響應面優化氫氣還原ITO廢靶的研究

劉鴻飛　殷亮　朱劉

摘要：研究了氫氣還原ITO廢靶工藝的條件，考察了溫度、時間以及氫氣流量對還原率的影響。通過響應曲面實驗設計，建立了氫氣還原ITO廢靶過程的回歸模型，此模型能較好的反映還原率與多個影響因素之間的關系。經過優化所獲得的實驗條件為：溫度800℃、時間120min、氫氣流量3L/min，在此工藝條件下的還原率達96.48%，與模型預測值相近。

Abstract： The process conditions of reducing waste indium-tin targets by hydrogen were studied， and the effects of temperature， time and hydrogen flow rate on the reduction rate were investigated. The regression model of hydrogen reducing waste ITO targets process was established by response surface design. The relationship between the reduction rate and factors were reflected by model. The optimized experimental conditions were as follows： temperature is 800℃， time is 120 min and hydrogen flow rate is 3L/min. Under the optimized experimental condition， the reduction rate reached 96.48%， which was close to the predicted value.

關鍵詞：ITO廢靶;響應曲面法;銦錫合金

Key words： waste ITO target;response surface method;indium-tin alloy

中圖分類號：TF845? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）12-0247-02

0? 引言

ITO（銦錫氧化物）靶材是一種廣泛應用于平面顯示器、光伏產業、功能性玻璃三大領域的高端新型材料[1]。在生產ITO靶材的過程中產生大量的廢品、切屑和邊角料等，以及濺射鍍膜后產生大量的廢靶[2]。目前，對ITO廢靶的回收基本上是強酸溶解、分離沉錫、置換沉銦、電解精煉[3-5]。此工藝存在流程長、生產效率低下、回收成本高、廢酸液量大、富銦錫渣難以處理等問題。由此有研究將ITO廢靶高溫還原獲得銦錫合金，再進行分離提純處理[6]。然而采用該工藝能否經濟高效產業化的關鍵是高溫還原工序。高溫還原可選擇的還原劑有：氫氣、石墨粉或活性炭粉、CO或甲烷分解氣等[7-8]。采用石墨粉或活性炭粉做還原劑不僅需要達到1000℃以上的溫度，而且會帶入雜質。采用CO或甲烷分解氣做還原劑則需要特別注意CO容易引起中毒。因此，本文采用來源廣泛、純度高的氫氣作為還原劑來進行研究。

1? 實驗部分

1.1 實驗原料

ITO廢靶的主要物相是In2O3和SnO2，經破碎球磨過篩后，取100目篩下物為實驗原料，其主要元素見表1。

1.2 實驗方法

將ITO廢靶粉500g裝入石墨舟，再放入管式氫化爐內。封口后，先檢查密閉性再以2L/min的流量通入氮氣進行置換排空。升溫加熱到設定值時，通入氫氣進行還原反應。反應結束后，關閉加熱并停止通入氫氣。待爐溫冷卻到100℃以下時，停止通入氮氣，取出石墨舟分離原料和銦錫合金，稱重計算還原率。

1.3 優化設計

本實驗研究為了在盡量少的實驗次數下獲得多個影響因素之間的相互作用關系，擬用響應曲面法中的中心復合設計（CCD）來優化氫氣還原ITO廢靶工藝的還原條件[9]。根據現有資料[7-8]及初步實驗研究，選定對還原率影響較大的反應溫度（A）、時間（B）和氫氣流量（C）來進行實驗驗證，獲得的實驗設計方案與實驗結果見表2。

2? 結果與討論

2.1 模型建立

實驗數據經響應曲面中的多種模型進行擬合，得出二次回歸方程模型擬合是顯著的。該模型能較好的擬合自變量與因變量結果的經驗關系，模型方程為：

Y=96.55+1.88A+1.74B+2.18C-0.050AB-0.025AC-0.025BC-1.46A2-1.07B2-2.15C2

2.2 模型方差分析

通過對模型進行方差分析，其分析結果見表3。

從表3中看出，回歸模型的F值為37.77，P值小于0.0001，這表明模型的精確度很高，在99%置信水平上模擬效果顯著。各個因素在一次項（A、B及C）和二次項（A2、B2及C2）的P值小于0.05，說明對還原率的影響是顯著的。而各個因素在交互項（AB、AC及BC）的P值大于0.1，說明對還原率的影響是不顯著的。