CN109338123A - 高效率镁冶炼方法及用于该方法的冶炼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率镁冶炼方法，经过预处理的载热体和粉末状反应原料以一定方式均匀混合后装入还原罐的反应区内，对还原罐进行抽真空，同时对还原罐的反应区进行加热，使得还原罐内的原料达到发生还原反应的条件，发生还原反应，产生镁蒸气；镁蒸气冷凝后即可得到金属镁。在制球时将载热体压入料球内获得混合料球，也可以将料球与载热体混合均匀后加入罐内，同时也可以将混合料球与料球混合加入罐内，使载热体分布在料球内部、料球之间以及料球与罐壁之间，从而增加了热传导接触面积，提高了综合传热效率，缩短了热量在料球内部及料球之间的传递时间，从而缩短还原时间，提高生产率。
Description
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种高效率镁冶炼方法及用于该方法的冶炼装置。
背景技术
目前，世界上原镁生产主要集中在中国，而我国原镁冶炼主要依靠皮江法生产。皮江法也称为外热式硅热法，该工艺方法首先需要将冶炼的原料（煅烧后的白云石、硅铁、萤石等）进行破碎、混合、磨粉，压制成球团（料球），再加入到还原罐（反应器）中，用燃料或电从还原罐外进行加热，热量沿罐壁向料球传递，同时，用真空泵对还原罐进行抽真空，使罐内料球在高温及真空条件下发生还原反应，生成的镁蒸气在结晶器内冷凝成粗镁，经过精炼铸锭成为商品镁。
上述罐内还原过程在真空条件下进行，热量从还原罐壁传递至料球，再通过料球之间进行传递，该传热过程主要以料球之间的传导与辐射为主，镁蒸气对流换热为辐的综合传热形式。由于硅热法用原料形状以椭球型为主，在罐内以点接触形式排列。点接触的方式使得传热面很小，从而增加了料球之间的热阻，而料球自身导热系数较小，热量从球团外向内传递速率很慢，料球的导热系数也将随着温度的升高而减小，这都严重影响了物料及物料之间的传热效果，从而使得该冶炼工艺还原周期长（一般在10-12小时），生产效率低。有企业尝试使用竖罐法炼镁，但还原时间并没有明显减少。而通过一些学者的研究数据可知，热量沿罐壁向罐内传递，直至中心温度与罐壁温度相同时，所需的时间约为8小时以上，占还原总时间约70%以上。可见，传热效率低影响了还原反应速率，使得还原时间大幅度延长。
国内有研究者提出在还原罐内焊装导热板，以增加热传导的接触面积来提高传热效率。而在罐内增加导热板会造成还原罐制造工艺复杂，成本增加；同时，在热还原过程中导热板上容易形成的粘接物需要频繁清理，使得工艺运行不能连续。从一些工厂实际的运行状况来看，罐内增加导热板的方式并不能有效提高传热效率，缩短还原时间，提高生产率。而罐内的传热效率低的问题也是阻碍还原罐不能实现大型化的一个重要原因。
发明内容
本发明的目的是针对金属镁冶炼工艺中，还原罐内壁与料球之间、料球与料球之间因热传导接触面积小，料球导热系数低等原因造成换热效率低的问题，提供一种高效率镁冶炼方法及用于该方法的冶炼装置，在还原罐内增加载热体，并使其充满料球与料球之间以及料球与还原罐壁之间的空隙，或分布于料球内部，从而扩大还原罐内壁与料球之间、料球与料球之间的热传导接触面积，增大热量在物料内部及物料之间传递的综合传热系数，提高换热效率，并通过工艺设计使之应用于实际生产中，解决现有技术工艺还原反应时间长、生产效率低、燃料消耗量大高、设备占用时间长等行业现状。
本发明的目的是以下述方式实现的：
高效率镁冶炼方法，经过预处理的载热体和粉末状反应原料以一定方式均匀混合后装入还原罐的反应区内，对还原罐进行抽真空，同时对还原罐的反应区进行加热，使得还原罐内的原料达到发生还原反应的条件，发生还原反应，产生镁蒸气；镁蒸气冷凝后即可得到金属镁。
所述载热体为碳基材料、金属基材料、碳化硅基陶瓷材料、氮化硅基陶瓷材料和氧化铝基陶瓷材料中的至少一种。
所述碳基材料为木炭、煤炭或石墨，金属基材料为钽、铌或钨，碳化硅基陶瓷材料为金刚砂，氮化硅基陶瓷材料为氮化硅陶瓷，氧化铝基陶瓷材料为刚玉或莫来石。
所述载热体的粒度为1-50mm。
所述载热体和粉末状反应原料以下述任意一种方式混合：A. 料球与载热体混合均匀；B. 混合料球；C. 载热体与混合料球混合均匀；D. 料球与混合料球混合均匀；E. 料球、混合料球与载热体混合均匀；所述料球由粉末状反应原料压制而成，混合料球由载热体与粉末状反应原料混合均匀后压制而成。
应用上述的高效率镁冶炼方法的冶炼装置，包括还原罐，经过预处理的载热体和粉末状反应原料以一定方式均匀混合后装入还原罐的反应区内，在远离还原罐的反应区的一端设置有结晶器，结晶器外侧设置有水循环系统，还原罐的反应区的外部设置有加热系统，还原罐还与真空系统连通。
所述还原罐为水平安装或垂直安装。
还包括将载热体和料渣分开的筛分装置，筛分装置设置在还原罐的出料口处。
还包括余热回收装置，余热回收装置设置在还原罐的出料口处。
还包括余热回收装置，余热回收装置位于还原罐的出料口和筛分装置之间。
本发明提供的一种高效率金属冶炼方法，可在制球时将载热体压入料球内获得混合料球，也可以将料球与载热体混合均匀后加入罐内，同时也可以将混合料球与料球混合加入罐内，使载热体分布在料球内部、料球之间以及料球与罐壁之间，从而增加了热传导接触面积，提高了综合传热效率，缩短了热量在料球内部及料球之间的传递时间，从而缩短还原时间，提高生产率。待反应结束后，将料球与热载体一并从罐内排除，进入余热回收装置，待还原渣粉化后，用筛分装置将粉状还原渣与颗粒状热载体分开，还原渣运至渣场，热载体可重复使用。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明在金属冶炼工艺中使用，经初步验证，效果显著：
1）可有效提高罐内热量传递效率，缩短罐内温度达到平衡的时间；
2）可缩短操作周期，实现节约能耗；
3）可提高生产效率，降低生产成本；
4）可提高还原罐的使用效率，减少操作等待时间，降低人工及设备成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是载热体与料球混合的结构示意图。
图3是混合料球的结构示意图。
图4是载热体与混合料球混合的结构示意图。
图5是料球与混合料球混合的结构示意图。
图6是载热体、料球和混合料球混合的结构示意图。
图7是包括筛分装置的结构示意图。
图8是包括余热回收装置和筛分装置的结构示意图。
图9是还原罐为垂直安装时的结构示意图。
图10是还原罐为垂直安装时、包括余热回收装置和筛分装置的结构示意图。
其中，1是料球；2是载热体；3是还原罐；4是结晶器；5是水循环系统；6是加热系统；7是真空系统；8是混合料球；9是筛分装置；10是余热回收装置。
具体实施方式
料球1由粉末状原料压制而成，压制方法为现有技术；混合料球8由载热体2和粉末状原料压制而成，压制方法与料球1的压制方法相同。
如图1-10所示，高效率镁冶炼方法，经过预处理的载热体2和粉末状反应原料以一定方式均匀混合后装入还原罐3的反应区内，对还原罐3进行抽真空，同时对还原罐3的反应区进行加热，使得还原罐3内的原料达到发生还原反应的条件，发生还原反应，产生镁蒸气；镁蒸气冷凝后即可得到金属镁。
载热体2为碳基材料、金属基材料、碳化硅基陶瓷材料、氮化硅基陶瓷材料和氧化铝基陶瓷材料中的至少一种。
碳基材料为木炭、煤炭或石墨，金属基材料为钽、铌或钨，碳化硅基陶瓷材料为金刚砂，氮化硅基陶瓷材料为氮化硅陶瓷，氧化铝基陶瓷材料为刚玉或莫来石。
载热体2的粒度为1-50mm。
载热体2和粉末状反应原料以下述任意一种方式混合：A. 料球1与载热体2混合均匀；B. 混合料球8；C. 载热体2与混合料球8混合均匀；D. 料球1与混合料球8混合均匀；E.料球1、混合料球8与载热体2混合均匀；所述料球1由粉末状反应原料压制而成，混合料球8由载热体2与粉末状反应原料混合均匀后压制而成。
应用上述的高效率镁冶炼方法的冶炼装置，包括还原罐3，经过预处理的载热体2和粉末状反应原料以一定方式均匀混合后装入还原罐3的反应区内，在远离还原罐3的反应区的一端设置有结晶器4，结晶器4外侧设置有水循环系统5，还原罐3的反应区的外部设置有加热系统6，还原罐3还与真空系统7连通。
还原罐3为水平安装或垂直安装。
还包括将载热体2和料渣分开的筛分装置9，筛分装置9设置在还原罐3的出料口处。
还包括余热回收装置10，余热回收装置10设置在还原罐3的出料口处。
还包括余热回收装置10，余热回收装置10位于还原罐3的出料口和筛分装置9之间。
载热体2的形状可以是规则的圆形、椭圆形或棱形等，也可以是不规则的多面体，呈颗粒状。
加热系统6可以是电加热，也可以用燃料加热；可以从罐外加热，也可以从罐内加热，同时也可以是混合加热。
利用上述的高效率金属冶炼装置进行金属冶炼的方法，具体步骤如下：
①按照下述任意一种方式制备混合料：A. 料球1与载热体2混合均匀；B. 混合料球8；C. 载热体2与混合料球8混合均匀；D. 料球1与混合料球8混合均匀；E. 料球1、混合料球8与载热体2混合均匀；
②将混合料装入还原罐3的反应区，安装结晶器4，密封还原罐3；
③通过真空系统7对还原罐3进行抽真空，同时通过加热系统6对还原罐3的反应区进行加热，使得还原罐3内的料球1和/或混合料球8中的原料达到发生还原反应的条件；
④加热系统6将热量通过还原罐3罐体的外壁传向内壁，还原罐3内壁再通过载热体2将热量传向料球1和/或混合料球8，再逐步传向处于中心位置的料球1和/或混合料球8；
⑤反应开始后，生成的金属蒸汽在结晶器4内冷凝，冷凝释放出的热量通过水循环系统5带走；
⑥待反应结束后，将还原罐3内的物料排出，待到反应后的料球或混合料球8粉化成料渣后，料渣与载热体2先进入余热回收装置10，对料渣与载热体2中的热量进行回收，然后通过筛分装置9将料渣与载热体2筛分，料渣运至渣场，载热体2重复使用。
上述筛分步骤和余热回收步骤不限于在还原罐出料口区域操作，也可以还原罐出料口以外的区域操作。
本发明还可以用于金属锌、锰、钙或锶的冶炼。
用上述金属冶炼方法冶炼镁时所用的粉末状反应原料为菱镁石和白云石或其煅烧后的含镁的氧化物。
本发明中使用的余热回收装置10和筛分装置9均为市售的现有的装置。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.高效率镁冶炼方法，其特征在于：经过预处理的载热体（2）和粉末状反应原料以一定方式均匀混合后装入还原罐（3）的反应区内，对还原罐（3）进行抽真空，同时对还原罐（3）的反应区进行加热，使得还原罐（3）内的原料达到发生还原反应的条件，发生还原反应，产生镁蒸气；镁蒸气冷凝后即可得到金属镁。
2.根据权利要求1所述的高效率镁冶炼方法，其特征在于：所述载热体（2）为碳基材料、金属基材料、碳化硅基陶瓷材料、氮化硅基陶瓷材料和氧化铝基陶瓷材料中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的高效率镁冶炼方法，其特征在于：所述碳基材料为木炭、煤炭或石墨，金属基材料为钽、铌或钨，碳化硅基陶瓷材料为金刚砂，氮化硅基陶瓷材料为氮化硅陶瓷，氧化铝基陶瓷材料为刚玉或莫来石。
4.根据权利要求1所述的高效率镁冶炼方法，其特征在于：所述载热体（2）的粒度为1-50mm。
5. 根据权利要求1所述的高效率镁冶炼方法，其特征在于：所述载热体（2）和粉末状反应原料以下述任意一种方式混合：A. 料球（1）与载热体（2）混合均匀；B. 混合料球（8）；C.载热体（2）与混合料球（8）混合均匀；D. 料球（1）与混合料球（8）混合均匀；E. 料球（1）、混合料球（8）与载热体（2）混合均匀；所述料球（1）由粉末状反应原料压制而成，混合料球（8）由载热体（2）与粉末状反应原料混合均匀后压制而成。
6.应用于权利要求1-5任一所述的高效率镁冶炼方法的冶炼装置，其特征在于：包括还原罐（3），经过预处理的载热体（2）和粉末状反应原料以一定方式均匀混合后装入还原罐（3）的反应区内，在远离还原罐（3）的反应区的一端设置有结晶器（4），结晶器（4）外侧设置有水循环系统（5），还原罐（3）的反应区的外部设置有加热系统（6），还原罐（3）还与真空系统（7）连通。
7.根据权利要求6所述的高效率镁冶炼装置，其特征在于：所述还原罐（3）为水平安装或垂直安装。
8.根据权利要求6所述的高效率镁冶炼装置，其特征在于：还包括将载热体（2）和料渣分开的筛分装置（9），筛分装置（9）设置在还原罐（3）的出料口处。
9.根据权利要求6所述的高效率镁冶炼装置，其特征在于：还包括余热回收装置（10），余热回收装置（10）设置在还原罐（3）的出料口处。
10.根据权利要求8所述的高效率镁冶炼装置，其特征在于：还包括余热回收装置（10），余热回收装置（10）位于还原罐（3）的出料口和筛分装置（9）之间。
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