CN105695769A - 激光炼镁装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光炼镁装置，包括反应器，及置于反应器上方的激光器，还包括通过管路与反应器联通的输气装置和输料装置。无需电能或煤、天然气等加热方式，通过激光照射使镁化合物在超高温条件下实现高效率分解，并通过施加电场收集得到金属镁，从而提高金属镁的生产效率并减少环境污染。

Description

激光炼镁装置及方法

技术领域

本发明涉及金属镁冶炼技术领域，特别涉及一种通过激光照射制备金属镁的装置及方法。

背景技术

目前镁冶炼的方法主要有电解法和热还原法两种，其中氯化镁电解法是电解熔融的无水氯化镁，使之分解成金属镁和氯气。该工艺的主要问题是无水氯化镁制备困难，同时生产设备腐蚀严重，经常发生氯化氢和氯气的泄露，对人体及环境造成危害和污染。热还原法主要是硅热还原法，典型代表即皮江法，我国目前约95％以上的原镁都由皮江法生产，皮江法是将煅烧白云石和硅铁按一定配比磨粉、压块，在高温和真空条件下，使氧化镁还原为镁蒸气，然后冷凝结晶为粗镁，再经精炼制得镁锭。皮江法具有很多优点，原材料可就地取材，规模能大能小，生产成本比电解法低，工艺技术比较容易掌握，但其缺点也很突出，最大问题是能耗高、温室气体和固体废渣排放量大、资源利用率低和环境污染严重。

炼镁应用最广泛的“皮江法”采用间断式的还原罐工艺，不易实现大规模生产和机械化作业，罐内物料以固相接触方式进行反应，还原周期长，而且外部加热方式使热效率低，也限制单罐装料量，反应罐反复加热导致损耗快，成本高。目前众多的专利方法大都是对还原罐的结构改进优化，例如CN201873732U、CN2782707、CN2923731、CN202576531U等，此外还有对皮江法加热方式、形式的部分改进，例如CN1811313A、CN201942729U等，但基本上仍是以煤、重油、天然气或煤气等加热，并没有从根本上杜绝烟尘排放、温室气体排放以及环境污染问题，而且多采用高温烟气对流加热方式，传热效率低、能耗高、还原周期长、以及由于大多采用手工间歇操作造成的劳动强度大和生产效率低等状况一直没有得到明显改善。

综上，现有金属镁的冶炼方法及设备往往需要耗费大量电能或煤、天然气等化石能源加热，造成的环境污染非常严重，同时生产效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种激光炼镁装置及方法，以解决现有金属镁的冶炼技术中存在的能耗高、污染严重、生产效率低等问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光炼镁装置，其特征在于包括反应器，及置于反应器上方的激光器，还包括通过管路与反应器联通的输气装置和输料装置；所述反应器包括带有进料口和出料口反应器壳体，反应器内底部具有可通过驱动装置控制连续水平移动的料床，料床上放置装载含镁原料的料槽，料床两侧对称设有电极板收集槽，分别联接电源的正负极，并且电极板收集槽外侧带有夹层冷却水套，电极板收集槽可从反应器中抽出，反应器顶部还具有正对激光器的安装有玻璃透镜的入射窗，透镜周围设有环缝吹扫装置，环缝吹扫装置设有进气管，反应器底部料床两侧还设有对称的底吹排管；所述激光器连接激光器控制装置；所述输气装置包括由管路连接的储气瓶、减压器、流量计和阀门、所述环缝吹扫进气管和底吹排管分别通过吹扫进气阀门、底吹排管进气阀门与输气装置联接；所述输料装置包括由管路连接的料仓和出料阀门。

所述反应器的壳体为长方体形；

所述电极板收集槽底部为槽状，用来产生电场和收集镁；

所述反应器顶部的入射窗玻璃透镜形状为长方体形，这样激光束可以延长向来回扫描移动，增加照射面积；

所述环缝吹扫管四周环缝的出气口方向均弯向内侧，这样可吹扫惰性气体在透镜下方形成气体屏障，防止反应形成的气态产物粘附于镜面上影响透光；

所述反应器底部的底吹排管用于吹入惰性气体保证反应区域的惰性气氛并辅助镁的收集；

所述环缝吹扫管用惰性气体和底吹排管用惰性气体为同一惰性气体；

所述激光器用于产生一定功率和直径的激光；

所述输气装置用于向反应器内通入惰性气体；所述输料装置用于向反应器提供反应原料。

所述玻璃透镜为可以透过激光的材质，优选为远红外玻璃材质；

所述电极板收集槽为金属板，优选为铜板；

所述激光器可以是固体激光器、气体激光器或半导体激光器，优选为使用千瓦级功率的CO₂激光器；

所述惰性气体可以是氩气、氦气、氖气，优选为使用氩气；

所述含镁原料为氧化镁或氯化镁原料，优选为氧化镁；

一种激光炼镁方法，步骤如下：

1.首先通入惰性气体，惰性气体由储气瓶经过减压器和流量计后被分为两股气流，打开底吹排管进气阀门和吹扫进气阀门，使惰性气体经底吹排管和顶部环缝吹扫装置持续通入反应器，保证反应器内反应区域的惰性气氛，并在透镜下方形成气体保护屏障；

2.将对称的电极板收集槽分别接通电源正负极，在反应区域施加一定强度的电场；

3.打开出料阀门，将料仓中的含镁原料装入料槽，随移动料床通过反应器，未反应的原料可回收循环使用；

4.通过激光控制装置控制激光器发射一定功率和直径的激光束，同时控制出光端使激光束延透镜长向来回移动扫描照射，激光透过玻璃透镜对含镁原料进行照射，在激光照射作用下，照射区域的原料被高效率的分解出离子态镁蒸气和氧，镁离子蒸气在板间形成的电场作用下被吸附到阴极极板，并被还原为金属镁，氧离子则被吸附到阳极极板生成氧气，生成的氧气随惰性气流带走，同时底吹的惰性气体形成涡流可以辅助镁蒸气向极板移动；

5.随着激光照射反应的持续进行，镁蒸气不断产生、吸附到电极板并逐渐沉积到底部收集槽中，从而收集得到金属镁。

步骤1所述惰性气体可以是氩气、氦气、氖气，优选为使用氩气；

步骤2所述电场强度为5V/mm以上；

步骤3所述含镁原料为氧化镁或氯化镁，优选为氧化镁；

所述移动料床通过反应器的速度小于60mm/min；

步骤4所述激光器发射的激光束功率为1kw以上，光束直径为10mm以下；

所述激光束延透镜长向来回移动的速度小于60mm/min。

本发明激光炼镁装置及方法，无需电能或煤、天然气等加热方式，通过激光照射使镁化合物在超高温条件下实现高效率分解，并通过施加电场收集得到金属镁，从而提高金属镁的生产效率并减少环境污染。

附图说明

图1是本发明激光炼镁装置示意图；

图2是本发明激光炼镁装置激光照射反应区域断面示意图；

1为反应器、2为出料阀门、3为料仓、4为激光器、5为激光、6为激光器控制装置、7为流量计、8为减压器、9为储气瓶、10为底吹排管进气阀门、11为环缝吹扫进气阀门，101为反应器壳体、102为环缝吹扫进气管、103为玻璃透镜、104为环缝吹扫装置、105为夹层冷却水套、106为电极板收集槽、107为底吹排管、108为料槽、109为移动料床、110为含镁原料。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合实施例对本发明作更详细的说明：

一种激光炼镁装置，如附图所示，包括反应器1，及置于反应器1上方的激光器4，还包括通过管路与反应器1联通的输气装置和输料装置。反应器1具有反应器壳体101，反应器1内部具有可通过驱动装置控制连续水平移动的料床109，料床109上放置装载含镁原料110的料槽108，料床109两侧对称设有电极板收集槽106，并且电极板收集槽带有夹层冷却水套105，电极板收集槽106可以从反应器1中抽出，反应器1顶部还具有正对激光器4的入射窗，射窗安装有玻璃透镜103，透镜103周围设有环缝吹扫管104，反应器1底部还设有对称的底吹排管107；激光器4连接激光器控制装置6；输气装置包括由管路连接的储气瓶9、减压器8、流量计7和阀门10、11；所述输料装置包括由管路连接的料仓3、出料阀门2。

所述反应器1的壳体101为长方体形，两端具有进料口和出料口，所述电极板收集槽106是底部为槽状的金属铜板，分别联接电源的正负极，用来产生电场和收集镁，反应器1顶部的入射窗玻璃透镜103使用远红外玻璃材质，因CO₂激光器发射激光为10.6um波长，属远红外光波长范围，因此透镜几乎可以完全透过所述激光束，透镜形状为长方体形，这样激光束5可以延长向来回扫描移动，增加照射面积；所述环缝吹扫管104四周环缝的出气口方向均呈45°弯向内侧，这样可以吹扫惰性气体在透镜103下方形成气体屏障，防止反应形成的气态产物粘附于镜面上影响透光；所述底吹排管107用于吹入惰性气体保证反应区域的惰性气氛并辅助镁的收集，所述吹扫透镜用惰性气体和底吹排管用惰性气体为同一惰性气体，本实施例中使用氩气；所述激光器4使用6千瓦功率CO₂激光器，用于产生一定功率和直径的激光束；所述输气装置用于向反应器通入氩气；所述输料装置用于向反应器供料。

一种激光炼镁方法，具体工作时按如下步骤进行：

1.通入氩气做保护气体，由氩气储气瓶9经过减压器8和流量计7后被分为两股气流，打开底吹排管进气阀门10和吹扫进气阀门11，使氩气经底吹排管107、111和顶部环缝吹扫装置102、104持续通入反应器1，保证反应器1内反应区域的惰性气氛，并在透镜103下方形成气体保护屏障；

2.将对称的电极板收集槽106、112分别接通电源正负极，在反应区域施加强度为5V/mm以上的电场；

3.打开出料阀门2，将料仓3中的氧化镁原料110装入料槽108，随移动料床109以小于60mm/min的速度通过反应器1，未反应的原料可回收循环使用；

4.通过激光控制装置6控制激光器4发射功率1kw以上，光束直径为10mm以下的激光束5，同时控制出光端使激光束以小于60mm/min的速度在透镜玻璃范围内延长向缓慢来回移动，激光透过玻璃透镜103对氧化镁原料110进行照射，因为激光的能量密度极高，照射区域可实现急速加热，升温速率可达到105℃/s，很容易达到数千度以上的超高温，照射区域的原料氧化镁在这种超高温加热条件下，被高效率的分解出离子态镁蒸气和氧，镁离子蒸气在板间形成的电场作用下被吸附到阴极极板，并被还原为金属镁，氧离子则被吸附到阳极极板生成氧气，生成的氧气随氩气流带走，同时底吹的氩气形成涡流可以辅助镁蒸气向极板移动；

5.随着激光照射反应的持续进行，镁蒸气不断产生、吸附到电极板并逐渐沉积到底部收集槽106、112中，从而收集得到金属镁。

激光照射试验的参数列于下表：

上述实施例仅用于说明本发明提供的激光炼镁装置和方法，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种激光炼镁装置，其特征在于包括反应器，及置于反应器上方的激光器，还包括通过管路与反应器联通的输气装置和输料装置；所述反应器包括带有进料口和出料口反应器壳体，反应器内底部具有可通过驱动装置控制连续水平移动的料床，料床上放置装载含镁原料的料槽，料床两侧对称设有电极板收集槽，分别联接电源的正负极，并且电极板收集槽外侧带有夹层冷却水套，电极板收集槽可从反应器中抽出，反应器顶部还具有正对激光器的安装有玻璃透镜的入射窗，透镜周围设有环缝吹扫装置，环缝吹扫装置设有进气管，反应器底部料床两侧还设有对称的底吹排管；所述激光器连接激光器控制装置；所述输气装置包括由管路连接的储气瓶、减压器、流量计和阀门、所述环缝吹扫进气管和底吹排管分别通过吹扫进气阀门、底吹排管进气阀门与输气装置联接；所述输料装置包括由管路连接的料仓和出料阀门。

2.根据权利要求1所述的一种激光炼镁装置，其特征在于：所述环缝吹扫管四周环缝的出气口方向均弯向内侧。

3.根据权利要求1所述的一种激光炼镁装置，其特征在于：所述反应器的壳体为长方体形。

4.根据权利要求1所述的一种激光炼镁装置，其特征在于：所述电极板收集槽底部为槽状。

5.一种激光炼镁方法，其特征在于包括如下步骤：

1)首先通入惰性气体，惰性气体由储气瓶经过减压器和流量计后被分为两股气流，打开底吹排管进气阀门和吹扫进气阀门，使惰性气体经底吹排管和顶部环缝吹扫装置持续通入反应器，保证反应器内反应区域的惰性气氛，并在透镜下方形成气体保护屏障；

2)将对称的电极板收集槽分别接通电源正负极，在反应区域施加电场；

3)打开出料阀门，将料仓中的含镁原料装入料槽，随移动料床通过反应器，未反应的原料可回收循环使用；

4)通过激光控制装置控制激光器发射激光束，同时控制出光端使激光束延透镜长向来回移动扫描照射，激光透过玻璃透镜对含镁原料进行照射。

6.根据权利要求5所述的一种激光炼镁方法，其特征在于步骤1所述惰性气体是氩气、氦气、氖气中的任意一种。

7.根据权利要求5所述的一种激光炼镁方法，其特征在于步骤2所述电场强度为5V/mm以上。

8.根据权利要求5所述的一种激光炼镁方法，其特征在于步骤3所述含镁原料为氧化镁或氯化镁。

9.根据权利要求5所述的一种激光炼镁方法，其特征在于所述移动料床通过反应器的速度、所述激光束延透镜长向来回移动的速度均小于60mm/min。

10.根据权利要求5所述的一种激光炼镁方法，其特征在于步骤4所述激光器发射的激光束功率为1kw以上，光束直径为10mm以下。