（材料学专业论文）鳞片状锌粉的制备工艺研究.pdf

昆明理工夫学硕士论文 摘硬 摘要 鳞”状锌粉是化工行业的种重要金属粉体，它是鳞片状的金属粉末，“ 球 磨、表面改性后，可以用作达克罗技术必须的原材料。本义针对鳞片状锌粉的性 能和使用条件，研究了鳞片状锌粉的乍产设备、t 艺和表面改性。 根据球磨机的t 作原理和特点，结合鳞片状锌粉的技术要求，通过对不j 叫尺 寸、不j 川结构的球磨机在相同情况下的球磨效果进行比较，最终选择出适合鳞片 状锌粉生产的球磨机。 通过试验，对小同球径、不同的球磨时间、不同的球料比等作为因素，分别 以锌粉的扫描电了显微镜形貌像、片状化稃度、亮度、粒径微分分布、粒径累计 分布作为鳞片状化的考核指标，确定了不等速球磨的工艺参数，最终制定了摄佳 的球磨t 艺。 通过扫描电子显微镜、粒度公析仪等，对实验结粜所得到锌粉试样进行分析， 并和国外锌粉进行比较。研究表明，实验所生产的鳞片状锌粉特性，基本指标达 到或超过了同内锌粉标准，接近r 国外j j 类锌粉产品的笨本技术参数。 利用机械改性和表面改性剂改性相结合，对片状化锌粉进行改性。研究r 小 同改性荆列试验鳞片状锌粉牛产的影响，比较了不同表面改性剂作用后锌粉的遮 盖性、比重等特征参数。结果表明：复合改性荆的效果明显好于单一改性剂，采 川复合改性剂改性后的锌粉，性能明显好于改性前的锌粉，完全满足了达克罗涂 覆丁艺的要求。 通过对研制锌粉的样品性能技术指标检测，其性能指标已接近或达到嗣外同 关键词：鳞片状锌粉球磨达克岁粒径表面改性 昆明理工k 学硕上论文 摘要 a b s t r a c t f l a k eo ft h ez n i cisai m p o r t a n tm e t a lp o w e ro fc h e m i c a li n d u s t r y ，i t isaf l a k e m e t a lp o w e r ，i tc a nb eg e tt h r o u g hb a l lm i l la n ds u r f a c em o d i f i c a t i o n ，i ti san e c e s s a r y r a wa n ds e m i f i n i s h e dm a t e r i a l s t h i sa r t i c l ei sa i m e da tp r o p e r ta n da p p l yc o n d i t i o no f t h ef l a k ez n i c p o w e r ，a n ds t u d y t h e p r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，p r o c e s s a n ds u r f a c e m o d i f i c a t e d w i t ht h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fb a l lr a i l ie q u i p m e n t ，i tc o m b i n e s t h ef l a k ez n i cp o w e rt e c h n i c i a lc r i t e r i o n ，t h i sa r t i i c a lc o n t r a s t st h er e s u l to fb a l lm i l l e q u i p m e n tw i t hd i f f e r e n c em e a s u r e m e n ta n dd i f f e r e n c es t r u c t u r e i t s e l e c t st h er i g h t e q u i p m e n t w i t ht h ef l a k ez n i cp o w e ri nl a s t t h r o u g he x p e r m e n t ，d i f f e r e n c eb a l ld i a m e t e r ，d i f f e r e n c eb a l l m i l l t i m e ，d i f f e r e n c e t h er a t i ow i t hm i l lb a l la n dz n i cp o w e rc a nb ec o n t r a s t e d ，t h ee x a m i n ei n d e xh a sb e n n s e l e c t e db ym e a n so f c o m p a r i s i o no fs e m ，t h ef l a k el e v e l ，b r i g h t n e s s ，g r a i nd i a m e t e r c a l c u s s c a t t e r i n g ，g r a i n d i a m e t e ra c c u m u l a t e s c a t t e r i n g i tg e t s t h ed i f f e r e n t s p e e d t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，i nl a s t ，i tw o r k s o u tt h er i g h tt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s b ym e a no fs e m ，l s - p o p ( i i i ) a n ds oo n ，t h eg e t t i n ge x o e r i m e n tz n i cp o w e ri s a n a l y z e da n dc o n t r a s t e dw i t ho v e r s e a sp o w e r ，t h es t u d yi n d i c a t e st h a tt h ep r o p e r t yo f t h ee x o e r i m e n tp o w e rg e t so rs u r p a s s e st h ec h i n ap r e s c r i b e ，a n di so ni n t i m a t et e r m s w j t ho rg e t st h eo v e r s e a sz n i cp o w e r t h em e c h n i c a ta s s i s t a n t sw i t ht h ed i f f e r e n c ec h e m i c a la s s i s t a n ti su s e dt o g e t s u r f a c ea s s i s t a n tt h i sa r t i c l es t u d i e st h ed i f f e r e n c ea s s i s t a n tr e s u l ta n dc o n s t r a c t e dt h e w a t e rs u r f a c ec o v e r i n gp o w e r ，i n d e xo fb u l ks p e c i f i cg r a v i t yt h er e s u l ts h o w e st h a t g o o dc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so ft h ez n i cp o w e rc a nb eo b t a i n e db yu s i n gc o m p o s i t e a s s i s t a n t t h em e a s u r e m e n to ft h es a m p l ep r o p e r t i e ss h o w e rt h a tt h ep r o p e r t yi n d e xi s c l o s et ot h a to ft h ef o r e i g ns a m e p r o d u c t s t h em e a s u r e m e n to ft h e s a m p l ep r o p e r t i e s s h o w e r st h a tt h ep r o p e r t yin d e xi s c l o s et oo re q u a lt ot b a ft h ef o r e i g ns a m ep r o d u c t s k e yw o r d s ：f l a k eo fz n i cp o w e r ，b a l lm i l l ，z n i c c rt h i nc o a t i n g ，g r a i nd i a m a t e r s u r f a c em o d i f i c a t i o n i i y 6 6 9 1 5 z 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彳维。 日 期研年：；月夕日 关丁论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 导师签名：夔盘兰一论文作者签名：4 勉 曰 期：一丝生三月1 2 昆明理 ：大学硕十论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超细粉体及超细粉体材料的分类 1 11 超细粉体 现代高科技和新材料技术的发展，传统材料的产品升级和技术进步要求许多 的粉体材料具有微细的颗粒、严格的粒度分布和极高的纯度或极低的污染程度， 例如商级陶瓷和耐火材料原料、电子信息材料、高档纸张的颜料 填料、商聚物 苯复合材料的填料、高档和特种油漆涂料的颜料及填料、高级磨料、固体润滑材 料、化妆品原料等等，有的平均粒释仅仪数p m ，甚至1 , , - l m 以下；有的要求粒度分 布狭窄，产品中粗大颗粒和过细颗粒，尤其是粗人颗粒的含量极低，其至完全不 含有；有的要求颗粒表面光滑、形状规则；有的要求颗粒形状近视于球形、圆柱 形、片形、针形或其他形状；有的要求极高的纯度，杂质允许含最以白万分( p p m ) 计。许多白色粉体，如高岭土、碳酸钙等，尤其不能为带色的金属( 特别足铁、铜、 铬、锰、钒等) 氧化物杂质所污染。 超细粉体技术被幽内外科技界称为跨世纪的高新技术，传统孝考料经过超细化 后，其光、电、磁、力学、热力学及表面与界面性能都会发生奇特的变化，在使用 时往往可以获得超长效果“。现已在国防、化t 、冶金等领域得剑广泛的应用， 因而引起_ 人们的广泛关注”。 11 2 超细粉体材料的分类 超细粉体通常分为微米级，业微米级及纳米级粉体。国际科学界将粒径大于 1p - m 的粉体称为微米级粉体；粒径处于0 ，l 1 州的粉体称为甄微米级粉体；粒径 处十o ，0 0 1 0 1 p m 的粉体称为纳米级粉体( 又称之为纳米材) 。j 。义的纳米级材料 足指三维尺寸巾至少有一维处于纳米尺寸的材料。 超细粉体技术是据制备与使用上述超细粉体的制备技术、分级技术、分离技 术、干燥技术、输送、混合与均化技术、表面改性技术、离子改性技术子、检测 技术、包装、储运及应_ ； j 技术，制备及储运过程中的安全技术等。 应该指出，由于粉体是由粒度大小1 i 同的颗粒所组成的混合体，超纠粉体电不 例外，祀二学术上及其研究巾，将纳米、亚微米及微米粉体分开研究是可能的，然 砸在实际的工、l p 化生产及使用过程中，要想将他们分开却十分困难，尤其是纳米及 昆明理r 大学顾士论文 其i i e 微米的颗粒往往互相共存。 8 ( ) 年代以米，金属粉末作为一种新型的材料，已经引起了各同政府及其科学家 的极大重视，美吲、曰本、西欧等发达困家都将其标为高科技的计划，投入j 大量 的人力羽1 物力，例如美 = i 寸的“星球人战”计划、西欧丹国的“尤罩帚”计划、h 本】9 8 1 年实施的“高科技探索研究”计划以及我困的“8 6 3 ”计划，都提出了金 属粉体材料的研究和开发”1 ；。 金属粉末是一个特殊的类型，有一定的特殊性。儿乎所有的金属粉末都足南 金属或合金组成，并具有金属的光泽，因此许多的金属粉末都可以用作装饰性材 料。如铡锌粉，可以制成淡金甚至真金色，使装饰晶显得富丽堂皇：锚粉具有银 白色的光泽，也可以j 1 于装饰，近年来的新品种闪光铝粉与其它透明涂料配合使 用，涂装面不仅五彩缤纷，而且闪现金属光泽，装饰性很强；片状锌粉的暗灰色 使得涂装品与周围的景物混为一体，有很强的伪装效果。 金属粉末大多为极小的粉末。粉末的形状差别极大，有规则的球形、水滴形、 树枝形、鳞片形或切削形等，其形状与制造方式有关。大多的金属粉经过处理侨 具有颜料的特性，如分散性、遮盖性等，不同的表面处理剂和方法可使金属粉末 亲水或亲油，以便适应不同的要求。 1 1 3 金属粉末的分类 常用的金属粉末j 台金粉有：锌粉、铝粉( 俗称锱银粉) 、铜锌粉( 俗称金粉) 、 铅粉、银粉、不锈钢粉等，其用途各异。 大多的金淄粉通过物理方法进行生产的，即从固态液态或气态金属转化为粉 末，使之加工为特定的金属粉末。金属粉末的制取方泣见表1 1 。 锌粉是由金属锌制造的，其形虢攥球状利鳞片状两种，防腐性能优异，多用 于钢件的防腐涂层。球形锌粉艘霍罄制备；片状锌粉采用球形粉加保护介质进 行球( 研) 磨。锌粉颜料都是利用球磨法生产的，产品由微细铝鳞片、表面处理剂 组成。锌粉浆由片状姐粉加上溶剂组成。制造锌粉的原料是金属锌锭，纯度为9 95 。锌在人气中具有相当高的耐蚀性，但在酸性环境中( 酸式盐、酸式碱) 不耐腐蚀， “锌同e 电性较强的金属接触时，金属锌首先被腐蚀，生产氧化物，所以金属锌 可以用作保护层。锌与酸性食物接触能够牛成锌盐，该种锌盐有毒，顾锌粉不能 用于食品设备的涂装。粒状锌粉的制造方法有蒸馏法和雾化法，蒸馏法制造的锌 粉颗粒细，活性较高。雾化法生产的锌粉颗粒粗，粒度分布广，但是，e 产效率高 昆明理工凡学硕上沦文 第一章绪论 袭卜i 金属粉末的制取方法 粉末 7 )类型 加方法加i ：方法斟适用的原榭x e 一 金属粉术合会粉末 机械研磨延展性金属锌；、铜、锌铝、铜、锌 机械粉碎旋涡研磨金腻或弁金铁、铝 气流粉碎气流粉碎铁小锈钢 气体雾化液态金属合金铝、锌、铜、黄铜、厅制、 铅台金钏 雾化法 水雾化液态金属或台铜、铁、 黄铜、青铜 会属蒸气冷凝气态金属钛 气丰月沉积 还原法金属热还原金属化合物 、能耗低目成本低廉。经过加强雾化t 艺手段和分级技术，也能够制造成较细的 符合要求的锌粉。鳞h 状锌粉目前用球磨法制备，同外涂料工、l k 已经广泛使用鳞 片状锌粉浆，鳞片状结构的锌粉具有较大的遮盖力，配置涂料时锌粉用料明显少 于球状锌粉。 鳞片状锌粉的性能主要体现存以卜i 几个方面： ( 1 ) 遮盖能力 锌粉的离子是鳞片状的，其特点是片径和厚度的比例大约为f 3 0 l 0 0 1 ：1 ，其 分散于载体后具有与底材平行的特点，片粉和片粉连接，相互填补形成连续金j 禹 膜，使之具有遮蔽能力。锌粉遮蔽能力的大小主要取决于表而积的大小。锌在研 磨过程t 延展，厚度下降，表面积增人，遮盖能力随之增大。影响镥粉遮盖能力 人小的还有表面粗糙度、鳞片卷曲程度和分散度。 ，午 ( 2 ) 漂浮能力 鳞片状锌粉的另一特性是漂浮性，其特点是它有漂浮在载体表面的能力。在 锌粉加工过程中，使用饱和脂肪酸作润滑剂，脂肪酸吸附在锌粉的表面，形成包 覆膜。漂浮型的脂肪酸有两个吸附层，内层脂肪酸的羟基向外，这使得锌粉不为 载体的溶剂浸润。脂肪酸有效的减小了锌片的自身的重量。影响锌粉漂浮的冈素 很多， 要有脂肪酸的选择、溶剂的选择、锌粉粒子的结构、锌粉的加工处理。 j 昆明理 一人学硕上论文 第一章绪论 ( 3 ) 屏蔽能力 分散存载体内的锌粉一般会发生漂浮运动，其运动的结果总足使自身与载体 涂装的底材平行，形成连续的金属膜，而且锌粉在载体膜内多层次的平行排列分 布，备层金属膜的孔隙互相交错，切断r 成膜物的毛细孔，从而起到很好的屏蔽 作用。 锚为银灰色的金属，分子景2 6 9 8 ，相对密度2 5 5 ，纯度为9 9 5 的铝熔点 为6 6 0 ，沸点2 0 6 5 ，熔化满热为3 2 3 j g ，铝粉可作还原荆。铝粉极易氧化而 存：氧化过程中放热。铝具有很好的延展，易加工。金属铝表面的氧化膜致密透明 而| _ _ 【有稳定的化学性能。铝为银灰色的金属，铝粉常被用作还原剂。铝粉极易氧化 而在氧化过程中放热。铝有很好晌延展性，易于加工。金属铝表面的氧化膜致密 透明并且有稳定的化学性能。片状铝粉具有遮盖能力、漂浮能力等。铝粉还能够 反射可见、光红外线和紫外光。铝粉还具有特殊的“双色效应”，铝粉由于具有金 属光泽和平行于被沫物的特性，随着入射光线的角度和视角的变化呈现小同的光 泽。在含有透明颜料的载体巾，铝粉的光泽和颜色随入射光的角度和视角的变化 而产生光和色的变化。这种特性称为“双色效应”。铝粉的“双色效应”特性己应 用十装饰性涂料。如金属闪光漆、锤纹漆等。 铅足灰色的金属，有较好的耐蚀性，在大气、海水和淡水中性能稳定，对硫酸、 硝酸、氢氟酸有较好的抗蚀性。铅粉的制造采用雾化法，即将锚融化为溶液，采 用压缩空气使之通过喷嘴喷成雾状，冷凝后成为不规则的粒状铅粉，细度在2 0 0 | = = 以下，活性金属含景小于9 7 。锚粉用于粉末冶金无油润滑剂的组分，与成膜 物质混合可用于防腐蚀涂层。 钛粉在常温下对酸、碱物质都有很好的耐腐蚀性，钛对氧的亲和力很强，在 其表而生成致密的氧化膜，具有良好的化学稳定性。钛粉一般采用氢化研磨法制 造。钛粉的防腐、化学稳定性优良以及无毒的特点使之在化学丁业、食品工业等 方面的涂装中有j 泛的使用范围。 银浆料足微电子t 业中一利，重要的材料，它是由银粉，树脂，有机溶剂以一 定的比例调制而成。其中银粉是组成导电银浆的最关键材料。银粉有树枝状、球 状、片状等结构，以片状结构的银粉制备的低温银浆涂层电性能优异、用罩：省、 成本低目有银白色的光泽阂而在电子了业中被广泛应用。片状银粉是独石电容器、 碳膜电位器、电容器，薄膜开关、半导体芯片粘结、导电版等电子元件的主要电 极材料。 4 第，章绪论 i 锈钢粉一般采口气流粉碎法。小锈铡粉粒子用商压气流带入粉碎窀，拧：岛 迷旋转中，摩擦和冲击粉碎为细粉，不锈钢粉用于防腐涂制。 1 2 金属锌的资源、消费、用途及展望 1 2 1 锌及其资源现状 锌是灰色的金属，断而呈现金属光泽，秤常温r 表而生成敛密的碳酸锌薄膜， 有保护的作用。锌的熔点为4 1 9 8 ，密度为7 0 1 9 m i ，往常温f 较脆，1 0 0 1 5 0 变软，超过2 0 0 又变脆。1 。锌有a 、p 、y 二种晶态行式，其转化溢度为1 7 0 与3 3 0 。 锌的导电性为银的2 7 8 ，导热性为银的2 4 3 。 金擒锌在常温下和干燥的空气中稳定，在潮湿的空气中，其表两逐渐氧化， 生成一层灰白色的致密的碱性碳酸锌z n c ( ) ：j ( o h ) z 的薄膜，叻止了内部锌的进一步 氧化。熔融的锌能够与铁形成化合物，冷却后可以牢同的覆盖存钢铁的表瓶而使 其免受腐蚀。 表l 一2t 9 9 8 年世界部分国家锌的储量和储量基础 国家储量储量基础国家储量储量基础 澳大利亚 3 6 0 09 0 0 0 秘鲁 7 0 01 2 0 0 中围 3 3 0 08 0 0 0 墨西哥 6 0 08 0 0 美国 2 5 0 08 0 0 0 其他国家 7 2 0 01 ： 0 0 0 加拿大 1 4 0 03 9 0 0世界总计1 9 0 0 04 4 0 0 0 金属锌及金属锌合金具有易j ) 工、耐蚀性、焊接性和表而处理性好、价格低 廉等优点，广泛应用于电池、印刷、日用五金、建筑、汽车制造、机械运输、电 子及包装等部门，是国民经济的重要基础材料之一。 金属锌在国民经济中占有极其重要的地位，在有色金属中它的产量仅次于锱 和铜，近年世界锌的年产量约l m t 。i 盐界锌的年耗增长率，1 9 9 5 1 9 9 6 年为2 4 ，19 8 2j9 8 9 年为2 8 。 金属锌在地壳中的平均含量为1 3 2 9 l 。自然界已经发现的含锌矿物有8 ( ) 多种， 尽管石r 物种类如此之多，但是作为冶炼锌的原料仅仅有少数几种，如闪锌矿( z n s ) ， 昆叫理工学硕上论文 第章绪论 菱锌矿( z n c o 。) ，红锌矿( z n o ) ，目前土要使用的是叫镑矿n 。根据】9 9 9 年荚国地 调局的统计结果，世界已经台叫的锌的资源约为1 9 t 0 “t ，1 9 9 8 年世界锌的储量 为1 9 10 8 t ，储带基础4 4 1 0 s t ( 表卜2 ) ，比19 9 7 年的储量基础增加厂1 0 0 0 l0 4 l 。观储量较多的同家有澳人利q e 、中同、加拿人、秘鲁和墨西哥“。 我国的锌矿资源1 1 分f 富，现今已查明的锌矿自+ 7 6 9 处，储景位居廿界筇一 位。 】2 2 锌的用途 锌的用途很广，它在国民经济中占很重要的地位。世界锌的总消耗量在金属 行列巾排第赢位，仪次于钢、制、铜、锰。表1 3 是1 9 9 8 年世界主要锌消费国 的消费构成( ) 。 表l 一3i 9 9 8 年世界辛要锌消费两的消费构成( ) 消费形式法国德困意大利英国日本美国澳大利亚 镀锌 d 5 ：32 9 72 2 74 5 96 2 35 467 8 3 乐铸合金 9 86 71 6 o2 0 69 o1 8 46 1 黄铜，青铜 1 0 92 7 05 2 2】6 21 1 51 3 87 3 轧制锌材 2 3 82 7 73 oi 41 400 5 锌氧化物 8 08 65 89 01 0 206 3 r 其他 1 70 30 36 92 61 3 21 2 锌能和多种有色金属制成台金，最主要的是锌和铜、锡、铅等制成黄铜，厂口 于机械制造业；锌与镁、锅、铜制成压铸合金，用于制造各种精密铸件；钢铁及 各种铸件表碗镀锌能够防l e 腐蚀，大量的锌用于喷涂行业，特别是大气、海水的 抗腐蚀材料；氧化锌用于医药、橡胶、颜料和油漆行业；锌皮还用于制造电池。 因阿锌的应用十分广泛，对许多部门都是不可缺少的金属材料。 我嗣锌消费量的年增速率是：i 9 6 0 1 9 7 0 年为8 9 ，1 9 7 0 1 9 8 0 年为6 【 ，l9 8 0 1 9 9 0 年为5 6 。根据预测，2 0 0 5 年和2 0 1 0 年的年平均增氏率仍保持 4 9 和4 5 锌不仅可以h j 来生产锌基合金，还可以进_ 亍深加工。锌产品的深加1 二一方面 是将锌或者锌基合金铸造并轧制成板、j 蒂、泊材，进一步冲制锌饼，供客户自接 第一章绪瞧 使川；锌产品深加：的另一方而是生产各种无机化t 原料，这是冶炼厂产品多样 化的一个极其，一闹的领域。除锌粉外，还有硫酸锌、氧化锌、锌钡白等。其。+ j 的 锌粉足重要的化工原料，用于制造很多的化t 原料，是湿法冶金的重要置换剂； 足钢饮件及铡筋混凝土的重要的保护涂层：可制作耐热、防锈材料；还用于医药、 印染、审工、电了部门以及制造于电池及银一锌微型电池”“。 1 3 国内外片状锌粉的发展及国内的现状 片状锌粉是生产达克罗涂料的主要原料，达克罗涂覆工岂是一种新犁防蚀表 阿处理技术，1 9 9 6 年原国家机械工、p 部将达克岁涂覆工艺列为机械t 业可持续发 展重点资助开发项目，是一种“绿色电镀”，无环境污染。国外该技术已作为替代 污染严重的电镀锌、热镀锌、电镀镉、锌基台金镀层等多种传统t 艺的防腐处理 技术，以减少环境污染。作为一种无污染、耐热蚀性强，无氢脆的新型防腐涂层， 盐雾腐蚀是电镀锌的78 倍，是热镀锌的1 5 倍。已在世上界范围内j “泛用于汽车、 家电、建筑、军事、铁路等领域，有广泛的应用前景。 作为达克罗涂液最重要的原料之一，围外关于片状锌粉生产的文献尽管有专 利义献、产品介绍和应用研究文献，从这些资料中很难了解技术关键，而且同外 技术水，f 远远高于国内，l 嘲内9 0 年代后期才有少量关于该技术研究的论文发表， 但研究方法和金属粉片状化的程度都各不相同，我国达克岁涂料牛产的金属粉多 为高能表面的球状粉或片状化稗度较低的锌粉，金属粉用量较大，从儿阿克到上 r 克每升涂液，而幽外涂料使用片状金属粉凶而用量大为降低，涂料的成本之所 以降低，其主要原阕是他们用的会属粉片状化程度较高。目前世界达克罗涂液生 产线和涂装线有2 0 0 余条( 小含中困) ，其中仅日本有6 0 多条，年产1 8 万吨涂料； 美陶和欧洲分别有7 0 和6 ( ) 余条，年产涂料大约5 0 8 ( ) 万吨，锌粉用最大约10 一l6 万m l 年；我国现有生产线5 0 条左右，锌粉用量人约3 0 0 0 5 0 0 0d k 年( 例如“上 海、天津、常州、重庆儿家达克罗公司的锌粉用量大约为2 0 0 0 3 0 0 0 吨年) 。目 前我国大部分为进u 锌粉。我国现有上海，天津，常州，等地已经能生产商出涂 覆液并销售到全国，但是性能不及进口产品，涂层厚、金属粉用量大，耐蚀性差。 向国外( 德围，日本) 产品的价格是国内相同产品的一倍左右。很多厂家为r 生 产性能更好的产品，人部分从国外进口磷片状锌粉，致使成本人为增高。闱内外 产品质量筹异的技术核心是使用的金属锌粉不同，国外使用的是低能高片状化的 锌粉，为_ r 缩短国内外的产品质景上的距离，解决技术难点，我们提出r 该项目 7 的研宄。 关于旧场前景问题，随着现代化工业的发展，特别是汽车工业的发展汽车的 许多耐蚀配件，包括外壳都可j 羽该涂覆液防熵处理。我吲是黄磷山u 人国，黄磷 的包装桶的表面防腐处理，以前_ | _ j 电镀锌处理，成本高污染重，钢铁和金属防蚀 已成为一个l 址人关注的问题，而达克岁作为一种新型的无污染的表面防腐处理t 艺，必将推动相关产业的发展。小课题的创新之处在于制备超细鳞片状金属粉的 技术上的突破，不同于传统球廉工艺，使金属粉的性能完全改变，得到径厚比高 的低能鳞片状锌粉，替代进口锌粉，犬幅降低涂液中金属粉的用量，降低成本，解 决该涂覆技术原材料的关键难题。 1 4 本研究项目的实际基础 片状锌粉是生产达克罗涂料，环氧富锌底漆等的主要原料。达克罗涂覆t 艺是 一种新型防腐表面处理技术，1 9 9 6 年原同家机械工、i k 部将该项技术列为机械工、i k 可持续发展重点资助开发项目，拟在汽车、家电、建筑、军事、铁路等领域取代 污染严重的电镀锌、热镀锌、电镀镉、锌基合金镀层等多种传统工艺的防腐处卿 技术，以减少近年来发展迅猛的环境污染。同外该技术已作为替代污染严重的电 镀锌、热镀锌、电镀镉、锌基合金镀层等多种传统工艺的防腐处理技术，以减少 环境污染；所以达克岁技术具有厂。泛的应用前景。该课题提出的片状锌粉的研究 正是达克罗涂覆技术所使用的片状锌粉。 采用新颖独创的工艺技术和设备生产，基本达到或超过国外的片状锌粉质量， 以取代进口的片状锌粉，降低达克罗技术推广应用成本，这些正是本研究项目的 目的和意义。 】5 本项目研究的主要内容 金属锌由于用途一泛，它即可以作为功能性的金属粉末，义可以作为装饰颜 料。在各种用途的金属粉末中，其金属和合金粉的制备技术难度较大，技术含量 较高。虽然德国爱譬公司已有成熟的工艺，而且其产品畅销世界各地，但其牛产 技术高度机密。在对文献资料的查测中，也未见到相关的报告和资料。尽管国内 也有一些公司生产一些片状锌粉，但是其产品成片率很低，其使用效果不佳。我 国现在已经成为锌粉消耗大1 到，每年需要花大量的外汇购买，经济成本很高。 本论文的主要研究内容： r 昆明理工人学硕士沦文第章绪论 ( i ) 通过实验选择f h “套适合片状锌粉生产的球磨设备； ( 2 ) 通过实验筛选出适合所选设备的球磨介质及球糜助剂 ( 3 ) 通过人量的实验筛选出适合片状锌粉生产的球磨参数 ( 4 ) 对实验结果进行分析； ( 5 ) 给出片状锌粉牛产工艺全流程。 昆明埋i 大学砸- 二论文 第一章肆羼法制备粉体原理及设备 第二章球磨法制备粉体原理及设备 达克罗所剧的锌粉是鳞片状锌粉，它的片状化过程足南球磨机来完成的。球 崩机的结构以及球磨机的介质运动方式决定着破碎儿的方式，而破碎力的方式影 响锌粉的片状化程度、粒度、亮度等粉末特征，所以必须针对不同的球磨过程选 择一i 阔的球磨机和球磨参数，爿能得到小同的球磨效果。为r 达到这一目的，有 必要了解球磨机的发展及其工作原理。 2 1 球磨机工作原理及其发展 自1 8 , 9 3 年球摩机出现1 0 0 多年以来，它在金属及非金属矿选矿厂、冶金、建 材、化t 及电力等着干基础行业巾的选矿粉碎中得到了厂。泛的庸用。球磨机在r 业上的应用发展经历了如此| j ：= 的时间而未被淘汰的这个事实，本身说明它从结构 到工作原理是可靠的及合理的，性能也是比较好的，虽然它也有些缺点，但要把 它从粉碎及研磨中淘汰 玄足相当困难的。，换句话说，球磨机枉相当长的一段时 间内仍然将是磨料粉碎细化的主要设备，对它：1 二作原理进行深入的研究仍是十分 必要的及有价值的“。 球磨机在粉碎过程中由于参变数众多，问题错综复杂，研究起来足十分困难 的。长期以来，选矿及粉碎工作者对球磨机磨料介质进行了大量的研究，电取得 r i 少的成就。但对球磨介质而言，仅能对球磨机球磨介质作抛落运动时的特殊 状态定量地数学描述；对球磨介质的泻落运动状态只能进行定性的描述。即使是 出现更早的棒式磨机，也只能对棒磨机介质的运动作定性描述。5 0 年代后兴起的 自磨机，已经4 0 多年的j 力史，但对自磨机的工作原理仍有很大的争议，有人认为 以冲击为j 二，有人认为以剥落为主。因此，即使是出现上百年而目研究比较多的 球磨机，其工作理论仍然研究的很不透彻，甚至连球磨机磨球的尺寸确定这样的皋 本f q 题，在此以前也只有借助经验公式及实践经验来解决。球磨介质工作理论的 这种现状，为粉碎绌化及选矿工作者提出了任重两道远的研究任务。 过去进行的球磨机介质工作理论研究，主要是研究磨机内钢球作抛落运动的 情况”1 ”。这方面有代表性的是e w ( d a y s ) 戴维斯3 7 i b 列维斯( e b e c o n ) ，还 有我国的王t 一东。它们的研究始于2 01 廿纪3 0 年代，其研究f 勺方法是在具有玻璃 端盖 勺实验室磨机中，用快速摄影机摄下磨机内钢球的运动轨迹，确定u 钢球作 昆e ：j 】理_ 上大学顿十论文 第二章球磨法制各粉伴原理及设备 抛落运动时，轨迹由尉及抛物线组成，然后刚数学分析的方法建市铡球的圆运动 及抛物线运动的基本方程成，并用此利一方程式求解出钏球运动轨迹 ：各特殊t l 的 几何位镗，进而能够从数学l - 定量的描述钢球的运动轨迹。按照他们的研究成果， 只要知道它们的磨机规格、转速及球磨机装球率，就可以求解钢球运动的各种问 题，包括临界转速率、南泻落运动进入抛落运动的界限、钢球运动的动能、最大 的落卜高度、适宜的磨机装球率、钢球的能态调节，直至计算磨机需要的功率等 等。应该说，e w ( d a v js ) 戴维斯n 【j 列维斯( e b e c o n ) 等人的钢球运动理论是 严密的及完整的，而日迄今为止还没有更完整善的理论可以替代它们。当然也应 该看到，这个传统理论也有它们的缺陷，因为它们是在假设磨机内只装钢球而月 钢球之间没有相互滑动及相互之间没有作用力的前提下推导出来的，其假设前提 与实际有 5 入。但是，实验及生产实践表明，肖磨机内存在水以及磨料并且球荷 充填率达到4 0 5 0 时，钢球基本上无滑动，与理论推导假设的f i 提条件相符， 而且工、l p 弋生产中充填率多为4 0 5 0 ，恰好符合上述理论要求。如果磨机内 充填率低于4 0 ，钢球出现严重的滑动现象，已经超出该理论推导时的假设前提 条件，自然不能利用该理论来解决问题，如后来出现的高转速及超临界磨机，冈 为高速及超临界磨矿的球荷充填率已经减小至2 0 4 0 ，钢球存在严重的滑动 现象，球荷与球荷之间以及磨球与简体之间存在剧烈的相互滑动。，此时，实际值 和理论值存在极大的谋葶，谆蜷俾用该砰论时应该引藕特别沣帝的方雨。 作为球磨介质| ! | 勺干作稃治，不应该只浦旱于卸道钢稀的辐动，而应该把钢球的 运动和磨粒的粉碎联系起来，把钢球的能态和破碎联系起来，甚至与粉碎后的产 t 褂陛能联系起来。只有如此，才能使钢球运动与粉碎后的磨料紧密联系起来，球 磨后的磨料效果才足研究钢球运动的目的，亦是研究球磨介质工作理论的同的。 无论钢球作什么运动，只有钢球和磨料相接触才有可能产生粉碎行为。因此 有人提出，应研究铡球在磨机巾的破碎概率问题。段希祥的研究指出“，磨机中 钢球对磨料的作用是随机的，钢球落f 或滚下时可能打到磨料，也可能打不到磨 粒，而且钢球打羲磨粒后磨料的粉碎行为也是随机的，可能产生破碎，也可能不 产+ f 破碎，对于这样的随机行为也只能利用统计的方法，即概率论的方法来解决。 211 钢球在球磨机内的动能与能态变化 以目前研究比较多的滚筒式球磨机为例，在球磨机中，除了不需要钢球作离 心运动这种特殊的状态外，不论钏球作抛落运动还是作泻落运动，或是磨机内的 磨球荷介十前二者的混合状态下，运动着的钢球其能态是变化的。下面分析铡球 昆明理i 大学硕士论文 第二章球磨法制备粉体原理肢设备 一个运动周期中的能态变化。 处于磨机筒体底部的钢球对筒体的位能为零，机械能为零，此时钢球尚术开 始运动。当磨机靠筒壁对球荷的摩擦力商带着钢球上升时，钢球韵位能在逐步的 增大，且钢球开始运动，具有动能。此过程中，电刚的电能转化为磨机简体运动 的机械能，而这个机械能又通过运动传给钢球变为钢球的机械能。当简体把钢球 带到最高位置时，钢球具有最大的位能，同时运动到最高点的钢球还具有f 落的 初始动能。此时，铜球的机械能包括位能和动能。当钢球开始从最高位置往下抛 落或滑落时，位能开始减小，动能丌始增大。在此过程中铡球的机械能转化为动 能。在钢球打击磨粒的一瞬间，铡球的机械能完全转化为动能。当球磨机钢球打 击磨粒时，钢球的动能释放出来通过打击力而对磨料作功。这个功使磨粒变形， 开裂乃至破坏。此过程中，钢球做的功转化为磨粒的变形能、裂纹形成能和抄展 能以及形成新生的表面能。至此，钢球的一个运动周期结束，钢球又处于磨机筒 体的最低位嚣，位能为零，往开始下一个周期运动前一瞬间机械能为零。接着又 被筒体带着往上运动，开始第一二个运动周期，周而复始。 通过j ：述钢球一个运动周期中的能态变化分析可以看出：从物理现象上看， 钢球在球磨机中是粉碎作j j 的实施体，对磨粒实施打击和剥落作用的实旌体，完 成粉碎磨粒的作用；从钢球的能态变化看，钢球是个能量传递的媒介体，它将球 磨机磨筒传来的机械能转化为自身的机械能，而通过打击作功而传递给磨料，罔 此，称钢球为磨料介质，主要指它是能量传递的媒介体，是粉碎作用的传递体。 由于钢球肩负着能最的传递，因此粉碎能量传递的多少也就由铡球自身束决 定。从物理学常识知道，钢球达到最高位置时的机械能为： e 机e 位+ e o 动 式中：e 机钢球的机械能； e 位钢球具有的位能； e o 动钢球达到最高位置时的初始能 或者表示为： e 机一m g h 十1 2 m y 。 式中；m 钢球质量 g 一刚球具有的位能 h 一钢球在磨机中下落的绝对高度 v 钢球在脱落j 是时的运动初始速度，即磨机运转的线速度 这个机械能也即是钢球能够传递的能量，当磨机规格大小和运动速度也确定 昆明理i 大学硕f 论文第章球孵法制蔷粉体原理段设备 时，h 及v 均为常数，而g 是常数，顾铡球能够传递的能嚣完全由钢球的质量柬决 定，既质譬：大的镪球能传递的机械能人，质最小的钢球能传递的机械能小。 义测为钢球质景i l l m ：诗：t 秽6 6 式r j l ：1 ) 一钢球l 径； 6 钢球密度。 对一定利+ 质的钢球，其密度6 为一常数，锻造钢的为7 8 9 c m 。，j 捌此，钢球 的顶鼍完全由其直径来决定。也就是说，直径大的钢球传递的能最大，直径小的 钢球传递的能最小。 当钢球下落时，存落到筒体底端而打击磨料的前一瞬问，位能为零，机械能 全部转化为动能，即 1 e 机一去m v p 2 式中：v 。一一钢球f 落终r 的术速度。 当磨机规格人小和磨机简体运动的速度已定时，钢球落下终，时的动能仍然 取决于钢球的质量，也就是取决于钢球的大小，即大的钢球宵大的动能，小的钢 球有小的动能。 2 1 ，2 刚球对磨料的粉碎作用 根据开口型磨机和对玻璃端盖的实验室磨机的钢球运动摄象证实，磨机内的 运动状态有以下典型的二种，女u 图2 1 所示，即泻落状态( a ) 、抛落状态( b ) 和离心 状念f c ) ，一。一 蕊i 。 ： 。 1 、， 赫 _ 。爹“ ，奠? 啦。j 懑 ；漤l 一爹| | 图2 - 1 球磨机介质运动轨迹 当磨机内的磨球处于离心状态时，即图2 - 1 ( c ) 所示，钢球受离心力的作用成层 状紧贴筒擘与筒擘一起做同步运动，甚至连钢球的转动也4 ；存在，此种情况下不 比明理工大学硕上论史 第二章球磨法制并粉体原理及设备 可能产生球磨的效果，离心运动是球磨工作者不零望看到的现象。冈此才提了 l 瞄界转速的概念加以限制，避免球磨机进入离心转速的范围。 当磨球处于抛落状态时，即蚓2 1 ( b ) 所示。v 。抛落运动时钢球的运动和速度分 解亦如罔2 2 所示。钢球落到简体b 处的速度v 。可以分解成法向分速度v 。及切向 分速度v ，。法向分速度v 。是沿糜机简体中心到落回点b 的i 杰线方向对磨粒产生冲 击，而r j 法l 均相垂商的切线方向卜的切向分速度v 。则对磨料产生剥落作用。嗍此， 法向分速度v 。产生冲击力，泫向分速度v t 产生剪切。按照戴维斯等人的计算理论 确定，v 。和v 。分别为： k = 8 s i n 3 口c o s 2 v = 卅4 v s i n 3 口c o s 2 a ，。慧：蠢、l 一 ! | j 。j 。 ，j7 。；| 1 i 。一r j t 、1 毫 图2 - 2 球的圜运动和抛物线运动轨迹 按照他们的理论，磨机筒体的线速度v 止再鬲五和c o s a 一1 l 2 ，凶g 是重 力加速度，为一常数，顾v n 壤一v t 的大小与转速平有关，随哪的提高而增大。虽 然钢球的运动轨迹与磨机直径d 无关，但磨机的筒体线速度v 却于直径d 有关， 即v = 2 6 n _ o y 。足，大赢径磨机有大的线速度a 换句话说，要达到同样的线速度，大商 径的磨机只需要较低的筒体转速1 3 ，而直径较小磨机需要较高的筒体转动速度n 。 这就是人直径的磨机转速低而小商径的磨机转速商的根本原因。但足心该指出， c o s o = v2 是指最外层球，即c o s o t ，= v 。，析对最内层球，c o s q ，= k i l r 2 k = 堕，k 与 r 1 磨机的装球率有关，即是说，v 。和v 。的大小既与转速率v 有关，还刹装球率有关。 同样的转速率下，最内层球的半径r z 愈大c o s q 也愈大，r z 愈小则c o s o r 也愈，当小 到一定限度( r 。一罂) 时，内层球就只有蠕动了，无抛落运动而吉。 昆引珥l _ l 大学硕上论文 第二章球磨法制备糟体燎坪及设备 一般说米，v 。产生冲。许力，”t 则对磨料产生剥落，但足二箱足密不可分的， 这一点hh 戈尔什科娃的研究作r 较好的漉明【”j ：过去一直认为球磨机粉碎差要 靠球在抛落时的冲击力作用，这对粗磨无疑是正确的。但对磨到粒径小于8 0 p m 的 粉料，通过实验与计算指出，理论j 二需要的冲击次数人人高十实际值，单靠冲击 作用所得的物料比球磨机中实际得到的粗，而确认研磨是物料细磨的要作j j 。 而冲击与研磨是一个统一的过程，冲击时，层问发牛剪切，产生滑动摩擦，滑动 摩擦产牛时，有多频的微量的冲击产生。 冲击粉碎的情况下，冲击的时间很短，冲击力很人。有的研究指f _ _ 心，球研 磨体在降落点冲击物料的时间趋近于零( 2 5 1 0 。s ) 。由于冲击的时间趋近于 零，可以按物理学上的动量冲量原理来分析问题， 埘= ，x r 及 式中：f 一一冲击力； 1 1 1 钢球质量，k g ； v 。钢球法向速度，m s l 一冲击时间，s 。 f ：竺兰 t | 4 5 | 2 - 3 球磨机的泻落式工作状态月；蒽图 关于球衙作泻落运动的力学，f j 前仍未研究清楚。泻落时整个球形成倾斜状 态如图2 - 3 所示。外层的球从最高点a 沿倾斜面往下滚落到b 点，里面球层的运 动也大体如此。球滚落到最低点时也与简体和钢球之间有冲击作用发t 卜，存滚动 过稃 】则是剪切作用。这表明泻落工作状态下，剪切力的研磨作用是主要的粉碎 彤式。在细磨机中主要采用泻落式工作状态，充分利用剪切力。 一弋童以 。 ， 一一澎紫，一 一遵 昆明理工大学硕士埝史 第二章球磨法制各粉休原理及设备 a 17 塔加尔特指出，球磨机中除冲击和剪切研磨外，还有压碎的作j l j 。t h 于 目前缺乏研究证明资料，人们往往只能作一种定性的推测描述，故人多的球磨工 作者往往只承认球荷的冲击和研磨作用。 2 2 粉碎方法 l l l 材料力学可知，单个材料承受外力作川，存出现破坏之前，首先