CN100402201C - 一种短流程制备金属颗粒的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短流程工艺制备金属颗粒的方法，首先将铸锭在预热室进行预热处理，铸锭预热温度为100～120℃。铸锭预热后，直接进入熔化炉内，熔化炉内温度控制在金属熔点以上15～25℃。铸锭熔化后，陶瓷管将金属液输送到保温炉内，保温炉内金属液温度控制在金属熔点以上25～28℃。在保温炉底部，安装多个定量器滴嘴，保温炉内的金属液流经定量器滴嘴后，滴入保温炉下方的冷却箱内，冷却水温度控制在15℃～40℃，金属颗粒在冷却水中的停留时间为10～18秒。随后通过斗式提升机直接输送到金属颗粒包装箱内即可。该方法流程短、能耗低、效率高，比普通流程降低能耗15%～20%，制备的金属颗粒圆整、致密，表面光洁、无裂纹、无夹渣，且尺寸均匀稳定。

Description

一种短流程制备金属颗粒的工艺

技术领域

本发明属于金属颗粒制备技术领域，涉及金属颗粒制备方法，特别涉及一种短流程制备金属锡(锌)颗粒的工艺。

背景技术

现代工业的发展对金属钢板的性能要求越来越高，不仅要有良好的机械性能，还要有很好的耐蚀性能。单一从材料本身考虑，任何同时具备良好耐蚀性能和机械性能的材料，成本高，难以被广泛使用。涂镀层钢板的最大优点是具有良好的耐蚀性，一般比普通冷轧碳钢板耐大气腐蚀能力高几倍到几十倍，此外还具有良好的成形性和涂漆性。因此，世界各国都大力发展涂镀层钢板，有的甚至占冷轧钢板产量的50％，占钢产量的13％。电镀锡钢板和电镀锌钢板是涂镀层产品中的主要品种，目前全世界电镀锡钢板的年生产能力已超过3000万吨，电镀锌钢板的年生产能力也超过2000万吨。

制造电镀锡(锌)钢板时，电镀是关键工序，镀层是通过电化学方法，将镀液中的锡离子或锌离子在钢板上还原而成。镀液中锡(锌)离子的补充主要采用添加锡(锌)锭或锡(锌)粒，使锡(锌)锭或锡(锌)粒随后在镀液中电解来实现。镀液中采用添加锡(锌)锭补充锡(锌)离子的方法存在操作不方便、金属锡(锌)锭不易电解和镀液成分均匀性差等不足，导致镀层均匀性差、耐蚀性低。采用在镀液中加入颗粒均匀、无夹杂的锡(锌)粒来补充锡(锌)离子，可获得均匀性和耐蚀性好的镀锡(锌)层。此外，还具有工效高和操作方便等优点。因此，世界各国新建或改建的电镀锡(锌)生产线多数采用添加锡(锌)粒取代以往添加锡(锌)锭方法来补充镀液中的锡(锌)离子。

目前，金属颗粒常见的加工方法主要有熔滴法、飞溅法和机械加工法。应用机械加工方法制造金属颗粒的流程是：金属铸锭→熔化→浇注→热压→冲压→金属颗粒→包装。其工艺成熟，能生产合格产品，存在的主要问题是：①工艺过程复杂，加工工序多；②金属颗粒收得率低，小于78％；③能耗高，22％以上的边角料需返回重新熔化，多耗能22％以上；④冲压设备庞大，维修量大，劳动生产率低；⑤设备建设投资高；⑥对成品金属颗粒有污染。

中国发明专利CN1632972中报道了用于锌锰干电池的锌粒及其制造方法，其组成(重量)为：0.0005～0.0030％的镁，0.001～0.005％的铟或0.0005～0.005％的锡，0～0.004％的铅，0～0.0005％的镉，余量为锌。其制造方法包括：在制造时加入0.0005％～0.0030％的镁，0.001％～0.005％的铟或0.0005～0.005％的锡，使用锌含量99.9955％以上，镉含量≤0.0005％，铅含量≤0.004％的锌锭，熔铸温度为400℃～500℃，铸成锌板，并经过辘压，然后用冲床冲制成锌粒。用这种方法制备锌粒工艺复杂，成本高。

中国发明专利CN1127686中报道了一种镀锡钢板电镀用锡粒的制备方法，该方法中，将金属锡锭熔化后，通过出料口导入滴注罐，锡液经滴注口而滴入冷凝浴槽内，冷凝浴槽内装有油、水双层冷却液，熔融状锡液则先滴入上层油浴，再进入下层水浴冷却凝固而成颗粒状锡粒。应用该方法尽管可以加工出尺寸均匀的锡粒，但锡粒要进行脱脂清洗和烘干处理，既增加了生产工序，又增加了能耗，脱脂剂还污染环境。另外，用该技术制备金属颗粒，由于金属在熔化和保温过程中，易氧化，金属熔体中夹杂物多，金属成品颗粒中易出现夹杂、疏松等缺陷，使用过程中，严重影响涂层钢板质量。

中国发明专利CN1255415中报道了一种锌的造粒方法及其设备，该方法与中国发明专利CN1127686中公开的镀锡钢板电镀用锡粒的制备方法基本相近，熔融状锌液直接滴入冷凝浴槽内，冷凝浴槽内装有水直接冷却熔融状锌液，最后获得锌粒。用该方法加工的锌粒不需要进行脱脂处理，但仍需要进行烘干处理。

中国发明专利CN1438085中报道了一种用于制造电镀锌钢板的锌粒加工方法，包括以下步骤：锌锭经熔化炉熔化后，进入保温炉，保温炉采用陶瓷内加热套管供热，锌液保温时用N₂或Ar₂保护。保温炉内锌液温度控制在435℃～455℃。在保温炉下部，设有1个或1个以上的通孔，通孔直接与定量器相连，锌液流经定量器，经滴嘴后滴入石墨冷却辊上。由于冷却辊的快速导热，锌液迅速变成锌粒，在离心力作用下，锌粒被抛入锌粒收集箱内。用本发明制造锌粒时，由于锌锭入熔化炉前没有进行预热处理，因此，锌锭熔化时间长，热效率低，能耗为0.75kw/kg～1.10kw/kg。另外，熔化炉内温度波动大，氧化损失达到1.0％～2.5％。

美国专利3888956中报道了一种采用熔滴法加工金属颗粒的方法，在该方法中，使熔融铁的熔流朝着一个水平的固定部件落下，熔体撞击该部件时由于其本身的动能而破碎，形成不规则的熔滴，这些熔滴往上述部件的上方和向外运动，然后落入位于所连部件下面的冷却介质的溶液中。采用这种方法可以制造金属颗粒，但这种方法有很多缺点和不足。由于熔融金属撞击上述部件时所形成的熔滴从很小的熔滴到相当大的熔滴大小不等，因此不可能有效地控制颗粒尺寸和颗粒均匀分布。

在金属颗粒制备方面，还有液态金属雾化法(陈振兴，特种粉末，北京：化学工业出版社，2004)，即采用高压水雾化和气雾化法制备金属颗粒。采用液态金属雾化法制备金属颗粒不仅装备复杂、效率低，还存在金属颗粒尺寸小、尺寸均匀性差等不足，不能满足电镀锡(锌)钢板工业的要求。陈振华等人(陈振华，陈刚，严红革，固气两相流雾化工艺规律，中国有色金属学报，2004，14(2)：204～209)采用自行发明的气固两相流雾化技术，采用高压氮气为气相雾化介质，分别以NaCl颗粒和Fe粉为固相雾化介质对Al-Si合金、金属Zn进行固气两相流雾化实验，制得了粒度分布更集中的金属微细颗粒。该工艺与水雾化和气雾化相比较具有微细颗粒产出高和低能耗等优点，采用的固体介质颗粒只有既达到较高的浓度又具有较高速度，才能极大地提高雾化效果，这样易改变金属颗粒组成.且金属颗粒尺寸仍然太小，因而无法用于锡、锌颗粒的制备。

1990年，美国麻省理工学院的Chun and Passow(

J H and Passow CH.Study of spray forming using uniform droplet sprays.Metal PowderIndustries Federation.Proceedings of the 1992 Powder Metallurgy WorldCongress.San Francisco，CA，USA，Jun 21-26，1992，p377～391)提出采用均匀颗粒成型法制备金属颗粒，用该工艺生产的粉末颗粒细小、均匀、无偏析、性能一致，优于传统的气雾化法制备的金属颗粒。美国东北大学工学院的Abesi(Abesi Y.Uniform droplet spraying of aluminium alloys.MS.Thesis，Mechanical Engineering，Northeastern University，1999)设计了金属均匀颗粒发生器，该装置主要由内径为0.6m的石英玻璃真空室、加热装置、气体供热系统、振荡系统、颗粒充电系统、实时监控系统和容量系统组成。已用该装置制备了直径＜76μm的95％Sn-5％Pb合金颗粒。应用该技术制备金属颗粒尽管尺寸均匀性好，但能耗高、效率低，在锡(锌)颗粒制备中无法推广应用。

发明内容

本发明目的是提供一种短流程制备金属颗粒工艺方法。该方法对铸锭的预热、熔化和金属液保温进行连续控制，其流程短、能耗低，利于高效制备表面光洁、无裂纹、无夹渣和尺寸均匀稳定的金属颗粒。

本发明的目的可以通过以下技术措施来实现：

一种短流程制备金属颗粒的工艺，该工艺采用对铸锭的预热、熔化和金属液保温进行连续控制，其工艺步骤是：

①将铸锭在预热室进行预热处理，预热过程通入惰性气体，铸锭预热温度为100℃～120℃；

②铸锭预热后，直接进入熔化炉内，熔化炉内通入惰性气体，熔化炉内温度控制在金属熔点以上15℃～25℃，铸锭熔化后，采用Φ50mm～Φ150mm的陶瓷管将金属液输送到通入惰性气体的保温炉内，将保温炉内金属液温度控制在金属熔点以上25℃～28℃；

③在保温炉底部，安装有多个定量器滴嘴，保温炉内的金属液流经定量器滴嘴后，滴入保温炉下方的冷却箱内，金属颗粒从定量器滴嘴出口至冷却箱内的冷却水的上表面距离为250mm～450mm；

④将金属颗粒通过斗式提升机直接输送到金属颗粒包装箱内，即可得到金属颗粒。

本发明的工艺设备有预热室、加热炉、金属液输送陶瓷管、保温炉、定量器滴嘴、冷却箱，铸锭的预热、熔化、保温和造粒过程一次完成，并精确控制保温炉内金属液温度，使其温差小于3℃，在保温炉底部，直接安装多个定量器滴嘴(中国发明专利CN1730206A)进行金属颗粒成型，另外，对铸锭的预热、熔化和金属液保温以及造粒过程均采用惰性气体保护，防止金属氧化，有利于减少金属液中氧化夹杂物的数量，得到无夹渣的金属颗粒。工艺过程严格控制金属颗粒冷却剂温度以及金属颗粒在冷却剂中存留时间，能够得到致密，表面光洁、无裂纹、无夹渣和尺寸均匀稳定的金属颗粒。

该方法与现有技术相比具有如下特点：

①本发明制备金属颗粒流程短、能耗低，比普通流程制备金属颗粒降低能耗15％～20％。

②本发明制备金属颗粒设备简单、可靠，操作方便，得到的金属颗粒致密，表面光洁、无裂纹、无夹渣和尺寸均匀稳定。

③本发明制备金属颗粒效率高，金属颗粒尺寸调整方便，用本发明可以制备Φ1mm～Φ10mm的金属颗粒。

④本发明可以制备多种类型的金属颗粒，如锡粒、锌粒、铁粒、铝粒、铜粒等。

附图说明

图1是本发明附图。图中的标号分别为：1、金属铸锭；2、预热室；3、预热室辊道；4、加热炉；5、金属液；6、陶瓷管；7、保温炉；8、陶瓷内加热套管；9、温度控制系统；10、定量器滴嘴；11、金属颗粒；12、冷却剂；13、冷却箱；14、斗式提升机；15、包装箱。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

具体实施方式

本发明的短流程工艺制备金属颗粒的万法，首先将铸锭在预热室进行预热处理，预热处理后，使铸锭温度达到100℃～120℃，铸锭预热使用电炉加热。铸锭预热后，直接进入熔化炉内，熔化炉使用电阻加热，熔化炉内温度控制在金属熔点以上15～25℃。铸锭熔化后，采用Φ50mm～Φ150mm的陶瓷管将金属液输送到保温炉内，保温炉使用陶瓷内加热套管供热，采用精度大于1.5℃的热电偶测量保温炉内金属液的温度，并采用温度控制系统对保温内温度实现精确控制，将保温炉内金属液温度控制在金属熔点以上25～28℃。在保温炉底部，直接安装多个中国发明专利CN1730206A公开的加工金属颗粒的定量器滴嘴，定量器滴嘴的出口尺寸为Φ1mm～Φ10mm。保温炉内的金属液流经定量器滴嘴后，直接滴入保温炉下方的冷却箱内，金属颗粒从定量器滴嘴出口至冷却剂上表面的距离为250mm～450mm。金属颗粒采用水冷，水温控制在15～40℃，金属颗粒在冷却水中的停留时间为10～18秒。随后将金属颗粒通过斗式提升机直接输送到金属颗粒包装箱内。在铸锭的预热、熔化和金属液保温以及造粒过程中，采用惰性气体保护，防止金属氧化。

对金属铸锭进行预热处理，可以缩短铸锭在熔化炉内的存在时间，提高铸锭熔化效率。另外，铸锭熔化时间的缩短，有利于减轻和防止金属液的氧化，减少金属液中氧化夹杂物的数量，有利于得到无夹渣的金属颗粒。铸锭预热温度过低，对缩短金属熔化时间和减轻金属液氧化的作用不明显，铸锭预热温度过高，铸锭传送部件的使用寿命缩短，反而降低了金属颗粒的制备效率，铸锭预热温度控制在100℃～120℃，既有利于提高铸锭熔化效率，减轻金属液氧化，也不会影响铸锭传送部件的使用寿命，综合效果较好。使用电炉加热方法预热铸锭，具有加热速度快、热效率高、操作方便和污染少等特点，因此本发明铸锭预热使用电炉加热。

金属液从熔化炉进入保温炉，选用陶瓷管，主要是陶瓷稳定性好、耐高温和抗腐蚀性能优异，可以减轻金属液传送过程中输送管道对金属液的污染，提高金属液的纯净度。普通陶瓷管脆性大，本发明采用抗氧化、耐磨、抗热震能力强、耐腐蚀、导热系数低、比重小的Si₃N₄陶瓷制造陶瓷管，为了改善陶瓷管韧性，并提高其强度，在Si₃N₄陶瓷中加入15％～25％的Zr0₂和10％～16％的柱状β-Si₃N₄相，确保陶瓷管安装和使用过程中不出现断裂。

保温炉使用强度高、传热效率高、使用方便和电绝缘性能优良的陶瓷内加热套管供热，采用陶瓷内加热套管供热还具有降低能耗、减少金属损耗、提高控温精度和安全性高等优点。

以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是本发明不限于这些实施例。

实施例1：

首先将金属锌锭1置于预热室2的辊道3上进行预热处理，预热处理后，使金属锌锭1温度达到118℃，锌锭预热使用电炉加热。锌锭预热后，直接进入熔化炉4内，熔化炉4使用电阻加热，熔化炉内的温度控制在金属熔点以上22℃。锌锭熔化成锌液5后，采用Φ120mm的陶瓷管6将金属液5输送到保温炉7内，陶瓷管6采用Si₂N₄陶瓷中加入22％ZrO₂和14％的柱状β-Si₃N₄相后烧结而成。保温炉7使用陶瓷内加热套管8供热，采用精度大于1.5℃的热电偶测量保温炉7内金属液的温度，并采用温度控制系统9对保温内温度实现控制，将保温炉内金属液的温度控制在金属熔点以上27℃。在保温炉底部，直接安装12个加工金属颗粒的定量器滴嘴10(中国发明专利CN1730206A)，定量器滴嘴10的出口尺寸为Φ3.2mm。保温炉内的金属液流经定量器滴嘴后，直接滴入保温炉下方的冷却箱13内，金属锌粒11从定量器滴嘴10的出口至冷却箱13内的冷却水12上表面的距离为420mm。冷却水12的水温控制在15℃～40℃，金属锌粒11在冷却水12中的停留时间为16秒。随后将金属锌柆通过斗式提升机14直接输送到金属颗粒包装箱15内。在锌锭的预热、熔化和金属液保温以及造粒过程中，采用惰性气体保护，防止金属氧化。最后获得了致密，表面光洁、无裂纹、无夹渣和尺寸均匀稳定的金属锌粒。

实施例2：

首先将金属锡锭1置于预热室2的辊道3上进行预热处理，预热处理后，使金属锡锭1温度达到107℃，锡锭预热使用电炉加热。锡锭预热后，直接进入熔化炉4内，熔化炉4使用电阻加热，熔化炉内温度控制在金属熔点以上18℃。锡锭熔化成锡液5后，采用Φ100mm的陶瓷管6将金属液5输送到保温炉7内，陶瓷管6采用Si₃N₁陶瓷中加入19％ZrO₂和15％的柱状β-Si₃N₄相后烧结而成。保温炉7内使用陶瓷加热套管8供热，采用精度大于1.5℃的热电偶测量保温炉7内金属液5的温度，并采用温度控制系统9对保温内温度进行精确控制，将流入保温炉7内的金属液温度控制在金属熔点以上26℃。在保温炉底部，直接安装有20个加工金属颗粒的定量器滴嘴10(中国发明专利CN1730206A)，定量器滴嘴10的出口尺寸为Φ2.5mm。保温炉内的金属液流经定量器滴嘴后，直接滴入保温炉下方的冷却箱13内，金属锡粒11从定量器滴嘴10的出口至冷却箱13内的冷却水12上表面的距离为290mm。冷却水12的水温控制在15℃～40℃，金属锡粒在冷却水12中的停留时间为11秒。随后将金属锡粒通过斗式提升机14直接输送到金属锡粒包装箱15内。在锡锭的预热、熔化和金属液保温以及造粒过程中，采用惰性气体保护，防止金属氧化。最后获得了致密，表面光洁、无裂纹、无夹渣和尺寸均匀稳定金属锡粒。

以上金属锌粒和金属锡粒分别在电镀锌生产线和电镀锡生产线的电镀槽内进行了工业应用试验，结果表明，本发明的金属锌粒和金属锡粒使用方便，镀槽中夹杂物少，电镀锌钢板和电镀锡钢板表面光洁、镀层均匀，耐蚀性良好。

Claims (5)

1.一种短流程制备金属颗粒的工艺，该工艺采用对铸锭的预热、熔化和金属液保温进行连续控制，其工艺步骤是：

①将铸锭在预热室进行预热处理，预热过程通入惰性气体，铸锭预热温度为100℃～120℃；

②铸锭预热后，直接进入熔化炉内，熔化炉内通入惰性气体，熔化炉内温度控制在金属熔点以上15℃～25℃，铸锭熔化后，采用Φ50mm～Φ150mm的陶瓷管将金属液输送到通入惰性气体的保温炉内，将保温炉内金属液温度控制在金属熔点以上25℃～28℃；

③在保温炉底部，安装有多个定量器滴嘴，保温炉内的金属液流经定量器滴嘴后，滴入保温炉下方的冷却箱内，金属颗粒从定量器滴嘴出口至冷却箱内的冷却水的上表面距离为250mm～450mm；

④将金属颗粒通过斗式提升机直接输送到包装箱内。

2.如权利要求1所述的短流程制备金属颗粒的工艺，其特征在于陶瓷管采用Si₃N₄中加入15％～25％ZrO₂和10％～16％的柱状β-Si₃N₄相后烧结而成。

3.如权利要求1所述的短流程制备金属颗粒的工艺，其特征在于，金属颗粒采用水冷，水温控制在15℃～40℃。

4.如权利要求1或3所述的短流程制备金属颗粒的工艺，其特征在于，金属颗粒在冷却水中的停留时间为10秒～18秒。

5.如权利要求1所述的短流程制备金属颗粒的工艺，其特征在于，所述的定量器滴嘴的出口尺寸为Φ1mm～Φ10mm。

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