CN1704489A - 皮江金属提炼工艺方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种可同时加强皮江法还原罐传热效率和蠕变抗力的方法。一种利用地心引力实现皮江法还原罐自动装卸料的方法。一种对皮江金属还原过程进行在线连续监测的方法。一种回收反应副产品碱金属的方法。一种利用上述诸方法所建造的立式还原罐。一种采用上述立式还原罐所建造的皮江法立式还原炉。本发明对皮江工艺方法和设备的改进效果包括：缩短了还原反应周期，延长了还原罐的使用寿命，实现了自动装卸料，实现了对还原过程的在线连续监测，实现了对反应副产品碱金属的回收。

Description

皮江金属提炼工艺方法及设备

所属技术领域

本发明涉及对传统皮江金属提炼工艺方法和设备的改进，更确切地说，涉及一种立式还原罐装置的使用及制造。本发明能够有效提高皮江法的生产效率和经济效益，主要体现在它缩短了金属还原周期、延长了还原罐的使用寿命、实现了自动装卸料、实现了对还原过程的在线连续监测、和实现了对反应副产品碱金属的回收。

本发明的描述将围绕金属镁的炼制展开。但它也完全适用于炼制其它易挥发金属，如钙、锶、锌等。

背景技术

发明于上世纪40年代的皮江金属提炼方法(美国专利号2330143，加拿大专利号415764，415765和463416)是一种适用于炼制多种易挥发金属(如镁、钙、锶、锌等)的火法冶金技术。其工艺过程通常包括如下步骤：1)将含有给定金属元素的矿料和还原剂的粉末混合压制成原料球后装入水平放置的真空还原罐内加热，2)在高温和真空状态下，原料球内发生金属还原反应生成金属蒸汽，3)金属蒸汽在位于还原罐口的结晶筒内凝结为固态金属。因为其工艺过程简单和提炼纯度高，皮江法已被广泛用于炼制多种易挥发金属。以金属镁为例，目前世界总产量中有高达60％是使用皮江法生产的。但是现存的皮江工艺方法仍然具有一系列不容忽视的弱点。下述不足虽然是针对传统皮江炼镁法提出的，但它们在一定程度上也是人们在使用皮江法炼制其他金属时所要面对的共同问题。

1.还原周期长。传统皮江炼镁法的还原周期通常达10小时以上。还原周期长的主要原因是原料球的导热性能差。因此，需要足够长的时间才能将位于还原罐中心区的料球加热到反应温度以上。

2.还原罐寿命短。标准皮江法真空还原罐是使用镍铬耐热钢经离心浇铸制成的圆筒。在高温和大气压力的作用下，其罐壁会由于高温蠕变而逐渐塌陷，进而失效。目前还原罐的平均使用寿命仅有2-3个月。

3.装卸料困难。标准还原罐是内径为10英寸，长度为10英尺，一端封闭，水平放置的圆筒。其狭小的操作空间不仅使得装卸料异常困难，效率低下，劳动强度大，而且还会导致诸多的安全生产隐患。

4.无法监测还原过程。这经常会造成“空烧”现象，即在还原反应已完成后仍继续对还原罐进行加热，因而造成能源的浪费；或“欠烧”想象，即在还原反应结束前就被提前终止，因而造成原料的浪费。

5.无法回收碱金属。在金属镁还原过程中，大约会产生0.05-0.15％的碱金属(如：钾、钠等)。在传统皮江法中，这些金属副产品都在空气中被自然烧掉了。这不仅造成资源的浪费，而且还可能通过点燃金属镁而造成烧损，甚至引发事故。

长期以来，尽管传统皮江法的上述缺陷已被广泛地意识到(E.F.Emley：Principles ofMagnesium Technology，Oxford，1966，pp.57-58)，但迄今为止还未有令人满意的解决方案。为克服卸料困难，皮江(Pidgeon)曾在加拿大专利号420243中提供了一种下部带有一卸料通道的立式还原罐。在地心引力的作用下，反应后残渣可通过该卸料通道被自动排出还原罐。然而，这一方案迄今还未被广泛采用。一种可能的原因是皮江所提供的方法无法有效防止热量沿卸料通道的散失从而造成还原罐热效率的明显下降。另一种可能的原因是皮江没能提供一适当的卸料口盖板开启装置来避免在地心引力作用下快速卸出的高温残渣对操作人员的安全威胁。

发明内容

本发明的目标是通过改进现存还原罐的结构来克服皮江炼镁法的上述缺陷和不足。

为达成此目标，本发明的首要目的是提供一种新型还原罐结构，其特征是在改善罐内传热效率从而缩短还原周期的同时增强还原罐的蠕变抗力从而延长其使用寿命。

本发明的另一目的是提供一种利用地心引力完成还原罐装卸料的操作方法和装置，其特征是不仅实现装卸料的自动化，而且具有最小的热损失和最大的操作安全性。

本发明的另一目的是提供一种可对金属还原过程进行连续监测和纪录的方法和装置。

本发明的另一目的是提供一种碱金属回收装置；它能够在还原罐被开启后仍然保持在真空状态，从而避免碱金属在空气中的燃烧并得以实现对其回收。

上述诸目的是通过提供一种包含三个功能区段的立式还原罐来实现的。三个功能区段分别为：反应区段，金属回收区段，和卸料区段。

位于还原罐中部的反应区段内装有一根与罐壁紧密接触(或连成一体)的金属构件。该构件具有双重作用：1)利用其良好的导热性能将罐壁所提供的热量迅速传递到温度较低的罐中心区使全体料球都能被更快和更均匀地加热到反应温度以上，从而缩短还原周期；2)通过其对罐壁的支撑来抵消还原罐所承受的大气压力，从而提高还原罐的蠕变抗力和使用寿命。

位于还原罐上部的金属回收区与传统还原罐的金属回收区类似，都装有水冷套、金属结晶筒和碱金属回收器。但是在本发明中，金属结晶筒是被自由悬挂在一组压力传感器上的。这样，还原过程中结晶筒的重量增量(等于还原金属的重量)可以被连续监测和记录下来。本发明所提供的碱金属回收器则可在还原罐被开启后继续保持在真空状态从而避免了碱金属在空气中的自燃。

位于还原罐下部的卸料区段内填满了一次性隔热材料。其足够的厚度和良好的隔热性能有效地阻隔了热量从高温反应区向下端卸料口的传递。卸料口被开启后，这些隔热填料随同反应残渣一起在地心引力的作用下被自动排出还原罐。卸料口的开启是通过一合适的机构远程完成的，从而保证了操作人员的安全。

与现存皮江炼镁法相比，本发明所提供的工艺方法及设备具有如下优点：

1.因为反应区内所安装的金属构件增强了其罐壁的蠕变抗力，还原罐可在较高的温度下工作并具更长的使用寿命。

2.较高的还原温度提高了硅铁的利用率，降低了料镁比，提高了出镁量。

3.较高的还原温度和金属构件的导热作用使罐壁所提供的热量被更快和更均匀地传递到全体料球中去从而缩短了还原周期。

4.对还原程度的连续监测和自动纪录不仅彻底避免了“空烧”和“欠烧”现象从而杜绝了能源和原料的浪费，而且亦为生产经营的数字化管理提供了及时和准确的数据。

5.利用地心引力进行装卸料不仅缩短了装卸料时间，同时也大幅减轻了工人的劳动强度。

6.对反应副产品碱金属的回收不仅提高了产值，同时也避免了镁金属的烧损，减少了生产事故的隐患。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是采用本发明之还原罐所建立的立式还原炉之示意剖视图(实施例之一)。

图2是还原罐剖视图，显示其三个组成区段。

图3是图2A-A剖视图。

图4是使用有限元数学模型算得的还原罐反应区截面等温线图：a)没有十字支撑梁，加热时间12小时；b)有十字支撑梁，加热时间3小时16分。

图5是还原罐金属回收区段及相关部件的剖视图。

图6是图5A-A剖视图。

图7显示碱金属回收器的收起状态。

图8是还原罐卸料区段及相关部件的剖视图。

图9是利用专用提手将金属结晶筒提起之操作示意图。

图10是用来保护水冷套内壁和液态密封环免受装料污染的保护管之剖视图。

图11是由于还原罐偏离理想圆截面而在其罐壁截面产生弯矩的示意图。

图12是还原罐罐壁内力与大气压力平衡关系示意图：a)为没有，b)为安装有十字支撑梁的还原罐。

具体实施方式

本发明通过提供一种新型立式还原罐及在其基础上所建造的还原炉来克服皮江炼镁法的一系列现存缺陷，如：还原周期长、还原罐寿命短、装卸料困难、无法监测还原过程、无法回收碱金属等。然而，本发明并没有改变皮江炼镁法所基于的化学反应原理和基本的工艺流程。

图1所示的是采用本发明之还原罐所建立的立式还原炉(100)的示意剖视图(实施例之一)。该还原炉(100)由炉体(101)、安装其内的多根立式还原罐(200)、上工作平台(102)和下工作平台(103)组成。对炉体(101)的加热可由任何适当的热源来完成，包括煤、煤气、天然气、重油、电等。上工作平台(102)和下工作平台(103)是为方便对立置还原罐进行操作而设。上工作平台(102)上安装有适当的提升，运送和装料装置(未示出)，用于取出还原金属镁块和装入原料球。下工作平台(103)上安装有适当的运送装置(未示出)，用于卸出和运送反应残渣。每一还原炉(100)所安装的还原罐(200)的根数可根据设计产量，厂房结构等因素灵活变化。

还原罐(200)的剖视图示于图2。它由反应区段(210)、金属回收区段(220)和卸料区段(260)三部分组成。还原罐的主体段(反应区段210)是使用耐热钢经离心铸造而成。其金属回收区段(220)和卸料区段(260)则由耐热钢管与主体段(210)焊接组装而成。如图1所示，仅还原罐的反应区段(210)位于反应炉炉体(101)内。其金属回收区段(220)自炉体(101)的顶部伸出，卸料区段(260)则在炉体(101)的底部伸出。

与传统皮江法还原罐类似，还原罐反应区段(210)的作用是装载原料球，并为这些料球提供发生化学还原反应所需要的温度和压力条件。反应区段(210)的独特之处在于它的内部安装有一根与还原罐罐壁紧密接触的(或连成一体的)金属构件。该构件的作用之一是利用其良好的导热性能将还原罐壁(212)所提供的热量迅速传递到温度较低的罐中心区使全体料球都能被更快和更均匀地加热到反应温度以上，从而缩短还原周期。作用之二是通过抵消施加在还原罐上的大气压力来提高还原罐的蠕变抗力，从而延长还原罐的使用寿命。该金属构件的实施例之一是在图2及其A-A剖视图(图3)中所示的十字支撑梁(211)。该十字支撑梁(211)可使用与还原罐主体相同的耐热钢制成。然后，可以通过合适的工艺，如热压配合，将其安装到还原罐的反应区段。

示于图4的有限元计算结果为十字支撑梁(211)对还原罐反应区传热效率的增强作用提供了令人信服的证明。在该计算中，还原罐内径被取为265毫米，罐壁温度假设恒定为1250→C，十字支撑梁的厚度定为10毫米，其初始温度等于罐壁温度，料球的初始温度假设为25→C，其余计算参数示于表1。计算结果显示，在相同加热条件下，没有十字支撑梁的还原罐(图4a，传统皮江法还原罐)需要12小时才能将反应区内所有的原料球都加热到1190→C或以上。相比之下，装有十字支撑梁的还原罐(图4b，本发明之还原罐)仅需要3小时16分就可将全部料球都加热到此温度以上。

       表1-十字支撑梁及料球的热学特性数据

	十字支撑梁	料球
			导热率，W/m-K	30	0.312
热容，J/kg-K	470	1100
			密度，kg/m3	7800	1120

十字支撑梁(211)延长还原罐使用寿命的原因是其能够通过抵消作用在还原罐上的大气压力来减小罐壁内的周向内力。对还原罐的应力分析结果表明(详细见本说明书附录：还原罐应力分析)，十字支撑梁的使用可以令还原罐的寿命提高到原有水平的7.6倍以上。

另外，位于还原罐主体下端的承重圈(215)是为了便于还原罐的竖立安装而设。借助于该承重圈(215)，还原罐可被直接垂直安放在固定在炉体(101)底部的由耐火材料制成的还原罐支架(104)上(见图1)。

图5是还原罐金属回收区段(220)及相关部件的剖视图。金属回收区段(220)自炉体顶部伸出并被水冷套(221)冷却。金属回收区段(220)内安装有一与其内表面保有一合适间隙的金属结晶筒(224)。该结晶筒(224)的温度可以通过其与金属回收区段内表面之间的热辐射被基本恒定地保持在镁金属蒸汽露点温度以下。真空喉管(222)将还原罐与真空系统相连。所以，回收区(220)是还原罐(200)内的低温低压区。还原过程中，在反应区产生的金属镁蒸汽被真空系统抽取到回收区并随后冷凝在结晶筒的内壁上形成冠状镁块(226)。随着还原反应的进行，该冠状镁块(226)逐渐长大，导致结晶筒(224)重量的逐渐增加。很显然，在还原过程中的任一给定时刻，结晶筒重量的增量就等于冠状镁块(226)的重量，而单位时间内该结晶筒重量的变化就等于还原反应的速率。因此，对金属镁还原过程的监测可以通过连续秤量结晶筒(224)的重量来实现。

金属结晶筒重量秤量方法的具体实施例之一示于图5和图6中。通过其顶部的法兰盘，金属结晶筒(224)被自由悬挂在3个纽扣型压力传感器(223)上(如Miniature Load Cell，Model：LCC-VLPB)。这3个传感器均匀分布并被固定在水冷套凸肩(225)的同心圆上。通过冷却环(231)上的缺口(232)，每只压力传感器(223)的引线(233)均被引导到冷却环(231)的上表面，并沿着罐壁被连接到接线盒(227)的接线柱(234)上。接线柱(234)的另一端则与一监控计算机(未示出)相接。该计算机可以对压力传感器输出的信号进行多项分析处理，包括还原过程在线连续监测、生产成本优化、工艺参数优化、产量记录等。通过接线盒(227)与监控计算机相连接的还包括一只用来测量还原罐反应区温度的热电偶(213)。该热电偶(213)通过一条从该接线盒(227)通向反应区段的不锈钢管(214)被插装在一适当的地点。另一根热电偶(230)则通过一位于水冷套附近的导管(229)被安装在还原罐的外壁上。假设结晶筒(224)与水冷套内壁(228)之间的温差是一常量，热电偶(230)可被用来间接测定该结晶筒的温度。热电偶(230)的输出信号也被输入到前述的监测计算机中。

为保证准确秤量结晶筒的重量，要避免镁蒸汽进入到结晶筒(224)与还原罐内表面之间的间隙中去。否则，镁蒸汽会凝结在水冷套内壁(228)上。这不但会影响结晶筒重量的正确量测，甚至会令结晶筒无法在开罐后被取出。这一问题可以利用安装在回收区(220)底部的液体密封环(235)来解决。在液体密封环(235)的环形槽内盛有某种在高温(约500→C)下不易挥发的液态材料。它可以是通常用于金属热加工的高温润滑玻璃粉(如Amlube 1000)。通过调节该玻璃粉的成份，可令其熔点低于环形槽的温度从而在那里熔化。自由悬挂着的结晶筒(224)的底端被自然浸入到环形槽中的液态玻璃(236)中，但要避免与环形槽的底部接触。这样，液体密封环(235)即能够完全阻止镁蒸汽进入结晶筒与水冷套之间的间隙，又不影响结晶筒的上下自由移动，从而保证了结晶筒重量秤量的准确性。

位于回收区上部的碱金属回收器是一个在还原罐被开启后仍然能够保持在真空状态的分级蒸馏器。它不仅能够将碱金属从还原镁块中分离出来，还能够将其安全地从处于高温状态下的还原罐中取出，从而实现回收。碱金属回收器的实施例之一示于图5的237，由下反射板(238)，沉积板(239)和上反射板(240)构成。它们通过三个在其同心圆周上均布的连杆(241)被组装在一起。其中，上下两个反射板(240和238)被通过螺母(242)固定在连杆上，中间的沉积板(239)则可以沿连杆上下自由滑动。通过转动位于还原罐盖板(243)上的密封盒(244)的轮盘(245)，升降螺杆(246)可以将碱金属回收器(237)收起或放下。当其处于放下状态时(图5)，沉积板(239)靠其自重压在与水冷套紧密接触的冷却环(231)上。冷却环(231)由热的良导体(如铜)制成。这样，沉积板(239)可被保持在碱金属蒸汽露点温度以下。与此相反，上下两个反射板因为不与水冷套或结晶筒直接接触而得以保持在相对较高的温度。特别是下反射板(238)，因为要接受来自反应区的热辐射，其温度将高于镁金属蒸汽的露点温度。

当反应区产生的镁和碱金属蒸汽进入回收区后，它们将首先遇到下反射板(238)的阻挡。因为镁和碱金属的露点温度均低于下反射板(238)的温度，它们不能在其上沉积，而被反射到结晶筒(224)的内表面上。因为结晶筒(224)的温度低于镁金属蒸汽的露点温度但高于碱金属蒸汽的露点温度，只有镁蒸汽能在结晶筒(224)的内表面上沉积并成长为冠状镁块(226)。碱金属蒸汽则通过下反射板(238)和结晶筒(224)之间的间隙进入到下反射板(238)和沉积板(239)之间的空间。因为沉积板(239)的温度低于碱金属蒸汽露点温度，部分碱金属蒸汽将在其下表面上沉积下来。剩余碱金属蒸汽则通过沉积板中间的通气孔(247)进入到其与上反射板(240)之间的空间，并受到后者的阻挡。当上反射板(240)的温度高于碱金属蒸汽的露点温度时，碱金属蒸汽将全部被反射到沉积板(239)的上表面上并在那里沉积下来。反之，如其温度低于碱金属蒸汽的露点温度，将只有部分碱金属蒸汽被反射到和沉积在沉积板(239)上，而其余部分会直接沉积在上反射板上。

还原反应结束后和还原罐真空被解除前，需要先转动密封盒轮盘(245)将碱金属回收器(237)收起。如图7所示，当碱金属回收器(237)被收起后，上反射板(240)被升降螺杆(246)拉进密封盒(244)内；通过连杆(241)，下反射板(238)也被拉起，同时带动沉积板(239)一起向上运动。最后，当下反射板(238)将位于沉积板(239)上的密封圈(248)压紧时，沉积板(239)也将位于密封盒底端的密封圈(249)压紧。这样，沉积在沉积板(239)上下表面上(也可能包括沉积在上反射板上的)的碱金属(250)就被密封在处于真空状态下的密封盒(244)内。在还原罐真空被解除后，还原罐盖板(243)连同密封盒(244)和其内的碱金属(250)一起被取下。当碱金属(250)随同密封盒(244)一起被冷却到碱金属自燃温度以下后，就可被安全地取出加以回收了。值得指出的是，因为碱金属的每罐产量很小，密封盒内的碱金属可以经过多罐次积累后再取出回收。

如图1和图2所示，卸料区段(260)位于还原罐的下部并自炉体(101)的底部伸出。它的主要功能是在还原反应过程中，阻止热量从反应区(210)向下传递到卸料口，同时在反应区内的反应残渣在地心引力作用下经由卸料口被排出还原罐时，为其提供通道。卸料区段(260)及相关卸料口开关装置的实施例之一示于图8。还原反应过程中，卸料区(260)内填满一次性隔热材料(未示出)用以阻隔从反应区(210)向下传递的热量，使卸料口(261)得以保持在较低的温度。一次性隔热材料可以采用以前卸出的，现已冷却的反应残渣。卸料口法兰(262)与还原罐轴线呈45度角并通过一转轴(263)与卸料口盖板(264)相连。卸料口盖板(264)上固定有两个导向槽(265)，其中穿有一弓形弹簧(266)。该弹簧的中部与扇形齿轮(267)铰接，该扇形齿轮进一步与驱动齿轮(268)相咬合。摇动曲柄(269)，与其同轴的驱动齿轮(268)将驱使扇形齿轮(267)及与其相铰接的盖板(264)左右转动并进而开启或关闭卸料口(261)。一个与驱动齿轮(268)同轴同步的棘轮(270)被用来防止处于关闭状态的卸料口盖板的意外开启。如欲关闭卸料口，要先将棘轮(270)上方的棘爪(271)放下。这样，当卸料口盖板(264)被关闭后，棘爪(271)将自动阻止棘轮(270)和驱动齿轮(268)的任何可能回转，从而防止了卸料口盖板(264)的意外开启。反之，如欲开启卸料口，必须先将棘轮(270)上方的棘爪(271)抬起。安装在卸料口法兰盘(262)和盖板(264)之间的高温橡胶圈(272)确保了还原罐的真空密封。

与皮江所提出的方法(加拿大专利号420243)相比，本发明之地心引力卸料方法能够明显降低还原罐的热损失(通过在卸料通道内填满隔热材料)和提高操作安全性(通过曲柄远距开启卸料口)。

对本发明之还原罐的操作程序如下：

1.当监控计算机发出“还原反应完成”信号后，摇动密封盒轮盘(245)将碱金属回收器(237)收入到密封盒(244)内，然后解除还原罐真空。“卸料”信号被自动触发。

2.收到“卸料”信号后，抬起棘爪(271)，摇动曲柄(269)开启卸料口盖板(264)。在地心引力作用下，还原罐卸料区内的一次性隔热材料连同反应区内的反应残渣被自动从卸料口(261)排出。然后，放下棘爪(271)，向反方向摇动曲柄(269)来重新关闭卸料口盖板(264)。“装料”信号被自动触发。

3.在实施步骤2的同时，将附带有密封盒(244)的还原罐盖板(243)取下。用图9所示的专用提手(251)勾入结晶筒边缘的四个吊孔(252)将金属结晶筒(224)提出。然后，使用适当的压力机将其中的冠状镁块(226)压出。

4.收到“装料”信号后，首先将图10所示的保护管(253)放入还原罐。该保护管的作用是防止金属回收区段(水冷套内壁和液态密封环)在装料过程中被污染。然后，倒入隔热材料(可以是以前卸出的，现已冷却的反应残渣)。倒入量以达到十字支撑梁(211)的下端为准。再倒入原料球；倒入量以刚好淹没十字支撑梁(211)的上端为准。取出保护管(253)。使用图9所示的专用提手(251)将结晶筒(224)放入还原罐，随后取下提手。盖上还原罐盖板(243)。启动真空系统。“抽真空”信号被自动触发。

5.当真空度达到预定值后，“开启密封盒”信号被自动触发。收到此信号后，转动密封盒轮盘(245)将碱金属回收器(237)从密封盒(244)中释放出来。“还原反应进行中”信号被自动触发。

6.监控计算机收到“还原反应进行中”信号后，首先自动将金属结晶筒(224)的重量设定为零重量并开始对还原过程进行跟踪，检测和记录。

7.当结晶筒的重量增加速率降低到一预定值后(或任何其他事先规定的判据被满足后)，监控计算机发出“还原反应完成”信号。程序回到步骤1。

需要强调指出的是，上面给出的具体实施例仅为方便阐述本发明之工作原理。实施者可以应用本发明之工作原理对上述具体实施例进行多种多样的修改和细节完善。但所有如此产生的实施例变种都属于本发明之工作原理的具体体现，因此亦被包含在本发明之权利要求书中所要求的权利范围内。

附录：还原罐应力分析

为计算简单和叙述方便，还原罐被简化为一个在大气压力作用下的圆柱形薄壁容器。进一步假设其轴向压力为零，其应力状态可仅由其罐壁内的周向内力，N_，描述。在还原罐截面是理想圆周曲线的条件下，N_是罐壁蠕变的唯一驱动力，但它仅能使还原罐截面周长均匀缩短而不能令其形状改变，即不能导致罐壁的塌陷和还原罐失效。然而，理想圆柱还原罐实际上是不存在的。因为干扰力(如重力)的作用和制造缺陷的存在，还原罐截面总会在一定程度上偏离理想圆周曲线，从而在周向内力，N_，的作用下产生一弯矩，M(见图11)。令e是图11中的实际截面曲线(301)与理想圆周截面曲线(300)之间的偏离距离，弯矩，M，可以由下式算出：

$M\·N_{o}e---\left(A1\right)$

与此弯矩相对应的平均弯曲正应力，？_M，可由下式算出：

这里，

是还原罐壁厚，I是罐壁截面的惯性矩。在？_M的驱动下，蠕变令还原罐截面曲线进一步偏离理想圆周曲线(即，e进一步增大)。这反过来又增大了？_M，令蠕变加速并最终导致罐壁的塌陷和还原罐的失效。因为蠕变是导致还原罐失效的主要原因，有理由假设还原罐寿命(t)与蠕变速率 成反比，即 同时假设上述蠕变过程主要发生在第二阶段，且其蠕变速率

与？_M有如下幂函数关系：

这里，A和n均是材料常数。

考虑两支以同样材料和工艺制造的还原罐，一支内部安装有十字支撑梁，另一支则没有。在A3式中，除了周向内力N_以外，其它参数对这两支还原罐应该都具有相同的数值。这样，由A3式所估算的这两支还原罐的使用寿命(t)之间的比值可由下式表达：

式中，下标+表示安装有十字支撑梁的还原罐，o表示没有十字支撑梁的还原罐。

周向内力N_可以被通过其与作用于还原罐上的大气压力之间的平衡关系求出。通过简单的积分计算可以求出大气压力在单位长度半圆罐体上的合压力为pD。这里p是大气压力，D是还原罐直径。当没有十字支撑梁时(图12a)，pD被左右两个截面中的内力所平衡，所以

当还原罐装有十字支撑梁时(图12b)，pD被两个内力及一个由十字支撑梁所形成的支点所平衡，所以 将求得的N_o和N_+代入A4式，并假设耐热钢的n值为5，得到：

所以，十字支撑梁的使用可以使还原罐的寿命提高到原有水平的7.6倍。

值得指出的是，在忽略氧化对还原罐寿命影响的条件下，A5式给出的数值仅是保守的估算，因为在本附录给出的简单分析中还有诸多没有考虑的因素。比较重要的有以下两点：

1.在还原罐被水平放置时(传统皮江法)，其自重会增大其罐壁内的弯矩从而加速蠕变缩短寿命。但在还原罐被垂直放置时(本发明)，因其自重不会改变其罐壁内的弯矩而对其寿命没有不利影响。因此，还原罐自重的影响应该仅令A5式中的t_o减小。

2.在本附录的计算中，十字支撑梁对罐壁的支撑作用被简化为可动铰支座(见图12b)。也就是说，十字支撑梁对罐壁弯曲变形的约束作用被忽略了。而此约束作用应该令A5式中的t₊增大。

综上所述，A5式可被重新表述为：

Claims (12)

1.一种可同时加强皮江法还原罐传热效率和蠕变抗力的方法，其途径是在还原罐内安装一根与罐壁紧密接触的金属构件，利用该金属构件良好的导热性能将还原罐罐壁所提供的热量迅速传递到罐中心低温区使全体原料都能被更快和更均匀地加热到反应温度以上，同时也利用该金属构件对作用于罐壁的大气压力的平衡作用来提高还原罐的蠕变抗力。

2.一种利用地心引力实现皮江法还原罐自动装卸料的方法，其途径是将还原罐一端封闭的传统结构改变为两端均开口的筒形，将传统的水平安放改变为垂直安放，在地心引力的作用下，反应原料从上边的装料通道进入还原罐，反应残渣从下边的卸料通道排出还原罐，卸料通道内填充有一次性隔热材料用以防止还原罐内部热量的散失，对卸料通道口盖板实行远距开启以保证卸料操作的安全性。

3.一种对皮江金属提炼过程进行在线连续监测的方法，其途径是在还原反应过程中连续秤量和记录金属结晶筒的重量增量，该重量增量等于还原金属的总重量，单位时间内该重量增量的变化等于还原反应速率。

4.一种回收反应副产品碱金属的方法，其途径是在还原反应完成后，先将沉积有碱金属的回收器收入一真空容器内，然后解除还原罐内真空，再开启还原罐并取出上述真空碱金属回收器；待其冷却到碱金属自燃温度以下后，将其开启，对碱金属实施回收。

5.一种根据权利要求1、2、3和4所描述的方法所建造的立式还原罐，其构造包括以下三个功能区段：

a.反应区段，其中安装有一根根据权利要求1所述的方法中所述的金属构件。

b.金属回收区段，其中安装有一只根据权利要求3所述的方法中所述的金属结晶筒，和一只根据权利要求4所述的方法中所述的真空碱金属回收器。

c.卸料区段，系根据权利要求2所述的方法中所述的卸料通道。

6.根据权力要求5所述的立式还原罐中所述的反应区段内的金属构件是一根使用与还原罐同样材料制成的十字支撑梁。

7.根据权力要求5所述的立式还原罐中所述的金属结晶筒被垂直悬挂在一组压力传感器上，该压力传感器所检测的信号反映还原金属的重量，该信号可被输入到一台计算机中进行多项分析处理，包括还原反应过程在线连续监测、生产成本优化、工艺参数优化、产量记录等。

8.根据权力要求7所述的悬挂式金属结晶筒的下缘被浸没在一液体密封环内，该液体密封环既能确保在反应区所生成的金属蒸汽完全进入到结晶筒内，又不影响结晶筒的上下自由移动，从而保证了结晶筒重量称量的准确性。

9.根据权力要求5所述的立式还原罐中所述的真空碱金属回收器由三片能够被拉起和放下的金属圆盘(分别被称为下反射板，沉积板和上反射板)构成，当被拉起时，下反射板的边缘和沉积板之间的密封圈被压紧，沉积板边缘和密封盒壁之间的密封圈也被压紧，从而将沉积在沉积板上的碱金属密封在真空状态下。

10.根据权力要求5所述的立式还原罐中所述的金属结晶筒和所述的真空碱金属回收器是可移出装置，当它们被移出后，根据权力要求5所述的立式还原罐中所述的金属回收区段既成为根据权利要求2所述的方法中所述的装料通道。

11.根据权力要求5所述的立式还原罐中所述的卸料区段的底部安装有一卸料口盖板，当该盖板关闭时，卸料区段内所装填的一次性隔热材料起到阻止反应区的热量向下传递到卸料口的作用；当该盖板开启时，卸料区段成为还原罐内反应残渣的排出通道。

12.一种采用权力要求5所述的立式还原罐所建造的皮江法立式还原炉，该还原炉配备有一个为方便完成从还原罐中取出还原金属和为还原罐装入原料等操作的上工作平台，和一个为方便完成从还原罐卸出并运送反应残渣等操作的下工作平台。

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