热浸镀锌渣蒸发—凝聚法制备锌粉的工艺理论及设备原理研究

论文摘要

根据目前热浸镀锌行业的不断发展、锌资源日益减少和热浸镀锌渣产量逐渐增多的现状，热浸镀锌渣再生回收的问题成为行业界关注的焦点，传统上锌渣回收的方法主要是先将锌渣处理成锌锭后再用锌锭制备金属锌粉。为此，本文提出了由热浸镀锌渣直接制备金属锌粉的概念；根据锌的蒸气压在其熔点附近呈指数关系增加的物理、化学特性，制定合理的试验工艺路线；根据工艺理论设计合理的热浸镀锌渣处理炉；利用自主设计制造的锌渣处理炉以回收热浸镀锌渣为目的展开以下试验研究：进行试验用炉的整体结构设计（包括：熔化炉、熔析炉，蒸发炉，冷凝器）；用自制的试验设备依据锌和锌铁合金的特性处理热浸镀锌渣制备金属锌粉；对制备的金属锌粉采用扫描电镜、X衍射、荧光光谱分析等现代检测手段进行物相检测、化学成分分析、粒度分析等；并与机械镀专用锌粉进行对比，确定其能否应用于机械镀锌工艺：将制备的金属锌粉用于机械镀锌，并检测其镀层是否能达到机械镀锌镀层的要求，通过实际试验，取得了较为满意的结果。具体研究内容和主要结论如下：1、通过理论研究分析，利用金属锌的蒸气压在锌的熔点附近呈指数关系增加的特点，提出了热浸镀锌渣蒸发—凝聚法制备金属锌粉的工艺路线；2、通过试验验证了采用锌蒸气压蒸发提纯热浸镀锌渣冷凝后可以直接形成金属锌粉，说明热浸镀锌渣制备金属锌粉的工艺理论是可行的；3、通过试验设备的理论计算和实际生产验证，设计制造的试验设备完全能够满足试验要求。当熔化炉的温度为833K，熔析炉的温度为703K；蒸发炉的温度为1373K；冷凝器的温度为373K可以得到较高的回收率；发现采用该法处理热浸镀锌渣，当回收率在70％以上时有较大的利润空间；4、通过扫描电镜分析发现，锌粉的粒径分布范围较窄，粒径分布均匀，制备的金属锌粉的外貌全部为球形，并且粒径较小，68％左右的锌粉粒径在10μm以下，制备的金属锌粉的粒径与机械镀专用锌粉的粒径相当；锌粉表面呈凹凸不平状；通过X衍射和荧光光光谱分析发现制备的锌粉中金属锌的含量较高，达到99.793％，使杂质成分的含量比热浸镀锌渣中的杂质含量降低2～3个数量级；5、金属锌粉粒度较小，颗粒分布均匀，通过机械镀锌实际应用发现，制备的金属锌粉完全可以应用到机械镀中，并且锌粉的分散性较好、活性较强；润湿性和吸附性都较优良；锌粉沉积速度较快；机械镀锌镀层的外观光亮、平滑，经检测机械镀锌的镀层质量完全能够满足ASTM696-2000、GB／T12335-1990的标准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金属锌的性质
• 1.1.1 锌的蒸气压性质
• 1.1.2 锌的化学性质
• 1.2 金属锌的生产方法
• 1.2.1 火法炼锌
• 1.2.2 湿法炼锌
• 1.3 锌的用途
• 1.4 金属锌粉
• 1.4.1 国内外超细锌粉的生产和应用概况
• 1.4.2 锌粉的制备方法
• 1.4.3 锌粉的用途
• 1.5 我国发展锌材料面临的机遇和挑战
• 1.5.1 发展锌材料的机遇
• 1.5.2 发展锌材料的挑战
• 1.6 本课题的基本工艺流程
• 1.7 课题的选题背景、研究目的及意义
• 1.7.1 课题的选题背景
• 1.7.2 研究的目的及意义
• 1.8 课题来源及研究内容
• 1.8.1 课题来源
• 1.8.2 研究内容
• 第二章 热浸镀锌渣的产生原因及回收现状
• 2.1 热浸镀锌技术概述
• 2.2 液态金属的腐蚀机理
• 2.2.1 熔融锌对金属的腐蚀现象
• 2.2.2 铁在锌液中的溶解机制
• 2.2.3 铁在锌中溶解的动力学
• 2.2.4 影响铁在锌液中的溶解因素
• 2.3 热浸镀锌渣的形成原因、生长机制、铁的主要来源及其危害
• 2.3.1 锌渣的形成原因
• 2.3.2 锌渣的生长机制
• 2.3.3 铁的主要来源
• 2.3.4 锌渣的危害
• 2.4 热浸镀锌渣的回收工艺
• 2.4.1 冶金法
• 2.4.2 电解法
• 2.4.3 化学法
• 2.4.4 维尔兹法
• 2.5 锌渣回收工艺的优缺点比较
• 2.5.1 冶金法的优缺点
• 2.5.2 电解法的优缺点
• 2.5.3 化学法的优缺点
• 2.5.4 维尔兹法的优缺点
• 2.6 本章小结
• 第三章 设备设计原理与试验研究
• 3.1 设备的设计原理简介
• 3.2 炉体组成部分介绍
• 3.3 影响锌粉质量的因素
• 3.3.1 加料速度
• 3.3.2 温度的影响
• 3.4 试验设备的设计计算
• 3.4.1 熔化炉的能量分析与计算
• 3.4.2 蒸发炉的能量分析与计算
• 3.4.3 冷凝器的设计分析与计算
• 3.4.4 试验设备的总能耗计算
• 3.5 试验
• 3.5.1 试验材料
• 3.5.2 试验条件及结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 蒸发—凝聚法的工艺理论分析
• 4.1 蒸发—凝聚法的概述
• 4.2 金属蒸馏的热力学
• 4.2.1 纯金属的蒸气压
• 4.2.2 金属气体的结构
• 4.2.3 金属或合金蒸发分离的判据
• 4.3 蒸发过程中颗粒的生长机制
• 4.3.1 锌粉颗粒的形核长大
• 4.3.2 锌的蒸发过程
• 4.3.3 锌蒸气的冷凝过程
• 4.4 锌蒸馏的动力学研究
• 4.4.1 金属锌在熔体内的扩散迁移
• 4.4.2 锌的蒸发及在气相中的迁移
• 4.4.3 锌蒸气的冷凝
• 4.5 本章小结
• 第五章 试验经济性及制备锌粉的特性分析
• 5.1 经济效益估算
• 5.1.1 能耗计算
• 5.1.2 经济成本估算
• 5.2 锌粉的外貌特征分析
• 5.2.1 制备锌粉的形貌
• 5.2.2 金属锌粉的表面特性
• 5.2.3 锌粉的SEM成分分析
• 5.3 制备锌粉的X衍射分析
• 5.4 制备锌粉的荧光光谱分析
• 5.5 机械镀用金属锌粉的基本性质及对锌粉性能的要求
• 5.5.1 机械镀用金属锌粉的基本性质
• 5.5.2 机械镀对锌粉性能的要求
• 5.6 机械镀专用锌粉与制备锌粉的分析比较
• 5.7 制备的锌粉在机械镀锌中的应用
• 5.7.1 机械镀锌工艺简介
• 5.7.2 制备的金属锌粉在机械镀中的应用特性
• 5.8 试验结果分析与讨论
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论及进一步研究的建议
• 6.1 论文的主要结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ:作者在攻读硕士期间在国内外公开发表的学术论文
• 附录Ⅱ:作者在攻读硕士期间参加的科研课题