专利名称：一种连续生产四针状氧化锌晶须的工艺与设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单晶材料的制备工艺和设备，特别是氧化锌晶须的生产工艺和设备。目前，四针状氧化锌晶须的制备方法主要有日本松下公司采用的方法，这种方法先将锌粉在特制的溶液中处理，使其表面氧化，然后再在950℃左右氧化1小时，氧化锌晶须产率达原料的40～75％，四针状晶须达60％以上；中国专利ZL94111823.1，其特点是将金属锌粉与碳粉混合，利用碳消耗部分氧气，在大气环境下制备氧化锌晶须；中国专利ZL94107349.1，其特点是将锌粉放入一端开口的管式炉中，利用在炉管内形成温度梯度的方法，制备氧化锌晶须；中国专利ZL97107607.1，其特点是利用空气受热膨胀的原理，依照炉子的体积控制锌粉的加入量，使锌粉在相对缺氧的条件下氧化生成氧化锌晶须，产率为原料的90％以上，晶须纯度大于96％。所有这些制备方法，都存在晶须转化率低及均匀性差的问题，而且严格要求原料锌粉的纯度≥99.8％，粒度≤76μm，一般都需要预处理，不能连续规模化生产，制备的四针状氧化锌晶须成本较高。为了在工程上实现以热镀锌渣或电锌片为原料连续生产氧化锌晶须，特提出本发明。本发明是通过以下设备和方法实现的采用连续生产设备—还原炉的炉型、材质和连续运行方式，将炉子改成单管炉膛，并扩大炉膛内腔截面尺寸和炉子额定加热功率，配备尾气和空气的净化与供应系统，实现尾气和空气净化及代替氮气和氧气作反应气体；采用连续逆流供气，即料盘与气流逆向移动，使炉内形成最适合晶须制备工艺要求的氧含量梯度，并提高气源中的氧含量。
具体技术方案是1).采用钨粉或钴粉还原用的还原炉的炉型，材质和连续工作方式也相同，但改成单管炉膛，并将其炉膛内腔截面尺寸宽和高分别扩大到300～400mm和350～450mm，额定加热功率也相应地放大到70～100kw，作为四针状氧化锌晶须连续生产的主体设备，称之为氧化结晶炉。它由进料带、高温带、冷却带、出料带及温度控制系统组成；加热段炉体总长3000～5000mm，高温带长1000～2000mm，底部和顶部独立加热，6区控温，底部和顶部各设3个控温区，底部加热功率较顶部大；炉管材质采用SUS310S；选用优质硅酸铝纤维板、毡、保温砖及普铝纤维折叠块作保温材料；炉盖采用优质保温棉吊顶，便于维护；采用数显式智能PID调节仪、K分度号热电偶及可控硅(SCR)功率控制元件控温，控温误差±1℃；采用电动液压推杆推盘、手动进盘方式送料；整个控制系统具有超温、缺水、过流、短路等保护功能；2)配备有尾气和空气的净化与供应系统，该系统包括常压储气罐、空压机、压力储气罐、初过滤器、冷干器、T级过滤器、氧分折仪及流量计；3).将返回的尾气与空气先配制成氧含量为10～18％的混合气体，经过初过滤、冷干燥、精过滤除去灰尘与水份，然后将这种净化后混合气体作为反应气体，从炉子的出料端或高温带与冷却带连接处的上面连续送入炉膛，反应气体与料盘逆向流动进行氧化结晶反应，结束反应后的反应气体称之为尾气，从料盘进入端排出，这样使炉内形成最适合晶须制备工艺要求的氧含量梯度，并提高反应气体中的氧含量。
连续逆流法生产四针状氧化锌晶须的工艺参数为1).炉膛高温带温度900～1050℃，2).反应气体中的氧含量10～18％.3).入炉反应气体流量2.0～5.0m3/h，4).装锌量300～500g/盘，5).推盘频率为5～20分钟推一盘。
本发明的工艺先进，设备结构简单、投资较低、易于操作和维护，炉气温度和炉气成分控制准确，实现了四针状氧化锌晶须的规模化连续生产，生产效率高，产品质量稳定，消除了尾气污染，降低了生产成本。
图1为本发明氧化结晶炉示意图；图2为本发明净化和供气系统配置图；图3为本发明实施方式1的四针状氧化锌晶须产品形貌；图4为本发明实施方式2的四针状氧化锌晶须产品形貌。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。
实施方式1 A.氧化结晶炉如图1所示包括尾气排出管1，回水管2，进气管3，推舟机构4，装舟室5，炉头6，高温带7，炉尾8和炉门9等部件；它的主要技术参数为(1)额定加热功率81KW；(2)额定操作温度850～1000℃；(3)炉膛内腔截面尺寸宽、高分别为360mm和400mm；(4)炉子总长约7m，高温带14长1.2m，全自动控温，误差±1℃，配备有供气系统及冷却系统等附属设备。
B.尾气和空气的净化与供应系统，如图2所示，该系统包括常压储气罐10、两台空压机11、压力储气罐12、初过滤器13、冷干器14和过滤器15，以及氧分折仪和三个流量计。
C.以热镀锌渣为原料，含锌94％，铁3％。按热镀锌渣碎成小块、称重、装入反应器、反应器入炉、反应器逐步被推向高温带、氧化结晶、反应器逐步被推向冷却带冷却、出炉、分离检测、称重包装的流程生产四针状氧化锌晶须产品。
生产四针状氧化锌晶须的工艺技术参数为1).炉膛高温带温度950℃，2).反应气体中的氧含量16％.3).入炉反应气体流量3.5m3/h，4).装锌渣量400g/盘，5).推盘频率为10分钟推一盘。
D.结果以达到平衡的19～22批产品为例，共产出质量良好的四针状氧化锌晶须产品1675.5g，产率为89.50％，产品形貌如图3所示，晶须形貌为规整的四针状体，晶体结构为六方纤锌矿型，晶须的尺寸均匀，针体长80～130μm，长径比25～30，晶须中ZnO含量≥99.96％。
实施方式2A、B条件同实施例1。
C.以电锌片为原料，含锌99.992％。生产流程和设备如实施方式1。生产四针状氧化锌晶须的工艺技术参数为1).炉膛高温带温度970℃，2).反应气体中的氧含量15％.3).入炉反应气体流量4.0m3/h，4).装锌量320g/盘，5).推盘频率为10分钟推一盘。
D.结果连续运行55h，晶须生产设备，包括主体设备和附属设备都符合连续生产要求。共投锌片276批，重88.32kg，产氧化锌晶须92.483kg，产率90.34％，稳定平衡后的324～330批共产出四针状氧化锌晶须产品2788g，产率为91.10％，产品形貌如图4所示，产品形貌为典型的四针状，晶体结构为六方纤锌矿型，晶须的尺寸均匀，针体长80～130μm，长径比在25～30，晶须中ZnO含量≥99.99％。
权利要求
1.一种连续生产四针状氧化锌晶须的工艺，以热镀锌渣或电锌片为原料，其特征在于先把热镀锌渣或电锌片碎成小块并称重，装入料盘，采用料盘与气流逆向移动的逆流供气法供应，反应气体从炉子的出料端或高温带与冷却带连接处的上面连续送入炉膛，料盘经高温带进行氧化结晶，再经冷却带冷却、出炉得到四针状氧化锌晶须，生产工艺参数为1).炉膛高温带温度900～1050℃；2).反应气体中的氧含量10～18％；3).入炉反应气体流量2.0～5.0m3/h；4).装锌量300～500g/盘；5).推盘频率为5～20分钟推一盘。
2.根据权利1要求所述的生产四针状氧化锌晶须工艺，其特征在于所述的反应气体是先将尾气与空气配制成氧含量为10～18％的混合气体，然后经过初过滤、冷干燥、精过滤除去灰尘与水份后的氮、氧混合气体。
3.一种用于实现权利要求1所述生产四针状氧化锌晶须工艺的设备，采用还原炉炉型为钨粉或钴粉还原用的还原炉，炉子由进料带、高温带、冷却带、出料带及温度控制系统组成，其特征在于将还原炉的炉型改成单管炉膛，并将其炉膛内腔截面尺寸的宽扩大到300～400mm，高扩大到350～450mm，额定加热功率放大到70～100kw，同时配备有包括空压机、压力储气罐、初过滤器、冷干器、T级过滤器、尾气回收罐、氧分折仪及流量计的尾气和空气的净化与供应系统。
4.根据权利3要求所述的设备，其特征在于还原炉炉体的加热部分总长为3000～5000mm，高温带长1000～2000mm。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于炉子底部和顶部独立加热，底部和顶部各设3个控温区，底部加热功率较顶部大。
全文摘要
一种连续生产四针状氧化锌晶须的工艺与设备，本发明以热镀锌渣或电锌片为原料，采用连续生产设备－还原炉的炉型、材质和连续运行方式，将其炉膛尺寸扩大，额定加热功率相应地放大，并配备有尾气和空气的净化与供应系统，实现净化尾气和空气代替氮气和氧气作气源；采用逆流供气，稳定产品质量和产量，并提高气源中的氧含量。发明设备结构简单、投资较低、易于操作和维护，炉气温度和炉气成分控制准确，实现了四针状氧化锌晶须的规模化连续生产，生产效率高，产品质量稳定，消除了尾气污染，降低了生产成本。
文档编号C30B1/00GK1891867SQ20051003178
公开日2007年1月10日 申请日期2005年7月1日 优先权日2005年7月1日
发明者唐谟堂, 陈艺锋, 姚维义, 彭建华, 唐朝波, 罗高辉, 杨声海, 曾树中, 肖小标, 何静, 卢建民, 鲁君乐 申请人:中南大学