内热式竖式炉炼镁冷凝产物形态的研究.pdf

2 0 1 5 年第l 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 辐n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 1 ．0 0 7 内热式竖式炉炼镁冷凝产物形态的研究 牛立斌，王晓刚，樊子民，许臻 西安科技大学材料科学与工程学院，西安7 1 0 0 5 5 摘要利用自主研发的内热式竖式炼镁炉还原白云石球团料来提取粗镁，并对冷凝产物进行分析和表 征。结果表明，当冷凝器位于竖式炉的正上方和不加外部冷却时，进行冷凝产物粗镁的收集是可行的， 冷凝产物均呈现致密层和疏松层两部分，在距离挡火板5 0c m 处，致密层较厚，疏松层较薄。 关键词皮江法；竖式炉；冷凝物；镁 中图分类号T F 8 2 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 1 5 0 1 一0 0 2 7 一0 3 M o r p h o l o g yS t u d yo fM gC o n d e n s a t i o nP r o d u c e db y I n n e r - h e a t i n gV e r t i c a lF u r n a c e N I UL i - b i n ，W A N GX i a o g a n g ，F A NZ i m i n ，X UZ h e n g C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c l e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，X f a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X r a n7 1 0 0 5 5 ，C h i n a A b s t r a c t N o v e li n n e r h e a t i n gv e r t i c a lf u r n a c ei n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e dw a sa p p l i e dt oe x t r a c tc r u d e m a g n e s i u mf r o md o l o m i t e ．M a g n e s i u mc o n d e n s a t i o nw a sa n a l y z e da n dc h a r a c t e r i z e d ． T h er e s u l t ss h o w t h a tw h e nc o n d e n s e ri sl o c a t e da b o v es h a f tf u r n a c ea n dn oe x t e r n a lc o o l i n gi sc a r r i e do u t ，c o l l e c t i o no f c r u d em a g n e s i u mi sa v a i l a b l e ．C o n d e n s a t i o np r o d u c t sc a nb ed i v i d e di n t od e n s el a y e ra n dl o o s el a y e r ， r e s p e c t i v e l y ． T h eo p t i m a l1 0 c a t i o ni s5 0c mf r o mf i r eb l o c k i n g ，w h e r ed e n s el a y e ri st h i c ka n d1 0 0 s el a y e ri s t h i n ． K e yw o r d s P i d g e o nP r o c e s s ；v e r t i c a lf u r n a c e ；c o n d e n s a t i o n ；m a g n e s i u m 传统皮江法炼镁虽然投资少、见效快，但能耗 大、劳动强度大、对环境的污染严重[ 1 ’2 ] ，不利于可持 续发展和资源的有效利用。近年来研发出的竖式金 属镁还原炉力图改变这种现状[ 3 。] 。但在竖式炉炼 镁时，还原出的金属镁蒸汽分子运行轨迹不同于皮 江法，导致冷凝产物形态、纯度以及质量有所不同。 因此，对竖式炉炼镁时金属蒸汽的冷凝形态研究有 利于找到影响蒸汽冷凝方式的关键因素，实现对冷 凝过程的有效控制，进一步加快竖式炉的研发进程。 本试验是在冷凝器不进行外部循环水冷却前提下， 采用电加热内热式竖式炉提取粗镁，并对冷凝产物 进行分析表征。 1试验过程 试验所用设备为图1 所示自行研发的电加热内 热式竖式炼镁炉，目前正处于半工业化试制阶段。 试验所选用的原料来于山西某硅热法 皮江法 镁冶炼厂。竖式炉的外形尺寸为直径3m 、高度 8m ，本试验炉对原有专利n ] 所述的炼镁炉进行改 进，将冷凝器位于炉体顶端[ 9 ] 。试验时每炉装还原 球团料约1 ．5t ，还原真空度1 0 ～1 5P a ，从室温2 0 ℃加热到集气空间 D 点 温度为 12 0 0 2 0 ℃，用 时4h ，保温2h 后开始降温，直至集气空间的温度 为2 0 0 ℃，破坏真空，取出冷凝器，对冷凝器内粗镁 收稿日期2 0 1 4 一0 8 1 3 基金项目陕西省科技统筹计划项目 K T C Q l 1 7 ；陕西省教育厅项目 2 0 1 3 J K 0 8 6 1 作者简介牛立斌 1 9 7 2 一 ，男，山西运城入，博士，副教授． 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i mm ．c n 2 0 1 5 年第l 期 测温．- j ，i A 测温点B 测温点c 测温点D 图l内热式竖式炉炼镁装置示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fi n n e r - h e a t i n gV e r t i c a I f u r n a c et op r o d u c em a g n e s i u m 的形态进行表征和分析。 2结果分析 半工业化试验过程中，从挡火板到钾钠分离器 之间的高度 即冷凝器高度 为16 0 0m m 。其中测 温点A 、B 、C 、D 的温度分别为1 9 5 、4 4 0 、7 8 6 、12 0 0 ℃，经计算，温度梯度为3 ．7 5 ℃／m m 。炉体的外壁 温度达到手可触摸的程度，表明竖式还原炉的保温 性能良好，同时又说明热损耗极少，可大大提高热利 用率。冷凝器上端直径o ．6m ，下端直径o ．7m ，高 度1 ．8m ，冷凝产物层厚度从下往上依次减薄，且冷 凝产物逐渐变得疏松。在同一位置，冷凝产物均可 分为致密层和疏松层两部分，从挡火板位置 记为起 始零点 向上依次对冷凝产物厚度进行测量，结果如 图2 所示。 从图2 可知，随距离挡火板高度的增加，致密层 厚度和总厚度均呈现出先增大后减小的趋势，而疏 松层的厚度随高度变化不明显。在距离挡火板5 0 c m 处，冷凝产物的致密层厚度最大，疏松层较薄。 另外对致密层和疏松层的成分进行化验，结果表明， 前者纯度均在9 9 ．5 ％以上，而后者略微低些，但都 在9 8 ．7 ％以上，其原因主要是化验前冷凝产物在空 气中有一定程度的氧化。 图3 为冷凝产物的X R D 谱。与标准卡片P D F 3 5 一0 8 2 1 相比较，图3 中不同位置所得到产物的 物相种类基本相同，均是在 0 0 2 、 1 0 2 、 1 0 3 晶面 附近出现明显的衍射峰。 ．．．．．【．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．J．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．J【．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1．．．．．．．．．．．．．．J 捌}剐1H }f { 【I“H 11 2 I }l 舢 距挡火板距离／c m 图2 不同位置冷凝产物的厚度变化 F i g ．2 T h i c k n e s sV a r i a t i O no fM g c o n d e n s a t i o na td i f f 色r e n tl o c a t i o n s 2 l l 翔 4 1 嗣}“ 7 I 8 I 2 臼， 。 图3 不同位置致密层的x R D 谱 F i g ．3 X R Dp a t t e r n so fc o m p a c tl a y e r s a td i f f e r e n tI O c a t i O n s 图4 为距离挡火板不同高度区域的宏观形貌。 从横断面 图4 a 和4 b 可以看出，致密层金属 光泽较为明显，而疏松层略微发灰。从图4 c ～4 e 可 以看出，疏松层为一系列不同直径的球状物非常紧 凑地挤压在一起，并且随着高度的增加颗粒逐渐变 大，到最上端，球状颗粒直径虽然变小了，但颗粒间 的密集度明显降低；另一方面，在距离挡火板5 0c m 处，冷凝器壁和致密层的分离效果较好，表明可轻松 地将冷凝产物从冷凝器中取出。 致密层与疏松层之间的结合是个渐变过程。就 冷凝器的某一位置而言，开始结晶时，由于冷凝器的 传热效果较好，金属镁蒸汽原子碰到冷凝桶壁很快 凝聚形核，且通过桶壁将结晶潜热快速传输出去，故 吸附后来的蒸汽原子以及融合长大能力均受到抑 制，因而得到的粗镁较为致密；随着时间的延长，由 于结晶桶上已经有一定量的粗镁出现，结晶潜热向 外传递能力下降，已结晶的粗镁表面温度要高于最 ㈨ 凸 舯 ⋯ 5 EⅢ／莓『壁霉t替专{ 万方数据 2 0 1 5 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 9 初相应位置的结晶桶温度，导致蒸发上来的镁原子 不能迅速地在桶壁凝结，原子的碰撞概率增加，晶核 吸附蒸汽原子长大和晶核问相互碰撞融合长大加 剧，从而形成的晶核较大；在降温阶段，过冷度不断 降低，原子碰撞加剧，金属的扩散受到较大阻力，因 而形成较大的粒子，乃至于形成了粉状。 就冷凝器的纵向而言，在真空条件下，不同的位 置，冷凝器壁的温度不一致，相互碰撞的镁蒸汽原 子，在离挡火板较近的地方，流速较高，金属蒸汽的 饱和度降低较快，形成的粒子较小，蒸汽冷凝易得到 致密组织；在离挡火板较远的地方，其过冷度较大， 容易得到粉状组织[ 1 ⋯。因此，随着距离 高度 的增 大，致密层组织不断减小，疏松层增厚。 a 距挡火板5 0c m 处断面； b 距挡火板7 5c m 处断面； c 距挡火板5 0c m 处疏松层 d 距挡火板7 5c m 处疏松层； e 距挡火板1 5 0c m 处疏松层 图4 不同区域的宏观形貌 F i g ．4M a c r o - m o r p h o I O g ya td i f f e r e n tl O c a t i o n s 3结论 利用自主研发的内热式竖式炉炼镁能大大降低 热量损失，从而降低能耗。冷凝器位于竖式炉的正 上方，在不进行外部冷却的情况下，可进行冷凝产物 的收集，且冷凝器产物从下到上，厚度逐渐减小，均 呈现为致密层和疏松层两部分，在距离挡火板距离 5 0c m 处，致密层较厚，疏松层较薄。 参考文献 [ 1 ] D uJi n d a n ，H a nw e i ji a n ，P e n gY i n g h o n g ． L i f ec y c l e g r e e n h o u s eg a s e s ，e n e r g ya n dc o s ta s s e s s m e n to fa u t o m o b i l e su s i n gm a g n e s i u mf r o mC h i n e s eP i d g e o np r o c e s s [ J ] ．c l e a n e rP r o d u c t i o n ，2 0 l o ，1 8 1 1 2 1 1 9 ． [ 2 ] 王平艳，刘谋盛．戴永年．真空碳热还原氯化法从铝土矿 炼铝[ J ] ．真空科学与技术学报，2 0 0 6 ，2 6 5 3 7 7 3 8 0 ． [ 3 ] A 1 f r e dY u ，H e n r yH u ，I 。iN a i y i ．M a t h e m a t i c a lm o d e l 一 i n go fm a g n e s i u mr e d u c t i o ni n an o v e lv e r t i c a lP i d g e o n p r o c e s s ．M o d e l i n ga n dS i m u l a t i o ni nM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n gM o d e l i n gS i m u l [ J ] ．M a t e r ．S c i ．E n g ．， 2 0 0 2 ，1 0 4 1 3 4 2 3 ． [ 4 ] 任玲，夏德宏，任春晓．大型蓄热式金属镁还原炉炉内热 过程的模拟与应用[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 3 2 6 3 0 ． [ 5 ] 李德臣．炼镁立式还原炉法[ J ] ．铸造设备研究，2 0 0 7 4 3 7 3 9 ． [ 6 ] 任玲，夏德宏，毕寒冰．新型竖置镁还原罐的设计[ J ] ． 有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 2 3 0 一3 3 ． [ 7 ] 邓军平，沈晶鑫，王晓刚，等．内热法金属镁冶炼真空炉 温度机理研究[ J ] ．材料导报，2 0 0 7 ，2 1 5 A 4 0 2 4 0 4 ． [ 8 ] 王晓刚，梁磊，杨建森．多热源一电热法冶炼镁装置及工 艺中国，2 0 0 6 1 0 1 0 4 5 5 0 ．3 [ P ] ．2 0 0 8 一。卜1 6 ． [ 9 ] 樊子民，王晓刚．新型竖式电内热法半连续炼镁炉的研 发[ J ] ．中国有色冶金，2 0 1 2 ，4 1 4 4 9 5 2 ． [ 1 0 ] 鲍久圣，刘同冈，杨志伊，等．蒸发冷凝法制备纳米粉体 反应容器中的温度场研究[ J ] ．机械科学与技术，2 0 0 6 ， 2 5 1 1 1 1 3 4 1 1 3 8 ． 万方数据