工藝條件對(duì)無(wú)汞鋅粉性能的影響

張杰，江麗軍，李騰旭，胡榮峰

(寧波雙鹿能源科技有限公司, 浙江 寧波 315000)

1 前言

無(wú)汞鋅粉生產(chǎn)中，通過(guò)工藝變動(dòng)，改變鋅粉粒度分布和形貌，直接影響無(wú)汞鋅粉品質(zhì)和表現(xiàn)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主要無(wú)汞電池鋅粉生產(chǎn)工藝是用氣體做介質(zhì)的霧化法，主要區(qū)別在于霧化噴嘴和霧化介質(zhì)[1]。本文也將對(duì)空氣作為介質(zhì)的霧化法工藝對(duì)制備鋅粉做相關(guān)分析和探討。

隨著鋅錳電池工藝的成熟，電池的信賴性得到了有效的提高。這也打破了鋅粉析氣量越小越好的傳統(tǒng)觀念，鋅粉實(shí)踐生產(chǎn)中，往往是在電池廠家所能接受的前提下，有合適的析氣量，進(jìn)而使鋅粉在電池環(huán)境中能釋放出更強(qiáng)大的能量。因而現(xiàn)在鋅粉發(fā)展向著低銦低鉍和顆粒度更細(xì)的方向發(fā)展。本文通過(guò)不同的工藝參數(shù)變化對(duì)鋅粉粒度分布、析氣量、形貌和顆粒的等效球徑的影響做比較，希望能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)一步提升做一些有益的探討。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 不同溫度對(duì)鋅粉的形貌以及顆粒分布的影響

生產(chǎn)工藝中，一項(xiàng)重要的工藝參數(shù)就是鋅液霧化前的溫度。根據(jù)金屬熔體粘度系數(shù)與溫度的關(guān)系為：

η=ΑeΕ/RT

式中，E為活化能，A為常數(shù)，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，η為粘度系數(shù)[3]；可見(jiàn)溫度直接和熔液的粘度相關(guān)。而霧化過(guò)程就是氣體能量向分體表面能轉(zhuǎn)化的過(guò)程，在固定霧化氣體的工藝條件下，本次選取了霧化前溫度為500℃±5℃、525℃±5℃、550℃±5℃、575℃±5℃、600℃±5℃進(jìn)行霧化，霧化后冷卻溫度恒定在60℃±5℃，其它各項(xiàng)生產(chǎn)工藝不變。通過(guò)用馬爾文粒度測(cè)試儀、模擬析氣量和實(shí)驗(yàn)期間的生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，匯總具體情況如表1。

表1 不同生產(chǎn)溫度下，鋅粉各項(xiàng)性能比較

圖1 不同溫度的平均粒徑比較

圖2 +60目鋅粉所占比例 圖3 -200目所占比例

圖4 模擬析氣量變化趨勢(shì) 圖5 生產(chǎn)效率變化趨勢(shì)

分析如下：在低溫階段，由于金屬液體粘度大，氣體提供的能量無(wú)法充分將鋅液破碎，導(dǎo)致了在450℃時(shí)，鋅粉粗顆粒多，細(xì)顆粒少，整體的平均粒徑上升。但是到達(dá)一定溫度后，鋅粉的粘度下降流動(dòng)性上升，使得鋅粉在一定氣壓下破碎程度上升(見(jiàn)圖1、圖2、圖3)。但是由于隨著溫度的上升，在鋅粉霧化瞬間，鋅粉與鋅粉間相互碰撞使得在高溫時(shí)鋅粉的顆粒變的更粗大，通過(guò)電鏡觀察，高溫時(shí)生產(chǎn)的鋅粉的外形呈現(xiàn)“圓滑”而低溫下生產(chǎn)的鋅粉，外形多以條形為主(見(jiàn)圖6、圖7)。

圖6 550℃條件下生產(chǎn)的鋅粉

圖7 650℃條件下生產(chǎn)的鋅粉

但是溫度過(guò)低導(dǎo)致，鋅粉流動(dòng)形很差，使鋅粒表面呈現(xiàn)“鱗片”狀，而溫度適當(dāng)?shù)匿\粉呈現(xiàn)“榕樹(shù)根”狀。(見(jiàn)圖8、圖9)

圖9 600℃條件下生產(chǎn)的鋅粉

另外發(fā)現(xiàn)在不同溫度時(shí)，鋅粉整體的霧化狀態(tài)變化很大，在低溫和高溫時(shí)，片狀鋅大幅上升，在650℃時(shí)，產(chǎn)品的粗顆粒大幅度上升。因而導(dǎo)致了成品率不同。分別對(duì)成品率分析發(fā)現(xiàn)，在600℃時(shí)，生產(chǎn)效率最佳。

結(jié)論：根據(jù)不同溫度的實(shí)驗(yàn)得出，生產(chǎn)控制溫度過(guò)高過(guò)低都不利于生產(chǎn)和性能，綜合各項(xiàng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，控制在生產(chǎn)溫度在600℃時(shí)，產(chǎn)品的各項(xiàng)綜合性能最佳，析氣量相對(duì)較低，鋅粉平均粒徑相對(duì)較小，成品率相對(duì)較高。

2.2 不同霧化壓力對(duì)鋅粉顆粒分布的影響

霧化的關(guān)鍵過(guò)程是，通過(guò)霧化器將氣體能量傳遞給熔融的鋅液，使鋅液粉碎成粉末。因而不同的霧化氣壓決定著鋅液的程度，在其它條件都一致的情況下，我們選取0.40Mpa、0.44Mpa、0.48Mpa、0.52Mpa、0.56Mpa、0.60Mpa不同的霧化壓力，通過(guò)對(duì)不同霧化壓力下的鋅粉的顆粒分析，獲得如下的數(shù)據(jù)：

表2 不同氣壓下的顆粒度分布(干篩法測(cè)得數(shù)據(jù))

圖10 不同氣壓的顆粒度分布 圖11 不同氣壓的粒度平均粒徑

分析如下：在低氣壓階段，隨著霧化壓力的增大，+60目和-200目鋅粉呈近似線性變化，但是隨著氣壓的增大，這種變化趨勢(shì)變緩(見(jiàn)圖10、圖11)。分析原因，是從熔融鋅液到鋅粉顆粒，主要是通過(guò)將霧化氣體的能量轉(zhuǎn)化為鋅粉的表面能，因而隨著氣體壓力的增大，氣體能量上升，制備的鋅粉顆粒趨于更細(xì)，平均粒徑變小。但是隨著氣體不斷上升，設(shè)備內(nèi)部的內(nèi)耗，和高速氣體引起的湍流，都使氣體在與鋅液接觸前消耗大量能量。因而到一定程度，氣體對(duì)顆粒的影響減弱。

結(jié)論：由于不同廠家對(duì)鋅粉的顆粒要求不同，隨著氣壓的增大鋅粉的顆粒變得更細(xì)，但是隨著氣壓不斷上升，調(diào)節(jié)氣壓對(duì)鋅粉顆粒的影響將明顯降低。

2.3 其它影響鋅粉產(chǎn)品的工藝參數(shù)

其它對(duì)無(wú)汞堿錳電池用的鋅粉的影響因素還有很多，整體性影響的主要有，不同的霧化方式。如限制性噴嘴和非限制性噴嘴，由于本次實(shí)驗(yàn)條件所限，以上僅對(duì)非限制性霧化狀態(tài)做了分析。

另外影響鋅粉產(chǎn)品的工藝參數(shù)還有工藝配方、氣液流量比、霧化環(huán)境條件、霧化介質(zhì)、冷卻方式等等因素[2]。這些因素中又以工藝配方和氣液流量比對(duì)產(chǎn)品的影響因素為最大。

其實(shí)，霧化法粉末冶金是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，本次也只是對(duì)其皮毛做了自己的闡述和分析。這兩個(gè)因素也是我們生產(chǎn)中比較容易控制的因素，對(duì)產(chǎn)品影響最大的兩個(gè)因素，希望這次探討能給閱者以新的探討思路。

3 結(jié)論

綜上所述，無(wú)汞鋅錳鋅粉生產(chǎn)中，我們可以根據(jù)不同的需求選擇不同的工藝組合。

1.不同溫度的實(shí)驗(yàn)得出，生產(chǎn)控制溫度過(guò)高過(guò)低都不利于生產(chǎn)和性能，綜合各項(xiàng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，控制在生產(chǎn)溫度在600℃時(shí)，產(chǎn)品的各項(xiàng)綜合性能最佳，析氣量相對(duì)較低，鋅粉平均粒徑相對(duì)較小，成品率相對(duì)較高。

2.隨著氣壓的增大鋅粉的顆粒變得更細(xì)，但是隨著氣壓不斷上升，調(diào)節(jié)氣壓對(duì)鋅粉顆粒的影響將明顯降低。

3.如果需要進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能，還需要在合金種類(lèi)、添加比例上和氣液流量比等方面找出最合適的工藝參數(shù)。

[1] 吳濤.國(guó)產(chǎn)無(wú)汞鋅粉的現(xiàn)狀和發(fā)展.電池工業(yè)，2002.

[2] 呂海波等.熔體過(guò)熱度對(duì)霧化過(guò)程的影響.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997.

[3] 劉文勝等.氣霧化法制備金屬粉末的研究進(jìn)展. 材料導(dǎo)報(bào)：綜述篇，2009.