硅热法炼镁能源利用效率分析与改进措施.pdf

第6 0 卷第1 期 20 08 年2 月 有色金属 N O n f e r r o u sM e t 丑l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．1 F e b r u a r y2008 硅热法炼镁能源利用效率分析与改进措施 闫亮1 ，苏明1 ，徐河2 ，杜凤山1 1 ．燕山大学机械工程学院，秦皇岛0 6 6 0 0 4 ；2 ．维恩克科技集团。北京 10 0 0 2 8 摘要从冷凝区热量输入输出平衡的角度，分析硅热还原法炼镁过程中热量输入和输出的具体情况和影响各种热量输入 的因素，提出减少冷却水带走热量的措施并进行了试验验证，取得了比较满意的结果。 关键词冶金技术；镁；硅热还原法；热量；能效 中图分类号T F 8 2 2 ；T F S 0 3 ．1 3 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 0 8 7 0 3 镁合金在航空航天工业、军工领域、汽车工业、 电子信息等领域均已得到广泛的应用，并且具有广 阔的应用前景和开发潜力【1 ] 。目前我国生产金属 镁的主要方法是硅热还原法。硅热还原法冶炼金属 镁主要包括白云石的煅烧以及氧化镁的还原这两个 主要的生产过程。白云石是C a C 0 3 与M g C 0 3 的复 合物 C a C 0 3 M g C 0 3 ，在高温下煅烧分解为C a O 和M g O ，此混合物与硅铁和萤石按一定的比例制成 料球，最后料球在高温的还原罐中还原得到镁蒸汽， 镁蒸汽冷却后得到固体镁。 煅烧和还原的过程都是在高温下进行的，这两 个过程需要消耗大量的能源，如果能减少这两个过 程中的能量损失，即可在一定的程度上节省生产成 本，提高经济效益。根据有关资料，还原过程中冷却 水带走的热量可达到1 2 8 ．1 1 6 1 0 4 k J [ 2 3 ，由此可以 看出如果能减少冷却水带走的热量，即可在很大的 程度上节约能源，为此从影响还原过程中冷却水带 走热量的因素出发进行分析，研究冷却水带走的热 量与冷凝区的热量输入和输出情况的关系，分析了 冷凝区热量的输入和输出情况，最提出减少冷却水 带走的热量的方案，并且进行了实验。 1冷凝区热量的输入 1 ．1 反应区向冷凝区辐射的热量 图1 为镁还原装置的部分结构示意。反应区的 热量通过三个途径进入冷凝区。 a 反应区向冷凝 区辐射的热量。辐射热在高温下是主要的传热方 收稿日期2 0 0 6 0 5 2 2 基金项目国家自然科学基金重点资助项目 5 0 4 3 5 0 1 0 ，5 0 5 3 4 0 2 作者简介同亮 1 9 8 1 一 ．女。河北邢台市人，硕士生，主要从事 镁及镁合金等方面的研究。 式，它可以在真空中传播，不需要任何的介质。 b 高温下的镁蒸汽进入冷凝区冷凝成固体镁所放出的 热量。 c 热量通过还原罐壁和冷凝器壁的热传导 进入冷凝区。 真空泵水 图1 结晶部分结构示意 F i g ．1 S c h e m eo fc r y s t a l l i n ep o r t i o n 辐射在真空的条件下是主要的传热方式，在真 空中传播，不需要介质。辐射热Q 1 2 C 卜2 A l [ T l ／1 0 0 4 一 T 2 ／l O O 4 ] ，C 卜2 C o ／[ 1 ／e l 十A 1 ／ A 2 z ／e 2 1 ] 。其中C 卜2 一发散系数；C o 一黑体 发散系数；e 1 - 反应区物体的黑度；￡2 一冷凝区物体的 黑度；A l 一反应区物体的辐射面积；A 2 一冷凝区物体 的辐射面积；t 1 一反应区的温度；t ，一冷凝区的温度。 由此可以看出在还原罐直径、冷凝区设计尺寸 一定时，在高温下进行还原时A l ，A 2 ，e l ，e 2 以及。 t 2 基本上保持不变，则Q 1 ．2 基本保持不变。 为了能削弱反应区和冷凝区间的辐射换热，可 以采用减少发射率以及在两辐射表面之间安插隔热 挡板的方法，物体的发射率取决于物质种类、表面温 度等，在设计一定的情况并满足生产的要求时，采用 安插隔热挡板的方法是行之有效的，实际上一般都 采用发射率低的材料作为隔热挡板。 1 ．2 镁蒸汽冷凝成固体镁所放出的热量 万方数据 有色金属第6 0 卷 通常把镁蒸汽冷凝成固体镁的过程分解为五个 步骤[ 3 】来计算进入冷凝区的热量。 1 过热镁蒸气 ‘过热 冷却到正常沸点温度 ￡沸 所放出的热量Q 5 C 燕汽 ￡过热一‘拂 优 0 ．2 0 4 1 1 5 0 1 0 9 0 ‘，，l 1 2 ．2 4 优。式中C 蒸汽． 蒸汽的发散系数；m 一单位时间内进入冷凝区的镁 蒸气。 2 正常沸点下冷凝区镁蒸气潜热Q 2 1 3 3 7 m 。 3 液体镁由正常沸点温度 t 沸 冷却到熔点温 度 f 熔 所放出的热量Q 3 C 液 ￡沸一。熔 m 0 ．2 9 5 6 5 1 5 0 0 7 ” 4 4 ．5 r n 。 4 液体镁凝结所放出的熔化潜热Q 。 8 8 ．8 m 。 5 固体冷凝物由熔点冷却至冷凝器温度 。冷凝 所放出的热量Q 5 C 圊 o 熔一‘冷凝 m 0 ．2 9 5 6 5 1 5 0 0 m 4 4 ．5 m 。 镁蒸汽冷凝成固体镁放出的总的热量为QI Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 1 6 1 6 ．4 m 。 由此可以看出这部分热量只与还原过程所产生 的镁量有关，在装料量一定，还原条件不变的情况 下，随镁蒸汽进入冷凝区的热量基本上保持不变。 1 ．3 热量通过还原罐壁和冷凝器壁的热传导进入 冷凝区 由传热学可知，单位时间内通过横截面积所传 递的热量为Q “ 一A A g r a d t ，式中g r a d t 一空 间某节点的温度梯度，是物体沿某一方向的温度变 化率；A 一物体的导热系数，主要取决于物质的温度 和物质的种类等因素。为了削弱热量的传递，通常 采用导热系数小的绝热材料来削弱导热过程。 2冷凝区热量的输出 冷凝区热量的输出也主要有三个途径通过冷 却夹套与炉墙之间的非水部分向空气中传递；通过 冷凝器的端盖向空气中传递；冷却水带走的热量。 由于水的导热系数是空气的几十倍，因此和冷却水 带走的热量相比，其他两方面散失的热量可忽略不 计。 若是冷凝区的温度保持在工艺指标之内， Q 输入和Q 输出必须保持平衡，为了减少冷却水带走 的热量，需从减少反应区输入到冷凝区的热量的角 度来考虑。分析冷凝区热量的输入和输出情况就可 以从减少输入热量的角度来减少热量的输出。 3 减少反应区向冷凝区热量输入的措施 1 减少反应区向冷凝区的辐射热。由上面的 分析可知，为了减少反应区向冷凝区辐射的热量，可 以在反应区和冷凝区之间插入隔热屏。 2 减少还原罐壁和冷凝壁的热传导进入冷凝 区的热。在还原罐和过渡段使用导热系数小的保温 材料来削弱反应区向冷凝区的传导热。 4 减少冷却水带走热量的试验 在这里针对上述第2 项措施进行了试验。所用 装置是对原来的还原罐进行了一定的改造，即在还 原罐和过渡段焊接了隔热法兰，夹层采用导热系数 小的石棉板。隔热材料的选取要求耐高温、密封性 能要好、隔热效果显著，否则无法达到隔热效果 需要测量的数据有还原罐水套边缘点、法兰左 右两边点和另一根还原罐相应位置的温度，还原罐 冷却水带走的水量、水温，料球的温度，还原罐的产 镁量。． 测量两反应条件基本相似的还原罐的数据，主 要比较相应位置的温度和冷却水带走的热量。 4 ．1 从还原罐上各相应点的温度角度来进行比较 图2 ～图4 两还原罐相应位置温度的测量数 据。测量结果表明 1 在同一时刻加法兰的还原罐 的水套边缘和法兰左边 靠近水套侧 的温度值比没 有加法兰的还原罐低2 0 ～2 6 ℃； 2 法兰右侧 靠近 料球侧 的温度值比没有加法兰的还原罐的温度高 出2 8 - - 4 5 ℃； 3 对于加法兰的还原罐，法兰左右两 边的温降比另一还原罐温差大，这是由于隔热石棉 板的作用； 4 在经过一定的时间后各点的变化幅度 很小，但各点的大小关系总是保持不变的。 p 莨 图2 水套及相应点温度曲线 F i g ．2T e m p e r a t u r ec u r v eo fw a t e rj a c k e t a n dc o r r e s p o n d i n gp o i n t 由此可以看出，隔热法兰在一定的程度上对法 兰左侧温度的降低有一定的效果，法兰右侧的温度 比没有加法兰的时候有所提高。这说明隔热法兰起 到了效果，所以从温度降低的角度来考虑，试验达到 万方数据 第1 期囝亮等硅热法炼镁能源利用效率分析与改进措施 了预期的效果。 p 亡 图3 法兰左侧及相应点温度曲线 F i g ．3T e m p e r a t u r ec u r v eo ff l a n g el e f t a n d ∞r r e s p o n d i r l gp o i n t 4 ．2 从热置的角度来考虑 试验是在生产中进行的，由于实际情况的复杂 性，为了尽可能的使试验结果比较理想，考虑影响冷 却水带走热量的各种主要因素，如辐射热的影响，不 同产镁量对冷却水所带走的热量的影响。综合考虑 这些因素的影响后计算出一个周期内加隔热法兰的 还原罐冷却水带走的热量较原装置的热量值降低了 0 ．1 6 2 7 1 0 5 k J ，从长远角度考虑，所减少的热量相 当可观。 参考文献 图4 法兰右侧及相应点温度曲线 F i g ．4T e m p e r a t u r ec u r v eo ff l a n g er i g h t a n dc o r r e s p o n d i n gp o i n t 从单罐来考虑，减少罐壁和冷凝壁的热传导进 入冷凝区的热对还原中热量的损失有一定效果。 5结论 从冷凝区热量输入输出平衡的角度，分析还原 过程中热量的输入和输出的具体情况和影响各种热 量输入的因素，提出减少冷却水带走的热量的措施 并进行了试验验证，取得了比较满意的结果。 [ 1 ] P o l m e rIJ ．M a g n e s i u ma l l o y sa n da p p l i c a t i o n s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 4 ， 1 0 l 1 6 ． [ 2 ] 梁志明，王沛．金属镁还原炉热能平衡及其节能整改分析[ J ] ．江苏电机工程，1 9 9 6 ，1 5 1 4 7 5 0 ． [ 3 ] 李江，藏镜淳．对皮江法炼镁过程冷凝区温度的分析[ J ] ．轻金属，1 9 9 3 ， 7 3 4 3 7 ． E n e r g yE f f i c i e n c yA n a l y s i sa n dI m p r o v e m e n tM e a s u r e so f M a g n e s i u mS i l i c o t h e r m i cP r o c e s s Y A NL i a n 9 1 ，S UM i n 9 1 ，X UH e 2 ，D UF e n g - s h a n l 1 ．M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fY a n s h a nU n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o0 6 6 0 0 4 ，H e b e i ，C h i n a ； 2 ．W I N C AM a g n e s i u mC o ．L t d ，B e i j i n g1 0 0 0 2 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n p u ta n do u t p u to ft h eh e a tq u a n t i t yi nr e d u c t i o np o to fm a g n e s i u ms i l i c o t h e r m i cr e d u c t i o np r o c e s sa n d t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h eh e a te n t r a n c ea r ea n a l y z e df r o mt h ea s p e c to fh e a tb a l a n c ei n ，t h ec o o l i n ga r e a O n t h eb a s i so fa n a l y s i s ，t h em e a s u r e sf o rr e d u c i n gt h eh e a tl o s sf r o mc o o l i n gw a t e ra r ep r o s p e c t e da n dv a l i d a t e db y e x p e r i m e n t s ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；m a g n e s i u m ；s i l i c o t h e r m i cr e d u c t i o np r o c e s s ；h e a t ；e n e r g ye f f i c i e n c y 万方数据