CN112430753B - 一种海绵锆的生产设备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属熔炼技术领域，具体涉及一种海绵锆的生产设备及工艺。本发明提供的一种海绵锆的生产设备，包括将升华炉和第一还原炉连接的通道，炉胆内置放熔化的液体镁，炉盖上设有镁的加料口、液镁的出口、测温压装置和供应惰性气的设备以及密闭连接的进气管，进气管上设有气泵和第二单向阀，在进气管下侧设有气爆管，进气管和第二单向阀之间设有气管支路，气管支路上设有第三单向阀和提供爆炸体的储物盒，爆炸体从气爆管的底部被惰性气的压力顶出并在炉胆内的镁液中爆炸加快了还原反应。本发明提高了海绵锆的生产效率和品质，取得了良好的经济效益和社会效益。

Description

一种海绵锆的生产设备及工艺

技术领域

本发明属于金属熔炼技术领域， 具体涉及一种海绵锆的生产设备及工艺。

背景技术

海绵锆又称金属锆， 为银灰色金属， 外观似钢， 有光泽， 有非常强的抗腐蚀性和超高的硬度与强度， 主要用于航空航天， 军工， 核反应等方面。 目前， 海绵锆的生产主要包括二步： 第一步是将四氯化锆提纯， 除去粗四氯化锆中的杂质， 四氯化锆提纯；第二步是采用克劳尔法， 海绵锆的生产是进行还原反应， 即将还原提纯后的四氯化锆与镁反应， 生产出海绵锆。 在这个过程中， 四氯化锆会接触到空气， 会产生潮解消耗部分四氯化锆， 潮解会产生浪费四氯化锆的； 另外， 还存在着海绵锆还原反应效率低和还原反应效率差的缺陷。 生产中， 是分别将四氯化锆与镁放在四氯化锆反应炉和还原炉中，提纯后的四氯化锆为气态， 还原炉中的金属镁为液态， 通过过道将还原炉和还原炉连接，气态的四氯化锆进入装有液镁的还原炉中进行还原反应制成海绵锆， 但是效率低， 产出的海绵品质低。

发明内容

为了解决上述技术问题， 本发明提供一种海绵锆的生产设备及工艺， 通过在海绵锆的生产设备上设置了惰性气体的气爆管结构和在炉胆的镁液中气爆和让爆炸体爆炸增加还原效率的工艺， 实现提高海绵锆还原反应效率和提高海绵锆品质的目的。 为实现上述发明目的， 本发明提供的一种海绵锆的生产设备， 包括通过顶部设置的通道彼此连通的升华炉和第一还原炉， 所述通道上设有第一单向阀， 所述第一还原炉的炉体内部设有炉胆和循环水装置， 所述炉胆和炉体之间设有保温炉料， 在所述炉胆内置有放有被熔化的液体镁， 所述炉体上设有用于测温的测温口和用于与电气设备连接的电气接口， 所述炉体的上部与炉盖密闭连接， 所述炉盖上分别设有用于添加固体镁的加料口、 液镁的出口、测温压装置和与外部提供惰性气的设备连接且密闭的进气管， 在进气管的上游位置设有气泵和第二单向阀， 在所述炉胆内的进气管下侧设有气爆管， 所述气爆管的出气口设置在镁液的底部。优选的技术方案， 所述进气管和第二单向阀之间设有气管支路， 所述气管支路上设有第三单向阀和提供爆炸体的储物盒， 所述储物盒内存放有若干个爆炸体，所述爆炸体从气爆管的底部被惰性气的压力顶出并在炉胆内的镁液中爆炸促使还原反应。优选的技术方案， 所述爆炸体为圆球型结构， 所述爆炸体外部设有圆球型的壳体， 所述爆炸体的内部设有由爆炸材料制成的芯材球。优选的技术方案， 所述壳体为石墨材料制成。优选的技术方案， 所述壳体为石墨和碳酸钙的混合物制成。优选的技术方案， 所述石墨和碳酸钙混合物的质量比范围为 1~2： 1。优选的技术方案， 所述石墨和碳酸钙混合物的质量比为 1： 1、 1.5： 1 或2： 1。本发明还提供了一种使用所述生产海绵锆设备的工艺， 其特征在于， 所述工艺包括以下步骤：步骤 1、 粗四氯化锆中杂质的去除步骤， 将粗四氯化锆放入升华炉内，将升华炉的温度升到 331° 进行升华， 将升华炉中的四氯化锆变为气态进行提纯； 步骤 2、 将固体镁从第一还原炉上的加料口加入到炉胆内， 使用控制装置， 打开第一还原炉和循环水装置的开关， 将固体镁加热到 649° ~651° 之间， 使金属镁变为液态镁；步骤 3、 打开通道上的第一单向阀， 将提纯后的气态四氯化锆输送到第一还原炉内；步骤 4、 打开气泵和第二单向阀的开关， 将惰性气通过进气管输送到气爆管， 惰性气从气爆管进入到炉胆底部并将液镁进行气吹， 惰性气气流将炉胆底部的液镁向上吹， 气流将炉胆内的液镁吹起， 形成上、 下流动且规则的循环对流， 使镁液上下翻腾， 气态的四氯化锆在第一还原炉内与不断翻腾的液镁进行 ZrCl4＋2Mg=2MgCl2＋Zr 还原反应；步骤 5、 打开与出口进行连接收集装置上的阀门， 将还原的海绵锆进行收集；步骤 6、 将收集到的海绵锆冷却到常温， 将常温的海绵锆置于干燥处贮存。优选的技术方案， 所述工艺步骤 4 中， 还包括以下步骤：使用控制装置， 关闭第二单向阀， 打开第三单向阀， 气泵将高压的惰性气从支路将储物盒中的爆炸体压到气爆管， 爆炸体从气爆管内被高压气快速压出， 进入炉胆底部的液镁中， 爆炸体在高温的镁液中发生爆炸， 使炉胆内镁液形成不规则的翻腾状态， 气态的四氯化锆在第一还原炉内与液镁进行ZrCl4 _＋2Mg=2MgCl2＋Zr 发生剧烈的还原反应， 生成海绵锆；再使用控制装置， 关闭第三单向阀，再打开第二单向阀， 惰性气通过进气管被输送到气爆管， 惰性气从气爆管进入到炉胆底部再次对液镁进行气吹，惰性气气流将炉胆底部的液镁向上吹， 气流将炉胆内的液镁再次吹起， 形成上、 下相互规则的循环对流， 使镁液形成上下规则的翻腾状态， 气态的四氯化锆在还原炉内与不断翻腾的液镁进行 ZrCl4＋2Mg=2MgCl2＋Zr 还原反应；上述步骤交替进行， 形成规则与不规则交替的循环对流。优选的技术方案， 所述爆炸体从气爆管被压出进入炉胆底部的液镁中发生爆炸， 爆炸发生的时间间隔相同且连续爆炸， 形成规则与不规则交替的循环对流的频率控制范围为 1-3 次/10 分钟。本发明与现有技术相比， 具有如下有益效果：1、 本发明提高了海绵锆生产中的还原反应效率， 提升了海绵锆的品质，还提高了节能环保的经济效益和社会效益。2、 本发明解决了生产海绵锆中， 四氯化锆产生潮解并消耗部分四氯化锆的问题。 15 附图说明 图 1 是本发明所述海绵锆的生产设备实施例 1 俯视图； 图 2 是图 1 左视图； 图 3 是图 1 中第一还原炉的内部结构剖视图； 图 4 是本发明中升华炉的结构图； 20 图 5 是本发明中升华炉另一结构图 图 6 是图 1 中实施例 2 中第一还原炉的另一结构剖视图； 图 7 是图 6 中爆炸体的内部结构剖视图； 图 8 是本发明实施例 3 的俯视图； 图 9 是本发明实施例 3 的主视图。 附图标记 图中， 10—第一还原炉， 101—炉体， 102—测温口， 103—保温炉料， 104—气爆管， 105—耐温垫， 106—炉盖， 107—进气管， 108—第二单向阀， 109—气泵， 110—加料口， 111—出口， 112—测温压装置， 113—循环水装置， 114—电气接口， 115—炉胆，116—储物盒， 117—第三单向阀， 118—爆炸体， 119—壳体， 120—芯材球； 20—通道；30—升华炉； 40—第二还原炉； 50—第一单向阀， 60—冷凝炉。

具体实施方式 下文参照附图对本的具体实施例进行详细说明。 实施例 1 如图1-2 所示， 本实施例中提供了一种海绵锆的生产设备， 包括顶部设置有通道 20 的升华炉 30 和第一还原炉 10， 顶部设置的通道 20 将升华炉 30和第一还原炉 10 彼此连通，为了能随时调整和控制气态四氯化锆的进入量，在通道 20 上设有第一单向阀 50， 升华炉 30 能将其中的四氯化锆进行加热提纯， 提纯后的四氯化锆为气态， 第一第一还原炉10 中的金属镁被加热为液态。 如图 3 和 4 所示， 将四氯化锆在升华炉 30 中进行提纯， 一种方式是在升华炉30 上方设置冷凝炉 60， 将粗四氯化锆提纯为纯度高的四氯化锆； 另一种方式是在升华炉 30 内通入氢气将粗四氯化锆提纯为纯度高的四氯化锆。本实施例中， 第一还原炉 10 是规格为 400kg 的还原炉， 升华炉 30 是 1200kg 规格的，通过通道 20 向装有 400kg 液镁的第一还原炉 10 中加入经过气化提纯后的1200kg 四氯化锆进行还原反应。 如图 5 所示， 第一还原炉 10 的具体结构包括在第一还原炉 10 的炉体 101内部设有的炉胆 115 和循环水装置 113， 炉胆 115 和炉体 101 之间设有保温炉料 103， 在炉胆 115 内置放被加热熔化的液体镁， 在炉体 101 上设有用于测温的测温口 102 和用于与电气设备连接的电气接口 114， 炉体 101 的上部与炉盖 106 进行密闭连接， 炉盖 106 上分别设有用于添加固体镁的加料口110、 液镁的出口 111、 测温压装置 112 和与外部提供惰性气体的设备连接的进气管， 为了让还原反应不受影响， 本实施例中， 惰性气体可以选用的是氩气或氦气， 惰性气体设备与进气管 107 密闭连接， 在进气管 107 的上游位置设有气泵 109 和第二单向阀 108， 在炉胆 115 内的进气管 107下侧设有气爆管 104， 气爆管 104 的出气口设置在镁液的底部， 打开气泵 109 和第二单向阀 108 的开关， 第二单向阀 108 是只进气不能逆向回气， 氩气通过进气管 107被气泵 109 的压力输送到气爆管 104 内， 氩气从气爆管 104 进入到炉胆 115的底部并对其中的液镁进行气吹， 氩气的气流将炉胆 115 底部的液镁向上吹出， 气流从气爆管 104的出口吹出使炉胆 115 的液镁形成上、 下流动的规则循环对流， 使镁液形成规则的翻腾状态， 起到增加镁液与四氯化锆的接触面积 的 作 用 ， 气 态 的 四 氯 化 锆 在 第一 还 原 炉 10 内 与 液 镁 进 行ZrCl4＋2Mg=2MgCl2＋Zr 的还原反应， 起到了加快该还原反应速度的作用， 同时还提高了海绵锆的品质； 为了增加气爆的效果， 让吹出的氩气的气流更有力量， 镁液的翻腾面积更大， 优选的结构， 气爆管 104 在出气口位置设置由丘里管结构； 由于能让镁液在炉胆 115 的不断翻腾起来， 不断增加了镁液与气态的四氯化锆的接触次数和面积， 起到了提高四氯化锆与液镁还原反应效率的作用， 还原反应中提高了海绵锆的品质。 本发明提供的一种海绵锆的设备生产工艺， 包括以下步骤：步骤 1、 粗四氯化锆中杂质的去除步骤， 将粗四氯化锆放入升华炉 30 内，将升华炉 30的温度升到 331° 进行升华， 升华炉 30 中的四氯化锆变为提纯的气态；步骤 2、 将固体镁从第一还原炉 10 上的加料口 110 加入到炉胆 115 内，使用控制装置， 打开第一还原炉 10 和循环水装置 113 的开关， 将固体镁加热的温度范围控制在 649° ~651° 之间，固体的金属镁变为液态镁；步骤 3、 打开通道 20 上的第一单向阀 50， 将提纯后气态的四氯化锆输送到第一还原炉 10 内；步骤 4、 打开气泵 109 和第二单向阀 108 的开关，氩气通过进气管 107输送到气爆管 104， 氩气从气爆管 104 进入到炉胆 115 底部并将液镁进行气吹， 氩气的气流将炉胆 115 底部的液镁向上吹出， 气流将炉胆 115 内的液镁在形成上下流动的循环对流， 使镁液翻腾， 气态的四氯化锆在第一还原炉 10内与液镁进行 ZrCl4＋2Mg=2MgCl2＋Zr 的还原反应；步骤 5、 打开与出口 111 进行连接收集装置上的阀门， 将还原的海绵锆进行收集；步骤 6、 将收集到的海绵锆冷却到常温， 将常温的海绵锆置于干燥处贮存。

实施例 2 本实施例在实施例 1 的基础上进行了进一步改进， 区别在于： 如图6 所示， 本实施例提供的海绵锆的生产设备中， 在进气管 107 和第二单向阀 108之间设有气管支路， 气管支路上设有第三单向阀 117 和提供爆炸体 118 的储物盒 116， 储物盒 116 内存放有若干个爆炸体 118， 气泵 109 先利用负压将爆炸体 118 吸入支路内，然后再利用产生的正压将爆炸体 118 压入进气管 107和气爆管 104 内， 爆炸体 118 从气爆管 104 的底部被氩气的压力顶出并在炉胆 115 内的镁液中爆炸。 本实施例中， 如图 7 所示， 爆炸体 118 设置为圆球型结构， 爆炸体 118 外部为圆球型的壳体 119， 爆炸体 118 的内部为由爆炸材料制成的芯材球 120， 由于硝酸铵具有遇热发生爆炸的特性， 芯材球 120选用硝酸铵材料制成， 硝酸铵制成的芯材球 120 质量选为 1-8 克之间，根据气爆管 104 伸入炉胆 115 内液镁的深度进行选择， 伸入的深度越深， 选择的芯材球 120 质量越大， 优选质量为 1 克、 3 克、 5 克或 8 克质量的芯材球 120；由于石墨具有稳定的化学性质， 并能与氧和其他杂质能够反应进行除杂， 壳体 119 优选石墨材料制成； 其中， 再优选的技术方案， 壳体 119 为石墨和碳酸钙的混合物制成， 其中的碳酸钙； 再优选的技术方案， 石墨和碳酸钙混合物的质量比范围为 1~2： 1 之间， 石墨和碳酸钙混合物的质量比再优选为 1：1、 1.5： 1 或 2： 1； 本实施例中， 根据粗四氯化锆的纯度和杂质的含量， 石墨和碳酸钙混合物的质量比为 1.5： 1。本发明还提供了使用生产海绵锆设备的生产工艺， 在实施例 1 中的工艺步骤 4 中， 还包括以下步骤：使用控制装置， 先关闭第二单向阀 108， 打开第三单向阀 117， 气泵 109将高压的惰性气从支路将储物盒 116 中的至少一个爆炸体 118 压到气爆管104， 爆炸体 118 从气爆管 104 内被高压气快速压出， 进入炉胆 115 底部的液镁中， 爆炸体 118 在高温的镁液中发生爆炸，使炉胆 115 内镁液形成不规则的 翻 腾 状 态 ， 气 态 四 氯 化 锆 在 第 一 还 原炉 10 内 与 液 镁 进 行ZrCl4＋2Mg=2MgCl2＋Zr 发生剧烈的还原反应， 生成高品质的海绵锆， 提高了产出海绵锆的生产效率；再使用控制装置， 关闭第三单向阀 117， 再打开第二单向阀 108， 惰性气体通过进气管 107 被输送到气爆管 104， 氩气从气爆管 104进入到炉胆 115底部并对液镁进行气吹， 氩气气流将炉胆 115 底部的液镁向上吹， 气流将炉胆 115 内的液镁吹起， 形成上、 下相互相对规则的循环对流， 使镁液形成上下规则的翻腾状态， 气态的四氯化锆在第一还原炉 10 内与不断翻腾的液镁进行 ZrCl4＋2Mg=2MgCl2＋Zr 还原反应；上述步骤交替进行， 形成规则与不规则交替的循环对流；

本实施例中， 壳体 119 为石墨材料制成， 其中的石墨中的成分主要为碳，碳能够与四氯化锆中的杂质发生反应， 如将其中的氧反应生产一氧化碳或二氧化碳， 能将四氯化锆中的氧去除， 生产出的海绵锆品质更高； 优选的技术方案， 由于壳体 119 为石墨和碳酸钙的混合物制成， 其中碳酸钙能与四氯化锆中的杂质发生反应生成炉渣， 炉渣会浮在第一还原炉 10 液镁的表面， 将杂质吸附住， 起到提高海绵锆品质的作用； 另外，碳酸钙还能与四氯化锆中的氯发生反应生成氯化钙和锆， 增加还原反应的效率。 本实施例中， 由于爆炸体 118 从气爆管 104 被压出进入炉胆 115 底部的液镁中发生爆炸， 优选技术方案， 设置爆炸发生的时间和间隔为相同的连续爆炸， 即形成规则与不规则交替的循环对流的频率为 1-3 次/10 分钟。 实施例 3 在实施例 1 和 2 的基础上， 本实施例中进行了进一步改进， 区别在于：如图 8 和 9 所示， 通过通道 20 与一个升华炉 30连接了一个第一还原炉 10和一个第二还原炉 40， 第一还原炉 10 和第二还原炉 40 的结构相同， 此种结构扩大了生产能一倍， 如果消耗2400kg 的四氯化锆需要两个炉内反应1200kg的四氯化锆与 400kg 镁， 共潮解约 200kg 的四氯化锆计算， 将装有 2400kg四氯化锆的升华炉连接了两个装 400kg 液镁的还原炉， 潮解降到 100kg， 与消耗 1200kg 的四氯化锆所浪费的一样， 起到了节约原料的作用； 相对于单次消耗 1200kg 四氯化锆减少了在拆装管路过程中暴露空气的次数， 提高了生成海绵锆的纯度， 由于采用 1 个升华炉 30 对 2 个第一还原炉 10 的方式， 体现出了充分利用现有的厂房空间的作用， 在原来消耗 1200kg 四氯化锆时， 直接消耗 2400kg 四氯化锆， 达到了减少人工成本、 节约时间和提高效率的目的。上面结合附图对本优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本并不限于上述实施方式和实施例， 在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本构思的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种海绵锆的生产设备，其特征在于，包括通过顶部设置的通道(20)彼此连通的升华炉(30)和第一还原炉(10)，所述通道(20)上设有第一单向阀(50)，所述第一还原炉(10)的炉体(101)内部设有炉胆(115)和循环水装置(113)，在所述炉胆(115)和炉体(101)之间设有保温炉料(103)，所述炉胆(115)内置有被加热熔化的液体镁，所述炉体(101)上设有用于测温的测温口(102)和用于与电气设备连接的电气接口(114)，所述炉体(101)的上部与炉盖(106)密闭连接，所述炉盖(106)上分别设有用于添加固体镁的加料口(110)、液镁的出口(111)、测温压装置(112)和与外部提供惰性气的设备密闭连接的进气管(107)，在进气管(107)的上游位置设有气泵(109)和第二单向阀(108)，在所述炉胆(115)内进气管(107)下侧设有气爆管(104)，所述气爆管(104)的出气口设置在镁液的底部，所述进气管(107)和第二单向阀(108)之间设有气管支路，所述气管支路上设有第三单向阀(117)和提供爆炸体(118)的储物盒(116)，所述储物盒(116)内存放有若干个爆炸体(118)，所述爆炸体(118)从气爆管(104)的底部被惰性气的压力顶出并在炉胆(115)内的镁液中爆炸促使还原反应。

2.根据权利要求1所述海绵锆的生产设备，其特征在于，所述爆炸体(118)为圆球型结构，所述爆炸体(118)的外部设有圆球型的壳体(119)，所述爆炸体(118)的内部设有由爆炸材料制成的芯材球(120)。

3.根据权利要求2所述海绵锆的生产设备，其特征在于，所述壳体(119)为石墨材料制成。

4.根据权利要求2所述海绵锆的生产设备，其特征在于，所述壳体(119)为石墨和碳酸钙的混合物制成。

5.根据权利要求4所述海绵锆的生产设备，其特征在于，所述石墨和碳酸钙混合物的质量比范围为1～2：1。

6.根据权利要求5所述海绵锆的生产设备，其特征在于，所述石墨和碳酸钙混合物的质量比为1：1、1.5：1或2：1。

7.一种使用权利要求1至6任一所述海绵锆生产设备的工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：

步骤1、粗四氯化锆中杂质的去除步骤，将粗四氯化锆放入升华炉(30)内，升华炉(30)的温度升到331°进行升华，升华炉(30)中的四氯化锆变为气态进行提纯；

步骤2、将固体镁从第一还原炉(10)上的加料口(110)加入到炉胆(115)内，使用控制装置，打开第一还原炉(10)和循环水装置(113)的开关，将固体镁加热到649°～651°之间，使金属镁变为液态镁；

步骤3、打开通道(20)上的第一单向阀(50)，将升华炉(30)中提纯后气态的四氯化锆输送到第一还原炉(10)内；

步骤4、打开气泵(109)和第二单向阀(108)的开关，将惰性气通过进气管(107)输送到气爆管(104)，惰性气从气爆管(104)进入到炉胆(115)底部并对液镁进行气吹，惰性气气流将炉胆(115)底部的液镁向上吹，气流将炉胆(115)内的液镁吹起，形成上、下相互流动且规则的循环对流，使镁液上下翻腾，气态的四氯化锆在第一还原炉(10)内与不断翻腾的液镁进行ZrCl₄+2Mg＝2MgCl₂+Zr还原反应；

步骤5、打开与出口(111)进行连接收集装置上的阀门，将还原的海绵锆进行收集；

步骤6、将收集到的海绵锆冷却到常温，常温的海绵锆置于干燥处贮存。

8.根据权利要求7所述使用海绵锆生产设备的工艺，其特征在于，所述工艺步骤4中，还包括以下步骤：

使用控制装置，关闭第二单向阀(108)，打开第三单向阀(117)，气泵(109)将高压的惰性气从支路将储物盒(116)中的至少一个爆炸体(118)压到气爆管(104)，爆炸体(118)从气爆管(104)内被高压气快速压出，进入炉胆(115)底部的液镁中，爆炸体(118)在高温的镁液中发生爆炸，使炉胆(115)内镁液形成不规则的翻腾，气态的四氯化锆在第一还原炉(10)内与液镁进行ZrCl₄+2Mg＝2MgCl₂+Zr发生剧烈的还原反应，生成海绵锆；

再使用控制装置，关闭第三单向阀(117)，再打开第二单向阀(108)，惰性气通过进气管(107)被输送到气爆管(104)，惰性气从气爆管(104)进入到炉胆(115)底部再次对液镁进行气吹，惰性气气流将炉胆(115)底部的液镁向上吹，气流将炉胆(115)内的液镁再次吹起，形成上、下相互规则的循环对流，使镁液形成上下规则的翻腾状态，气态的四氯化锆在第一还原炉(10)内与不断翻腾的液镁进行ZrCl₄+2Mg＝2MgCl₂+Zr还原反应；

上述步骤交替进行，形成规则与不规则交替的循环对流。

9.根据权利要求8所述使用海绵锆生产设备的工艺，其特征在于，所述爆炸体(118)从气爆管(104)被压出进入炉胆(115)底部的液镁中发生爆炸，爆炸发生的时间间隔相同的连续爆炸，形成规则与不规则交替的循环对流的频率为1-3次/10分钟。

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