基于外置预热的竖罐还原系统及方法与流程

1.本发明属于冶炼技术领域，具体涉及一种基于外置预热的竖罐还原系统及方法。


背景技术：

2.我国金属镁冶炼主要采用的是“硅热法”又叫“皮江法”冶炼，就是在密闭的耐热金属罐内装入煅烧后的白云石+硅铁+萤石混合磨粉后压制成的料球，在高温(1200℃～1300℃)和真空(≤13pa)条件下实现还原——冷凝提取金属镁。
3.早先的还原罐都是横向放置在还原炉内，因为横罐还原工艺存在工作条件差、环境污染、占地多、装料难度大、用工多等缺点，横罐还原周期一般都在10～12小时，目前还原炉进行了将还原罐竖式摆放型还原炉——竖罐还原炉的升级，竖罐还原炉化解了横罐还原炉装出料困难、用人多、环境差、能耗高等缺陷。
4.竖罐还原炉具体工艺是将压制好的料球直接装入竖式还原罐内，装料完成后盖盖抽真空，还原罐内的料球在真空条件下升温，达到还原温度后产生金属镁蒸汽到达上部冷凝器冷凝为粗镁。但由于受排气方式、单位体积物料受热面积等因素影响，竖罐还原周期普遍较长，而竖罐的还原周期在16～20小时。实际上，物料真正的还原反应是从1180℃开始的，还原反应6～8小时就已经足够，在1180℃以前主要是完成物料的升温。热传导有三种形式：传导传热、辐射传热和对流传热，而在竖罐还原炉真空还原条件下，对流换热是不存在的，只剩辐射传热和传导传热，传导传热和物料与竖罐还原炉的接触面积正相关，辐射传热与物料能够接受的辐射面积正相关，在料球静止于竖罐还原炉的罐内时，传导传热和辐射传热效果有限，因此造成物料反应前的升温过程非常缓慢，大大影响了竖罐还原炉的作业效率。
5.与此同时，传统的竖罐还原工艺在物料前极升温过程中，物料在没有达到还原温度前的预热过程中，真空机组一直是在做无用功，中心管也会在预热过程中产生额外的消耗。
6.最后，在传统的竖罐还原工序中，如果罐内的低温料层温度过低，高温的还原蒸汽会在低温料层中产生凝结，不能顺畅的下落出渣，对于竖罐还原炉来讲，不能顺畅的出渣就意味着不能装入新料，会导致作业停滞。为避免这个问题，现有的解决方法是在竖罐还原炉的前期预热中，放缓升温速度、延长升温时间，待内层物料的温度达到还原蒸汽不被冷凝的温度以上再升温到指定高温。由于受物料的导热性制约，前期升温往往会有很长时间(6～8小时甚至更长)，即使这样也不能确保延时的准确性，还会有部分还原罐出现料渣结节的现象。
7.以上几个现有技术中的问题，折合在罐耗、能耗、电耗、中心管消耗上，都会大幅度增加。


技术实现要素：

8.本发明提供一种基于外置预热的竖罐还原系统及方法，解决现有技术中还原炉还
原时间长、还原能耗高、生产效率低等问题。
9.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
10.基于外置预热的竖罐还原系统，所述还原系统包括：
11.物料预热装置，用于物料的前级高温预热；
12.保温物料转运装置，用于将所述物料预热装置前级高温预热的物料在保温状态下转运至竖罐还原炉；
13.竖罐还原炉，用于接收所述保温物料转运装置转运的物料，高温预热的物料在竖罐炉内经抽真空和继续升温可进入还原反应。
14.进一步的，所述物料预热装置为回转式预热炉，包括支撑架系统和横向设置在支撑架系统上的旋转滚筒，旋转滚筒的横截面形状为圆形，旋转滚筒的一端连接进料口，另一端连接出料口，进料口和出料口均设有双层互锁密封门，旋转滚筒连接有驱动机构，通过驱动机构带动旋转炉体沿轴心转动；在旋转滚筒的外部设置加热装置，旋转滚筒连接可控气氛回路。
15.进一步的，所述物料预热装置为竖式预热炉，包括支撑架系统和设置在支撑架系统上的竖式炉体，竖式炉体的横截面形状为圆形或方形，竖式炉体的上端为带有密封盖的进料口，竖式炉体的下部侧壁设置带有密封盖的出料口；在竖式炉体的下端连接氮气加热系统，氮气加热系统包括氮气加热管路、氮气循环管路、氮气高压循环风机和加热装置，氮气加热管路的热气出口与竖式炉体下部连通，氮气加热管路的冷却气入口与氮气循环管路下端连通，氮气循环管路上端与竖式炉体的上部连通，氮气高压循环风机设置在氮气循环管路上。
16.进一步的，在所述竖式炉体内底部斜向设置篦板，在篦板上方的竖式炉体内填装物料。
17.进一步的，所述旋转滚筒和竖式炉体均设置热电偶和压力表。
18.进一步的，所述加热装置为电加热装置、燃料加热装置或反应余热加热装置。
19.进一步的，所述保温物料转运装置包括转运车和设置在转运车上的箱体，箱体上端设置带有上盖的入料口，箱体的下底为斜滑面，斜滑面的最低处设置带有下盖的出料口；所述箱体、上盖和下盖通过高密度硅酸铝挡火板材质制成。
20.进一步的，所述竖罐还原炉包括还原罐体，还原罐体下端设置出渣口，还原罐体上端为罐体开口，在罐体开口上端密封连接冷凝系统；还原罐体内固定设置中心管，还原罐体内纵向设置排气孔板，排气孔板上开设多层排气孔，排气孔为倒三角形结构，在中心管与排气孔板之间填充物料，排气孔板与还原罐体内壁之间构成反应气体上升通道。
21.进一步的，所述中心管包括金属芯管，金属芯管外环形设置多组锚固钩，金属芯管外壁包覆陶瓷浇注料层，锚固钩埋设在陶瓷浇注料层。
22.基于外置预热的竖罐还原方法，通过外置的物料预热装置对还原物料进行前级高温预热，前级高温预热的温度小于还原反应的最低温度，然后将经高温预热的物料加入竖罐还原炉中进行还原反应。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
24.1.本发明通过在传统的还原系统中增加物料预热装置，实现物料在还原罐外的高效预热，经预热的物料进入还原罐系统中进行还原反应，大大缩短了还原反应时间，缩短了
物料在竖罐还原炉内无效受热的时间，将竖罐还原炉还原周期从16～20小时缩短到6～8小时，使得竖罐还原炉真正实现还原作业效率的大幅度提高，在人员、燃耗、电耗、罐耗都不增加的前提下实现了产能翻倍。
25.2.本发明物料预热装置对物料在还原罐外进行高效预热，使物料预热后强度增加、表面的粉料化解，避免了装入竖罐还原炉内物料的破碎度，降低竖罐还原炉反应过程中内壁的结渣的现象，避免排渣不干净导致装料量减少影响产量的问题。
26.3.本发明在竖罐还原炉内设置排气孔板进行排气，气体上升通道位于竖罐还原炉的内壁与排气孔板之间，外层物料(邻接竖罐还原炉的内壁)的温度首先达到还原温度还原出金属蒸汽后直接由排气孔板排出，高温还原的金属蒸汽不经过内层低温料层(邻接中心管的外壁)，避免了高温气体进入低温料层后产生的料渣凝结及结罐的现象。
27.4.本发明的一个实施例中排气孔板上环向开设多层倒三角形结构的排气孔，倒三角形结构的排气孔避免在装料时碎料进入气体上升通道造成气体上升通道的堵塞，影响反应效率。
28.当然地，实施本发明的各技术方案并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
30.图1为本发明的整体结构示意图；
31.图2是本发明实施例1回转式预热炉的结构示意图；
32.图3是本发明实施例1保温物料转运装置的结构示意图；
33.图4是本发明实施例1竖罐还原炉的结构示意图；
34.图5是图4的a-a侧剖视图；
35.图6是本发明实施例1排气孔板的结构示意图；
36.图7是图6的俯视图；
37.图8是本发明实施例1排气孔板气体流动示意图；
38.图9是本发明实施例1中心管的结构示意图；
39.图10是本发明实施例2竖式预热炉的结构示意图；
40.图中，
41.1-物料预热装置；
42.101-支撑架系统，102-旋转滚筒，103-进料口，104-出料口，105-加热装置，106-气氛回路，107-竖式炉体，108-氮气加热管路，109-氮气循环管路，110-氮气高压循环风机，111-燃烧器，112-燃烧室，113-热电偶，114-篦板，115-压力表；
43.2-保温物料转运装置；
44.201-箱体，202-上盖，203-斜滑面，204-下盖；
45.3-竖罐还原炉；
46.301-还原罐体，302-冷凝系统，303-中心管，304-排气孔板，305-排气孔，3031-金
属芯管，3032-锚固钩，3033-陶瓷浇注料层；
47.4-物料。
具体实施方式
48.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
49.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
50.在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。下面结合附图和实施例，对本发明做详细说明。
51.发明人通过各种试验和对试验结果的分析，认为导致竖罐还原炉还原周期长的因素包括：单位体积物料的受热面积、料层厚度、排气方式、物料传热型式等，由于受各种因素的影响和制约，抵达还原开始温度的时间很长，严重影响了还原效率，因此，本发明主要是针对竖罐还原炉的还原周期长、出渣不畅等缺点做了针对性的工艺改进型设计。
52.由于物料(煅烧后的白云石+硅铁+萤石混合磨粉后压制成的料球)的还原反应需要在高温(1200℃～1300℃)和真空(≤13pa)状态下进行；本发明的基本思路是，将物料的非还原反应时间，即物料的预先加热过程，在竖罐还原炉外置的物料预热装置中进行，竖罐还原炉只用来实现物料真空条件下的还原作业。物料预热装置对物料加热块、物料受热均匀，可以将竖罐还原炉的还原周期从16～20小时缩短到6～8小时，取消了竖罐还原炉的无效作业时间，使竖罐还原炉真空还原的特性得到了最大程度的发挥。
53.实施例1：
54.参见图1，本实施例公开一种基于外置预热的竖罐还原系统，包括物料预热装置1、保温物料转运装置2和竖罐还原炉3，下面对各个部件进行详细说明。
55.物料预热装置1，用于物料4的前级高温预热；参见图2，本实施例中，物料预热装置1为回转式预热炉，利用回转式预热炉流态化的加热原理实现物料4的前级高温预热。
56.回转式预热炉包括支撑架系统101、旋转滚筒102、进料口103、出料口104、加热装置105和气氛回路106；旋转滚筒102横向设置在支撑架系统101上，旋转滚筒102的横截面形状为圆形、中空，旋转滚筒102的一端连接进料口103，另一端连接出料口104，进料口103和出料口104均设有双层互锁密封门，双层互锁密封门用以减少开闭进料口103和出料口104时给旋转滚筒102内带入空气，避免加热过程中物料4中的硅铁被氧化。
57.旋转滚筒102连接有驱动机构，通过驱动机构可以带动旋转滚筒102沿其中心轴自转，实现物料4的流态条件下加热；流态条件下加热的具体原理为：低温物料和高温物料在旋转滚筒转动时共同流动，流动过程中相互接触增加了传热温差；其次在流动混合过程中
低温物料都有机会和高温罐壁接触增加了传导传热；同时高温物料和低温物料在流态化的过程中也会互相传热，而流态化一直使物料处于动态接触中，所以导致了综合传热提高的效果。
58.在旋转滚筒102的外部套设加热装置105，本实施中，加热装置105为电感应加热装置，其可以间断式为旋转滚筒102加热也可以持续式为旋转滚筒102加热。其他实施例中，加热装置也可以选用气体燃料加热装置或者基于还原炉内过剩的高温烟气加热装置。
59.金属镁还原的前级高温预热过程中，要避免物料4中的还原剂硅铁被氧化，硅铁一旦出现氧化将降低硅铁的利用率，增加硅耗造成成本增加；因此需要通入惰性气体作为硅铁的防氧化保护，本实施例中，旋转滚筒102连接可控的气氛回路106，用于给旋转滚筒102充满惰性气体，本实施例中，惰性气体选用氩气，利用氩气对回转式预热炉内的空气进行置换，然后保持炉内氩气的微正压状态下预热，从而确保了物料4在预热过程中不被氧化或者是减少氧化的结果，其他实施例中，惰性气体也可以选用氮气。
60.在旋转滚筒102的料球中间设置有热电偶用于测量回转式预热炉加热料球的温度，当热电偶检测的温度达到料球需要前级高温预热的温度(900～1100℃)时，开始向保温物料转运装置2卸料；旋转滚筒102内还设置压力表115，实时监控竖式预热炉内部的气体压力。
61.保温物料转运装置2，用于将物料预热装置前级高温预热的物料4在保温状态下转运至竖罐还原炉内。
62.参见图3，保温物料转运装置2包括转运车和设置在转运车上的箱体201，箱体上端设置带有上盖202的入料口，箱体201的下底为斜滑面203，本实施例中，斜滑面203设置两块，两块斜滑面203拼合呈∧形，斜滑面203便于物料4流动，斜滑面203的角度为物料4的安息角角度，斜滑面203的最低处设置带有下盖204的出料口，出料时打开下盖204，物料4会自动流入到竖罐还原炉3内；箱体201、上盖202和下盖203通过高密度硅酸铝挡火板材质制成，耐温1200℃，在高密度硅酸铝挡火板材质外设置陶瓷纤维和多孔陶瓷的保温层，用以减少箱体201的散热损失，达到保温后8小时温降小于100℃的效果。本实施例中，保温物料转运装置为单箱结构，在其他实施例中，保温物料转运装置根据需要可以设计成四箱集成型、六箱集成型或者八箱集成型。
63.竖罐还原炉3，用于接收所述保温物料转运装置2转运的物料4，高温预热的物料4可在竖罐还原炉3内直接进行还原反应。
64.参见图4和图5，竖罐还原炉3包括还原罐体301，还原罐体301下端设置出渣口，还原罐体301上端为罐体开口，在罐体开口上端密封连接冷凝系统302；还原罐体301内固定设置中心管303，还原罐体301内从罐底20～30mm的空间高度纵向设置排气孔板304，本实施例中，排气孔板304设置两片，两片排气孔板304沿还原罐体301的截面圆直径对称焊接在还原罐体301内，每片排气孔板304与还原罐体301的内壁之间构成一路反应气体上升通道，共两路反应气体上升通道，在中心管303与排气孔板304之间填充物料4，物料4加热到还原温度后反应产生的金属蒸汽通过气体上升通道进入冷凝系统302冷凝；在其他实施例中，排气孔板可以设置为一片或者多片，例如，当设置三片排气孔板时，三片排气孔板依次续接构成横截面为三角形的结构，当设置四片排气孔板时，四片排气孔板依次续接构成横截面为四边形的结构，从而构成三路或者四路的反应气体上升通道。
65.参见图6-图8，排气孔板304为长板结构，排气孔板304上开设多层排气孔305，每个排气孔305均为倒三角形结构，倒三角形结构的排气孔305可以避免在装料时碎料进入气体上升通道造成气体上升通道的堵塞，影响反应效率。
66.参见图9，在本实施例中，中心管303不用于排气，而是用于调整物料4的料层厚度。中心管303为金属管和陶瓷的复合结构，根据最优性价比的料层厚度确定中心管303直径，中心管303包括中心设置的金属芯管3031，金属芯管3031外环形设置多组锚固钩3032，金属芯管3031外壁包覆陶瓷浇注料层3033，锚固钩3032埋设在陶瓷浇注料层3033内，金属芯管3031和陶瓷浇注料层3033的复合结构用以减少金属芯管3031的氧化，进而提高中心管303寿命，预计中心管303的使用寿命可以提高三到五倍。
67.本实施例的工作过程如下：
68.步骤s1、将压制好呈料球状的物料装入回转式预热炉，装料完成后双层互锁密封门封口，气氛回路向回转式预热炉内先通入惰性气体氩气，置换旋转滚筒内的剩余空气，置换完成后，视回转式预热炉的密封程度可以关闭氩气或者通入少量氩气保持微正压，目的是保证旋转滚筒内没有氧气或者是不存在氧化气氛，避免物料中的硅铁在高温下被氧化，旋转滚筒在旋转状态下实现物料的流态条件下加热。
69.步骤s2、当回转式预热炉中的物料温度达到900℃～1100℃，将前级高温预热的物料导入具有耐温和保温效果的保温物料转运装置，通保温物料转运装置将物料转运至竖罐还原炉进行还原反应。
70.步骤s3、竖罐还原炉内抽真空，前级高温预热的物料在真空条件下由900℃～1100℃升温至1180℃以上，还原反应开始，由于竖罐还原炉的加热装置在其外部，邻接竖罐还原炉内壁的外层物料温度首先达到还原温度，还原出金属蒸汽后直接由其外侧的排气孔板排出，金属蒸汽向上进入冷凝系统冷凝；邻接中心管的外壁的内层物料温度随后达到还原温度，金属蒸汽依次经外层物料、排气孔板，然后向上进入冷凝系统冷凝；由于外层物料始终处于高温状态，内层物料产生的金属蒸汽不会在罐内冷凝，出现结罐现象，影响排渣和通气效果。
71.实施例2：
72.与实施例1不同的是，本实施例中的物料预热装置1为竖式预热炉，参见图10，包括支撑架系统101和设置在支撑架系统101上的竖式炉体107，竖式炉体107的横截面形状为圆形，炉衬为高强度高铝纤维板，具有良好的保温特性，竖式炉体107的上端为带有密封盖的进料口103，竖式炉体107的下部侧壁设置带有密封盖的出料口104；在竖式炉体107的下端连接氮气加热系统，本实施例中，氮气加热系统选用列管式结构的间壁式管式加热器，包括氮气加热管路108、氮气循环管路109、氮气高压循环风机110和加热装置105，氮气加热管路108的热气出口与竖式炉体107下部连通，氮气加热管路108的冷却气入口与氮气循环管路109下端连通，氮气循环管路109上端与竖式炉体107的上部连通，氮气高压循环风机110设置在氮气循环管路109上，本实施例中，加热装置105为气体燃料加热装置，包括燃烧器111，燃烧器111在燃烧室112内产生热的高温烟气，高温烟气走氮气加热管路108外，氮气走氮气加热管路108内，通过热交换将氮气加热到1000～1100℃左右，加热后的氮气受氮气高压循环风机110的抽吸作用，从竖式炉体107的底部向上部流动，在流动过程中物料4被加热，氮气放热逐渐被冷却降温，降温后的氮气在氮气高压循环风机110的作用下又进入氮气加热
管路108再升温，如此循环完成物料4的前级高温预热，本实施例中，氮气加热管路108为耐高温金属管，材料可选用310s；其他实施例中，加热装置也可以是基于电热供热或者基于还原炉内过剩的高温烟气供热。
73.为了进一步加强氮气的热交换效率，在竖式炉体107内底部斜向设置篦板114，物料4填装在篦板114上方的竖式炉107体内，篦板114之下形成高温氮气的输入空间。
74.本实施例中，热电偶113设置于在物料4中，用于监测物料4的温度，温度测点的位置位于单次卸料量的高度处，当热电偶113的监测温度达到900～1100℃时，打开出料口104的密封盖开始卸料，将高温物料4进入到保温物料转运装置2；竖式炉体107内还设置压力表115，实时监控竖式预热炉内部的气体压力。
75.需要强调的是，回转式预热炉和竖式预热炉仅为本发明外置预热装置的两个具体实施例，本发明所属技术领域的技术人员利用外部前级加热或预热结合后级还原的生产模式都属于本专利的保护范围。
76.本发明实施例主要以金属镁的还原为例进行说明，并不意味着仅仅适用于金属镁的还原工艺，如金属锌碳热还原等一切可以利用竖罐真空还原炉的领域均落入本专利的保护范围。
77.通过以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。