[發明專利]旋轉還原罐金屬鎂還原爐

有效

• 申請號: 201310296196.9
• 申請日: 2013-07-15
• 公開（公告）號: CN103388084A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 董家馭
• 申請（專利權）人: 董家馭
• 主分類號: C22B26/22
• 分類號: C22B26/22
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及提煉金屬鎂的還原爐，具體為一種旋轉還原罐金屬鎂還原爐。

背景技術

皮江法煉鎂是將煅燒后的白云石和一定量的硅鐵（還原劑）制粉混合后壓制成料球，將壓制成的料球放在還原罐內，罐內抽成低于13Pa以下的真空；還原罐放在加熱爐（又叫還原爐）內，在1200℃左右的溫度下加熱，使煅燒后的白云石（MgO＋Ca0）與硅鐵進行還原反應，從而置換出金屬鎂，置換出的金屬鎂蒸汽在罐外遇到由循環水套冷卻后的結晶器后結晶，變為粗鎂。

還原罐內抽成真空主要目的是降低還原反應的能量----吉布斯自由能，使其能夠在1200℃的工況下實現還原反應。不同的蒸汽壓需要有不同的反應溫度，蒸汽壓越大，反應需要的溫度越高。

目前的還原工藝一般是在1220℃以上（最高可達1280）的爐內溫度實現還原，還原時間為11～12小時，平均料鎂比（料球重量/出鎂量）為6.2～6.5左右。

皮江法煉鎂的裝置包括還原爐、還原罐和結晶系統等，如圖1所示，所述結晶系統主要包括水套和結晶筒。首先，將料球8裝入到還原罐12內，然后放置擋火板9，安裝結晶筒7，水套13與還原罐12焊接在一起，安放完畢后封蓋開始抽真空，還原罐長期放置在還原爐里，還原爐內溫度一般為1200℃～1250℃，受還原罐耐溫條件限制，最高可以達到1280℃，隨著加熱時間的延長，料球的溫度也在逐漸升高，真空度逐漸提高；當真空剩余壓力達到13Pa以下時，還原罐內溫度達到1180℃時開始還原反應（實際還原反應隨料球溫度、真空度不同會有變化），?反應過程中，料球中的硅通過還原反應置換出煅白（MgO·CaO）中的鎂，置換出來的金屬鎂在高溫下以蒸汽形式存在，由于金屬鎂屬于高蒸汽壓介質，在1200℃左右還原罐內和結晶筒空間內的平衡蒸汽壓力一般為4400～6500Pa，在一定溫度和蒸汽壓的條件下實現還原反應。當還原置換后的鎂蒸汽，到達結晶筒空間后，由于結晶筒受冷卻水套的冷卻，其空間溫度為500℃～600℃左右，在該溫度區域，過熱的金屬鎂蒸汽變為飽和或過飽和的金屬鎂蒸汽，過飽和的金屬鎂蒸汽遇到結晶筒的低溫壁面，繼續冷凝變為固體，結晶到結晶筒壁面上。金屬鎂由蒸汽冷凝結晶為固相，相變反應有熱量釋放，所釋放的熱量經過結晶筒由冷卻水套通過循環水排出筒外，結晶筒部位的溫度保持穩定。另一方面，由于鎂蒸汽結晶，使鎂蒸汽空間壓力變小，使還原反應向正方向進行，又有新的鎂蒸汽產生。與此同時，反應中出現的不凝氣體，通過抽真空裝置排出系統之外。只要是還原空間的實際壓力小于工況溫度下的反應平衡壓力，還原反應一直連續進行。如此周而復始。

實際上，當還原罐內真空達到13Pa以下，罐內溫度達到1180℃時反應已經開始，理論計算完全反應時料鎂比可以達到5.4～5.6，那么為什么需要如此長的還原時間、很高的還原溫度，并且料鎂比很高，不能實現高效率的還原呢？

分析原因有：1、反應為吸熱反應，在真空下無對流給熱，球團的熱導率很低，外部環境對球團的傳熱、產物層之間的傳熱過程對反應的進行起著很重要的作用，即傳熱速率對總反應速率的影響不可忽視。還原反應后的殘渣為CaO·SiO2，其導熱性非常差。而罐內換熱只有物料傳熱和還原罐壁對物料的輻射熱，表層還原后料渣低的導熱性和阻擋作用影響了內部物料的吸熱，從而影響內部物料達到還原要求溫度的時間。2、還原反應后，鎂蒸汽要及時排出，內部鎂蒸汽的排出受到外部物料阻力和反應鎂蒸汽的影響，不能及時排出，從而提高了內部的蒸汽壓，因而提高了內部物料的反應溫度。上述兩個原因使得還原時間變長和還原溫度提高。3、由于受熱阻和熱量傳輸的影響，中心物料在一定時間內（11～12小時）不能達到還原反應溫度，所以還原罐中心一直有部分物料得不到有效還原，從而影響還原效率。4、由于還原時間的延長，造成工序能耗的提高（包括燃料消耗和電能消耗）。

因此，如何實現有效的還原，實現還原效率最大化，還原時間最短，一直是皮江法煉鎂需要解決的問題。

有研究人員先后采用細罐、豎罐、罐內增加受熱傳導筋片的方法，但由于受到生產工藝、人工、金屬材料高溫性能等因素的制約，均不能到達預期效果，沒有從根本上解決問題。

要想實現有效的還原反應，降低料鎂比和縮短還原時間，在硅鐵、真空、物料、爐溫均一定的工況下，只有通過強化物料的吸熱來實現，罐內物料熱交換為熱傳導形式，強化爐外熱交換只能增加還原罐吸熱，強化物料熱傳導只能通過提高溫差來實現，而提高溫差要以增加爐溫和罐溫，增加爐溫和罐溫會影響還原罐壽命而不可取。

因此，有必要對現有的還原爐進行改進。

發明內容