一种电热还原生产金属镁的设备的制作方法

1.本实用新型涉及金属镁生产设备技术领域，特别是涉及一种电热还原生产金属镁的设备。


背景技术：

2.青海盐湖是我国盐湖分布的最大“富矿”，丰富的钾、镁、锂等盐类资源潜在经济价值巨大。镁资源是察尔汗盐湖的优势资源，储量占全国的83％以上，其中镁主要以氯化镁形式作为氯化钾生产排放的副产物存在，每年排放数千万吨。目前在青海盐湖对金属镁的生产主要通过卤水精制、电解、铸造三个单元实现，其中卤水精制中的氯化镁脱水单元还未能实现稳定运行，严重制约盐湖金属镁装置的稳定运行和达标达产。当前对水氯镁石脱水是在氯化氢气体保护下进行，避免在脱水过程中生成氧化镁，但是氯化氢气体在高温下对金属材料腐蚀严重，因此对设备材料选择要求严格，建造设备的成本高，加工技术要求难度大；而且氯化氢气体是有毒气体，制造、运输、使用过程难度大，极易造成环保污染和重大人身事故，继而影响了金属镁一体化项目进程。
3.因此可以选择热还原法生产金属镁，首先将青海盐湖提取氯化钾后的卤水和石灰乳作为原料，制备成等摩尔钙镁氧化物，将钙镁氧化物添加至还原罐内，还原罐在还原炉中加热，用铝硅合金还原剂将钙镁氧化物还原成金属镁，在青海盐湖中热还原法比电解法炼制金属镁的能耗低，并且能够避开水氯镁石脱水的难题。目前我国热还原法生产金属镁的还原炉普遍采用的是外加热卧式还原罐还原炉，对还原炉加热的燃料仍然为化石燃料，这样导致镁冶炼能耗高、污染大、生产成本高，而且卧式横罐的寿命短，人工操作较困难，生产环境差，工人劳动强度大。
4.随着全国风能太阳能发电逐渐增多，将青海盐湖区风电、光伏电和镁锂双离子储能电池作为热源取代目前化石燃料的热源，用电热连续铝硅合金还原得到金属镁，从而改善环境，增加劳动生产率，减轻工人劳动强度势在必行。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种电热还原生产金属镁的设备，以解决上述现有技术存在的问题，降低镁冶炼的能耗和污染，改善环境，减轻工人劳动强度，增加劳动生产率。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
7.本实用新型提供一种电热还原生产金属镁的设备，包括炉体、多个还原竖罐、多个结晶器和供电装置，所述炉体具有多个炉膛，任一所述还原竖罐能够放置并固定安装于任一所述炉膛内，所述结晶器能够密封连接于所述还原竖罐开口端并与所述还原竖罐连通，每个所述炉膛内均设置加热装置，所述供电装置的输出端用于与各所述加热装置连接，所述供电装置的输入端用于与清洁能源发电系统连接并能够将所述清洁能源发电系统产生电能提供给各所述加热装置。
8.优选的，还包括冷却系统、真空机组和控制系统，所述真空机组能够与各所述炉膛
和与所述还原竖罐固定连接并连通后的所述结晶器连接并能够对各所述炉膛和与所述还原竖罐连通后的所述结晶器抽真空，所述冷却系统能够与所述真空机组、所述结晶器和各所述炉膛连接并对所述真空机组、所述结晶器和各所述炉膛进行冷却，所述控制系统能够连接所有的所述冷却系统、所述真空机组和所述供电装置并控制所述冷却系统、所述真空机组和所述供电装置的开启和关闭。
9.优选的，所述清洁能源发电系统为风电系统、光伏电系统和镁锂双离子储能电池系统中的至少一种，所述风电系统和所述光伏电系统分别与电源控制系统连接并能够将电能单向输送到所述电源控制系统，所述电源控制系统与所述供电装置连接并将电能输送至所述供电装置，所述镁锂双离子储能电池系统能够在所述风电系统和所述光伏电系统波动和间歇时向所述电源控制系统输送电能，所述电源控制系统能够将多余电源储存到所述镁锂双离子储能电池系统内。
10.优选的，所述加热装置为电磁感应线圈或加热电阻丝。
11.优选的，所述结晶器具有石墨滤网，所述石墨滤网设置于所述结晶器一端，所述还原竖罐通过所述石墨滤网与所述结晶器连通，所述还原竖罐内的镁蒸气能够穿过所述石墨滤网进入所述结晶器中并在所述结晶器内沉淀结晶。
12.优选的，所述真空泵组包括真空机组ⅰ和真空机组ⅱ，所述真空机组ⅰ通过真空阀与各所述炉膛连接，所述真空机组ⅱ通过真空阀与固定连接在所述还原竖罐上方的所述结晶器连接。
13.优选的，所述结晶器包括结晶器外壁和套设于所述结晶器外壁内的结晶器内壁，所述结晶器外壁内侧和所述结晶器内壁外侧之间形成环形的结晶器冷却腔，所述镁蒸气能够进入所述结晶器内在所述结晶器内壁内侧结晶；所述炉膛包括炉膛外壁和套设于所述炉膛外壁内的炉膛内壁，所述炉膛外壁内侧和所述炉膛内壁外侧之间形成环形的炉膛冷却腔，所述炉膛内壁内侧固定有所述加热装置，所述结晶器冷却腔和所述炉膛冷却腔用于与所述冷却系统连通。
14.优选的，各所述还原竖罐外壁上设有测温装置ⅰ，各所述结晶器外壁上设有测温装置ⅱ，所述测温装置ⅰ和所述测温装置ⅱ与所述温控表连接并能够将测得的温度通过所述温控表显示出来，所述电热还原生产金属镁的设备还包括真空检测仪ⅰ和真空检测仪ⅱ，所述真空检测仪ⅰ对各所述结晶器内真空度进行检测，所述真空检测仪ⅱ对各所述炉膛内真空度进行检测，所述控制系统能够连接并控制所述还原测温装置、所述结晶测温装置、所述真空检测仪ⅰ和所述真空检测仪ⅱ。
15.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.本实用新型提供一种电热还原生产金属镁的设备，通过清洁能源发电系统代替石化燃料，作为炼镁加热热源，实现了能源清洁，对环境污染少；还原竖罐代替传统还原横罐，延长还原罐寿命，人工操作更加方便；在一个电阻炉或感应炉中，设有多个还原竖罐，能够同时进行热还原反应，还原时间减少，金属镁还原率高，工业大规模应用效率高。
17.进一步的，清洁能源发电系统由风电系统和光伏电系统的再生能源和镁锂双离子储能电池系统共同组成，镁锂双离子储能电池系统在风电系统和光伏电系统波动和间歇时向电源控制系统输送电能，该系统把间歇性、不稳定的风电、光伏电变为稳定可靠地组合电源供给负载还原生产金属镁的设备使用。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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的附图。
19.图1为本实用新型提供的电热还原生产金属镁的设备的结构示意图；
20.图2为本实用新型中清洁能源发电系统作为电热还原生产金属镁的设备的电源连接图。
21.图中：1-控制系统；2-供电装置；3-炉体；4-加热装置；5-炉膛；6-还原竖罐；7-结晶器；8-真空机组i；9-真空机组ii；10-冷却系统；11-真空测试仪i；12-真空测试仪ii；13-温控表。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.本实用新型的目的是提供一种电热还原生产金属镁的设备，以解决上述现有技术存在的问题，降低镁冶炼的能耗和污染，改善环境，减轻工人劳动强度，增加劳动生产率。
24.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
25.实施例1
26.如图1所示，本实施例提供一种电热还原生产金属镁的设备，包括炉体3、多个还原竖罐6、多个结晶器7和供电装置2，炉体3具有多个炉膛5，任一还原竖罐6能够放置并固定安装于任一炉膛5内，结晶器7能够密封安装于还原竖罐6开口端并与还原竖罐6连通，安装有结晶器7的还原竖罐6用吊车吊进炉体内并固定安装，每个炉膛5内均设置加热装置4，还原竖罐6由镍铬耐热钢制作，每次吊装在加热装置4内的底座上，供电装置2的输出端用于与各加热装置4连接，供电装置2的输入端用于与清洁能源发电系统连接并能够将清洁能源发电系统产生电能提供给各加热装置4，加热装置4可以是电磁感应线圈，也可以是加热电阻丝，这种内加热方式保证了还原竖罐6内加热反应迅速，显著节省反应时间，供电装置2与清洁能源发电系统连接，清洁能源发电系统代替石化燃料，实现了能源清洁，使金属镁及后续产品的生产具有绿色电力供应保证和价格低廉的优势，生产成本降低，经济效益更加突显，还原竖罐6代替传统还原横罐，延长还原罐寿命，人工操作更加方便；在一个电阻炉或感应炉中，设有多个还原竖罐6，还原时间减少，金属镁还原率高，工业大规模应用效率高。
27.电热还原生产金属镁的设备还包括冷却系统10、真空机组和控制系统1，真空机组能够与各炉膛5和每个与还原竖罐6固定连通后的结晶器7连接并能够对各炉膛5和与还原竖罐6固定连通后的结晶器7抽真空，真空机组通过真空阀与炉膛5和与还原竖罐6固定连通后的结晶器7连通，对与还原竖罐6固定连通后的结晶器7抽真空便于原料在真空状态下进行热还原反应，对炉膛5抽真空避免在高温环境下工作的炉膛氧化，降低工作寿命，冷却系
统10能够与真空机组、结晶器7和各炉膛5连接并对真空机组、结晶器7和各炉膛5进行冷却，及时对各系统冷却能够使热还原反应连续进行，提高工作效率，控制系统1能够连接所有的冷却系统10、真空机组和供电装置2并控制冷却系统10、真空机组和供电装置2的开启和关闭，以实现真空状态和还原温度、结晶温度的保持。
28.如图2所示，清洁能源发电系统为风电系统、光伏电系统和镁锂双离子储能电池系统中的至少一个，风电系统和光伏电系统分别与电源控制系统连接并能够将电能单向输送到电源控制系统，风电系统用ac/dc变换器与电源控制系统连接；光伏电系统用dc/dc变换器与电源控制系统连接，电源控制系统与供电装置2连接并将电能输送至供电装置2，镁锂双离子储能电池系统能够在风电系统和光伏电系统波动和间歇时通过dc/dc变换器向电源控制系统输送电能，电源控制系统能够将多余电源通过dc/dc变换器储存到镁锂双离子储能电池系统内，由于风电和光伏电的不稳定和间歇性，导致电压和电流不稳，镁锂双离子储能电池系统在风电和光伏电波动和间歇时向电源控制系统输送电能，时刻保持电源控制系统的电压和电流稳定，通过dc/ac变换器，保证供给供电装置2的电压及功率稳定，满足其需要。
29.本实施例的可选方案中，较为优选的，结晶器7具有石墨滤网，石墨滤网设置于结晶器7一端，还原竖罐6通过石墨滤网与结晶器7连通，石墨滤网能够过滤粉尘，并且还起到阻止温度扩散，石墨滤网上的温度为1000～1050℃，镁蒸气能够穿过高温的石墨滤网进入结晶器7中并在较低温的结晶器7的内壁上沉淀结晶，金属镁高纯可高达99.9％。
30.本实施例的可选方案中，较为优选的，真空机组包括真空机组ⅰ8和真空机组ⅱ9，真空机组ⅰ8通过真空阀与各炉膛5连接，通过真空机组ⅰ8对各炉膛5抽真空到100～200pa，防止高温加热时炉膛会氧化，真空机组ⅱ9通过真空阀与固定连接在还原竖罐6上方的结晶器7连接，在对还原竖罐6加热前通过连接在结晶器7上的真空机组ⅱ9抽真空到热还原反应所需的工艺真空度5～10pa。
31.结晶器7具有结晶器外壁和结晶器内壁，结晶器外壁内侧和结晶器内壁外侧之间形成环形的结晶器冷却腔，镁蒸气能够进入结晶器7内在结晶器内壁内侧结晶，炉膛5具有炉膛外壁和炉膛内壁，炉膛外壁内侧和炉膛内壁外侧之间形成环形的炉膛冷却腔，炉膛5内壁内侧贴合加热装置，结晶器冷却腔和炉膛5冷却腔通入冷却水对结晶器7和还原竖罐6冷却降温，冷却水与冷却系统10连通。各还原竖罐6外壁上设有测温装置ⅰ，各结晶器7外壁上设有测温装置ⅱ，在水冷的情况下，以确保结晶温度控制在500～550℃，镁蒸气在结晶器7内遇冷结晶，测温装置ⅰ和测温装置ⅱ与温控表13连接并能够将测得的温度通过温控表13显示出来，电热还原生产金属镁的设备还包括真空检测仪ⅰ11和真空检测仪ⅱ12，真空检测仪ⅰ11对各结晶器内真空度进行检测，在对还原竖罐6加热前通过连接在结晶器7上的真空机组ⅰ11抽真空到工作状态各炉膛通过真空检测仪ⅱ12对各炉膛内真空度进行检测，控制系统能够连接并控制还原测温装置、结晶测温装置、真空检测仪ⅰ11和真空检测仪ⅱ12。
32.实施例2
33.本实施例2还提供了生产金属镁的方法，利用上述实施例1中的电热还原生产金属镁的设备进行生产金属镁的方法，包括以下步骤：
34.步骤1：获取由含镁物料与添加剂和还原剂混合均匀后的干燥原料并压制成型；
35.步骤2：将至少部分成型原料添加至还原竖罐内，再将结晶器密封连接于还原竖罐
上端，安装成完后将连接有结晶器的还原竖罐吊进炉膛中并对还原竖罐进行安装固定；
36.步骤3：对炉膛、还原竖罐和结晶器抽真空到各自的工作真空度；
37.步骤4：启动供电装置对还原竖罐进行加热，当成型原料中的镁以蒸气形式上升到结晶器中，控制结晶器保持在结晶温度(500～550℃)使镁蒸气在结晶器内壁上冷凝结晶；
38.步骤5：待成型原料热还原反应完成后，关闭供电装置并将炉体冷却，直到炉体内温度显示500℃；
39.步骤6：先破真空，然后将安装有结晶器的还原竖罐通过天车调出炉体，并取下打开结晶器，取出里面的金属镁；
40.步骤7：将还原竖罐中的物料尾渣倒出，然后依次循环步骤2-步骤7。
41.本实施例2的可选方案中，较为优选的，含镁物料为等摩尔氧化钙氧化镁混合物、橄榄石或高镁红土镍矿，等摩尔氧化钙氧化镁混合物由盐湖水氯镁石制备而成，青海盐湖在提取氯化钾后，排放的副产物中水氯化镁浓度高达30～35％，在水氯化镁中加入适量的石灰乳，得到等摩尔氧化钙与氧化镁混合物沉淀，过滤后得到氧化钙与氧化镁混合物并在300～400℃干燥；过滤后的清水，蒸发水分得到工业级别无水氯化钙，通过磨矿使氧化钙与氧化镁混合物达到120目，再将添加剂(氟化钙或氟化镁)和还原剂(硅铁或硅铝合金，120目)按照比例搅拌混合，将混合原料通过干法压制成型；橄榄石或高镁红土镍矿通过破碎机磨矿达到120目，再将添加剂(氟化钙或氟化镁)和还原剂(硅铁或硅铝合金，120目)按照比例搅拌混合，将混合原料通过干法压制成型，避免对还原竖罐6抽真空时将混合原料一起带走，污染泵油。
42.本实施例2的可选方案中，较为优选的，通过干法压制将混合原料压制成球团形状，物料密实，接触性好，反应速度更快。
43.实施例2中电流效率达到90％，镁的回收率为90％，镁的纯度为99.9％，还原渣中氧化镁含量低于6％，可用于水泥原料。
44.实施例3
45.本实施例3还提供了一种生产金属镁的方法，利用上述实施例1中的电热还原生产金属镁的设备进行生产金属镁的方法，包括以下步骤：
46.步骤1：获取大量由破碎机磨碎的干燥白云石与添加剂和还原剂按照比例搅拌混合而成的原料并压制成型；
47.步骤2：将至少部分成型原料添加至还原竖罐内，再将结晶器密封连接于还原竖罐上端，安装成完后将连接有结晶器的还原竖罐吊进炉膛中并对还原竖罐进行安装固定；
48.步骤3：直接启动供电装置对加热装置供电加热，并通过控制系统控制还原竖罐升温到1100～1200℃，保温2～2.5小时，高温下对白云石原料进行煅烧，并排出煅烧产生的废气，直到没有气体放出；
49.步骤4：对炉膛、还原竖罐和结晶器抽真空到各自的工作真空度；
50.步骤5：启动供电装置对还原竖罐进行加热，当成型原料中的镁以蒸气形式上升到结晶器中，控制结晶器保持在结晶温度(500～550℃)使镁蒸气在结晶器内壁上冷凝结晶；
51.步骤6：待成型原料热还原反应完成后，关闭供电装置并将炉体冷却，直到炉体内温度显示500℃；
52.步骤7：先破真空，然后将安装有结晶器的还原竖罐通过天车调出炉体，并取下打
开结晶器，取出里面的金属镁；
53.步骤8：将还原竖罐中的物料尾渣倒出，然后依次循环步骤2-步骤8。
54.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。