稀土三基色荧光粉专用烧成窑炉的技术发展

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    1、 前言 
    稀士荧光粉是由稀土离子作为激活剂或基质组份而制成的新一代荧光粉。所制成的稀土三基色节能灯因具有比同等亮度的白炽灯节省80%电能的优点，而成为新一代电光源，并列入“绿色照明工程”首先推广的照明用灯。中国作为稀土大国，在二十世纪70年代开始研究灯用稀土三基色荧光粉，经过20多年的努力，已逐渐成为国际性的节能灯制造中心，2001年全球50%以上的节能灯产自中国。目前，随着WTO的加入，在新的国际性竞争中，如何生产高亮度低光衰稀土三基色荧光粉，是制造发光材料迫切需要解决的问题。而生产窑炉作为重要的工艺设备及保证条件，成为该领域技术发展的热点。 
    通过上海跃龙化工、阳光、有色院等企业的工艺技术支持，成功开发出稀土三基色荧光粉窑炉所需的低氢技术、高温技术、气氛控制技术、节能技术、PCL控制技术，在此基础上，推出了系列成套窑炉，包括： 
    YGT——红粉、兰粉、绿粉灼烧高温单道推板电窑 
    SYGT——红粉、兰粉、绿粉灼烧高温节能双道推板电窑 
    YGTQ——兰粉、绿粉高温还原低氢推板电窑 
    YGTH——绿粉高温还原中氢推板电窑 
    窑炉按荧光粉产量已形成系列规格，以适用于不同投资规模的需求。 
    2、 低氢技术、气氛控制技术 
    传统的还原设备采用高氢钼丝炉，以氨分解气作为工艺气体，钼丝作为加热元件，窑炉气氛氢含量达75%，有关大学及研究单位在实验室做出的兰绿粉优良的性能结果，在企业投产时，性能相差较大。高氢窑炉成为影响兰绿粉，特别是兰粉性能的主要原因。 
    将氢含量降低至5—10%是高性能兰绿粉的合理工艺条件,经实验，采用钼丝作为加热元件，寿命短，不具有工业价值.。通过对窑炉热工的优化设计和结构的开发，成功的采用硅钼棒加热，达到了工业化使用目的。硅钼棒的表面负荷控制为5w/cm²以下，高温区平均寿命达到5.5月,低温区平均寿命达到10个月。
    在低氢炉的开发过程中,成功地采用了热电技术、高温抗氢耐火材料技术、气密硅钼棒塞砖结构、双门氮气置换室、气液转换动力技术、PLC控制技术、气氛控制技术等。
    5—10%的工艺氢采用氢气源和氮气源混配而成，由于氢含量低，混配氢的压力应高于氮气压力的20—60%，通过在线式氢气分析仪在线分析混合气的氢含量，经控制装置调节氢气的流量，达到控制、稳定氢气含量的目的。稳定的氢量工艺参数对兰绿粉的产品质量有着重要的影响，在气源压力、炉内工况变化时，气氛控制装置可以实现5%的气氛稳定度。
    采用气氛控制技术，将氢气含量控制在50%左右，用于开发中氢绿粉钼丝还原推板窑，将可以有效提高绿粉的产品质量，降低投资成本。
    3、 高温技术
    稀土三基色荧光粉的灼烧是固相反应的过程，通过荧光粉厂家的研究，合理的提高灼烧温度，将可以提高荧光粉的技术性能指标。一般三基色粉的最高灼烧温度为1560℃，而新技术可以达到1620—1650℃。于是，对灼烧窑炉有了更高的高温性能要求。
    提高窑炉的温度，主要需解决高温特种耐火保温材料、发热体的热工设计等技术。使窑炉具有合理的高温技术经济性。
    相关技术说明：
    高温耐磨滑道：经研究，采用陶瓷级氧化铝微粉为原料，加入微量添加剂，抑制晶粒长大，经压力成型，1800℃高温烧成制备滑道。滑道在1750℃的高温推板窑中，使用寿命可达5年以上。 
    窑顶技术：
    高温窑炉的窑顶是高温窑炉的重要部分，采用抗剥落氧化铝空心球制品制作的窑顶组合件，工作时，窑顶不发红、硅钼棒安装方便、保温性优良、硅钼棒寿命长。 
    炉膛材料及组件设计：
    专门开发出高温蠕变强度高的DLM92刚玉莫来石制品，用于制作炉膛材料，并采用镶套、凸筋等合理的高温力学结构设计炉膛，使窑炉长时间工作结构稳定，并由于凸筋的存在，提高了窑炉的辐射面积，改善了炉内温度均匀性。
    发热体的热工设计：
    采用热炉底技术、通过计算机优化设计，有效降低硅钼棒的表面负荷，在1630℃炉温时，Ø9硅钼棒的的工作电流仅120-40A,寿命达到10-12个月。
    4、 合理温区构成
    在荧光粉灼烧和还原过程中，除了固相反和还原所需的保温区外，合理的配置升温区和降温区将影响粉体的反应过程，并影响粉体的粒径和形貌，特别是含有加热分解原料的配料系更有着一定的影响，如配方中含有碳酸盐等。另外，温区的多少将影响钳锅及推板的寿命。
    在常规荧光粉窑炉中，温区较少。如灼烧窑仅2—4个温区，基本不存在升温区。合理的温区应具有2—3个升温区，3—4个保温区，一个降温区。可以控制升温的速率和升温的拐点，调节合理地分解点和固相反应过程，并由于保温区多，使温度均匀性优良，产品品质均一、稳定。
    合理的温区，使钳锅和推板有一个渐热渐冷的过程，不存在热冲击现象，寿命较长。
    5、 双道窑的应用——节能技术 
    随着节能灯规模产业步伐的加快，稀土三基色荧光粉行业进入大批量低利润阶段。如何提高收益将是行业探讨的焦点。双道节能推板电窑用于灼烧工艺，将有效降低生产能耗，降低成本，提高产业效益。
    双道窑是一种已存在的窑种，被大量用于结构陶瓷、电子陶瓷、粉体合成等。 
    其结构及原理如下： 
    两条水平左右分布的推板窑道，窑炉中部的发热体左右窑道共用。两窑道的推板逆向运行，一窑道保温区出来的产品余热用来预热进窑的另一窑道产品，节能可达50%。双道窑的造价较低，1.5条单道窑的造价可以带来两条窑的产量。双道窑的升降温过程与单道窑相同，并由于余热的均匀预热，升漫降温过程较单道窑匀缓。与单窑相比，稀土三基色荧光粉产品质量相同，钳锅消耗低5%以上。是值得推广的高性能窑种，用于取代传统的单道灼烧推板电窑。
    6、 气液转换动力技术及PLC控制
    稀土三基色荧光粉低氢还原推板电窑的动作机构多，计有4个门、主推进、切离、回传等12个动作机构，采用气动技术将可以提高窑炉的安全性（失去电力后，可用储气罐中的气体完成动作，而机械及液压将失去动力），并使运动机构简洁可靠。
    但单纯采用气体作为气缸的动力源，在开关门及传送产品的过程中，出现气动爬行及抖动，使传送推板及钳锅不稳。将气体动力通过气液转换器转换为液压动力，气缸工作时具有液压的稳定性，系统又具有气动的安全性。
    PLC是窑炉运动机构控制可靠性的保证，上述低氢炉的运动机构如果采用中间继电器控制，将需要180余个中间继电器，系统将不能可靠运行。采用PLC控制技术，编制程序达650余步，位置信号采用磁性开关直接送入PLC处理，各电磁阀通过PLC驱动，窑炉的运行状态通过LED模拟板显示，整套系统运行可靠平稳。
    7、 结语
    新型成套高性能窑炉的研制成功, 有效的促进了稀土三基色荧光粉产品性能的提高.新型窑炉技术性能性能先进、工作稳定、能源消耗低、外观精美，综合技术指标达到世界先进水平，是稀土三基色荧光粉行业技术发展的换代装备。