Цинковый порошок: характеристики, применение и промышленное развитие высокоактивных металлических порошков

Цинковый порошок (Zn) представляет собой металлический элементарный порошок светло-серого до тёмно-серого цвета с молекулярной формулой Zn, номером CAS 7440-66-6 и молярной массой 65,39 г/моль. Будучи высокоактивным порошковым материалом, он нерастворим в воде и легко растворяется в неорганических кислотах и щелочах. Благодаря своим превосходным восстановительным свойствам, проводимости и антикоррозионным характеристикам, цинковый порошок играет ключевую роль в производстве антикоррозионных покрытий, химическом синтезе, изготовлении аккумуляторов и других отраслях. Он является важным металлическим сырьём, связывающим базовую промышленность и высокотехнологичное производство. От защиты от ржавчины в традиционных отраслях до функционального обновления в сфере новых энергетических технологий — промышленная ценность цинкового порошка продолжает возрастать по мере технологических изменений.
1. Основные психологические свойства: характеристики деятельности, доминирующие в выполнении

Основные характеристики цинкового порошка обусловлены синергетическим эффектом его металлических свойств и порошкообразной формы. Физические свойства и химическая активность взаимно усиливают друг друга, что определяет границы его применения и требования к безопасности. Что касается физических свойств, относительная плотность цинкового порошка составляет 7,14, температура плавления — 420°C, а температура кипения — 907°C. Размер частиц может варьироваться от микронного до нанометрового уровня. Чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность и тем выше химическая активность. Такие показатели, как текучесть порошка и насыпная плотность, изменяются в зависимости от формы частиц (сферической, чешуйчатой, игольчатой). Среди них сферический цинковый порошок обладает превосходной текучестью, тогда как чешуйчатый цинковый порошок лучше подходит для покрытий, предназначенных для маскировки.

С точки зрения химических свойств наиболее выдающейся характеристикой цинкового порошка является его сильная восстановительная способность, которая позволяет ему вступать в реакции с кислотами и основаниями с выделением водорода. Он часто используется в качестве восстановителя в органическом синтезе — например, для восстановления индиго-красителя в текстильной промышленности и для отбеливания и обесцвечивания нефтепродуктов в нефтяной промышленности. При комнатной температуре цинковый порошок легко окисляется кислородом из воздуха с образованием оксидной пленки. При увлажнении он постепенно взаимодействует с водой, выделяя значительное количество тепла, что усиливает снижение активности. Особое внимание следует обратить на то, что при достижении определённой концентрации цинкового порошка в воздухе его пыль при контакте с открытым пламенем может вызвать горение или взрыв пыли, а при горении она даёт синее пламя. Эта особенность накладывает строгие требования безопасности на хранение и транспортировку цинкового порошка.

2. Процесс подготовки: технологическое обновление от масштабного к точному

Процесс подготовки цинкового порошка повторяется с учётом трёх основных целей: «контроль размера частиц, оптимизация морфологии и повышение чистоты», что приводит к формированию двух крупных технологических систем: промышленного массового производства и высококлассной индивидуализации. Различные продукты, получаемые в ходе этого процесса, адаптируются к дифференцированным сценариям применения, а ведущие компании отрасли уже добились замещения импортных высококлассных продуктов отечественными аналогами.

(1) Основные промышленные процессы подготовки

1. Метод атомизации: в качестве сырья используются слитки цинка высокой чистоты; цинк расплавляют, затем подвергают атомизации и дроблению с помощью высокого давления газа (воздуха, азота) или потока воды. После охлаждения, классификации и сушки получают порошок цинка. Этот процесс позволяет точно контролировать морфологию частиц, обеспечивая высокий выход сферического порошка цинка с чистотой более 99,5%. В настоящее время это является основным методом получения сферического порошка цинка. Благодаря технологической оптимизации ведущие отечественные компании достигли масштабного производства сферического порошка цинка мощностью 30 000 тонн в год, что удовлетворяет потребности в области антикоррозионных покрытий, порошковой металлургии и других отраслей.

2. Метод восстановления: в качестве сырья используют оксид цинка или цинковый шлак, смешивают их и нагревают с добавлением восстановителей, таких как кокс и антрацит; при высоких температурах проводят восстановление с образованием паров металлического цинка, после чего быстро охлаждают и подвергают десублимации для получения цинкового порошка. Компании в провинции Ганьсу и других регионах опираются на ресурсы цинковых отходов и применяют технологию непрерывной многофазной интерфейсной реакции, позволяющую эффективно извлекать цинковые ресурсы при нормальных температуре и давлении и способствующую высокой степени использования отходов. Чистота получаемого продукта может достигать 98–99%, что делает его пригодным для химического синтеза, добавок в корма и других применений.

3. Метод электролиза: Губчатый цинк получают путём электролиза раствора солей цинка, а затем цинковый порошок — методом дробления, измельчения и классификации. Продукты этого процесса обладают высокой чистотой (до 99,9%) и активностью, однако их производственная стоимость высока. Этот метод применяется преимущественно в отраслях с жесткими требованиями к чистоте, таких как производство высококлассных аккумуляторов и электронных материалов.

(2) Высокотехнологичная и изысканная технология подготовки

В области лабораторий и высокотехнологичного производства новые процессы сосредоточены на получении цинкового порошка с особой морфологией и сверхтонким размером частиц. Метод паровой депозиции позволяет получать наноразмерный цинковый порошок, что значительно увеличивает удельную поверхность и существенно повышает каталитическую активность и проводимость. Метод механического шарового измельчения обеспечивает утончение частиц и контроль их морфологии за счет высокоскоростного измельчения; он позволяет получать пластинчатый цинковый порошок, отвечающий требованиям безхромового покрытия Dacromet. Отечественные предприятия преодолели ключевые технологические барьеры в производстве пластинчатого цинкового порошка, а некоторые новые продукты уже заменили импортные аналоги и применяются в таких высокотехнологичных областях, как автозапчасти и военная промышленность.

3. Разнообразные области применения: активное расширение возможностей всей отраслевой цепочки

Спрос на глобальный рынок цинкового порошка продолжает расти; основным производителем и потребителем является моя страна. Продукция охватывает многие высокопроцветающие сферы, такие как антикоррозийная защита, аккумуляторы и химическая промышленность. Сферический и пластинчатый цинковый порошок сформировали дифференцированную модель применения, а масштаб отрасли неуклонно расширяется в соответствии с растущим спросом на downstream-рынках.

(1) Область антикоррозийных покрытий: основные защитные сырьевые материалы

Около 40% цинкового порошка используется в производстве антикоррозионных покрытий, особенно покрытий с высоким содержанием цинка. Цинковый порошок образует защиту в виде расходующегося анода в покрытии, которая предотвращает окислительные реакции стального основания. В то же время продукты окисления заполняют поры покрытия и улучшают его экранирующие свойства. Он широко применяется на наружных объектах, таких как мосты, суда и стальные конструкции. Хлопьевидный цинковый порошок хорошо зарекомендовал себя в безхромовых покрытиях Dacromet и образует плотную защитную пленку за счет слоистого накопления. Он подходит для таких сфер, как автомобильные детали и военное оборудование, где предъявляются высокие требования к защите окружающей среды и уровню защиты.

(2) Сферы аккумуляторов и накопления энергии: ключевые материалы электродов

Цинковый порошок является основным анодным материалом цинк-марганцевых и цинк-воздушных батарей. Его чистота и размер частиц напрямую влияют на емкость батарей и срок их службы при циклической эксплуатации. С развитием отрасли хранения энергии применение цинкового порошка в аккумуляторах на основе цинка постепенно расширяется. Высокоактивный ультратонкий цинковый порошок способен повысить эффективность заряда и разряда батарей, а также их стабильность. В 2024 году рынок цинкового порошка для цинк-марганцевых батарей в моей стране продолжит расти; предложение отрасли значительно увеличится в годовом выражении, и Восточный Китай станет основным регионом потребления.

(3) Химическая и металлургическая отрасли: эффективные восстановители

В химическом синтезе цинковый порошок используется в качестве отличного восстановителя для получения страховочного порошка, органических промежуточных продуктов и других веществ. В полиграфической и текстильно-красильной промышленности он может применяться в качестве восстановителя индиго, средства для блокировки цвета при шелкографии; в масложировой промышленности его используют в качестве отбеливающего агента, а также агента для очистки и обесцвечивания. В металлургии цинковый порошок можно использовать для извлечения драгоценных металлов и подготовки сплавов. Он способен выделять золото, серебро и другие элементы из руды путём реакций замещения. Кроме того, он может служить добавкой в порошковую металлургию для улучшения механических свойств и износостойкости сплавных материалов.

(4) Другие рекомендуемые приложения

В области медицины цинковый порошок может использоваться для приготовления цинковой пасты, клейкой повязки и других наружных препаратов; благодаря своим вяжущим и защитным свойствам он помогает в лечении воспалений кожи. В кормовой промышленности он применяется в качестве добавки, содержащей источник цинка, при разведении скота и птицы для обеспечения животных необходимыми микроэлементами, способствующими их росту. Кроме того, цинковый порошок широко используется в материалах для фрикционных деталей, при фосфатировании и в других областях. Благодаря технологии модификации поверхности сферы его применения продолжают расширяться.

4. Тенденции в области безопасности, охраны окружающей среды и промышленного развития

(1) Безопасное хранение и контроль за охраной окружающей среды

Как горючий, взрывоопасный и опасный химикат, цинковый порошок требует обеспечения безопасности и контроля на всех этапах производства, хранения и транспортировки. Площадки для хранения должны быть оснащены взрывозащищённым электрооборудованием, молниезащитой и антистатическими устройствами, системами сигнализации о наличии горючих газов, а также аварийными средствами принудительной вентиляции. У входа устанавливаются устройства для снятия статического электричества с человека. Металлические стеллажи и оборудование необходимо надёжно заземлять и держать вдали от окислителей и кислот, чтобы предотвратить реакции, вызванные воздействием влаги. Работы должны выполняться сертифицированным персоналом, прошедшим специальную подготовку; работники должны носить защитную одежду, защитные маски и перчатки, а также обеспечивать хорошую вентиляцию.

В плане охраны окружающей среды производство цинкового порошка требует усилить обработку сточных вод и отходов, процесс восстановления должен включать контроль за выбросами отходящих газов, а также поощряется использование возобновляемых сырьевых материалов, таких как цинковые отходы, для достижения рециклинга ресурсов. Отходные продукты на основе цинка могут быть переработаны с помощью пирометаллургических и гидрометаллургических методов, что способствует экологической трансформации отрасли и снижает риск загрязнения тяжёлыми металлами.

(2) Тенденции развития отрасли

Индустрия цинкового порошка развивается в направлении высокотехнологичного, экологически чистого и регионально скоординированного развития. На техническом уровне исследования и разработки высококачественного хлопьевидного цинкового порошка преодолели зарубежные барьеры, и уровень отечественной замены продолжает повышаться. Спрос на сверхтонкий и высокочистый цинковый порошок в области новых источников энергии и военной промышленности значительно вырос. Инвестиции предприятий в НИОКР сосредоточены на контроле морфологии и оптимизации характеристик; несколько проектов по производству хлопьевидного цинкового порошка и сплавных порошков稳步 продвигаются вперёд. Что касается распределения производственных мощностей, отечественные предприятия оптимизируют возможности регионального размещения, снижают логистические издержки и повышают конкурентоспособность продукции за счёт синергии мощностей между восточными, средними и западными регионами.

На рыночном уровне наблюдается значительная разница в цене между обычным цинковым порошком и высококлассным цинковым порошком; продукты с высокой добавленной стоимостью стали ядром корпоративной прибыли. В будущем, по мере развития новых технологий хранения энергии и высокотехнологичных производств, спрос на цинковый порошок продолжит расти. В то же время, под воздействием экологических политик будут постепенно совершенствоваться низкоэнергозатратные процессы и замкнутые системы переработки, способствуя высококачественному развитию отрасли.

От традиционных антикоррозийных материалов до высокотехнологичного основного сырья для производства — цинковый порошок продолжает способствовать модернизации различных промышленных цепочек благодаря своим контролируемым активным и морфологическим свойствам. Двигаемый двумя ключевыми факторами — технологическими инновациями и экологически устойчивым развитием — этот высокоактивный металлический порошок откроет более широкие перспективы применения в таких областях, как новая энергетика, высокотехнологичное оборудование и другие сферы, способствуя обновлению промышленности и эффективному использованию ресурсов.