CN107937735A - 一种电磁感应加热高效镁还原罐 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁感应加热高效镁还原罐，主要解决了现有技术中存在的感应加热还原镁装置中还原罐电抗远大于电阻使得耦合功率大幅度减小、能量传递效率降低问题。本发明从内向外依次由还原罐体、传热层、感应层、第一保温层、激励线圈和第二保温层组成；所述电磁感应加热高效镁还原罐置于真空环境或填充有减轻铜质感应线圈氧化的保护性气体环境中。本发明设计合理，可以有效的减小镁还原系统的总损耗，提高能量传递效率；主要用于镁、锂、锶、钙等高蒸汽压金属热还原法生产。
Description
技术领域
本发明涉及真空冶金设备技术领域，具体为一种电磁感应加热高效镁还原罐，可用于热还原法制备镁、锂、锶、钙等高蒸汽压金属的设备。
背景技术
镁、锂、锶、钙等高蒸汽压金属，可以使用热还原法在真空条件下制备。目前在金属镁生产领域中，广泛使用的还原设备是使用燃气等直接加热由耐热合金制成的还原罐。此法受还原罐结构及材料性能的限制，反应温度低、传热慢、能耗高，并且由于还原罐的氧化等损耗大量消耗昂贵的镍铬合金。
公开号CN106929694A中公开了一种高温铜质线圈镁还原罐电磁感应加热装置，具体由内至外依次包括还原罐、第一保温层、激励线圈、第二保温层，激励线圈置于保温层中，且工作温度为900℃。通过建立等效耦合模型提取集总参数，得出二次侧还原罐电抗值远大于其电阻值，具体阻抗为Z＝R2+jXL＝0.1343+j3.6367，二次侧电抗值不随电阻值的变化而变化，图1为二次侧阻抗向量图，可见，增大还原罐的电阻值可以提高耦合功率。
图2给出了耦合功率(标幺值)随电导率的变化关系，可见随着还原罐电导率的减小，耦合功率先增大后减小，即适当的增大还原罐电阻可以提高耦合功率。
镁还原罐电磁感应加热装置可等效为变压器电路模型，通过变压器原理分析得出还原罐耦合功率P：
由式(1)得当R2＝wL2时，即当还原罐的电阻值与其电抗值相等时，耦合功率取得极大值。
当R2＝wL2时，将激励线圈置于高温900℃时，通过热损耗、铜损耗联合优化，图3给出了总损耗随着热传导损耗的变化关系。可见，激励线圈置于高温900℃，当R2＝wL2时，总损耗可以取值更小，能量传递效率达到93.07％。
上述专利将感应线圈置于高温900～1000℃，可以减小还原过程的总损耗，提高能量传递效率。但由于还原罐电抗远大于其电阻使得耦合功率大幅度减小，降低了能量传递效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的感应加热还原镁装置中还原罐电抗远大于电阻使得耦合功率大幅度减小、能量传递效率降低问题，提供一种电磁感应加热高效镁还原罐。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种电磁感应加热高效镁还原罐，从内向外依次由还原罐体、传热层、感应层、第一保温层、激励线圈和第二保温层组成；所述电磁感应加热高效镁还原罐置于真空环境或填充有减轻铜质感应线圈氧化的保护性气体环境中。
进一步，所述传热层为绝缘陶瓷圆筒。
再进一步，所述感应层为耐热圆形钢筒，筒壁上切有多条分布在整个圆周上的与筒身中心轴线平行的狭缝，在沿筒身轴线方向，狭缝分成多段，每一条狭缝的中心点对应于垂直于筒身轴线方向上相邻两个狭缝间隔的中心点，在狭缝上填充有陶瓷材料，且与传热层一体成型，采用在二次侧切有狭缝来增大二次感应侧的电阻值。
更进一步，所述激励线圈为铜线圈，其工作温度为900～1000℃。
更进一步，所述第一保温层和第二保温层由导热系数较低的氧化铝陶瓷纤维或硬质碳毡构成，根据还原罐体外的温度分布对第一保温层和第二保温层材料进行布置，温度不高于500℃时，采用氧化铝陶瓷纤维作为保温层，高于500℃时，采用硬质碳毡作为保温层。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，本发明具体如下优点：
1、激励线圈放置于保温层中，且工作温度达到900℃，而非冷态，这样可以使总损耗降到最低，提高了能量传递效率。
2、增大二次侧电阻值时，采用还原罐外侧包覆有由耐热钢材料制成的圆筒形结构的感应层，并在感应层切有狭缝，通过调整狭缝的密度、长短来调节二次感应侧电阻值，提高了能量传递效率。
3、还原罐外侧设置感应层，这样不影响还原罐内部抽真空或填充减轻铜质激励线圈氧化的保护性气体，可有效防止激励线圈铜线高温氧化。在罐外抽真空的情况下，罐体承压大大减小，材料热强度需求降低，因此，还原罐只需使用普通耐热钢制造。
4、工作时，由电源装置施加在激励线圈上的高频交流电在感应层中产生交变的磁场。由此在感应层中产生感应电流。在感应层中感生的电流产生的热量通过传导和辐射两种方式对还原罐进行加热。通过这一电磁感应过程，电能无接触地传递给还原罐来加热反应炉料。
本发明设计合理，可以减小了还原过程的总损耗，提高了能量传递效率；主要用于镁、锂、锶、钙等高蒸汽压金属热还原法生产。
附图说明
图1为二次侧阻抗向量图；
图2为耦合功率(标幺值)随电导率的变化关系；
图3为出了总损耗随着热传导损耗的变化关系；
图4为两种保温材料在不同温度下的导热系数；
图5为本发明的结构示意图；
图6为感应层上狭缝的分布图；
图中，1-还原罐，2-传热层，3-感应层，4-第一保温层，5-激励线圈，6-第二保温层，7-狭缝。
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。
如图5和图6所示，本实施例中的一种电磁感应加热高效镁还原罐，从内向外依次由还原罐体1、传热层2、感应层3、第一保温层4、激励线圈5和第二保温层6组成；所述传热层2为绝缘陶瓷圆筒；所述感应层3为耐热圆形钢筒，筒壁上切有多条分布在整个圆周上的与筒身中心轴线平行的狭缝7，在沿筒身轴线方向，狭缝7分成多段，每一条狭缝7的中心点对应于垂直于筒身轴线方向上相邻两个狭缝7间隔的中心点，在狭缝7上填充有陶瓷材料，且与传热层2一体成型。所述激励线圈5为铜线圈，其工作温度为900～1000℃。所述第一保温层4和第二保温层6由导热系数较低的氧化铝陶瓷纤维或硬质碳毡构成，根据还原罐体1外的温度分布对第一保温层4和第二保温层6材料进行布置，温度不高于500℃时，采用氧化铝陶瓷纤维作为保温层，高于500℃时，采用硬质碳毡作为保温层。仿真时保温层导热系数所参考数据如图4中实线所示；所述电磁感应加热高效镁还原罐置于真空环境或填充有减轻铜质感应线圈3氧化的保护性气体环境中。
建立无感应层的等效耦合模型，对集总参数进行提取，得出二次侧还原罐电抗远大于电阻，如图1所示。
建立无感应层的实际耦合模型，以还原罐电阻为变量进行参数扫描，得出存在最优电阻值使得耦合功率最大，如图2所示。
镁还原罐电磁感应加热装置，其终端是一个电磁耦合系统。可等效为变压器电路模型，通过变压器原理可推导出式(1)，得出当还原罐体1的电阻值与其电抗值相等时，耦合功率取得极大值。
通过调节狭缝7的密度、长短使得感应层5电阻值与其电抗值相等，将激励线圈3置于高温900℃时，通过热损耗、铜损耗联合优化，得出适当的增大二次感应层电阻值可以提高能量传递效率，且总损耗在感应层5电阻值与其电抗值相等时可以取值最小，能量传递效率达到93.07％，如图3所示。
上述真空还原罐主要用于镁、锂、锶、钙等高蒸汽压金属热还原法生产。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。
Claims (5)
1.一种电磁感应加热高效镁还原罐，其特征在于：从内向外依次由还原罐体(1)、传热层(2)、感应层(3)、第一保温层(4)、激励线圈(5)和第二保温层(6)组成；所述电磁感应加热高效镁还原罐置于真空环境或填充有减轻铜质感应线圈(3)氧化的保护性气体环境中。
2.根据权利要求1所述的一种电磁感应加热高效镁还原罐，其特征在于：所述传热层(2)为绝缘陶瓷圆筒。
3.根据权利要求2所述的一种电磁感应加热高效镁还原罐，其特征在于：所述感应层(3)为耐热圆形钢筒，筒壁上切有多条分布在整个圆周上的与筒身中心轴线平行的狭缝(7)，在沿筒身轴线方向，狭缝(7)分成多段，每一条狭缝(7)的中心点对应于垂直于筒身轴线方向上相邻两个狭缝(7)间隔的中心点，在狭缝(7)上填充有陶瓷材料，且与传热层(2)一体成型。
4.根据权利要求3所述的一种电磁感应加热高效镁还原罐，其特征在于：所述激励线圈(5)为铜线圈，其工作温度为900～1000℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种电磁感应加热高效镁还原罐，其特征在于：所述第一保温层(4)和第二保温层(6)由导热系数较低的氧化铝陶瓷纤维或硬质碳毡构成，根据还原罐体(1)外的温度分布对第一保温层(4)和第二保温层(6)材料进行布置，温度不高于500℃时，采用氧化铝陶瓷纤维作为保温层，高于500℃时，采用硬质碳毡作为保温层。
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