CN103388084B - 旋转还原罐金属镁还原炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提炼金属镁的还原炉，具体为一种旋转还原罐金属镁还原炉，解决了现有的金属镁还原炉存在无法实现还原反应最大化，还原时间长的问题。一种旋转还原罐金属镁还原炉，包括炉体（2），所述炉体（2）顶部设有若干个喷火焰烧嘴（1），炉体（2）底部砌筑有底座（11），所述底座（11）上通过轴承并排支撑有若干由传动机构（6）驱动的转动辊（5），所述相邻的两个转动辊（5）上支撑有一个还原罐（12），所述还原罐（12）的出口连接有结晶筒（7），所述结晶筒（7）外套接有旋转水套（4），所述旋转水套（4）包括外筒（401）和内筒（402）。本发明设计合理、结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及提炼金属镁的还原炉，具体为一种旋转还原罐金属镁还原炉。
背景技术
皮江法炼镁是将煅烧后的白云石和一定量的硅铁（还原剂）制粉混合后压制成料球，将压制成的料球放在还原罐内，罐内抽成低于13Pa以下的真空；还原罐放在加热炉（又叫还原炉）内，在1200℃左右的温度下加热，使煅烧后的白云石（MgO＋Ca0）与硅铁进行还原反应，从而置换出金属镁，置换出的金属镁蒸汽在罐外遇到由循环水套冷却后的结晶器后结晶，变为粗镁。
还原罐内抽成真空主要目的是降低还原反应的能量----吉布斯自由能，使其能够在1200℃的工况下实现还原反应。不同的蒸汽压需要有不同的反应温度，蒸汽压越大，反应需要的温度越高。
目前的还原工艺一般是在1220℃以上（最高可达1280）的炉内温度实现还原，还原时间为11～12小时，平均料镁比（料球重量/出镁量）为6.2～6.5左右。
皮江法炼镁的装置包括还原炉、还原罐和结晶系统等，如图1所示，所述结晶系统主要包括水套和结晶筒。首先，将料球8装入到还原罐12内，然后放置挡火板9，安装结晶筒7，水套13与还原罐12焊接在一起，安放完毕后封盖开始抽真空，还原罐长期放置在还原炉里，还原炉内温度一般为1200℃～1250℃，受还原罐耐温条件限制，最高可以达到1280℃，随着加热时间的延长，料球的温度也在逐渐升高，真空度逐渐提高；当真空剩余压力达到13Pa以下时，还原罐内温度达到1180℃时开始还原反应（实际还原反应随料球温度、真空度不同会有变化）， 反应过程中，料球中的硅通过还原反应置换出煅白（MgO·CaO）中的镁，置换出来的金属镁在高温下以蒸汽形式存在，由于金属镁属于高蒸汽压介质，在1200℃左右还原罐内和结晶筒空间内的平衡蒸汽压力一般为4400～6500Pa，在一定温度和蒸汽压的条件下实现还原反应。当还原置换后的镁蒸汽，到达结晶筒空间后，由于结晶筒受冷却水套的冷却，其空间温度为500℃～600℃左右，在该温度区域，过热的金属镁蒸汽变为饱和或过饱和的金属镁蒸汽，过饱和的金属镁蒸汽遇到结晶筒的低温壁面，继续冷凝变为固体，结晶到结晶筒壁面上。金属镁由蒸汽冷凝结晶为固相，相变反应有热量释放，所释放的热量经过结晶筒由冷却水套通过循环水排出筒外，结晶筒部位的温度保持稳定。另一方面，由于镁蒸汽结晶，使镁蒸汽空间压力变小，使还原反应向正方向进行，又有新的镁蒸汽产生。与此同时，反应中出现的不凝气体，通过抽真空装置排出系统之外。只要是还原空间的实际压力小于工况温度下的反应平衡压力，还原反应一直连续进行。如此周而复始。
实际上，当还原罐内真空达到13Pa以下，罐内温度达到1180℃时反应已经开始，理论计算完全反应时料镁比可以达到5.4～5.6，那么为什么需要如此长的还原时间、很高的还原温度，并且料镁比很高，不能实现高效率的还原呢？
分析原因有：1、反应为吸热反应，在真空下无对流给热，球团的热导率很低，外部环境对球团的传热、产物层之间的传热过程对反应的进行起着很重要的作用，即传热速率对总反应速率的影响不可忽视。还原反应后的残渣为CaO·SiO2，其导热性非常差。而罐内换热只有物料传热和还原罐壁对物料的辐射热，表层还原后料渣低的导热性和阻挡作用影响了内部物料的吸热，从而影响内部物料达到还原要求温度的时间。2、还原反应后，镁蒸汽要及时排出，内部镁蒸汽的排出受到外部物料阻力和反应镁蒸汽的影响，不能及时排出，从而提高了内部的蒸汽压，因而提高了内部物料的反应温度。上述两个原因使得还原时间变长和还原温度提高。3、由于受热阻和热量传输的影响，中心物料在一定时间内（11～12小时）不能达到还原反应温度，所以还原罐中心一直有部分物料得不到有效还原，从而影响还原效率。4、由于还原时间的延长，造成工序能耗的提高（包括燃料消耗和电能消耗）。
因此，如何实现有效的还原，实现还原效率最大化，还原时间最短，一直是皮江法炼镁需要解决的问题。
有研究人员先后采用细罐、竖罐、罐内增加受热传导筋片的方法，但由于受到生产工艺、人工、金属材料高温性能等因素的制约，均不能到达预期效果，没有从根本上解决问题。
要想实现有效的还原反应，降低料镁比和缩短还原时间，在硅铁、真空、物料、炉温均一定的工况下，只有通过强化物料的吸热来实现，罐内物料热交换为热传导形式，强化炉外热交换只能增加还原罐吸热，强化物料热传导只能通过提高温差来实现，而提高温差要以增加炉温和罐温，增加炉温和罐温会影响还原罐寿命而不可取。
因此，有必要对现有的还原炉进行改进。
发明内容
本发明为了解决现有的金属镁还原炉存在无法实现还原效率最大化，还原时间长等问题，提供了一种新型的旋转还原罐金属镁还原炉。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种旋转还原罐金属镁还原炉，包括炉体，所述炉体顶部设有若干个喷火平焰烧嘴，炉体底部砌筑有底座，所述底座上通过轴承并排支撑有若干由传动机构驱动的转动辊，所述相邻的两个转动辊上支撑有一个还原罐，所述还原罐的出口连接有结晶筒，所述结晶筒外套接有旋转冷却水套，所述旋转冷却水套包括外筒和内筒，所述外筒上开有进水口和出水口、且固定支撑在底座上，所述内筒的一端与还原罐的出口端密封固定连接，所述结晶筒置于内筒内，所述外筒和内筒之间为旋转密封；所述内筒的另一端连接有还原罐端盖，所述还原罐端盖上连接有用于抽真空的旋转密封接头。
旋转密封属于动密封的一种，旋转密封由一个填充聚四氟乙烯制成的滑环和一个提供弹力的橡胶O型圈组成，用于密封有旋转或摆动运动的杆、轴、销、旋转接头等处，在工程机械、建筑机械及汽车设备等各工业领域都存在旋转式的液压转动，是一种可承受两侧压力或交变压力作用的双向作用的旋转密封。
工作时，还原罐转动起来，由于还原罐内上部存有空间，在转动时，当还原罐转动到一定角度，罐内料球受重力作用向下流动，实现内外层物料的搅拌，如此连续作用，使还原罐内料球获得均匀的搅动和受热，使罐内的内层的料球及时转到外层，使其能够及时获得热量，实现快速还原；由于还原罐转动，可以及时将还原后的镁蒸汽排出，打破内层还原蒸汽压高的边界条件，从而降低反应温度，缩短还原时间；由于还原罐转动，使中间物料能够获得充分还原，从而提高还原效率，降低料镁比。
设计中将用于抽真空的旋转密封接头安装在了还原罐端盖上，这样由于罐盖部位经过了结晶器的冷却段，温度相对较低，能够满足需要，其接头经过在400℃的工况下连续试验，试压0.6MPa无泄漏。
在还原工艺中，水套是不可或缺的部分，通过水套冷却，使金属镁蒸汽获得结晶。水套包括进出水管，进出水管连接到总的供水管上，由于水套无法实现转动，据此设计了旋转水套，也就是水套的外筒固定，内筒随还原罐转动，内外筒之间旋转密封，完全可以保证水套在转动中的密封。
为保证还原罐顺利转动，在水套的外筒支撑结构上采取了柔性设计，以防止还原罐变形和不圆度造成的转动障碍。同时在支撑转动辊下部设计了渣槽，用于储存和定期清理还原罐掉落的氧化铁皮，防止积渣造成转动障碍。还原罐上部可设计成拆卸模块结构，用于更换还原罐。同时为减少热量消耗，炉墙和炉顶采用全纤维结构。
此新型旋转还原罐的指标为：还原时间：6小时；燃料消耗：天然气：≤700Nm3/吨镁；发生炉煤气：4200 Nm3/吨镁（约1.3吨煤）；料镁比：≤6.0；还原罐运行时间：≥3个月。
本发明设计合理、结构简单，有效解决了现有的金属镁还原炉存在无法实现还原反应最大化，还原时间长的问题。
附图说明
图1是现有的金属镁还原工艺的结构示意图。
图2是本发明还原炉的结构示意图。
图3是还原炉内的俯视图。
图4是图2的局部放大图。
图5是旋转水套的示意图。
图中，1-烧嘴，2-炉体，3-旋转密封接头，4-旋转冷却水套，5-转动辊，6-传动机构，7-结晶筒，8-料球，9-挡火板，10-结晶镁，11-底座，12-还原罐，13-水套，14-真空排气口，15-还原罐端盖，401-外筒，402-内筒，403-进水口，404-出水口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种旋转还原罐金属镁还原炉，如图2、3所示，包括炉体2，所述炉体2顶部设有3个喷火平焰烧嘴1，炉体2底部砌筑有底座11，所述底座11上通过轴承并排支撑有若干由传动机构6驱动的转动辊5，所述相邻的两个转动辊5上支撑有一个还原罐12，所述还原罐12的出口连接有结晶筒7，所述结晶筒7外套接有旋转冷却水套4，如图5所示，所述旋转冷却水套4包括外筒401和内筒402，如图4所示，所述外筒401上开有进水口403和出水口404、且固定支撑在底座11上，所述内筒402的一端与还原罐12的出口端密封固定连接，所述结晶筒7置于内筒402内，所述外筒401和内筒402之间为旋转密封；所述内筒42的另一端连接有还原罐端盖15，所述还原罐端盖15上连接有用于抽真空的旋转密封接头3。
具体实施时，所述炉体2的底座11上支撑有7个转动辊5，所述7个转动辊5上支撑有6个还原罐12。
所述转动辊5为中部比两端壁厚的钢管，所述钢管外壁包扎有具有抗磨、抗震、隔热的浇注料层，管内风冷。转动辊5利用炉外传动装置（针摆减速器和链轮）实现传动，还原罐12在支撑转动辊5上做被动转动。
所述底座11上位于转动辊5的下方设有渣槽。
Claims (4)
1.一种旋转还原罐金属镁还原炉，包括炉体（2），所述炉体（2）顶部设有若干个喷火平焰烧嘴（1），炉体（2）底部砌筑有底座（11），其特征在于：所述底座（11）上通过轴承并排支撑有若干由传动机构（6）驱动的转动辊（5），相邻的两个转动辊（5）上支撑有一个还原罐（12），所述还原罐（12）的出口连接有结晶筒（7），所述结晶筒（7）外套接有旋转冷却水套（4），所述旋转冷却水套（4）包括外筒（401）和内筒（402），所述外筒（401）上开有进水口（403）和出水口（404）、且固定支撑在底座（11）上，所述内筒（402）的一端与还原罐（12）的出口端密封固定连接，所述结晶筒（7）置于内筒（402）内，所述外筒（401）和内筒（402）之间为旋转密封；所述内筒（402）的另一端连接有还原罐端盖（15），所述还原罐端盖（15）上连接有用于抽真空的旋转密封接头（3）。
2.根据权利要求1所述的旋转还原罐金属镁还原炉，其特征在于：所述炉体（2）的底座（11）上支撑有7个转动辊（5），所述7个转动辊（5）上支撑有6个还原罐（12）。
3.根据权利要求1或2所述的旋转还原罐金属镁还原炉，其特征在于：所述转动辊（5）为中部比两端壁厚的钢管，所述钢管外壁包扎有具有抗磨、抗震、隔热的浇注料层。
4.根据权利要求3所述的旋转还原罐金属镁还原炉，其特征在于：所述底座（11）上位于转动辊（5）的下方设有渣槽。
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