电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉

摘要

本发明涉及真空冶金设备技术领域，具体为一种电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，包括炉体（1），所述炉体内设置有由硬质保温材料制成的料斗（4），所述料斗的中心部设有穿过料斗底面的中心通道；所述料斗底面同心设置有一个或者多个环状沟槽（7），所述沟槽（7）内设有固态或者熔融态的铁；所述炉体（1）内设置有矩形铁芯（6），所述矩形铁芯（6）的一条边穿过料斗4）的中心通道，所述矩形铁芯（6）的另一条边绕有原边线圈（9）；所述原边线圈（9）的铜质绕组引出端经炉体上的绝缘密封装置引出至炉外与电源装置相连。本发明设计合理，可以调节还原炉温度场的分布，传热效率快；用于镁、锂，锶、钙等高蒸汽压金属热还原法生产。

权利要求

1.一种电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，包括炉体（1），其特征在于：所述炉体（1）内设置有由硬质保温材料制成的料斗（4），所述料斗（4）的中心部设有穿过料斗（4）底面的中心通道；所述料斗（4）底面同心设置有一个或者多个环状沟槽（7），所述沟槽（7）内设有固态或者熔融态的铁；

所述炉体（1）内设置有矩形铁芯（6），所述矩形铁芯（6）的一条边穿过料斗（4）的中心通道，所述矩形铁芯（6）的一条边位于圆柱形炉体（1）的中心轴线上，所述矩形铁芯（6）的另一条边绕有原边线圈（9）；所述原边线圈（9）的铜质绕组引出端经炉体上的绝缘密封装置引出至炉外与电源装置相连；

所述炉体（1）和料斗（4）之间设置有保温层（8）；所述矩形铁芯（6）和料斗（4）之间设置有保温层（8）；则保温层（8）、料斗（4）和矩形铁芯（6）拼接固定；

所述炉体（1）顶部设有进料通道（10），该进料通道（10）贯穿保温层（8）后与料斗（4）联通；

所述炉体（1）底部设有排渣通道（11），该排渣通道（11）贯穿保温层（8）和料斗（4）后与料斗（4）内腔底部联通；

所述炉体（1）上部通过金属蒸汽通道（5）连接结晶室（2），所述金属蒸汽通道（5）内设置有保温层（8），所述金属蒸汽通道（5）上开设有粗抽口（13）；

所述结晶室（2）外设置有水冷套（15），所述结晶室（2）上部设有精抽口（14）。

2.根据权利要求1所述的电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，其特征在于：所述炉体（1）采用普通碳素钢制成，所述料斗（4）采用氧化铝空心球制成；所述保温层（8）采用陶瓷纤维毯制成。

3.根据权利要求1或2所述的电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，其特征在于：所述矩形铁芯（6）上绕组的内侧设置有与原边线圈（9）垂直布置的水冷套（12）。

4.根据权利要求3所述的电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，其特征在于：所述料斗（4）内先装入粉状的还原炉料（3），之后装入块状或者粒状的还原炉料（3）。

5.根据权利要求1所述的电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，其特征在于：所述料斗（4）底部的排渣口恰好位于沟槽（7）上方。

6.根据权利要求5所述的电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，其特征在于：所述沟槽（7）的横截面形状为上长下短的倒梯形。

7.根据权利要求1所述的电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，其特征在于：所述炉体（1）顶部设置有多个进料通道（10）。

说明书

电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉

技术领域

[0001] 本发明涉及真空冶金设备技术领域，具体为一种电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，可用于热还原法制备镁、锂，锶、钙等高蒸汽压金属的设备。

背景技术

[0002] 镁、锂、锶、钙等高蒸汽压金属，可以使用热还原法在真空条件下制备。目前在金属镁生产领域中，广泛使用的还原设备是使用燃气等直接加热由耐热合金制成的还原罐。此法受还原罐结构及材料性能的限制，反应温度低、传热慢、能耗高，并且由于还原罐的氧化等损耗大量消耗昂贵的镍铬合金。

[0003] 电热式熔融还原炉可以克服外热式还原炉的能耗高及还原罐消耗等问题。如U.S. Patent 2,971,833 在1961年就公开了一种交流电阻炉原理的熔融态镁还原炉。还原在石墨为内衬的电渣导电炉内进行。交流电源通过上石墨电极，熔融导电渣，石墨内衬形成回路。回路电流的焦耳热效应使得导电渣维持熔融状态并提供了还原反应所需的热量。还原反应则以液固和液液两种方式发生。在液态中反应，物质的传质较固态容易，因此反应速度快，还原时间大大缩短。原料均以块料入炉，不需要破粉碎、制球和压块，大大降低了劳动成本，提高了生产效率。U.S. Patent 4,699,653.在1987年公开了一种称为MINTEK的熔融态金属镁还原炉。该炉使用直流电弧来加热以石墨为内衬的炉膛内的导电渣，电流同样是经上石墨电极，熔融导电渣，石墨内衬形成回路。

[0004] 现有技术存在的问题是：炉膛内首先需要置有初渣。炉从冷态启动时需要额外的设施和操作，启动过程复杂，应用不便。石墨电极和石墨内衬在高温下的损耗较大，设备维护成本高。

发明内容

[0005] 针对现有电热熔融态真空还原炉的技术难题，本发明提供一种电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，用于镁、锂，锶、钙等高蒸汽压金属热还原法生产。

[0006] 本发明是采用如下技术方案实现的：

[0007] 一种电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，包括炉体，所述炉体内设置有由硬质保温材料制成的料斗，所述料斗的中心部设有穿过料斗底面的中心通道，料斗在任一个半径上的剖面呈U形；所述料斗底面同心设置有一个或者多个环状沟槽，所述沟槽内设有固态或者熔融态的铁。

[0008] 所述炉体内设置有矩形铁芯，所述矩形铁芯的一条边穿过料斗的中心通道，所述矩形铁芯的另一条边绕有原边线圈；所述原边线圈的铜质绕组引出端经炉体上的绝缘密封装置引出至炉外与电源装置相连。

[0009] 所述炉体和料斗之间设置有保温层；所述矩形铁芯和料斗之间设置有保温层；则保温层、料斗和矩形铁芯拼接固定。

[0010] 所述炉体顶部设有进料通道，该进料通道贯穿保温层后与料斗联通。

[0011] 所述炉体底部设有排渣通道，该排渣通道贯穿保温层和料斗后与料斗内腔底部联通。

[0012] 所述炉体上部通过金属蒸汽通道连接结晶室，所述金属蒸汽通道内设置有保温层，所述金属蒸汽通道上开设有粗抽口。

[0013] 所述结晶室外设置有水冷套，所述结晶室上部设有精抽口。

[0014] 工作时，首先将粉状的还原炉料通过炉体顶部的进料通道装填在料斗底部，直接与料斗底部的铁及残余料渣（上一次冶炼的残留物）接触。粉状还原炉料的上部再装填粒状或块状的炉料。由电源装置施加在铜质绕组上的高频交流电在铁芯中产生交变的磁场。该交变的磁场在料斗底部的环形铁中产生感生电流，电流产生的热量通过传导和辐射两种方式对残余料渣和炉料进行加热。当炉料和料渣加热到熔融状态后，其也具有导电性，其内部的感生电流也产生热量共同对炉料进行加热。通过这一电磁感应过程，电能无接触地传递给铁环和熔融料渣加热反应炉料及供给还原反应。随着炉料的熔融，还原反应在液固和液液两种方式发生。最终，炉料全部熔融，还原反应完成。

[0015] 在料斗底部的一侧设有排渣口。还原反应完成后，破真空，打开排渣口，液态的料渣将自动流出；也可以采用气泵加压的方式促使料渣快速排出。由于密度不同的原因， 较重的铁水沉在料斗底部的沟槽中不会被排出，用以在下一个工作循环初始时感生电流产生热量；多余的铁水随料渣一起排出，由于密度不同，在炉外铁水可以与料渣分离收集。

[0016] 还原过程中，在粗抽真空阶段使用粗抽口抽气，从而炉室气体内的浮尘不会沉积在结晶室中而使结晶镁的纯度降低。当达到较高的真空度，此时气体流量已很低，关闭粗抽口，从经过结晶室的精抽口处抽真空。

[0017] 优选的，铁芯的一条边位于圆柱形炉室的轴线上，并穿过中空圆筒形料斗的中心，铁芯的另外三条边贴近炉壳壁。

[0018] 进一步地，为了使得还原炉的装料更加便捷。

[0019] 设计还原室顶部设有多个进料通道，从此炉料自然下落装入料斗。

[0020] 与现有技术相比，本发明具体如下优点：

[0021] 1、料斗由硬质保温材料构成，不需使用有导电性的石墨内衬，造价低廉，高温下不宜损坏，运行维护成本低。

[0022] 2、初始发热体为料斗底部沟槽中的铁，在还原过程中炉料中残留的低硅铁会对其不断补充，多余的铁水会随料渣一起排掉。初始发热体在运行过程中不需维护。

[0023] 3、料斗中的料渣可以尽可能得排掉，不必留有余渣用于再次启动时作为发热体。料斗的空间可以更多地留给新装入的炉料。这样该还原炉可以采用类似皮江法的间歇生产流程，以得到比现有工艺更高纯度的产品。

[0024] 4、料斗底部的环形沟槽的数量分布依据热场需要设计。加热过程中温度分布均匀，没有过热点。

[0025] 5、供电装置将电源施加于一个等效变压器的原边线圈上，供电电压高，馈电电极电流小。同时馈电电极不与发热体接触，因而无需使用水冷电极，炉体结构简单，热量损失小。

[0026] 6、炉料还原反应后残留的低硅铁可以被回收。

[0027] 7、该还原炉在工作过程中不必连续加料，而采用一次性加料方式，也不会破坏加热电流回路，这样该还原炉还可以采用类似皮江法的间歇生产流程，便于与现有皮江法工艺兼容，而使得工艺转换的难度与风险减小。

[0028] 8、炉壳整体构成，没有活动部件，炉壳便于实现密封，允许还原过程在各种真空条件下进行。

[0029] 本发明设计合理，可以调节还原炉温度场的分布，传热效率快；主要用于镁、锂，锶、钙等高蒸汽压金属热还原法生产。

附图说明

[0030] 图1表示本发明的结构示意图。

[0031] 图2表示电磁组件剖面图。

[0032] 图中，1-炉体，2-结晶室，3-还原炉料，4-料斗，5-金属蒸汽通道，6-矩形铁芯，7-沟槽，8-保温层，9-原边线圈，10-进料通道，11-排渣通道，12-水冷管道，13-粗抽口，14-精抽口，15-水冷套。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

[0034] 一种电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉，包括炉体，为立式炉。

[0035] 如图1所示，炉体1内设置有由硬质保温材料制成的料斗4，所述料斗4的中心部设有穿过料斗4底面的中心通道，则料斗在任一个半径上的剖面大致呈U形；所述料斗4底面同心设置有一个或者多个环状沟槽7，所述沟槽7内设有固态或者熔融态的铁，环形铁作为加热体。沟槽7的横截面形状为上长下短的倒梯形。

[0036] 如图1所示，所述炉体1内设置有矩形铁芯6，所述矩形铁芯6的一条边穿过料斗4的中心通道且位于圆柱形炉体的中心轴线上，料斗的中心通道和矩形铁芯6之间也设置保温层8。铁芯的另外三条边贴近炉壳壁。所述矩形铁芯6的另一条边绕有原边线圈9，位于原边线圈绕组的内侧设置有与其垂直布置的水冷套12（如图2所示）；所述原边线圈9的铜质绕组引出端经炉体上的绝缘密封装置引出至炉外与电源装置相连。由电源装置施加在铜质绕组上的高频交流电在铁芯中产生交变的磁场，该交变的磁场在料斗底部的环形铁中产生感生电流，进而加热炉料。

[0037] 如图1所示，所述炉体1和料斗4之间设置有保温层8；所述矩形铁芯6和料斗4之间设置有保温层8；则保温层8、料斗4和矩形铁芯6拼接固定。那么炉壳温度仅略高于环境温度，所以炉体采用普通碳素钢制成。普通碳素钢是普通碳素结构钢的简称，属于低碳钢，含碳量小于0.38%，以小于0.25%最为常用。

[0038] 所述料斗4采用氧化铝空心球制成；氧化铝空心球是一种新型的高温隔热材料，它是用工业氧化铝在电炉中熔炼吹制而成的，晶型为a-Al2O3微晶体。以氧化铝空心球为主体，可制成各种形状制品，最高使用温度1800℃，制品机械强度高，为一般轻质制品的数倍，而体积密度仅为刚玉制品的二分之一。在石化工业气化炉、炭黑工业反应炉、冶金工业感应电炉等高温、超高温窑炉上得到广泛应用，取得了十分满意的节能效果。

[0039] 所述保温层8采用陶瓷纤维毯制成。陶瓷纤维毯具有低导热率、低热容量、优良的化学稳定性、优良的热稳定性、及抗震性、优良的抗拉强度、优良的吸音性，是保温耐火材料中的极佳材料。

[0040] 如图1所示，所述炉体1顶部设有进料通道10，该进料通道10贯穿保温层8后与料斗4联通。该炉体为整体式结构，炉料由进料通道10直接投入到料斗4内，先将粉状的还原炉料装填在料斗底部，直接与料斗底部的铁及残余料渣紧密接触，再将粒状或块状的炉料投入到粉状还原炉料的上部。铁芯上原边线圈通电后，环形铁中电流产生的热量通过传导和辐射两种方式对残余料渣和粉状炉料进行加热，加快炉料的升温速度。当粉状炉料和料渣加热到熔融状态后，其也具有导电性，其内部的感生电流也产生热量共同对粒状和块状炉料进行加热，还原反应在液固和液液两种方式发生。最终，炉料全部熔融，还原反应完成。

[0041] 如图1所示，所述炉体1底部设有排渣通道11，该排渣通道11贯穿保温层8后与料斗4底部联通；该排渣口恰好位于沟槽7上方，反应完成后，由于重力作用，铁水沉入沟槽内，不会随炉渣流出，为下一次加热做准备。

[0042] 如图1所示，所述炉体上部通过金属蒸汽通道5连接结晶室2，所述金属蒸汽通道5内设置有保温层8，所述金属蒸汽通道5上开设有粗抽口13。所述结晶室2外设置有水冷套15，所述结晶室2上部设有精抽口14。在粗抽真空阶段使用粗抽口抽气，从而炉室气体内的浮尘不会沉积在结晶器中而使结晶镁的纯度降低。当达到较高的真空度，此时气体流量已很低，关闭粗抽口，从经过结晶器的精抽口抽真空。整个发热体处于真空环境内部，受力很小，且由于真空的保护不易氧化。

[0043] 上述真空还原炉主要用于镁、锂，锶、钙等高蒸汽压金属热还原法生产。

[0044] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。