一种微波煅烧草酸钴生产四氧化三钴的方法

摘要

本发明涉及一种微波煅烧草酸钴生产微细四氧化三钴的方法。微波回转窑的炉膛采用复合微波加热管，利用炭化硅的强吸波特性辅助加热使草酸钴在炭化硅段发生部分分解，然后已部分分解的物料通过透波性能较强的微波专用陶瓷段，使草酸钴升温速率加快并继续煅烧分解，从而既解决了常规煅烧方法能耗高、生产周期长等弊端，又实现了弱吸波物质的微波煅烧。本发明实现了连续化、规模化的煅烧草酸钴，其产品四氧化三钴粒度和钴含量均达到YS/T256-2000标准。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波煅烧草酸钴生产微细四氧化钴的方法。属材料制备技术领域。

背景技术

四氧化三钴属尖晶石型过渡金属氧化物，Co³⁺占据八面体位，理论钴含量为73.43％，氧含量26.57％，密度6.0-6.2g/cm³，是一种优良的功能材料，其被广泛应用于热敏和压敏电极、气敏传感器、磁性材料和锂离子电池正极材料等领域。近年来，随着我国通讯和电子信息业的迅猛发展，对锂离子二次电池的需求不断增长，目前四氧化三钴处于供不应求的局面。预计今后10年后我国对锂离子电池的需求将保持在10％左右的增长速度。

公知的四氧化三钴主要通过热分解钴盐制得。该方法具有工艺简单、投资少、生产成本低的优点。然而，制备四氧化三钴的热分解设备不论采用管式电炉还是电热回转炉，由于常规加热方式主要通过热传导和热辐射方式加热物料，致使生产周期长，生产效率低。如柳松等煅烧碱式碳酸钴制备了1-10μm微细氧化钴粉末，在500-700℃条件下煅烧时间长达5个小时。中国专利CN101066781提供的煅烧钴盐制备锂离子用四氧化三钴的三段煅烧工艺耗时高达8小时以上；另一方面，由于常规加热的“冷中心”问题，导致物料温度梯度大、产品成分及粒度不均匀。微波作为一种绿色高效的加热方法，具有加热速率快、加热均匀、热效率高等特点，将微波用于钴盐的煅烧具有广阔的应用前景。目前，尽管微波用于钴盐的煅烧已经有文献报道，如专利CN1718790A提供了一种微波煅烧分解钴盐的方法，其操作过程为：在竖式锥型炉膛内预先加入占炉膛容积10-15％的氧化钴，开启微波加热装置；待氧化钴温度升至400-800℃后启动进、出料螺旋，向炉膛内持续加入钴盐并通入压缩空气，分解产生的氧化钴从出料端回收。该专利提供的方法以预先加入的氧化钴为发热体，利用微波加热速率快，加热均匀等优点，解决了常规煅烧方法存在的生产周期长、产品成分及粒度不均匀等问题。但是，由于该方法所采用的设备系竖式加热炉，存在设备结构复杂，生产成本相对较高等缺点。因此，寻求一种连续化、规模化的新型微波煅烧方法势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波煅烧草酸钴生产微细四氧化钴的方法。通过采用复合微波加热管，利用炭化硅的强吸波特性辅助加热使草酸钴在炭化硅段发生部分分解，然后已部分分解的物料通过透波性能较强的微波专用陶瓷段，利用分解产物四氧化三钴的强吸波特性使草酸钴升温速率加快并煅烧分解，从而既解决了常规煅烧方法能耗高、生产周期长等弊端，又实现了弱吸波物质的微波煅烧。

本发明的另一个目的是提供了一种连续化、规模化的微波煅烧草酸钴生产四氧化三钴的方法。四氧化三钴产品粒度和钴含量均达到YS/T256-2000标准。

本发明通过如下方式实现：

1、将钴湿法提取过程经结晶、沉淀所得的粒径为100-250μm的草酸钴干燥备用；

2、将干燥物料置于微波回转窑料仓中，控制进料螺旋转速3-10转/分，物料通过进料螺旋连续地输送至微波回转窑的炉膛内，所述的炉膛为一复合微波加热管内；

3、将频率2.45GHz，输出功率10-80kW的微波馈入回转窑，调节回转窑转速2-10转/分，物料首先进入回转窑的复合微波加热管的炭化硅段，物料以20-100℃/min速率升温至500-600℃，进行部分分解，经炭化硅段部分分解后的物料进入微波陶瓷段继续煅烧分解反应，控制物料在回转窑中停留的总时间为10-40min，得到四氧化三钴产品；所述复合微波加热管是指微波加热管靠近进料端1/3部分采用炭化硅材料，后端2/3部分采用微波专用陶瓷材料。

四氧化三钴产品粒度和钴含量均达到YS/T256-2000标准。

本发明的原理在于草酸钴系弱吸波物质，草酸钴钴在微波场中的升温速率较慢且无法达到其分解温度，本发明通过采用复合微波加热管，利用炭化硅的强吸波特性辅助加热使草酸钴在炭化硅段发生部分分解，然后已部分分解的物料通过透波性能较强的微波专用陶瓷段，使草酸钴升温速率加快并继续煅烧分解，从而既解决了常规煅烧方法能耗高、生产周期长等弊端，又实现了弱吸波物质的微波煅烧。

煅烧草酸钴制备微细四氧化三钴的反应机理如下：

CoC₂O₄·2H₂O→CoC₂O₄+2H₂O

3CoC₂O₄+2O₂→Co₃O₄+6CO₂

本发明具有以下优点：

1、本发明根据物质吸波特性，采用复合微波加热管，利用炭化硅的强吸波特性辅助加热使草酸钴在炭化硅段发生部分分解，然后已部分分解的物料通过透波性能较强的微波专用陶瓷段，利用分解产物四氧化三钴的强吸波特性使草酸钴升温速率加快并煅烧分解，从而既解决了常规煅烧方法能耗高、生产周期长等弊端，又实现了弱吸波物质的微波煅烧。产品成分及粒度均匀。

2、本发明生产周期短，实现了连续化、规模化作业，特别适宜工业化生产。

具体实施方式

实施例1：将钴湿法提取过程经结晶、沉淀所得的粒度为100-250μm的草酸钴干燥至水份小于5wt％置于微波回转窑料仓中，调节进料螺旋转速3转/分，将物料通过进料螺旋连续地输送至倾角为5°的微波回转窑复合微波加热管内，开启微波加热开关，调节微波输出功率至10-15kW，调节回转窑转速2转/分钟，将炭化硅段物料从室温以20℃/min速率升温至500-530℃，使在炭化硅段已部分分解的物料输送至带有轴向肋径的微波专用陶瓷段，控制物料在回转窑中的停留时间为35min，经微波专用陶瓷段充分反应后得到四氧化三钴产品。经分析测试，四氧化三钴产品中钴含量为72.4％，平均粒径为4-10μm。

实施例2：进料螺旋转速6转/分钟，调节微波输出功率至40-45kW，将炭化硅段物料从室温以50℃/min速率升温至530-560℃，调节回转窑转速5转/分钟，使在炭化硅段已部分分解的物料输送至带有轴向肋径的微波专用陶瓷段，控制物料在回转窑中的停留时间为20min，经微波专用陶瓷段充分反应后进入回收系统，得到四氧化三钴产品。经分析测试，四氧化三钴产品中钴含量为73.0％，平均粒径为3-8μm。

实施例3：进料螺旋转速9转/分钟，调节微波输出功率至70-75kW，将炭化硅段物料从室温以80℃/min速率升温至560-600℃，回转窑转速8转/分钟，使在炭化硅段已部分分解的物料输送至带有轴向肋径的微波专用陶瓷段，控制物料在回转窑中的停留时间为10min，经微波专用陶瓷段充分反应后进入回收系统，得到四氧化三钴产品。经分析测试，四氧化三钴产品中钴含量为72.8％，平均粒径为1-7μm。