CN107917618A - 立式燃气真空炉及利用它处理物料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立式燃气真空炉。所述真空炉包括真空炉体和燃烧系统；真空炉体包括反应室、冷凝室和冷凝管，反应室和冷凝室之间通过隔热罩隔开；反应室内为真空状态，位于真空炉体的下部，反应室内设中空的物料容器，物料容器用于堆放物料；冷凝管的一端位于冷凝室内，另一端穿过隔热罩与物料容器的内部相通；燃烧系统包括燃烧室和烧嘴；燃烧室位于反应室内，沿真空炉体的内侧壁周向布置，烧嘴沿真空炉体的外侧壁周向布置，烧嘴与燃烧室管道连接；烧嘴通入可燃气体；燃烧系统用于向反应室提供热量。本发明采用燃气作为燃料进行燃烧供热，降低了真空冶炼技术的成本，提高了燃气利用率，降低了氮化物等气体的排放，技术经济效益巨大,环保性能优越。

Description

立式燃气真空炉及利用它处理物料的方法

技术领域

本发明总地涉及冶金技术领域，具体涉及立式燃气真空炉及利用它处理物料的方法。

背景技术

现有的真空炉以电加热为主。电是二次能源，一般燃料的发电效率为30％-35％，电能的热效率一般为80％-85％，因而燃料电能热效率为25％左右(<30％)，能耗较高。立式电热真空炉，通过真空泵等设备使炉内产生真空，在真空下处理物料，坩埚中生成的金属蒸气沿着冷凝管上升，在冷凝管壁及上方的冷凝盘上被收集得到。

高温空气燃烧技术(HTACT)是国际上90年代迅速发展的高效、节能、环保型的先进燃烧技术。与传统燃烧技术相比,高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气余热回收,可使空气预热温度达烟气温度的95％,其燃烧热效率可高达80％以上。高温空气燃烧技术通过HATC烧嘴及回收装置节能60％以上，可降低CO排放60％以上,同时高温空气燃烧技术实现贫氧区域燃烧,使NOx排放大大降低,为传统燃烧技术的l/15-1/20。此外高温空气燃烧技术燃烧噪音低,减轻了噪音污染。

高温空气燃烧技术已开发出几种高温空气燃烧器(蓄热式烧嘴加热系统),日本、美国、欧洲均已用于生产,该技术的开发应用已臻成熟,其技术经济效益显著。我国近几年在该技术领域已开发出数种蓄热式烧嘴及燃烧装置系统,并且成功应用于工业生产,技术经济效益巨大,环保性能优越。

因此，在真空炉中采用高温空气燃烧技术可有效降低能耗，提高能源利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立式燃气真空炉及利用这种立式燃气真空炉处理物料的方法。

本发明提供了一种立式燃气真空炉，包括：真空炉体和燃烧系统；

所述真空炉体包括反应室、冷凝室和冷凝管，所述反应室和所述冷凝室之间通过隔热罩隔开；所述反应室内为真空状态，位于所述真空炉体的下部，所述反应室内设中空的物料容器，所述物料容器用于堆放物料；所述冷凝管的一端位于所述冷凝室内，另一端穿过所述隔热罩与所述物料容器的内部相通；

所述燃烧系统包括燃烧室和烧嘴；所述燃烧室位于所述反应室内，沿所述真空炉体的内侧壁周向布置，且围绕所述物料容器周向设置所述烧嘴沿所述真空炉体的外侧壁周向布置，所述烧嘴与所述燃烧室管道连接；所述烧嘴通入可燃气体；

所述燃烧系统用于向所述反应室提供热量。

进一步地，所述燃烧系统采用双蓄热式燃烧系统，所述双蓄热式燃烧系统包括：左蓄热室、右蓄热室和换向阀；

所述左蓄热室和所述右蓄热室均通过管道连接所述烧嘴，所述左蓄热室和所述右蓄热室均通过管道连接所述换向阀，所述可燃气体通过所述换向阀进入所述左蓄热室或所述右蓄热室；所述换向阀控制所述可燃气体的流向，同一时间，所述可燃气体只能流向所述左换向阀或所述右换向阀。

进一步地，所述物料容器为石墨材质。

进一步地，所述燃烧室与所述真空炉体的内侧壁之间设有保温砖，所述保温砖厚度为100mm-120mm。

进一步地，所述可燃气体为焦炉煤气。

进一步地，所述反应室与所述冷凝室的高度之比为(4-6):3；

所述冷凝室包括冷凝盘；所述冷凝盘位于所述冷凝室的上部，与所述真空炉体的侧壁一起形成封闭空间，所述冷凝盘上设有凸台，所述凸台高3mm-5mm，朝向所述冷凝室内，正对所述冷凝管。

进一步地，所述冷凝盘为空心结构，所述冷凝盘的内部通冷却水。

进一步地，所述冷凝管与所述凸台之间的距离为5mm-7mm。

本发明还提供一种利用上述立式燃气真空炉处理物料的方法，包括：

步骤S1、将所述物料放入所述物料容器；

步骤S2、将所述可燃气体通过所述烧嘴通入所述燃烧室，并进行燃烧；

步骤S3、所述可燃气体燃烧产生的热量提高了所述反应室的温度，使所述物料在所述物料容器内发生反应，生成气态金属；

步骤S4、所述气态金属沿所述冷凝管进入所述冷凝室，在所述冷凝室内冷凝结晶；将所述可燃气体燃烧产生的烟气由烟气管道排出。

进一步地，还包括：

步骤S5、控制所述换向阀使所述可燃气体流向所述左蓄热室，再通过所述烧嘴进入所述燃烧室进行燃烧；

步骤S6、燃烧产生的烟气环绕在所述反应室的四周，以提高所述反应室内的温度，之后，经所述右蓄热室回收热量后由所述烟气管道排出；

步骤S7、120秒后，控制所述换向阀使所述可燃气体流向所述右蓄热室，再通过所述烧嘴进入所述燃烧室进行燃烧，再经所述左蓄热室回收热量后由所述烟气管道排出；如此反复，交替进行。

本发明的立式燃气真空炉采用燃气作为燃料进行燃烧供热，降低了真空冶炼技术的成本，采用蓄热式燃烧技术，对高温烟气中的热量进行了回收利用，提高了燃气利用率，同时降低了氮化物等有害气体的排放，而且设备简单、投资小、成本低、生产过程环保，技术经济效益巨大,环保性能优越。

附图说明

图1为本发明立式燃气真空炉的剖面示意图。

图2为双蓄热式燃烧系统的示意图。

附图标记说明：

101-反应室；

102-冷凝室；

1021-冷凝盘；

103-冷凝管；

104-隔热罩；

105-物料容器；

106-保温砖；

201-燃烧室；

202-烧嘴；

30-可燃气体；

401-左蓄热室；

402-右蓄热室；

403-换向阀；

50-冷却水；

60-真空泵。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明的立式燃气真空炉主要包括：真空炉和燃烧系统。如图1所示，真空炉包括反应室101、冷凝室102和冷凝管103。反应室101和冷凝室102之间通过隔热罩104隔开。反应室101内为真空状态，位于真空炉的下部，反应室101内设中空的物料容器105，物料容器105用于堆放物料。冷凝管103的一端位于冷凝室102内，另一端穿过隔热罩104与物料容器105的内部相通。

反应室101内可通过真空设备形成真空状态，以在真空状态下处理物料。如图2所示，通过真空泵60使反应室101内形成真空，为物料处理提供真空环境。

燃烧系统包括燃烧室201和烧嘴202；燃烧室201位于反应室101内，沿真空炉的内侧壁周向布置，烧嘴202沿真空炉的外侧壁周向布置，烧嘴202与燃烧室201管道连接；烧嘴202通入可燃气体30。

可燃气体30在燃烧室201内燃烧，向反应室101提供热量，燃烧产生的烟气通过管道排出。随着反应室101内温度的升高，在物料容器105内的物料发生反应，生成气态金属，沿冷凝管103进入冷凝室102内，在冷凝室102内冷凝结晶。

为了进一步提高可燃气体30的燃烧利用率，本发明采用双蓄热式燃烧系统，如图2所示，双蓄热式燃烧系统包括左蓄热室401、右蓄热室402和换向阀403。左蓄热室401和右蓄热室402均通过管道连接烧嘴202。左蓄热室401和右蓄热室402均通过管道连接换向阀403。可燃气体30通过换向阀403进入左蓄热室401或右蓄热室402；换向阀403控制可燃气体30的流向，同一时间，可燃气体30只能流向左换向阀401或右换向阀402。

举例来说，可采用焦炉煤气或天然气作为可燃气体30。首先利用换向阀403控制可燃气体30流向左蓄热室401，可燃气体30通过左蓄热室401进入燃烧室201燃烧，燃烧产生的高温烟气充满反应室，提高反应室的温度，之后，烟气再经右蓄热室402回收热量后由烟气管道排出。120秒后，使换向阀403动作，控制可燃气体30流向右蓄热室402，可燃气体30通过右蓄热室402进入燃烧室201燃烧，燃烧产生的高温烟气充满反应室，提高反应室的温度，之后，烟气再经左蓄热室401回收热量后由烟气管道排出。如此反复、交替进行燃烧、蓄热，极大提高了可燃气体30的利用效率。

由于石墨具有良好的耐热性和稳定性，在冶金领域广泛应用，因此本发明的物料容器105采用了石墨材质。物料置于物料容器105内，随着反应室101温度逐渐升高，物料容器105内的物料逐步发生反应。为减少反应室101内的热量流失，在燃烧室201和真空炉体的内侧壁之间设保温层，保温层可以采用保温砖106。

保温层同时还可以防止炉壁的温度过高。为了保护炉壁，还可以在炉壁四周布置冷却水管，一方面可防止炉壁温度过高，另一方面也可以使得炉体内反应结束后能够迅速降温。

由于反应室101是作为物料反应的场所，因此其占有真空炉体的大部分空间，比较理想的是，反应室101与冷凝室102的高度之比为(4-6):3。通常，下部反应室101与上部冷凝室102占据炉内空间之比大概为5:3。

冷凝室102还包括冷凝盘1021。由图可见，冷凝盘1021位于冷凝室102的上部，与真空炉体的侧壁一起形成封闭空间，即冷凝室102。在冷凝盘1021上设有凸台，该凸台朝向冷凝室102内，正对冷凝管103。凸台高度为3mm-5mm之间，与冷凝管103之间的垂直距离为5mm-7mm之间。

从冷凝管103内出来的金属蒸汽在冷凝室102内结晶，此时，凸台提供了一个成核中心，使金属蒸汽更容易结晶成核。将凸台和冷凝管103之间的距离控制在一定范围内，可以避免金属蒸汽在冷凝室102内扩散，便于收集金属样品。本发明的立式燃气真空炉所使用的冷凝盘1021可以为空心结构，还可以在内部通入冷却水50(如图2所示)进行冷却，更有利于金属蒸汽的结晶成核。

采用图1所示电热式真空炉对物料进行处理时，首先，将物料放入物料容器105；将可燃气体30通过烧嘴202通入燃烧室201，并进行燃烧。可燃气体30燃烧产生的热量提高了反应室101的温度，使物料在物料容器105内发生反应，生成气态金属。气态金属沿冷凝管103进入冷凝室102，在冷凝室102内冷凝结晶；将可燃气体30燃烧产生的烟气由烟气管道排出。

在对物料进行处理过程中，控制换向阀403使可燃气体30流向左蓄热室401，再通过烧嘴202进入燃烧室201进行燃烧。燃烧产生的烟气环绕在反应室101的四周，以提高反应室101内的温度，之后，经右蓄热室402回收热量后由烟气管道排出。

120秒后，控制换向阀403使可燃气体30流向右蓄热室402，再通过烧嘴202进入燃烧室201进行燃烧，再经左蓄热室401回收热量后由烟气管道排出；如此反复，交替进行。即利用本发明的立式燃气真空炉进行物料处理的步骤如下：

步骤S1、将物料放入物料容器105；

步骤S2、将可燃气体30通过烧嘴202通入燃烧室201，并进行燃烧；

步骤S3、可燃气体30燃烧产生的热量提高了反应室101的温度，使物料在物料容器105内发生反应，生成气态金属；

步骤S4、气态金属沿冷凝管103进入冷凝室102，在冷凝室102内冷凝结晶；将可燃气体30燃烧产生的烟气由烟气管道排出。

可燃气体30通入燃烧室201进行燃烧过程中，是通过换向阀403的作用，控制其通入左蓄热室401或右蓄热室402，控制步骤如下：

步骤S5、控制换向阀403使可燃气体30流向左蓄热室401，再通过烧嘴202进入燃烧室201进行燃烧；

步骤S6、燃烧产生的烟气环绕在反应室101的四周，以提高反应室101内的温度，之后，经右蓄热室402回收热量后由烟气管道排出；

步骤S7、120秒后，控制换向阀403使可燃气体30流向右蓄热室402，再通过烧嘴202进入燃烧室201进行燃烧，再经左蓄热室401回收热量后由烟气管道排出；如此反复，交替进行。

本发明的立式燃气真空炉与电热式真空炉相比能耗低，降低了真空冶炼技术的成本，采用蓄热式燃烧技术，对高温烟气中的热量进行了回收利用，提高了燃气利用率，而且设备简单、投资小、成本低、生产过程环保。

实施例一

在其中一实施例中，利用本发明的立式燃气真空炉冶炼金属的工艺，将物料(焦煤和氧化镁)分别磨细至-200目，然后将氧化镁和焦煤按照1:2(摩尔比)的比例混合均匀后，用压片机以8MPa的压力压制成型。压制成型后的物料装入物料容器105即石墨坩埚中，然后将石墨坩埚放入真空炉中，利用真空泵60将真空炉内抽取真空至40MPa左右。

物料处理准备完毕后，向燃烧室201内通入可燃气体30，在本实施例中，将空气和天然气混合后作为可燃气体30通入燃烧室201。首先，控制换向阀403使可燃气体30通入左蓄热室401，在燃烧室201内进行燃烧，燃烧产生的高温烟气充满环绕在反应室101四周，反应室内101温度升高。然后，烟气再经右蓄热室402回收热量后由烟气管道排出。

120S后，控制换向阀403使可燃气体30流入右蓄热室402，预热至500℃以上后，然后进入燃烧室201内参与燃烧，燃烧产生的高温烟气充满环绕在反应室101四周，提高反应室101内的温度，然后，经左蓄热室401回收热量后，再经烟气管道排出。如此交替进行燃烧、预热、燃烧，将反应室101内温度升高，控制升温速率在11K/min左右，先升温至1073K并保温30min进行焦结，再继续加热到反应温度，保温3小时进行碳热还原反应。在此过程中，物料在石墨坩埚内进行碳热还原反应，产生气态金属，沿冷凝管103进入冷凝室102内冷凝结晶。

取出冷凝结晶后，采用Rigaku D/max-3B型X射线衍射(XRD)分析冷凝产物的物相，采用Philips XL30ESEM-TMP型扫描电子显微镜(SEM)观察冷凝产物的形貌，用能谱仪(EDS)(EDAX产PHOENTXTM)分析冷凝产物表面元素含量。根据下列公式计算在冷凝区金属Mg的直收率，并以此作为评估Mg蒸气有效冷凝的技术指标。

α＝M/m×100％

其中：α表示直收率/％；M表示冷凝区收集到金属Mg的质量/g；m表示所还原出金属Mg的质量。

能谱分析表明，冷凝物中金属Mg的含量逐渐增加，最高可达到90.05％。

实施例二

利用本发明能够对合金金属进行蒸馏分离，在真空蒸馏分离过程中不同的金属具有不同的饱和蒸气压，且当饱和蒸气压大于体系压强时金属挥发，因此在相同温度下饱和蒸气压大的金属先于饱和蒸气压小的金属挥发。利用此原理，对合金金属进行蒸馏分离，实现对不同金属的分离提纯。如在对铅和银进行蒸馏分离提纯过程中，在1073～1473K温度范围铅和银的饱和蒸气压随着温度的升高而升高，根据亨利定量提高蒸馏温度可以加快铅和银的挥发。从p*Pb/p*Ag的关系可以看出：在1073～1373K温度范围铅的饱和蒸气压是银的140～1070倍，相差倍数最大的点出现在1073K为1070倍高于此温度后相差倍数逐渐减小直至1373K时的140倍。

铅和银的饱和蒸气压利用下式计算得出：

lgp＝nT-1+mlgT+kT+C

式中p为饱和蒸气压，单位为Pa；T为温度，单位为K；金属蒸汽压和温度关系的各系数n、m、k、C均为常数，可以从《有色金属真空冶金》(戴永年著)中查得。

故Pb-Ag合金在1073～1373K温度范围，可以根据铅、银饱和蒸气压的差异实现真空分离提纯。

真空蒸馏法对不同成分的铅银合金具有较好的分离效果，该方法具有设备简单、投资小、生产成本低、生产过程环境友好等特点。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种立式燃气真空炉，其特征在于，包括：真空炉体和燃烧系统；

所述真空炉体包括反应室、冷凝室和冷凝管，所述反应室和所述冷凝室之间通过隔热罩隔开；所述反应室内为真空状态，位于所述真空炉体的下部，所述反应室内设中空的物料容器，所述物料容器用于堆放物料；所述冷凝管的一端位于所述冷凝室内，另一端穿过所述隔热罩与所述物料容器的内部相通；

所述燃烧系统包括燃烧室和烧嘴；所述燃烧室位于所述反应室内，沿所述真空炉体的内侧壁周向布置，且围绕所述物料容器周向设置，所述烧嘴沿所述真空炉体的外侧壁周向布置，所述烧嘴与所述燃烧室管道连接；所述烧嘴通入可燃气体；

所述燃烧系统用于向所述反应室提供热量。

2.根据权利要求1所述的立式燃气真空炉，其特征在于，所述燃烧系统采用双蓄热式燃烧系统，所述双蓄热式燃烧系统包括：左蓄热室、右蓄热室和换向阀；

所述左蓄热室和所述右蓄热室均通过管道连接所述烧嘴，所述左蓄热室和所述右蓄热室均通过管道连接所述换向阀，所述可燃气体通过所述换向阀进入所述左蓄热室或所述右蓄热室；所述换向阀控制所述可燃气体的流向，同一时间，所述可燃气体只能流向所述左换向阀或所述右换向阀。

3.根据权利要求1所述的立式燃气真空炉，其特征在于，所述物料容器为石墨材质。

4.根据权利要求1所述的立式燃气真空炉，其特征在于，所述燃烧室与所述真空炉体的内侧壁之间设有保温砖，所述保温砖厚度为100mm-120mm。

5.根据权利要求1所述的立式燃气真空炉，其特征在于，所述可燃气体为焦炉煤气。

6.根据权利要求1所述的立式燃气真空炉，其特征在于，所述反应室与所述冷凝室的高度之比为(4-6):3；

所述冷凝室包括冷凝盘；所述冷凝盘位于所述冷凝室的上部，与所述真空炉体的侧壁一起形成封闭空间，所述冷凝盘上设有凸台，所述凸台高3mm-5mm，朝向所述冷凝室内，正对所述冷凝管。

7.根据权利要求6所述的立式燃气真空炉，其特征在于，所述冷凝盘为空心结构，所述冷凝盘的内部通冷却水。

8.根据权利要求6所述的立式燃气真空炉，其特征在于，所述冷凝管与所述凸台之间的距离为5mm-7mm。

9.一种利用立式燃气真空炉处理物料的方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的立式燃气真空炉，包括：

步骤S1、将所述物料放入所述物料容器；

步骤S2、将所述可燃气体通过所述烧嘴通入所述燃烧室，并进行燃烧；

步骤S3、所述可燃气体燃烧产生的热量提高了所述反应室的温度，使所述物料在所述物料容器内发生反应，生成气态金属；

步骤S4、所述气态金属沿所述冷凝管进入所述冷凝室，在所述冷凝室内冷凝结晶；将所述可燃气体燃烧产生的烟气由烟气管道排出。

10.根据权利要求9所述的利用立式燃气真空炉处理物料的方法，其特征在于，

步骤S5、控制所述换向阀使所述可燃气体流向所述左蓄热室，再通过所述烧嘴进入所述燃烧室进行燃烧；

步骤S6、燃烧产生的烟气环绕在所述反应室的四周，以提高所述反应室内的温度，之后，经所述右蓄热室回收热量后由所述烟气管道排出；

步骤S7、120秒后，控制所述换向阀使所述可燃气体流向所述右蓄热室，再通过所述烧嘴进入所述燃烧室进行燃烧，再经所述左蓄热室回收热量后由所述烟气管道排出；如此反复，交替进行。