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雾化铝粉制备工艺比较
2018月08月06日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:347
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铝粉,俗称“银粉”,其用途广、需求量大、品种多,是金属颜料中的一大类。铝粉生产工艺有多种,包括球磨法、雾化法、冲击粉碎法等。根据制备工艺不同,铝粉可分为球磨铝粉、雾化铝粉和铝屑粉等。

 

1 雾化铝粉

 

最初,铝粉生产采用捣冲法生产,即将铝碎屑加工成细小的片状铝粉。二战期间,由于武器弹药的大量使用,球形铝粉需求量迅速增长,雾化法的出现,不仅有效满足了市场对铝粉功能材料的需求,同时为球磨法生产铝颜料提供了优质的原材料。雾化法由于雾化介质的不同,分为空气雾化法、氮气雾化法和水雾化法,三种生产方法的优缺点比较如表1所示。接下来,我们将具体分析三种雾化方法的异同。

 

加工方法

优点

缺点

 

空气雾化

 

1.生产能力大

2.成本低

3.设备简单

1.生产安全性差

2.铝粉纯度不够

3.无法制得球形铝粉

 

氮气雾化

1.生产过程安全

2.成品氧化量少,品质高

3.球形粉体,应用价值高

1.设备气密性要求高

2.需要氮气,成本高

 

 

水雾化

1.生产成本低

2.液滴冷却速度快,效率高

3.铝的氧化反应可控

1.生产安全性差,存在氢气爆炸危险

2.铝粉粒状形态不规则

1 三种雾化方法优缺点比较

 

一.气雾化法和水雾化法

1.1空气雾化法

空气雾化法是通过喷嘴以压缩空气将熔化的铝液喷成雾状,雾状铝冷凝成粉,然后将铝粉筛分及分级,形成雾化铝粉产品。图2为气体雾化的两种方式。

 

 

2 气体雾化法的两种方式

a— 垂直雾化;b—水平雾化

1—熔池;2—金属熔液;3—高压气管;4—雾化器;5—雾化粉末

 

1.2惰性气体雾化法

惰性气体雾化法是新近发展起来的铝粉雾化生产方式。它与空气雾化法不同,在于它的生产设备完全密封并充满情性气体。加压的惰性气体通过雾化器将熔融的铝喷成雾状,惰性气体迅速吸收铝中的热量,呈雾珠状的液态铝则急剧冷凝收缩为球形状。已凝固的铝粉在分级器内被分离成各种粒度等级。惰性气体则通过除尘、净化后重复使用。图3为氮气雾化法铝粉制备流程图。

 

 

3 氮气雾化法铝粉制备流程图

 

1.3水雾化法

水雾化法是用高压水在雾化器内将熔融的铝粉碎成细粉,在水中铝粉通过旋流器分成各种粒度的品级,然后脱去水分成为干燥的铝粉。

 

二.两种气雾化法的比较

综合来看空气雾化法和惰性气体雾化法均属于气体雾化法,其最大的不同,是雾化气体的选择不同。雾化介质的热传导系数、比热容、密度以及氧化的能力,将影响着不同两种气雾化法产品的品质。首先,来看空气雾化法。

 

空气雾化法具有生产能力大,成本低,设备简单的优点。但是该方法生产安全性差,在生产过程中铝粉悬浮在空气气流中,运动形成尘雾并伴生静电,当铝尘雾达到相当浓度时遇到火花可能引起爆燃。生产过程中,必须严格控制粉尘,尽可能减少粉尘的产生量,防止粉尘达到最低爆炸浓度,此外,还必须控制氧气的含量以及引燃粉尘的热源,工业生产还可以通过提高环境湿度来进行控制。

 

除了安全性差外,空气雾化法还存在着制备铝粉纯度不够的问题,高温的铝液容易被空气氧化为氧化铝,细粉收率低,因此难以生产出高质量的球形铝粉。

 

 

2 雾化气体主要参数

气体

分子量

热传导系数/

W/(m·K)

比热/kJ·kg-1·K-1

密度/g·cm-3

干空气

 

0.026

1.00

1.185

氩气

39.395

0.018

0.54

1.78

氦气

4.00

0.157

5.23

0.1785

氮气

28.01

0.025

1.05

1.25

 

2为常用雾化气体主要参数,在惰性气体中,He分子量小,热传导系数大,比热高,密度小,是惰性气体雾化的理想气体,所制得的粉末最细。且N2在高温条件下,会与铝发生反应生成氮化铝。但是实际生产中,其相较N2价格高,故目前气雾厂仍多采用N2

 

惰性气体雾化法较空气雾化法,具有以下优点:

第一, 铝粉在生产过程中没有氧化以及爆炸燃烧的条件,因此整个雾化过程非常安全

第二, 惰性气体雾化由于有氮气等惰性气体保护,氧化量极少,粉材活性较空气雾化高

第三, 惰性气体生产的铝粉粒度细,形状接近于球形,应用价值高。

 

 

4 高纯度球形铝粉

 

不过,由于惰性气体雾化法是在高气密性的环境下进行,因此其对于设备的要求较高,此外,惰性气体也是生产工艺中不可忽视的成本。长远来看,惰性气体雾化法生产雾化铝粉的工艺,无疑是替代空气雾化法的新工艺,尤其以碳分子筛吸附法制取氮气的工业技术的推广,使氮气成本大为降低,为惰性气体雾化法工艺的推广提供了有利条件。

 

三.水雾化与气雾化的比较

不论是空气雾化还是惰性气体雾化,综合来看,其原理相近,所不同也仅是介质和其它一些微小差别,所生产粉体的粒度也主要在几微米到几千微米之间。气雾化仍存在的缺点有:

 

冷却速度较低,一般气体雾化的冷却速度102-103K/s;

气雾化难以制备超细粉末,采用气雾化制备的铝粉粒度一般较粗,难以制备5um以下的超细铝粉。

 

通常,水雾化技术应用于制备铁粉等活性较低的粉末,很少用于制备铝粉。这主要是因为铝粉的活性较高,易于和水反应生成氢气,容易产生爆炸危险。同时水雾化过程中,铝粉与水的反应难以控制,铝若发生剧烈氧化,会影响制备出的铝粉的活性。

 

针对以上问题,科研领域的解决方案是通过抑制剂控制铝和水的反应。例如,北京科技大学的郭志猛等提出采用添加抑制剂控制铝粉的活性,使得雾化介质的pH为4.0,减少氢气产生,并且,pH为4时,铝表面生成的致密氧化膜会起到阻止进一步氧化的作用,以此保证生产安全。目前,相关的研究仍在进行中。

 

四.小结

根据以上三种雾化方式的比较,可以从雾化介质、粒状形态、液滴冷却速度、用途、成品含氧量几个角度,总结出三种雾化方式的特点,得表2。简言之,雾化方式差别的关键仍是由于雾化介质的不同,引起粒状形态、冷却速度的不同,进而导致铝粉品质的优劣差别。长远来看,氮气雾化法将逐步替代危险性更高的空气雾化法,而随着铝水反应抑制剂的进一步研究,水雾化铝粉的工业化生产也将拥有可期的空间。

 

2 三种雾化方式的特点

加工方法

雾化介质

粒状形态

冷却速度

用途

成品含氧量

空气雾化

空气

准球形、雾滴状

102-103K/s

工业铝粉、易燃铝粉

较高

惰性气体雾化

氮气、氦气、氩气

球形

102-103K/s

球形特细铝粉

较低

水雾化

高压水

不规则

2×104--2×106K/s

球磨铝粉毛料

若不采取措施,无法避免铝的氧化

 

参考资料

一种水雾化制备铝粉及铝合金粉的方法   郭志猛,曹慧钦,罗骥等

先进控制技术在铝粉生产过程改造中的应用   屈渊博

 

By:火宣


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