CN102692129A - 金属镁连续生产设备与工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种轻金属的连续生产设备，包括上料系统、储料罐、还原罐、加热系统、结晶器、抽真空系统、排渣以及余热回收装置，其中，在储料罐和还原罐之间配有下料罐，下料罐的入料管道通过储料罐下料阀与储料罐相连接，下料罐的出料管道通过下料罐下料阀同还原罐相连通；还原罐上段和中段外侧被耐火保温材料包裹，并在罐体支架上，罐体内设有余热回收系统；结晶器设于还原罐上段的下部，连接结晶器和还原罐的管道上设有结晶器进口阀，结晶器设有水冷系统；加热系统安装在还原罐的中段，还原罐中段的下部安装有还原渣过滤板，还原罐底端通过还原渣下渣阀同还原渣下渣罐相连通。本设备的还原罐始终在真空气氛中工作，可以实现连续生产，并能显著节约能源。

Description

金属镁连续生产设备与工艺方法

技术领域

本发明涉及一种轻金属的连续生产工艺和设备，特别是金属镁的连续生产工艺和设备。

背景技术

随着国民经济的发展和各行业的技术进步，对于轻金属材料的需求越来越多，因此有关轻金属的制造技术正受到跟多人的关注。以往制取轻金属材料时最常使用冶炼技术叫皮江法，据不完全统计，有60％的金属镁是通过该种冶炼方法获得的。由此可见，皮江法已经成为轻金属冶炼的主要方法。然而，皮江法也存在着许多不足，其中最大的缺欠就是无法实现连续生产，制取时需要向还原金属管内装料、密封抽真空、加热升温至1200℃后保温10小时以上，然后再空冷到常温，将反应残留物从还原罐中取出，进入到下一循环。

非连续化生产一方面明显影响设备的作业效率，单位时间内生产出的轻金属数量有限，难于满足大工业生产所需的产品数量，而且产品成分也将会出现一定程度的波动，影响产品质量；更主要的是能源浪费比较严重，还原罐中的物料高温之下反应完成以后，还原罐内留下的残留渣还保持着1000℃以上的高温，热晗很大，但是为了将残留物排出，不得不进行降温处理，热能无谓损失，至少没有充分利用在直接生产之中，这和国家当今实施的节能减排以及企业降耗增效极不相称，无疑影响了企业的竞争力。

为了弥补皮江法冶炼轻金属所存在的不足，有人提出了一种半连续生产轻金属的生产工艺及其生产设备。该种方法设计出的主体设备由预热储料仓和还原罐组成，其中预热储料仓坐落于还原罐之上，通过可开闭的上部隔板相连，还原罐分为上中下三段，上段处于加热炉炉顶之上，装有结晶器和抽真空连接口，中间段置于加热炉之中，下段为带有冷却套的出料管，处于加热炉炉底之下，在出料管的下部装有具有密封性能的挡料板和外密封板。作业时，打开上部隔板，将预热储料仓中的物料放入到还原罐中，达到预计的数量之后关闭上部隔板，然后通过抽真空连接口对还原罐进行抽真空，加热炉加热到1200℃后保温6小时左右，打开下部挡料板和外密封板，开始排渣，排渣结束后关闭外密封板和挡料板，打开上部隔板装料，进入下一炉冶炼过程。

该项技术方案实现了作业的半连续，节约了生产时间的同时也节约了一部分能源。相对前述的皮江法是比较明显的技术进步，但是金属冶金属于高温流程工业，连续化生产是人们努力争取的目标。为此本项发明人员在现有的半连续化生产技术基础上，研究开发出了一套可以实现轻金属如金属镁、金属锶和金属锆等连续冶炼的设备与工艺。

发明内容

本项发明公布了一种轻合金冶炼所需的连续生产设备与方法。该种设备与方法与现有技术相比，其共同之处在都存在着上料系统、储料罐、还原罐、加热系统、结晶器、抽真空系统、排渣以及余热回收等装置，其特征在于在储料罐和还原罐之间配有1-2个下料罐，下料罐上端的入料管道通过储料罐下料阀与储料罐相连接，下料罐下端的出料管道通过下料罐下料阀同还原罐相连通；还原罐可分为上、中、下三段，其中的上段和中段外侧全部被耐火保温材料所包裹，并坐落在罐体支架上，还原罐下段处于支架之下，罐体内设有余热回收系统；2-4个结晶器设于还原罐上段的下部，连接结晶器和还原罐的管道上设有结晶器进口阀，结晶器自身设有单独的水冷系统；加热系统安装在还原罐的中段，使得该段处于高温区内，且最高温度可达1300℃。系统外由一定厚度的耐火材料所包围，还原罐中段的下部安装有还原渣过滤板，主要作用一是为了对于炉料提供支撑，使得还原前的炉料可以一直停留在还原渣过滤板之上不断继续反应，二是对于反应完成后的还原渣进行过滤，让已经还原完了的还原渣透过还原渣过滤板的筛孔进入到还原罐下段，逐渐下行并被排出还原罐外；在还原渣过滤板之上的中心部位固定竖立有镁蒸汽导管，使得在下部反应所产生的镁蒸汽顺利上升，进入到结晶器内，得到冷凝富集，还原罐底端通过连接管道和还原渣下渣阀同1-2个还原渣下渣罐相连通，还原渣下渣罐经管道和还原渣罐排料阀同还原渣罐相通，还原渣罐又同还原渣排料系统相通，前述的下料罐、结晶器和还原渣下渣罐均设有专用真空阀和真空管路同抽真空系统相连接。

现结合附图进一步加以说明。附图1是本项发明所公布的生产设备结构示意图，在该示意图中，分为左、右共有2个下料罐、2个还原渣下渣罐和2个结晶器，图中：1为贮料罐，2A为贮料罐左下料阀，2B为贮料罐右下料阀，3A为左下料罐真空阀及真空管路，3B为右下料罐真空阀及真空管路，4A为左下料罐，4B为右下料罐，5A为左下料罐下料阀，5B为右下料罐下料阀，6为还原罐，其壳体由耐热材料如合金钢耐热陶瓷制作，7为还原罐保温层，一般使用轻质粘土砖、硅酸纤维制作，8A为左结晶器，8B为右结晶器，9A为左结晶器真空阀及真空管路，9B为右结晶器真空阀及真空管路，10A为左结晶器水冷系统，10B为右结晶器水冷系统，11A为左结晶器进口阀，11B为右结晶器进口阀，12为耐火材料层，使用粘土质耐火砖或者高铝砖，13为还原罐的加热系统，14为镁蒸汽导管，15为还原渣过滤板，通常使用耐热合金钢或耐热陶瓷等制作，16为下渣线，17A为左还原渣下渣阀，17B为右还原渣下渣阀，18A为左还原渣罐真空阀及真空管路，18B为右还原渣罐真空阀及真空管路，19A为左还原渣下渣罐，19B为右还原渣下渣罐，20A为左还原渣罐排渣阀，20B为右还原渣罐排渣阀，21为还原渣罐，22为还原渣排渣系统，可以采用气力输送、高温斗提或高温螺旋输送，23为还原渣收料处理系统，24为除尘器，25为还原渣余热回收系统，26为上料系统，27为上料线，28为下料线，29为除尘器进凤管，30为罐体支架。

现结合附图1所述的形式，对该种生产设备的使用方法进行说明。采用本项发明公开的方案进行轻金属冶炼生产，需要确定如下主要工艺参数：

真空度，一般为＜10pa；要求还原罐工作时罐内要始终保持这种真空度；

上料线，位于还原罐内距还原罐顶端30-40cm；

下料线，位于上料线之下，和上料线相距恰好为下料罐一罐料所能填充满的空间位置，即当还原罐内的料面降低到下料线所在位置时，下料罐装进一罐炉料后，料面的上升高度正好到达上料线位置；

冶炼温度，一般为1200-1300℃；

下渣线(16)设于还原罐底板之上、还原渣过滤板(15)之下，还原渣顶面达到下渣线(16)以后，放出下渣，正好可以装满左还原渣下渣罐19A或者右还原渣下渣罐19B；

其具体工艺按照如下步骤进行操作：

(1)装料开炉，打开贮料罐左下料阀(2A)和左下料罐下料阀(5A)，让由上料系统(26)注入到贮料罐(1)内的炉料直接装入到还原罐(6)内，待到炉料料面高度达到上料线之后，关闭包括左下料罐下料阀(5A)在内的所有与还原罐(6)相通管路上的各个阀门，同时打开左结晶器真空阀及真空管路(9A)，对还原罐(6)进行抽真空，使之还原罐(6)内真空度达到设定值，即＜10pa并一直保持；

(2)加热冶炼，启动加热系统(14)，对炉料进行加热升温，当温度达到预定的冶炼温度1200-1300℃时恒温，此时炉料受热分解，产生镁蒸汽和下渣，镁蒸汽进入到冷却水已处于工作状态下的左结晶器(8A)和右结晶器(8B)内，并结晶；

(3)上料，开始加热冶炼之际，即可关闭装料开炉时一直处于开启状态的贮料罐左下料阀(2A)，此时左下料罐(4A)内已经充满炉料，打开左下料罐真空阀及真空管路(3A)，接通抽真空系统，对左下料罐(4A)实施抽真空处理，达到预定真空度后停止抽真空，等到还原罐中料面高度降到下料线(28)时，打开左下料罐下料阀(5A)，让左下料罐(4A)内的炉料全部流入还原罐(6)内，还原罐内料面高度回到了上料线(27)位置，关闭左下料罐下料阀(5A)，打开贮料罐左下料阀(2A)，向左下料罐(4A)内装料，左下料罐(4A)内充满炉料后，关闭贮料罐左下料阀(2A)，打开左下料罐真空阀及真空管路(3A)，接通抽真空系统，对左下料罐(4A)实施抽真空处理，达到预定真空度后停止抽真空，关闭贮料罐左下料阀(2A)，等到还原罐中料面高度降到下料线(28)时，打开左下料罐下料阀(5A)，开始再次加料，如此周而复始；按照图1所示结构，B系统和A系统可以交互进行，同步使用，也可作为A系统的备用设备，在A系统需要停止时启动B系统，以此保证加料的可持续性；

(4)炉体出渣，颗粒状物料在1200-1300℃高温下发生分解，产生镁蒸汽的同时也会产生粉状的下渣，经过还原渣过滤板(15)后，堆积到还原罐(6)的底部。处理这些废渣时首先需要清空还原渣下渣罐(19A和19B)，然后关闭左、右还原渣下渣罐(19A和19B)的所有阀门，通过左还原渣罐真空阀及真空管路(18A)和右还原渣罐真空阀及真空管路(18B)对左还原渣下渣罐(19A)和右还原渣下渣罐(19B)抽真空，达到和还原罐(6)一致的真空度之后，保持真空度，还原罐(6)内还原渣量达到下渣线(16)后，开启左还原渣下渣阀(17A)出渣，左还原渣下渣罐(18)装满后，关闭左还原渣下渣阀(17A)，开启左还原渣罐排渣阀(20A)出渣，下渣排出干净后，关阀左还原渣罐排渣阀(20A)，对其进行抽真空，等待下一次除渣，右还原渣下渣罐(19B)可以和右还原渣下渣罐(19A)交替使用，也可以作为左还原渣下渣罐(19A)的备用设备，当左还原渣下渣罐(19A)检修时使用；

(5)产品收集。高温之下，金属镁蒸发并随着气体进入到左结晶器(8A)和右结晶器(8B)中，结晶器内的真空度和还原罐(6)的真空度基本处于同一水平，当金属镁在结晶器内的积存量达到规定的数量后，关闭结晶器自身的进口阀门，断开水冷系统和真空系统，卸掉结晶器，换上新的结晶器，接通水冷系统和真空系统，当真空度和还原罐一致后，打开进口阀门，继续使镁蒸汽进入新换上的结晶器之中。为了保证镁蒸汽中的金属镁能够充分结晶，结晶器的冷却系统要有足够的冷却强度，使之温度始终保持在200℃以下；

(6)余热回收。

本装置设有余热回收系统。

由于还原罐是在真空环境中作业，因此所有与之直接相连的装置同样处于真空状态，其保持各部位真空的相关系统，可以同一个单独真空系统相连，也可以并联在一个功率更大的同一个外接抽真空系统。

在前述生产设备中，还原罐的加热系统(14)可以使用电内加热或电外加热、燃气内加热或燃气外加热、燃油内加热或燃油外加热、燃煤内加热或燃煤外加热等多种方式；另外，前述生产设备的镁蒸汽导管(15)由耐热材料制作，具体结构包括如图2所示的百叶窗形式、图3所示的管壁钻孔形式和图4所示的透气网形式，图中31为挡料帽，其功能是防止炉料或还原渣落入镁蒸汽导管内，32为镁蒸汽导管壁。

前述生产设备中的还原渣余热回收系统(25)可以由管式、板式、热管换热器和外部余热锅炉构成，主要作用就是尽快降低还原渣的温度，并使其热能得到有效回收和利用。当取消还原渣冷却系统以后，还原渣直接下到还原渣罐(19A或19B)以后，温度依然很高，因此可以通过还原渣排渣系统(22)将其输送到建在还原罐上段还原罐壳体(6)外侧还原罐保温层(7)内侧的流化床空腔(33)内，具体如附图5所示，图5中33为流化床空腔、34为流化风室、35为流化供风系统、36为耐高温多孔流化板，37还原渣收料处理系统。

附图说明

附图1是本项发明的完整示意图。利用本图所示的设备可以实现金属镁等轻金属材料的连续化生产，即可以连续加料，连续排渣，明显提高了生产效率，同时设有有余热回收系统。

附图2是管壁百叶窗式镁蒸汽导管示意图。

附图3是管壁钻孔式镁蒸汽导管示意图。

附图4是管壁透气网式镁蒸汽导管示意图。

附图5-7是本项发明设备不同实施方式的结构示意图，其中：

附图5为取消还原渣余热回收系统(25)，在还原罐上部设置一个流态化床换热系统；

附图6为在附图5的基础上，仍然实行外加热，但只设一个左下料罐和一个左下渣罐(19A)时的设备结构示意图；

附图7是将两个和附图6所说的形式一样的设备并联在一起的设备结构示意图。

具体实施方式

实施例1

现结合实施例1对本项发明作出进一步的说明。如附图1所示，本项发明所公开的设备包括上料系统(26)、储料罐(1)、还原罐(6)、加热系统(13)、结晶器(8A和8B)、抽真空系统、下渣罐(21)以及还原渣余热回收系统(25)，其特征在于在储料罐(1)和还原罐(6)之间配有左下料罐(4A)和右下料罐(4B)，左下料罐(4A)上端的入料管道通过储料罐左下料阀(2A)与储料罐(1)相连接，左下料罐(4A)下端的出料管道通过左下料罐下料阀(5A)同还原罐(6)相连通，右下料罐(4B)上端的入料管道通过储料罐右下料阀(2B)与储料罐(1)相连接，右下料罐(4B)下端的出料管道通过右下料罐下料阀(5B)同还原罐(6)相连通，还原罐(6)可分为上、中、下三段，其中的上段和中段外侧全部被还原罐保温层(7)所包裹，并坐落在罐体支架(30)上，还原罐(6)下段处于支架之下，罐体内设有还原渣余热回收系统(25)；左结晶器(8A)和右结晶器(8B)设于还原罐上段的下部，连接左结晶器(8A)和还原罐(6)的管道上设有左结晶器进口阀(11A)，连接右结晶器(8B)和还原罐(6)的管道上设有右结晶器进口阀(11B)，左结晶器(8A)设有单独的左结晶器水冷系统(10A)，右结晶器(8B)设有单独的右结晶器的水冷系统(10B)，还原罐的加热系统(13)安装在还原罐的中段，系统外由一定厚度的耐火材料层(12)所包围，使得该段处于高温区内，且最高温度为1300℃，还原罐(6)中段的下部安装有还原渣过滤板(15)，主要作用一是为了对于炉料提供支撑，使得还原前的炉料可以一直停留在还原渣过滤板(15)之上不断继续反应，二是对于反应完成后的还原渣进行过滤，让已经完成还原反应的还原渣透过还原渣过滤板(15)的筛孔进入到还原罐(6)下段，逐渐下行并被排出还原罐(6)之外；在还原渣过滤板(15)之上的中心部位固定竖立有镁蒸汽导管(14)，使得还原反应所产生的镁蒸汽顺利上升，进入到左、右结晶器(4A和4B)内，得到冷凝富集，还原罐(6)底端通过连接管道分别同左还原渣下渣阀(17A)和右还原渣下渣阀(17B)相连通。左还原渣下渣阀(17A)和左还原渣下渣罐(19A)相连通，右还原渣下渣阀(17B)和右还原渣下渣罐(19B)相连通，左还原渣下渣罐(19A)下端经管道和左还原渣罐排料阀(20A)同还原渣罐(21)相通，右还原渣下渣罐(19B)下端经管道和右还原渣罐排料阀(20B)同还原渣罐(21)相通，还原渣罐(21)又同还原渣排渣系统(22)所使用的高温螺旋输送机相通，由高温螺旋输送机输送到还原渣收料处理系统(23)，还原渣收料处理系统(23)设有除尘器(24)。

本设备的还原罐(6)是在真空环境中作业，所以前述的下料罐、结晶器和还原渣下渣罐等所有与之直接相连的装置同样处于真空状态，均设有各自的专用真空阀和真空管路，通过管道并联在一起后同一个抽真空系统相连接。

本实施例中的还原罐的加热系统(14)使用电外加热系统；镁蒸汽导管(15)采用如图2所示的百叶窗形式。

前述生产设备中的还原渣余热回收系统(25)由管式换热器和外部余热锅炉构成。

实施例2

本实施例1如附图6所示，由图可见，本实施例中的设备取消了右下料罐(4B)和右还原渣下渣罐(19B)及其相关的阀门、真空管路等，实行单支路作业，同时取消还原渣余热回收系统(25)，还原渣直接下到还原渣罐(19A)以后，通过还原渣排渣系统(22)的高温螺旋输送机将其输送到建在还原罐上段处于还原罐壳体(6)外侧还原罐保温层(7)内侧的流化床空腔(33)内，具体如附图6所示，图6中(36)为耐高温多孔流化板，(34)为流化床风室，流化床排出的废气经除尘器(24)处理后排放，流化床供风系统(35)负责向流化床空腔内送风，通过流化床换热将还原渣的热能传给还原罐(6)内的冷料，(37)为排料系统，负责将换热后的还原渣排出。

Claims (7)

1.一种轻金属的连续生产设备，该种设备包括上料系统、储料罐、还原罐、加热系统、结晶器、抽真空系统、排渣以及余热回收装置，其特征在于在储料罐和还原罐之间配有1-2个下料罐，下料罐上端的入料管道通过储料罐下料阀与储料罐相连接，下料罐下端的出料管道通过下料罐下料阀同还原罐相连通；还原罐分为上、中、下三段，其中的上段和中段外侧全部被耐火保温材料所包裹，并坐落在罐体支架上，还原罐下段处于支架之下，罐体内设有余热回收系统；2-4个结晶器设于还原罐上段的下部，连接结晶器和还原罐的管道上设有结晶器进口阀，结晶器自身设有单独的水冷系统；可使所处区域还原罐温度达到1300℃的加热系统安装在还原罐的中段，还原罐中段的下部安装有还原渣过滤板，在还原渣过滤板之上的中心部位固定竖立有镁蒸汽导管，还原罐底端通过还原渣下渣阀同1-2个还原渣下渣罐相连通，还原渣下渣罐经还原渣罐排料阀同还原渣罐相通，还原渣罐又同还原渣排料系统相通，下料罐、结晶器和还原渣下渣罐均设有专用真空阀和真空管路，分别同抽真空系统相连接。

2.根据权利要求1所述的一种轻金属的连续生产设备，其特征在于所有与还原罐直接相连的装置都同样处于真空状态，其保持各部位真空的相关系统可以和外界一个单独设立的真空系统相连，也可以并联在一起并和一个功率更大的同一个外接抽真空系统相连。

3.根据权利要求1所述的一种轻金属的连续生产设备，其特征在于设备中的加热系统(14)可以使用电内加热或电外加热、燃气内加热或燃气外加热、燃油内加热或燃油外加热、燃煤内加热或燃煤外加热。

4.根据权利要求1所述的一种轻金属的连续生产设备，其特征在于生产设备的镁蒸汽导管(15)由耐热材料制作，具体结构包括百叶窗形式、管壁钻孔形式和透气网形式。

5.根据权利要求1所述的一种轻金属的连续生产设备，其特征在于生产设备中的还原渣余热回收系统(25)可以由管式、板式、热管换热器和外部余热锅炉构成。

6.一种轻金属的连续生产工艺，该生产工艺使用的是如权利要求1所述的设备，其中分为左、右共有2个下料罐、2个还原渣下渣罐和2个结晶器，主要工艺参数如下，

真空度，小于10pa；

上料线，位于还原罐内距还原罐顶端30-40cm；

下料线，位于上料线之下，和上料线相距恰好为下料罐一罐料所能填充满的空间位置，即当还原罐内的料面降低到下料线所在位置时，下料罐装进一罐炉料后，料面的上升高度正好到达上料线位置；

冶炼温度，1200-1300℃；

下渣线设于还原罐底板之上、还原渣过滤板之下，还原渣顶面达到下渣线以后，放出下渣，正好可以装满还原渣下渣罐；

其具体工艺按照如下步骤进行操作：

(1)装料开炉，打开贮料罐(1)左下料阀(2A)和左下料罐下料阀(5A)，让由上料系统(26)注入到贮料罐(1)内的炉料直接装入到还原罐(6)内，待到炉料料面高度达到上料线之后，关闭包括左下料罐下料阀(5A)在内的所有与还原罐(6)相通管路上的各个阀门，同时打开左结晶器真空阀及真空管路(9A)，对还原罐(6)进行抽真空，使之还原罐(6)真空度达到设定值，即＜10pa并一直保持；

(2)加热冶炼，启动加热系统(14)，对炉料进行加热升温，当温度达到预定的冶炼温度1200-1300℃时恒温；

(3)上料，开始加热冶炼之际，关闭装料开炉时一直处于开启状态的贮料罐左下料阀(2A)，打开左下料罐真空阀及真空管路(3A)对左下料罐(4A)进行抽真空，使之达到预定真空度＜10pa后保持真空度稳定，等到还原罐中料面高度降到下料线(28)时，打开左下料罐下料阀(5A)，让左下料罐(4A)内的炉料全部流入还原罐(6)内，关闭左下料罐下料阀(5A)，打开贮料罐左下料阀(2A)，左下料罐(4A)内充满炉料后，关闭贮料罐左下料阀(2A)，打开左下料罐真空阀及真空管路(3A)，接通抽真空系统，对左下料罐(4A)实施抽真空处理，达到预定的真空度＜10pa后保持真空度稳定，关闭贮料罐左下料阀(2A)，等到还原罐中料面高度降到下料线(28)时，打开左下料罐下料阀(5A)，开始再次加料；

(4)炉体出渣，清空还原渣下渣罐(19A和19B)，然后关闭左、右还原渣下渣罐(19A和19B)的所有阀门，通过左还原渣罐真空阀及真空管路(18A)和右还原渣罐真空阀及真空管路(18B)对还原渣下渣罐(19A和19B)抽真空，达到和还原罐(6)一致的真空度后保持不变，还原罐(6)内还原渣量达到下渣线(16)后，开启左还原渣下渣阀(17A)出渣，左还原渣下渣罐(18)装满后，关闭左还原渣下渣阀(17A)，开启左还原渣罐排渣阀(20A)出渣，下渣排出干净后，关阀左还原渣罐排渣阀(20A)，对其进行抽真空，等待下一次除渣；

(5)产品收集，当金属镁在结晶器内的积存量达到饱和之后，关闭结晶器自身的进口阀门，断开水冷系统和真空系统，卸掉结晶器，换上新的结晶器，接通结晶器水冷系统和真空系统，对结晶器实施抽真空，当真空度和还原罐一致后，打开结晶器的进口阀门，结晶器的冷却系统要使结晶器的温度始终保持在200℃以下。

7.根据权利要求1所述的一种轻金属的连续生产设备，其特征在于生产设备通过还原渣排渣系统(22)将其输送到建在还原罐上段还原罐壳体(6)外侧还原罐保温层(7)内侧的流化床空腔(33)内。

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