专利名称：一种四针状氧化锌晶须的生产设备和方法
技术领域：
本发明涉及无机粉末材料技术和有色金属冶金技术领域，尤其涉及一种四针状氧 化锌晶须的生产设备和方法。
背景技术：
四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)是近年来发展起来的一种新型无机功能材料，同时 也是目前已知的晶须家族中唯一具有规整三维结构的四针状晶须。独特的结晶形态使得 T-ZnOw具备优良的耐磨、防滑、降噪、吸波、抗老化、抗冲击、抗静电和抗菌等性能，可以广泛 用作工程塑料、橡胶、树脂复合增强剂以及吸波隐身材料，抗菌材料等，具有较大的市场需 求潜力、较高的技术含量和产品附加值。因此，开发高质量四针状氧化锌晶须的工业化生产 设备和工艺不但可以推动T-ZnOw这种新型功能材料在更广泛领域的产业化应用，而且有 助于提高我国在高性能材料领域的国际竞争力。关于T-ZnOw的制备方法国内外己有不少文献和专利报道。虽然这些方法从本质 上都是通过控制反应体系的氧化气氛来制备T-ZnOw，但合成工艺却各不相同。目前已报导 的工艺方法可以分为以下四类(1)锌粉预氧化法。即先将锌粉预氧化，使其表面覆盖一层 氧化膜，再将处理后的锌粉高温加热即可得到T-ZnOw产品；(2)反应器预热法，又叫平衡气 量法。即根据空气受热膨胀原理，先预热反应器以减少炉内氧气含量，在稀氧环境中进行 T-ZnOw产品的合成；(3)添加还原剂控制反应速度法。即加入碳粉等还原性物质来消耗反 应体系中锌周围空气中的部分氧气，使锌在相对缺氧条件下发生氧化生成氧化锌晶须；(4) 惰性气体保护法。即首先在惰性气体氛围下获得锌蒸汽，然后再将锌蒸汽和含氧气体接触 氧化以获得T-ZnOw产品。日本的松下公司制备T-ZnOw的工艺为先将原料预氧化处理后，使锌粉表面形成 一层一定厚度的致密氧化膜(锌粉表面氧化膜太薄时则得不到针状的氧化锌晶须)，预氧 化锌粉干燥后在特定的设备中高温下气化氧化一定时间(热处理时间与温度有关)，并经 过适当的后处理，即得到氧化锌晶须产品。中国专利ZL98111828. 3利用气体受热膨胀的原理减少炉内的氧气量，以锌粒为 原料，用双反应箱交替进行，在600°C到1100°C完成连续生产过程，产品收率在90%以上， 其中95%以上为四针状氧化锌晶须。中国专利ZL99112867.2以白炭黑为催化剂，将预先处理好的金属锌粉与白炭黑 混合在900°C到1000°C热空气环境中生成四针状氧化锌晶须。中国专利ZL02113881. 1的T-ZnOw制备方法是以工业锌锭为原料，在700°C到 1000°C高温熔化装置中加热熔化，然后挥发，锌蒸汽由氮气带入晶须反应器中，与送入的氮 气与空气的混合气体反应，控制反应速度，使氧化锌结晶、长大生成四针状氧化锌晶须，并 用氮气由出口带出，经冷却后分离出产品。与T-ZnOw相关的制备方法和工艺设备的专利还有ZL 97107607. 3、 ZL200410050238. 1、ZL 03124553.6、ZL 94107349.1、ZL 94111823. 1、ZL00113406.x、ZL200610097410. 8 等。上述T-ZnOw的制备方法均采用分批次生产的合成工艺，难以实现连续化和规模 化生产，并且产品的纯度和质量不能有效保证。另外，存在原料价格高，晶须的转化率低，直 收率低等缺点，致使生产的产品成本提高。因而设计探索新型的T-ZnOw连续化生产设备和 方法，对于促进T-ZnOw大规模的工业化应用具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种四针状氧化锌晶须的生产设备和方法，设备工艺简 单，可实现大规模连续化生产和对T-ZnOw尺寸可控生长，提高T-ZnOw合格率，降低生产成 本。为达此目的，本发明采用以下技术方案一种四针状氧化锌晶须的生产设备，包括熔化炉、蒸汽发生炉、氧化反应炉和料 仓，熔化炉与蒸汽发生炉之间通过锌液导管连接，蒸汽发生炉与氧化反应炉之间通过锌蒸 汽导管连接，氧化反应炉与料仓之间通过管道连接，氧化反应炉位于料仓上部，其中熔化炉 用于将含金属锌原料熔化成锌液并输送到蒸汽发生炉，蒸汽发生炉用于将锌液转化成锌蒸 汽并输送到氧化反应炉，氧化反应炉用于将锌蒸汽氧化生成四针状氧化锌晶须，并落入料 仓，料仓用于收集四针状氧化锌晶须。还包括煤气隔焰加热装置或者电加热装置，煤气隔焰加热装置或者电加热装置用 于加热熔化炉、蒸汽发生炉和氧化反应炉。熔化炉内部设置熔化池，熔化池内部由隔板分割成加料部分和密封部分，隔板下 部设置有空隙，熔化池的加料部分上端敞开，密封部分上端密封，在密封部分的高处位置设 置锌液出口。蒸汽发生炉内部设置蒸发池，蒸发池设置有锌液入口和锌蒸汽出口。氧化反应炉设置锌蒸汽入口和含氧气体入口，料仓设置气体出口和出料口，料仓 外设置冷却水套。一种四针状氧化锌晶须的生产方法，包括以下步骤A、将含金属锌原料连续加入到熔化炉的熔化池里，并在熔化池内熔化为锌液，控 制熔化炉内温度为420°C到750°C ；B、将熔化后的锌液通过锌液导管引入蒸汽发生炉的蒸发池，控制蒸汽发生炉内温 度为700°C到1050°C，获得锌蒸汽；C、锌蒸汽溢出蒸发池后通过锌蒸汽导管引入氧化反应炉内，控制氧化反应炉内温 度为90(TC到150(TC，在氧化反应炉内将锌蒸汽与含氧气体接触发生氧化反应，控制氧化 反应炉内反应气体条件，生成微米或纳米级的四针状氧化锌晶须；D、生成的四针状氧化锌晶须落入料仓，未反应的气体经布袋过滤后，从料仓的气 体出口排出，料仓的冷却水套进水温度为5°C到60°C ；E、打开料仓出料口，将四针状氧化锌晶须取出。含金属锌原料是金属锌锭、锌粒、工业粗锌和/或热镀锌渣。含氧气体是氧气、空气和/或以预定比例配制成的氧气与惰性气体的混合气体。步骤A中，控制熔化炉内温度为450°C到500°C，步骤B中，控制蒸汽发生炉内温度为920°C到1000°C，步骤C中，控制氧化反应炉内温度为900°C到950°C。采用了本发明的技术方案，含金属锌原料的熔化、锌蒸汽的形成和T-ZnOw的生成 是一个单向的连续过程，加料和取料操作并不影响生产过程的进行，保证了生产的连续性； 整个生产设备是一个半封闭系统，由于熔化池采用锌液封技术，使锌蒸汽与外界隔绝，避免 了锌蒸汽逸出对工作环境的污染；所用原料来源广泛，不用预处理，四针状氧化锌产品转化 率高于98%，尺寸均勻。
图1是本发明具体实施方式
中四针状氧化锌晶须生产设备的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图并通过具体实施方式
来进一步说明本发明的技术方案。图1是本发明具体实施方式
中四针状氧化锌晶须生产设备的结构示意图。如图1 所示，该四针状氧化锌晶须的生产设备包括熔化炉1、蒸汽发生炉2、氧化反应炉3和料仓4， 还包括煤气隔焰加热装置或者电加热装置，煤气隔焰加热装置或者电加热装置给熔化炉、 蒸汽发生炉和氧化反应炉加热。其中熔化炉将含金属锌原料熔化成锌液并输送到蒸汽发生炉，蒸汽发生炉将锌液 转化成锌蒸汽并输送到氧化反应炉，氧化反应炉将锌蒸汽氧化生成四针状氧化锌晶须，并 落入料仓，料仓收集四针状氧化锌晶须。熔化炉内部设置熔化池11，熔化池内部由隔板分割成加料部分和密封部分，隔板 下部设置有空隙，熔化池的加料部分上端敞开，密封部分上端密封，在密封部分的高处位置 设置锌液出口。蒸汽发生炉内部设置蒸发池21，蒸发池设置有锌液入口和锌蒸汽出口。熔化炉和蒸汽发生炉之间通过锌液导管连接，蒸汽发生炉和氧化反应炉通过锌蒸 汽导管连接。氧化反应炉位于料仓上部，氧化反应炉与料仓之间通过管道连接，氧化反应炉设 置锌蒸汽入口和含氧气体入口，分别用于锌蒸汽和含氧气体输入。料仓设置气体出口和出料口，料仓外设置冷却水套。四针状氧化锌晶须的生产流程包括以下步骤1、将含金属锌原料(金属锌锭、锌粒、工业粗锌和/或热镀锌渣等)从熔化炉的熔 化池敞开加料部分连续加入到熔化池里，并在熔化池内熔化为锌液，控制熔化炉内温度为 420°C到 750°C，优选为 450°C到 5000C02、熔化后的锌液进入熔化池的密封部分，并通过锌液导管引入蒸汽发生炉的蒸发 池，控制蒸汽发生炉内温度为700°C到1050°C，优选为920°C到1000°C，获得锌蒸汽。3、锌蒸汽溢出蒸发池后通过锌蒸汽导管引入氧化反应炉内，控制氧化反应炉内温 度为900°C到1500°C，优选为900°C到950°C，在氧化反应炉内将锌蒸汽与含氧气体(氧气、 空气和/或以预定比例配制成的氧气与惰性气体的混合气体等)接触发生氧化反应，控制 氧化反应炉内反应气体条件，如气体分压、气体总流量和反应温度等，生成微米或纳米级的 四针状氧化锌晶须。4、生成的四针状氧化锌晶须落入料仓，未反应的气体经布袋过滤后，从料仓的气体出口排出，料仓的冷却水套进水温度为5°C到60°C。5、打开料仓出料口，将四针状氧化锌晶须取出，取料过程不影响上述步骤的持续
进行。 下面描述两个具体的实施方式。
具体实施方式
一是设备开启后按照一定的升温曲线将熔化炉温度升至500°C，蒸 汽发生炉温度升至950°C，氧化反应炉温度升至920°C。将金属锌锭加入到熔化池中熔化 成锌液，锌液通过锌液导管导入蒸发池，锌液蒸发并产生锌蒸汽进入氧化反应炉，与从氧化 反应炉含氧气体入口输入的氧气(流量为200L/h)接触发生反应，生成的白色絮状微米级 T-ZnOw落入料仓中，未反应的气体经布袋过滤后从气体出口排出，料仓内的T-ZnOw定期从 出料口收集。
具体实施方式
二是设备开启后按照一定的升温曲线将熔化炉温度升至500°C，蒸 汽发生炉温度升至980°C，氧化反应炉温度升至950°C。将锌粒加入到熔化池中熔化成锌 液，锌液通过锌液导管导入蒸发池，锌液蒸发并产生锌蒸汽进入氧化反应炉，与从氧化反应 炉含氧气体入口输入以预定比例配制成的空气与氮气的混合气体(流量为800L/h，氧含量 13 15%)中的氧气发生反应，生成的白色絮状纳米级T-ZnOw落入料仓中，未反应的气体 经布袋过滤后从气体出口排出，沉降在料仓内的T-ZnOw定期从出料口收集。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖 在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
一种四针状氧化锌晶须的生产设备，其特征在于，包括熔化炉、蒸汽发生炉、氧化反应炉和料仓，熔化炉与蒸汽发生炉之间通过锌液导管连接，蒸汽发生炉与氧化反应炉之间通过锌蒸汽导管连接，氧化反应炉与料仓之间通过管道连接，氧化反应炉位于料仓上部，其中熔化炉用于将含金属锌原料熔化成锌液并输送到蒸汽发生炉，蒸汽发生炉用于将锌液转化成锌蒸汽并输送到氧化反应炉，氧化反应炉用于将锌蒸汽氧化生成四针状氧化锌晶须，并落入料仓，料仓用于收集四针状氧化锌晶须。
2.根据权利要求1所述的一种四针状氧化锌晶须的生产设备，其特征在于，还包括煤 气隔焰加热装置或者电加热装置，煤气隔焰加热装置或者电加热装置用于加热熔化炉、蒸 汽发生炉和氧化反应炉。
3.根据权利要求1所述的一种四针状氧化锌晶须的生产设备，其特征在于，熔化炉内 部设置熔化池，熔化池内部由隔板分割成加料部分和密封部分，隔板下部设置有空隙，熔化 池的加料部分上端敞开，密封部分上端密封，在密封部分的高处位置设置锌液出口。
4.根据权利要求1所述的一种四针状氧化锌晶须的生产设备，其特征在于，蒸汽发生 炉内部设置蒸发池，蒸发池设置有锌液入口和锌蒸汽出口。
5.根据权利要求1所述的一种四针状氧化锌晶须的生产设备，其特征在于，氧化反应 炉设置锌蒸汽入口和含氧气体入口，料仓设置气体出口和出料口，料仓外设置冷却水套。
6.一种四针状氧化锌晶须的生产方法，其特征在于，包括以下步骤A、将含金属锌原料连续加入到熔化炉的熔化池里，并在熔化池内熔化为锌液，控制熔 化炉内温度为420°C到750°C ；B、将熔化后的锌液通过锌液导管引入蒸汽发生炉的蒸发池，控制蒸汽发生炉内温度为 700°C到1050°C，获得锌蒸汽；C、锌蒸汽溢出蒸发池后通过锌蒸汽导管引入氧化反应炉内，控制氧化反应炉内温度为 900°C到1500°C，在氧化反应炉内将锌蒸汽与含氧气体接触发生氧化反应，控制氧化反应炉 内反应气体条件，生成微米或纳米级的四针状氧化锌晶须；D、生成的四针状氧化锌晶须落入料仓，未反应的气体经布袋过滤后，从料仓的气体出 口排出，料仓的冷却水套进水温度为5°C到60°C ；E、打开料仓出料口，将四针状氧化锌晶须取出。
7.根据权利要求6所述的一种四针状氧化锌晶须的生产方法，其特征在于，含金属锌 原料是金属锌锭、锌粒、工业粗锌和/或热镀锌渣。
8.根据权利要求6所述的一种四针状氧化锌晶须的生产方法，其特征在于，含氧气体 是氧气、空气和/或以预定比例配制成的氧气与惰性气体的混合气体。
9.根据权利要求6所述的一种四针状氧化锌晶须的生产方法，其特征在于，步骤A中， 控制熔化炉内温度为450°C到500°C，步骤B中，控制蒸汽发生炉内温度为920°C到1000°C， 步骤C中，控制氧化反应炉内温度为900°C到950°C。
全文摘要
本发明公开了一种四针状氧化锌晶须的生产设备和方法，熔化炉与蒸汽发生炉之间通过锌液导管连接，蒸汽发生炉与氧化反应炉之间通过锌蒸汽导管连接，氧化反应炉与料仓之间通过管道连接，氧化反应炉位于料仓上部，其中熔化炉将含金属锌原料熔化成锌液并输送到蒸汽发生炉，蒸汽发生炉将锌液转化成锌蒸汽并输送到氧化反应炉，氧化反应炉将锌蒸汽氧化生成四针状氧化锌晶须，并落入料仓，料仓收集四针状氧化锌晶须。采用本发明的技术方案，设备工艺简单，可实现大规模连续化生产和对四针状氧化锌晶须尺寸可控生长，提高四针状氧化锌晶须合格率，降低生产成本。
文档编号C30B29/62GK101962807SQ201010508080
公开日2011年2月2日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者刘葵, 焦志伟, 王彦军, 王立, 郭梁 申请人:北京北矿锌业有限责任公司