CN101962807B - 一种四针状氧化锌晶须的生产设备和方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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℃到1100℃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℃到1000℃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℃到1000℃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、ZL 200610097410.8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℃到750℃；
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℃到1050℃，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℃到1500℃，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℃到60℃；
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℃到500℃，步骤B中，控制蒸汽发生炉内温度为920℃到1000℃，步骤C中，控制氧化反应炉内温度为900℃到950℃。
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***，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％，尺寸均匀。
附图说明
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℃到750℃，优选为450℃到500℃。
2、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℃到1050℃，优选为920℃到1000℃，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℃到1500℃，优选为900℃到950℃，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℃到60℃。
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℃，蒸汽发生炉温度升至950℃，氧化反应炉温度升至920℃。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℃，蒸汽发生炉温度升至980℃，氧化反应炉温度升至950℃。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。
Claims (8)
1.一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；
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。
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，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。
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，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。
5.一种四针状氧化锌晶须的生产方法，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的生产设备，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℃到750℃；
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℃到1050℃，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℃到1500℃，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℃到60℃；
E、打开料仓出料口，将四针状氧化锌晶须取出。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求5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。
8.根据权利要求5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℃到500℃，步骤B中，控制蒸汽发生炉内温度为920℃到1000℃，步骤C中，控制氧化反应炉内温度为900℃到950℃。
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