏锌现象，同时，实现锌精馏可停可开技术，感应电炉实现零功率启动，蒸发量可以根据生产需要在0t～4t之间无级调整[3]。

由于锌蒸汽气流速度相对要高，锌蒸汽导气管采用碳化硅管，即通过碳化硅管与冷凝器联结，采用氮气气封。蒸馏锌粉的冷凝，是非饱和的锌蒸汽被引入冷凝器中，锌蒸气入口的导气管采用辅助电加热，锌蒸气入口导气管与冷凝器水平轴线保证一定的夹角。冷凝器内部设压力传感器，装有电磁阀卸爆阀门（PLC控制），冷凝器顶部另装有一卸爆阀，保证实验安全。

冷凝器装有五支热电偶，分别对进水口水温、出水口水温、冷凝器前段温度、冷凝器后段温度、锌粉温度进行测温。

表1 实验设备选择与配置

3 不同条件实验研究

为提升金属锌粉纯度、粒度或比表面积，采用蒸馏法工艺开展金属锌粉单一因素条件实验。根据锌金属蒸馏沸点低及不同金属饱和蒸汽压特性，考量锌锭纯度、蒸锌温度、蒸锌压力和气化冷却温度等因素对金属锌粉物理化学性质影响，通过单一因素实验找到对金属锌粉质量影响的主要因素及工艺条件控制方向，从而提高金属锌粉物理化学质量。

3.1 锌锭成分对金属锌粉质量的影响

实验首先采用自产锌锭为原料，开展生产金属锌粉实验，温度1000℃，冷却压力0.01MPa，冷凝器控制温度150℃，开展五组实验，实验结果如表2～表6。

表2 第一组锌锭成分对金属锌粉质量影响实验

表3 第二组锌锭成分对金属锌粉质量影响实验

表4 第三组锌锭成分对金属锌粉质量影响实验

表5 第四组锌锭成分对金属锌粉质量影响实验

表6 第五组锌锭成分对金属锌粉质量影响实验

图2 原料含锌与金属锌粉含锌关系图

分析第一至五组实验产出金属锌粉含锌数据，如图2，金属锌粉含锌并不会随着锌锭原料含锌下降而下降，金属锌粉含量均保持在99.2%以上，分析原因锌锭中含有的杂质成分主要是不易挥发的Pb、Fe、Cu等金属，在熔炼过程中沉积在坩埚底部，锌锭蒸馏产出锌粉的工艺过程起到了提纯作用。

注：锌粉有效锌指除氧化锌以外以单质形态存在的锌。

图3 金属锌粉全锌与有效锌关系图

分析第一至五组实验全锌与有效锌含量数据，如图3，有效锌含量与全锌含量有一定的正相关性，除此之外，还受操作条件影响，因而导致锌金属被氧化，产出氧化锌，即无效锌。

3.2 蒸锌温度对金属锌粉质量的影响

以Zn99.99品级的锌锭为实验原料，成分如表7，开展蒸锌温度对金属锌粉质量研究实验，实验温度分别选取950℃，1000℃，1050℃、1100℃，冷却压力0.01MPa，冷凝器控制温度150℃，开展四组实验，不同温度下产出金属锌粉成分如表8。

表7 蒸锌温度研究实验锌锭成分

表8 不同温度下产出金属锌粉成分

图4 蒸锌温度对金属锌粉质量

从图4锌锭与金属锌粉含锌变化规律看出，在950℃～1100℃范围内，金属锌粉含锌对蒸发温度不敏感，但在1000℃仍达到相对峰值，因而确定，1000℃为最佳控制温度。

3.3 气化冷却温度对金属锌粉质量的影响

以同一批次锌锭为原料，开展气化冷却温度对金属锌粉质量实验，温度为1000℃，冷却压力0.01MPa，冷凝器控制温度分别为50℃、100℃、150℃，200℃、250℃，统计五组实验产出金属锌粉成分如表9。

3.3.1 气化冷却温度对产品含锌的影响

表9 气化冷却温度实验结果

图5 气化冷却温度对金属锌粉化学质量

统计冷凝器控制温度50℃、100℃、150℃，200℃、250℃五组实验结果，从图5中看出气化冷凝温度对金属锌粉含锌影响无明显规律。

3.3.2 气化冷却温度对产品合格率的影响

统计第一至五组实验产品合格率（将400目以上粒度的锌粉作为合格）数据，产品合格率受气化冷却温度影响较大，随气化气化冷却温度提高产品合格率明显下降，气化冷却温度在100℃时为最佳气化冷却温度。

表10 气化冷却温度提高产品合格率

3.3.3 气化冷却温度对产品粒度的影响

对气化冷凝器控制温度50℃、100℃、150℃，200℃、250℃五组实验金属锌粉进行粒度分布检测，检测结果如表11～表15及图6。

表11 气化冷却温度50℃-金属锌粉激光粒度分布仪分析结果

表12 气化冷却温度100℃-金属锌粉激光粒度分布仪分析结果

备注：粒度测试，超声4min。

表13 气化冷却温度150℃-金属锌粉激光粒度分布仪分析结果

表14 气化冷却温度200℃-金属锌粉激光粒度分布仪分析结果

表15 气化冷却温度250℃-金属锌粉激光粒度分布仪分析结果

图6 超细金属锌粉随气化冷却温度变化情况

从粒度分析结果来看，气化冷却温度为50℃～250℃时800目以上的超细金属锌粉分别为87.12%、87.04%、86.37%、82.69%、79.63%，从粒度分布来看粒度直径集中在2～15.32um间。超细金属锌粉含量随气化冷却温度上升而下降，在冷却温度为50℃和100℃时较为接近，由此分析，在冷却温度100℃时为最佳气化冷却温度控制条件。

3.4 反应压力对金属锌粉质量的影响

实验1#锌锭为原料，反应气氛对金属锌粉质量的影响实验，蒸锌炉温度为1000℃，冷凝器控制温度150℃，蒸锌炉负压分别为0.001MPa，0.003MPa，0.005MPa，三组实验产出金属锌粉成分如表16。

表16 反应压力对金属锌粉质量的影响实验

从表16结果分析，蒸锌炉压力对金属锌粉含锌影响较小，保持较小压力有利于操作安全，最佳工艺条件控制0.001MPa。

4 结论

（1）锌锭成分对金属锌粉质量的影响实验中，由于锌锭中含有主要是不易挥发的杂质成分Pb、Fe、Cu等金属，在熔炼过程中沉积在坩埚底部，锌锭蒸馏产出锌粉的工艺过程起到了提纯作用金属锌粉含锌不会随着锌锭原料含锌下降而下降，金属锌粉含量均保持在99.2%以上。

（2）蒸锌温度对金属锌粉质量的影响实验中，金属锌粉质量受蒸发温度影响较小，没有明显的规律，结合锌金属沸点温度，1000℃为最佳控制温度。

（3）气化冷却温度对金属锌粉质量的影响实验中，产品合格率受冷却温度影响较大，随气化冷却温度提高产品合格率明显下降。气化冷却温度为50℃～250℃时800目以上的超细金属锌粉分别为87.12%、87.04%、86.37%、82.69%、79.63%，从粒度分布来看粒度直径集中在2um～15.32um间。超细金属锌粉含量随气化冷却温度上升而下降，在气化冷却温度为50℃和100℃时较为接近，气化冷却温度在100℃时为最佳气化冷却温度。

（4）蒸锌炉压力对金属锌粉含锌影响较小，保持较小压力有利于操作安全，最佳工艺条件控制0.001MPa。