CN1876856A - 一种金属提炼用立式还原罐和还原炉装置 - Google Patents

Abstract

一种阻隔还原炉内部热量沿还原罐向炉外泄漏的方法；一种可同时加强还原罐传热效率和蠕变抗力的方法；一种对还原罐金属结晶筒施行空气冷却的方法；一种利用地心引力实现还原罐自动装卸料的方法；一种对金属还原过程进行在线连续监测的方法。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立式还原炉，其特征包括：热效率高、还原周期短、还原罐寿命长，装卸料自动化，在线连续监测还原过程。

Description

一种金属提炼用立式还原罐和还原炉装置

技术领域

本发明涉及一种适用于皮江金属提炼法的还原设备，更确切地说，涉及一种立式还原罐和还原炉装置的使用及制造。

虽然本发明的描述是以金属镁的炼制为例，但它也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。其工艺过程包括如下步骤：1)将矿料和还原剂粉末混合压制成的原料球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70％是使用皮江法生产的。但是传统皮江工艺设备存在一系列不容忽视的缺点，包括：

1.还原周期长。比如，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，还原罐会由于其罐壁的高温蠕变而失效。目前炼镁还原罐的平均使用寿命仅有2-3个月。

3.装卸料困难。标准皮江法真空还原罐是内径为10英寸，长度为10英尺，一端封闭，水平放置的圆筒。其狭小的操作空间使得装卸料困难，生产效率低下，劳动强度大。

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.热泄漏严重。标准皮江法真空还原罐位于炉内的反应区段和位于炉外的金属结晶区段是焊接成一体的金属构件。还原炉内的热量通过还原罐的传导被大量地泄漏到炉外。这些泄漏的热量必须被安装在金属结晶区段上的冷却水套吸收。这不仅加剧了能耗也浪费了水资源。

尽管传统皮江法的上述缺点已被广泛意识到(如：E.F.Emley：Principles of MagnesiumTechnology，Oxford，1966，pp.57-58)，但迄今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，这一方案至今还未被采用。一个原因是皮江所提供的方法无法有效阻止热量沿卸料通道的泄漏从而使还原炉的热利用率下降。另一个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提供一种立式还原炉装置来克服传统皮江法的上述缺点。

为达成此目标，本发明的首要目的是提供一种分段组合式还原罐，其三个功能区段(即位于还原炉内的反应区段和位于炉外的金属结晶区段和卸料区段)之间以耐火材料制成的热阻接口相连接。

本发明的另一目的是提供一种还原罐高温真空密封装置，其特点是能够对安装和使用过程中在还原罐区段接口处所形成的真空泄漏缺陷进行即时的自动修复。

本发明的另一目的是提供一种还原罐强化装置，其作用是能够同时增强还原罐的传热效率和高温蠕变抗力。

本发明的另一目的是提供一种利用空气对金属结晶筒进行冷却的方法和装置。

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。

本发明的另一目的是提供一种对金属还原过程进行连续监测和纪录的方法和装置。

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。三个功能区段分别是：反应区段，金属结晶区段，和卸料区段；它们之间由两个热阻接口连接。热阻接口与反应区段的接合面上安装有一具有自修复功能的高温真空密封垫。

还原罐反应区段位于还原炉内。其内部安装有一根与其罐壁紧密接触(或连成一体)的金属制强化装置。该装置具有双重作用：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。

还原罐金属结晶区段位于还原炉外上部并通过上热阻接口与还原罐反应区段相连。该热阻接口有效地阻止了炉内热量向金属结晶区的传递。这使得通过空气冷却即可将还原罐金属结晶区段保持在合适的温度范围。还原罐金属结晶区段内安装有金属结晶筒和碱金属分离器。金属结晶筒的重量被秤重传感器连续记录下来作为对还原过程进行监测的数据。

由隔热耐火材料制造的还原罐卸料区段位于还原炉外下部。其头部与下热阻接口制成一体并伸入炉内与还原罐反应区段相连。配合充填其内的一次性隔热材料，还原罐卸料区段能够有效地阻隔热量从炉内向卸料口传递。卸料口被开启后，其内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装置远程完成的，从而保证了操作人员的安全。

与现存皮江法相比，本发明所提供的立式还原设备具有以下优点：

1.分段组合式还原罐和热阻接口的使用降低了还原炉的热泄漏。

2.空冷金属结晶简的使用将水消耗降低为零。

3.还原罐强化装置的使用提高了还原罐的蠕变抗力使其可在较高的还原温度下工作并具更长的使用寿命。

4.较高的还原温度提高了硅铁的利用率、降低了料镁比、提高了原料利用率。

5.较高的还原温度和还原罐强化装置的导热作用使还原罐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。

6.对还原过程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即时和准确的数据。

7.利用地心引力进行装卸料不但缩短了装卸料时间而且减轻了工人的劳动强度。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是采用本发明之立式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是还原罐反应区段及与其相连接的热阻接口的剖视图。

图3是图2A-A剖视图。

图4是使用有限元数学模型算出的还原罐反应区段截面等温线图：a)没装十字支撑梁，加热时间12小时；b)装有十字支撑梁，加热时间3小时16分。

图5是还原罐金属结晶区段及相关部件的剖视图(金属结晶筒重量秤量方法实施例之一)。

图6是图5A-A剖视图。

图7是金属结晶筒重量秤量方法实施例之二。

图8是图7中拉杆截面俯视图。

图9是还原罐卸料区段及相关部件的剖视图。

图10是利用专用提手将金属结晶筒提起之操作示意图。

图11是装料保护管之剖视图。

图12是由于还原罐截面偏离理想圆而在其罐壁截面产生弯矩的示意图。

图13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

图1所示的是采用本发明之立式还原罐所建造的立式还原炉(100)的示意剖视图(实施例之一)。该立式还原炉(100)由炉体(101)、燃烧室(102)、安装其内的多根立式还原罐(200)、上工作平台(103)和下工作平台(104)组成。对还原炉(100)的加热可利用任何适当的热源完成。上工作平台(103)上安装有适当的提升和运送装置(未示出)，用于取出还原金属块和装入原料球。下工作平台(104)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。还原炉(100)中所安装的立式还原罐(200)的根数和其排列方式均可根据设计产量、厂房和炉体结构等因素灵活变化。

立式还原罐(200)由反应区段(210)、金属结晶区段(220)和卸料区段(260)三个部分组成，其区段之间由热阻接口(270)和(280)连接。如图1所示，仅还原罐反应区段(210)位于炉体(101)内。金属结晶区段(220)位于炉体(101)外面的顶部；卸料区段(260)位于在炉体(101)外面的底部。位于还原炉炉墙内并与其厚度相等的热阻接口(270)和(280)起阻隔炉内热量沿还原罐向炉外传递的作用。立式还原罐(200)被垂直安放在托架(105)上。该托架(105)被固定在还原炉炉体框架(未示出)的底部。固定在炉体框架(未示出)顶部的压板(106)通过螺杆(107)和弹簧(108)压在还原罐金属结晶区段(220)下法兰盘上来帮助立式还原罐(200)保持稳定。这一柔性的安装方式也为还原罐反应区段(210)因为热胀冷缩引起的长度变化预留了空间。需要指出的是，因为立式还原罐(200)主要是靠自重被安放在托架(105)上的，所以其轴线必须严格垂直以保证其稳定性。

示于图2的是还原罐反应区段(210)及与其相连的热阻接口(270)和(280)的剖视图。还原罐反应区段(210)系由耐热钢经离心铸造制成，其头部焊有一以相同材料制造的碗形接口(211)。该碗形接口的内锥面通过一高温真空密封垫(212)与上热阻接口(270)相连。还原罐反应区段(210)的尾部焊有一以相同材料制造的锥形接口(214)；其外锥面通过一高温真空密封垫(212)与下热阻接口(280)相连。热阻接口(270)和(280)均系采用合适的耐火材料烧结而成，要求具有低热导率、高抗压强度、良好的抗热振性和低透气性。下热阻接口(280)与还原罐卸料区段(260)是一由相同耐火材料烧结而成的整体部件。该部件被安装在还原罐托架(105)上并承担着立式还原罐(200)的全部重量。

还原罐反应区段(210)与热阻接口(270)和(280)之间的高温真空密封垫(212)是一由耐火材料纤维或耐热钢(或其它耐热合金)丝编织而成的垫圈，其间充满半流态膏状物。该膏状物在高温空气环境下应具有良好的化学稳定性、低挥发性和合适的粘性。玻璃是合适的材料之一。高温真空密封垫(212)不仅能够填充所处接合面的原有不平缺陷，而且也能自发填充那些在使用过程中由于震动、变形或破损所造成的缺陷，从而保证还原罐内部真空的获得和保持。这一自修复功能来自于膏状物在高温下的流动性。在毛细现象和大气压力作用下，具流动性的膏状物能自发填充接合面上的任何可能空间。但另一方面，高温真空密封垫中的膏状物也会在大气压力的驱动下不断地流失到还原罐内而使其失去密封作用。这一问题可以使用下述三种方法解决：1)减缓流失：将膏状物调整到一合理的粘度以增加流动阻力(高温真空密封垫(212)内的纤维也起到增加膏状物流动阻力的作用)；2)补充流失：在高温真空密封垫(212)上方设立一与其贯通的膏状物储备空间(213)随时对流失的膏状物进行补充；3)检测流失：在还原罐(200)服役期间，定期对膏状物储备仓(213)内的存量进行检测，及时补足。对上热阻接口(270)内的膏状物储备仓存量的检测和补充要通过检测口(271)进行。对位于下热阻接口(280)内的膏状物储备存量的检测和补充要通过一穿过还原炉炉墙的陶瓷管(未示出)进行。检测工具可以是一合适尺寸的铁丝(或类似工具)。首先将该铁丝穿过上述检测口(271)或陶瓷管探入到膏状物储备仓(213)，然后抽回并测量铁丝头部所沾取的膏状物长度即可得知当时储备存量。补充膏状物方法是通过上述的检测口(271)和陶瓷管将膏状物原粉喂入膏状物储备空间(213)。膏状物原粉被加热到高温融化后即成为膏状物。以玻璃为例，常温下的玻璃粉(膏状物原粉)被加热到高温后即成为半流态玻璃膏。

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。其内部安装有一根与还原罐罐壁紧密接触的(或连成一体的)金属装置。该装置的作用之一是利用其良好的导热性能将还原罐罐壁(215)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。该金属装置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(216)。该十字支撑梁(216)可使用与还原罐反应区段相同的材料制成，并被通过合适的工艺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(216)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据。在该计算中，还原罐内径被取为265毫米，罐壁温度假设为恒定1250℃，十字支撑梁的厚度取为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℃，其余计算参数示于表1。计算结果显示，在相同加热条件下，没装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的所有原料球都加热到1190℃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(216)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)，使用十字支撑梁可以将还原罐寿命提高到其原有水平的7.6倍以上。

图5是还原罐金属结晶区段(220)及相关部件的剖视图。还原罐金属结晶区段(220)包括金属结晶筒(221)、金属结晶筒外套(222)、还原罐盖板(223)及附属装置。金属结晶筒外套(222)是一外壁铸有一组散热片(224)，上部铸有一个分馏器仓(225)、一个真空喉管(226)和一个导线引管(227)的铸钢或铸铁筒。其下法兰盘(228)经由一密封圈(229)与上热阻接口(270)相连。其间通过固定在炉体框架(未示出)顶部的压板(106)、螺杆(107)、弹簧(108)和定位销(230)来固定。这一固定方式既提高了立式还原罐(200)的安装稳定性也为其提供了必要的热胀冷缩空间。

金属结晶筒套筒(222)内安装有一与其内表面保持有一合适间隙的金属结晶筒(221)。该金属结晶筒(221)是一略呈上粗下细的薄壁圆台筒。这一几何形状即避免了还原过程中形成的冠状金属块(231)因自重掉下，又保证了还原结束后能够将该冠状金属块(231)顺利压出。得益于热阻接口材料的低热导率，金属结晶筒外套(222)的温度可以在空气自然冷却的条件下，被保持在较低的温度(200℃左右)。因此可以通过辐射热交换对其内的金属结晶筒(221)施以有效的冷却。

金属结晶筒套筒(222)通过其上法兰盘(232)经由一密封圈(233)与还原罐盖板(223)相连。还原罐盖板(223)上安装有金属蒸汽反射板(234)和碱金属沉积板(235)。金属蒸汽反射板(234)是一个带有一下凸表面的金属圆片，其温度必须被保持在金属蒸汽露点温度以上，以避免金属蒸汽在其上的沉积。该温度是由一个被悬挂在上热阻接口(270)内通道边缘上的挡火板(236)来控制的。该挡火板(236)是一个带有一下凸表面和若干通孔的金属圆片。其上的通孔除了是金属蒸汽进入金属结晶筒的通道外，也控制着金属蒸汽反射板(234)所直接接受的来自反应区段的辐射热量。这些通孔的尺寸越大、数量越多，金属蒸汽反射板(234)接受的热辐射越强烈，温度就越高。金属蒸汽反射板(234)把所接受的热辐射的一部分反射到金属结晶筒(221)的内壁上对其造成加热效果。另一方面，碱金属沉积板(235)的温度必须被保持在碱金属蒸汽露点温度以下。这可以通过调整隔热板(237)的数量来实现。

还原过程中，金属结晶筒(221)需要被保持在金属蒸汽露点温度和碱金属露点温度之间的某一适宜的结晶温度附近。金属结晶筒(221)的温度由其外套(222)对其的冷却能力和金属蒸汽反射板(234)对其的加热强度控制。在还原罐结构和加热温度给定的的情况下，此温度可以通过改变金属蒸汽反射板(234)的下凸表面曲率半径来调整。该曲率半径越小，反射到金属结晶筒(221)上的辐射能越多，加热越强烈，其温度就越高。

挡火板(236)的另一作用是用来加热上热阻接口(270)的料球通道(272)，使其表面温度保持在金属蒸汽露点温度以上，以避免金属蒸汽的沉积。通过改变其下凸表面的曲率半径可以控制此表面温度；曲率半径越小，料球通道(272)内壁表面的温度越高。

如图5所示，立式还原罐(200)通过其金属结晶筒外套上的真空喉管(226)与真空系统(未示出)相连。所以，金属结晶区段(220)是还原罐(200)内的低温低压区。还原过程中，在还原罐反应区段产生的金属蒸汽被真空系统抽取到金属结晶区段后首先遇到金属蒸汽反射板(234)的阻挡。因为金属蒸汽反射板(234)的温度高于金属蒸汽露点温度，金属蒸汽无法在其表面上沉积而被反射到金属结晶筒(221)的内表面上。因为金属结晶筒(221)的温度低于金属蒸汽的露点温度但高于碱金属蒸汽的露点温度，只有金属蒸汽能在其上沉积并成长为冠状金属块(231)，而碱金属蒸汽则通过金属蒸汽反射板(234)和金属结晶筒(221)之间的间隙进入到分馏器仓(225)。因为位于分馏器仓(225)的碱金属沉积板(235)的温度被保持在碱金属蒸汽露点温度以下，所以碱金属在那里沉积下来。

随着还原反应的进行，冠状金属块(231)逐渐长大，导致金属结晶筒(221)重量的逐渐增加。很显然，在还原过程中任一给定时刻，金属结晶筒重量的增量就等于冠状金属块(231)的重量，而单位时间内该金属结晶筒重量的变化就等于还原反应的速率。因此，对金属还原过程的监测可以通过对金属结晶筒(221)重量的连续秤量来实现。

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。通过其顶部的辐缘，金属结晶筒(221)被自然安放在3个纽扣型秤重传感器(238)上。这3个秤重传感器被均匀固定在金属结晶筒外套凸肩上的外环槽(239)内。秤重传感器(238)的引线(240)被连接到导线引管(227)内的接线柱(241)上。接线柱(241)的另一端则与一监控计算机(未示出)相接。该计算机可以对秤重传感器输出的信号进行多项分析处理，包括还原反应过程监测、生产成本分析、工艺参数优化、产量汇总报表等。

为保证秤量的准确性，要避免金属蒸汽进入到金属结晶筒(221)与其外套(222)之间的间隙。不然的话，金属蒸汽会在金属结晶筒(221)的外壁上和其外套(222)的内壁上沉积并造成它们之间的粘连。这不但会影响秤量的准确性，甚至会造成金属结晶器无法被取出的后果。这一问题可以通过在还原罐金属结晶区段凸肩上的内环槽(242)内安装一适当的密封装置(243)，如E型密封圈或金属波纹管，来解决。要注意的是，E型密封圈(243)的自由高度要高于秤重传感器(238)触点的高度；而后者又要高于还原罐金属结晶区段凸肩上内外环槽间分离环筋(244)的高度。也就是说，金属结晶筒(221)辐缘的下表面要与E型密封圈(243)的顶面紧密接触，而其重量则由秤重传感器(238)来承担。

金属结晶筒重量秤量方法具体实施例之二示于图7。其与实施例之一的主要区别是：1)秤重传感器(238)被安装在还原罐之外；2)金属蒸汽反射板(234)、碱金属沉积板(235)和隔热板(237)被固定在金属结晶筒悬挂架(301)上；3)取消了金属结晶筒外套上的导线引管(227)。在被装进还原罐之前，金属结晶筒(221)和其悬挂架(301)被事先通过楔脚(302)和楔鞋(303)连接起来。当它们被一起装入还原罐后，它们先是坐在金属结晶筒外套的凸肩上。当还原罐盖板(223)被装上后，拉杆(304)头部的花键(305)被自然插入金属结晶筒悬挂架(301)上的花键槽(306)内(见图8a)。向任何方向转动杠杆(307)60°，令花键(305)上的键齿旋入花键槽(306)上的键齿的下方(见图8b)。当转动轮盘(308)并带动丝杠(309)及通过基盘(310)与其连接的秤重传感器(238)沿螺母(311)上升时，拉杆(304)通过其花健(305)与花健槽(306)上重叠的键齿将金属结晶筒(221)及其悬挂架(301)吊离金属结晶筒外套凸肩从而实现对金属结晶筒(221)的连续秤重。秤重传感器(238)与拉杆(304)之间的旋转铰接(312)允许拉杆(304)在杠杆(307)的驱动下左右旋转从而通过花健(305)和花健槽(306)上键齿的重叠和分离来控制秤重传感器(238)与金属结晶筒(221)之间的连接和分离。真空密封圈(313)保证了还原罐的真空密封。导向杆(314)保证了秤重传感器的平稳升降。

如图2和图9所示，还原罐卸料区段(260)是一个与下绝热接口(280)制成一体的耐火材料烧结构件。下绝热接口(280)通过高温真空密封垫(212)与还原罐反应区段(210)相连。还原罐卸料区段(260)被安装在一个被固定在还原炉炉体框架底部(未示出)的还原罐托架(105)上；其间安装有一真空密封圈(261)。还原罐托架(105)使用铸钢制成，其上的卸料口法兰(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)及与其相铰接的卸料口盖板(264)左右转动进而开启或关闭卸料口。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(264)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。卸料口法兰盘(262)和盖板(264)之间安装有一真空密封圈(272)。

在向还原罐装料前，要事先向其卸料区段(260)及邻近的一小段反应区段内填充一次性隔热材料(未示出)。这些一次性隔热材料可以是以前卸出的，现已冷却了的反应残渣。这些一次性隔热材料与低导热率耐火材料制成的卸料区段能有效阻隔还原罐反应区的热量向下传递，使卸料口部位得以被保持在较低的温度(＜200℃)。

显而易见，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泄漏(通过在低热导率耐火材料制成的卸料通道内填充一次性隔热材料)和提高操作安全性(通过远距开启卸料口)。

本发明之立式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，解除还原罐真空；

a.对于金属结晶筒重量秤量方法实施例之一：取下还原罐盖板(223)，用图10所示的专用提手(251)勾入金属结晶筒(221)边缘的四个吊孔(252)将其提出；

b.对于金属结晶筒重量秤量方法实施例之二：转动轮盘(308)将金属结晶筒(221)降下，转动杠杆(307)令秤重传感器(238)与金属结晶筒悬挂架(301)分离，取下还原罐盖板(223)，提出金属结晶筒及其悬挂架并将其分离；

发出“卸料”信号；并随后使用适当的压力工具将金属结晶器中的冠状金属块(231)压出。

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，还原罐卸料区段内的一次性隔热材料连同反应区段内的反应残渣一起被自动从卸料口排出，然后发出“卸料完成”信号。

3.收到“卸料完成”信号后，使用一适当工具将挡火板(236)取出，观察还原罐内是否有结渣，若有，使用一适当工具将其排除，然后发出“关闭卸料口盖板”信号；并随后将图11所示的保护管(253)放入还原罐，该保护管的作用是防止金属结晶区段被装料过程污染。

4.收到“关闭卸料口盖板”后，放下棘爪(271)，摇动曲柄(269)关闭卸料口盖板(264)，然后发出“装料”信号。

5.收到“装料”信号后，先倒入一次性隔热材料(倒入量以达到十字支撑梁(216)的下端为准)，再倒入原料球(倒入量以刚好淹没十字支撑梁(216)的上端为准)，取出保护管(253)，使用一适当工具将挡火板(236)放入；

a.对于金属结晶筒重量秤量方法实施例之一：使用图10所示的专用提手(251)将金属结晶筒(221)放入还原罐，盖上还原罐盖板(223)；

b.对于金属结晶筒重量秤量方法实施例之二：将金属结晶筒(221)及其悬挂架(301)接合，将其放入还原罐，盖上还原罐盖板(223)，转动杠杆(307)令秤重传感器(238)与金属结晶筒悬挂架(301)接合，转动轮盘(308)将金属结晶筒(221)提起；

启动真空系；当真空度达到给定值后，“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(221)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_θ，描述。在还原罐截面是理想圆的条件下，N_θ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，从而在周向内力，N_θ，的作用下产生一弯矩，M(见图12)。令e是图12中的实际截面曲线(401)与理想圆曲线(400)之间的偏离距离，弯矩，M，可以由下式算出：

          M＝N_θe                                (A1)

与此弯矩相对应的平均弯曲正应力， σ_M，可由下式算出：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_M=\frac{\mathrm{M\δ}}{2I}=\frac{N_{\mathrm{\θ}}\mathrm{e\δ}}{2I}---\left(A2\right)$

这里，δ还原罐壁厚，I是罐壁截面的惯性矩。在 σ_M的驱动下，蠕变令还原罐截面曲线进一步偏离理想圆曲线(即，e进一步增大)。这反过来又增大了 σ_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 $t\∝1/\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}.$ 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 σ_M有如下关系：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=A{\left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_M\right)}^n=A{\left(\frac{N_{\mathrm{\θ}}\mathrm{e\δ}}{2I}\right)}^n---\left(A3\right)$

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_θ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：

$\frac{t_{+}}{t_o}=\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_o}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_{+}}={\left(\frac{N_{\mathrm{o\θ}}}{N_{+\mathrm{\θ}}}\right)}^n---\left(A4\right)$

式中，下标+表示装有十字支撑梁的还原罐，o表示没装十字支撑梁的还原罐。

周向内力N_θ可以被通过其与作用在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。当没装十字支撑梁时(图13a)，pD被左右两个截面中的内力所平衡，所以N_oθ＝pD/2。当装有十字支撑梁时(图13b)，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N_+θ＝pD/3。将求得的N_oθ和N_+θ代入A4式，并假设耐热钢的n值为5，得到：

$\frac{t_{+}}{t_o}={1.5}^5=7.6---\left(A5\right)$

所以，使用十字支撑梁可以将还原罐寿命提高到其原有水平的7.6倍。

需要指出的是，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13b)。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：

$\frac{t_{+}}{t_o}>7.6---\left(A6\right)$

Claims (24)

1.一种阻隔还原炉内部热量沿还原罐向炉外泄漏的方法，其特征在于，还原罐按炉内和炉外部分分段制成，其间以具真空密封功能的热阻接口连接。

2.一种可同时加强还原罐传热效率和蠕变抗力的方法，其特征在于，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。

3.一种对还原罐金属结晶器施行空气冷却的方法，其特征在于，利用散热片的冷却作用和热阻接口的隔热作用将金属结晶器外套的温度保持在远低于金属蒸汽露点温度以下，再通过金属结晶筒和其外套之间的热辐射交换，对处于较高温度的金属结晶筒施行冷却。。

4.一种利用地心引力实现还原罐自动装卸料的方法，其特征在于，将还原罐一端封闭的传统结构改变为两端开口的筒形，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。

5.一种对金属还原过程进行连续在线监测的方法，其特征在于，在还原反应过程中对金属结晶筒重量进行连续秤量和记录，该重量的增量等于还原金属的重量，单位时间内该重量的变化等于还原反应速率。

6.一种根据权利要求1、2、3、4和5所描述的方法建造的、由三个功能区段组合而成的、立式还原罐；其三个功能区段是：

a.位于还原炉内的反应区段，由耐热金属材料制造，其内安装有一根据权利要求2所述方法中所述的金属构件；

b.位于还原炉外顶部的金属结晶区段，系根据权利要求3所述方法中所述的金属结晶筒外套，由金属材料制造，其内安装有一只根据权利要求5所述方法中所述的金属结晶筒；

c.位于还原炉外底部的卸料区段，系根据权利要求4所述方法中所述的卸料通道，由耐火材料制造；

上述三个还原罐功能区段之间以根据权利要求1所述方法中所述的热阻接口连接；其中上热阻接口用于连接反应区段和金属结晶区段，下热阻接口用于连接反应区段和卸料区段；下热阻接口与卸料区段是制成一体的构件。

7.根据权力要求6所述热阻接口是一与还原炉墙体等厚的、中心开有一料球通道的、由低热导率耐火材料制成的构件，其与还原罐反应区段的接合面上中安装有一高温真空密封垫。

8.根据权力要求7所述高温真空密封垫是一侵泡在一种膏状物中的由耐火材料纤维或耐热合金金属丝编制的垫圈。

9.根据权力要求7所述热阻接口内部有一与所述高温真空密封垫相贯通的膏状物储仓用来随时补充高温真空密封垫中膏状物在大气压力作用下的自然流失。

10.根据权力要求8和9所述膏状物在高温工作状态下是一种在空气中具高度化学稳定性的、有一定粘度的半流体物质；其在常温下的初始形态则是呈粉末状的同体。

11.根据权力要求10所述膏状物是由玻璃粉或其与其它矿物质粉末的混合物在高温下融化而成。

12.根据权力要求6所述立式还原罐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。

13.根据权力要求7所述上热阻接口料球通道的上端安装有一具有一下凸表面的挡火板来将所述料球通道内壁表面加热到金属蒸汽露点温度以上；改变所述挡火板下凸表面曲率半径可以改变对所述料球通道内壁表面的加热效果，从而控制其表面温度和温度分布。

14.根据权力要求13所述挡火板上开有多个利于金属蒸汽通过的通孔；通过改变这些通孔的数量、尺寸和位置可以控制辐射到位于金属结晶区段上端的金属蒸汽反射板上的热量，从而控制其表面温度。

15.根据权力要求6所述立式还原罐金属结晶区段内的金属结晶筒是一略呈上粗下细形状的圆台薄壁筒。

16.根据权力要求15所述金属结晶筒的温度是由其外套对其的冷却能力和上述金属蒸汽反射板对其的加热能力来控制。

17.根据权力要求16所述金属结晶筒外套的冷却能力是由其外表面上散热片的数量、尺寸和分布来控制。

18.根据权力要求16所述金属蒸汽反射板的加热能力是由其下凸表面的曲率半径和其本身的表面温度来控制。

19.根据权力要求15所述金属结晶筒被安放在一组位于其外套上的秤重传感器上或悬挂在一只位于还原罐盖板外侧上的秤重传感器上；秤重传感器的输出信号被输入到一台计算机中用于完成还原反应过程监测、生产成本分析、工艺参数优化、产量汇总报表等程序。

20.根据权力要求15所述金属结晶筒与其外套间的间隙空间被一位于其幅缘下方的弹性密封圈所封闭，用以防止金属蒸汽的进入。

21.根据权力要求6所述立式还原罐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的作用；当该盖板开启后，卸料区段成为还原罐内反应残渣的排出通道。

22.一种采用权力要求6所述的立式还原罐所建造的立式还原炉，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。

23.根据权力要求22所述立式还原炉的底部安装有一系列还原罐托架，权力要求6中所述的立式还原罐按卸料区段/下热阻接口、反应区段、上热阻接口、金属结晶区段的顺序依次靠自重被垂直叠放在这些托架上。

24.根据权力要求22所述立式还原炉的顶部安装有一系列还原罐弹簧压板用以增加还原罐的安装稳定性。

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