權(quán)利要求

1.無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：包括依次連通的上部熔融硅系鐵合金爐，中部還原爐和下部爐渣精煉爐； 所述的熔融硅系鐵合金爐(4)上端設(shè)置有熔融態(tài)硅系鐵合金加料管道(2)，內(nèi)部安裝有加熱絲(5)，下端開設(shè)有與中部還原爐(35)相連通的熔融硅系鐵合金出口，熔融態(tài)硅系鐵合金爐(4)上貫穿安裝有提拉桿(3)，提拉桿(3)的下端穿過熔融態(tài)硅系鐵合金出口，且在熔融態(tài)硅系鐵合金出口周圍安裝有與還原爐(35)相連通的霧化噴嘴(41)，所述的霧化噴嘴(41)經(jīng)管道與放置有煅白粉末(8)的流態(tài)化床(9)相連通，流態(tài)化床(9)上還開設(shè)有高壓氬氣入口(10)； 所述的中部還原爐包括外殼(38)以及套裝在外殼(38)內(nèi)的還原爐(35)，還原爐(35)上端與熔融硅系鐵合金出口、霧化噴嘴(41)相連通，下端與外殼(38)下端留有間隙，外殼(38)與還原爐(35)之間的空腔形成了鎂蒸氣區(qū)(36)，外殼(38)外安裝有冷凝結(jié)晶裝置(11)，外殼下端爐渣出口(33)與下部硅系鐵合金爐渣精煉爐相連通； 所述下部硅系鐵合金爐渣精煉爐安裝在支撐材料(26)上，硅系鐵合金爐渣精煉爐上端與外殼下端出口(33)相連通，底端側(cè)壁上開設(shè)有與澆筑處理設(shè)置(21)相連通的出鐵口管道(23)，上端側(cè)壁上開設(shè)有出渣口管道(19)，頂端設(shè)置有排氣管道(32)和旋轉(zhuǎn)噴吹裝置(16)，所述的旋轉(zhuǎn)噴吹裝置(16)入口與氬氣入口管道(14)相連，旋轉(zhuǎn)噴吹裝置(16)下端伸入爐渣精煉爐底部，且在旋轉(zhuǎn)噴吹裝置(16)下端安裝有石墨轉(zhuǎn)子。

2.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的熔融態(tài)硅系鐵合金爐(4)由保溫材料制成，熔融態(tài)硅系鐵合金爐(4)下端為錐形結(jié)構(gòu)，且在熔融態(tài)硅系鐵合金加料管道(2)上設(shè)置有熔融態(tài)硅系鐵合金加料管道閥門(1)。 

3.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的霧化噴嘴(41)與流態(tài)化床(9)相連的管道上安裝有加熱器(7)。 

4.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的外殼(38)內(nèi)安裝有加熱絲裝置(37)，還原爐(35)內(nèi)設(shè)置有高溫?zé)犭娕?13)，外殼(38)與還原爐(35)上端均為喇叭口狀結(jié)構(gòu)，外殼(38)下端安裝有由耐火材料(34)形成的錐形結(jié)構(gòu)。 

5.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的外殼(38)內(nèi)壁上設(shè)置有懸掛固定器件(12、39)，還原爐(35)通過懸掛固定器件(12、39)懸掛在外殼(38)內(nèi)。 

6.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的爐渣出口(33)上安裝有爐渣出口閥(30)。 

7.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的爐渣精煉爐由外側(cè)的保溫材料(29)和內(nèi)側(cè)的耐火材料(27)構(gòu)成，且在保溫材料(29)和內(nèi)側(cè)的耐火材料(27)之間設(shè)置有加熱絲裝置(28)。 

8.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的排氣管道(32)和氬氣入口管道(14)上分別安裝有排氣管道閥門(31)和氬氣入口管道閥門(15)。 

9.權(quán)利權(quán)利要求1所述的無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，其特征在于：所述的出鐵口管道(23)和出渣口管道(19)上分別安裝有出鐵口管道閥門(24)和出渣口管道閥門(17)，且在出鐵口管道閥門(24)和出渣口管道閥門(17)后端的管道上分別安裝有出鐵虹吸裝置(22)和出渣虹吸裝置(18)。 

10.一種如權(quán)利要求1所述裝置的無碳化硅熱還原鎂冶金方法，其特征在于包括以下步驟： 1)高溫熔融態(tài)硅系鐵合金(6)經(jīng)過熔融態(tài)硅系鐵合金加料管道閥門(1)的控制，從熔融態(tài)硅系鐵合金加料管道(2)進(jìn)入到熔融態(tài)硅系鐵合金爐(4)中，在加熱絲裝置(5)和包裹的保溫材料共同作用下，保持1500-1800℃還原反應(yīng)條件； 2)經(jīng)過提拉桿(3)的上下操縱，控制熔融態(tài)硅系鐵合金(6)進(jìn)入到中間還原爐區(qū)域，同時(shí)，已高溫煅燒處理后的白云石，即煅白粉末(8)在流態(tài)化床(9)中與高壓氬氣入口(10)進(jìn)入的高壓氬氣充分混合，混合后的氣固粉末，經(jīng)過加熱器(7)達(dá)到需要的高溫條件，在霧化噴嘴(41)的作用下與熔融態(tài)硅系鐵合金(6)一同進(jìn)入還原爐(35)，與芯核煅白粉末(8)和霧化氣體氬氣高速兩相流相互作用，熔融態(tài)硅系鐵合金(6)在煅白粉末(8)表面形成一定厚度硅系鐵合金液膜，實(shí)現(xiàn)液相(熔融態(tài)硅系鐵合金)包覆固相(MgO)形態(tài)，即生成大量的噴射狀的液相硅系合金包裹固相粉末液滴(40)，進(jìn)入到中間的高溫還原區(qū)進(jìn)行鎂金屬的還原冶金； 3)液相硅系合金包裹固相粉末液滴在1450-1700℃溫度下反應(yīng)，其中，加熱絲裝置(37)調(diào)控還原反應(yīng)溫度，其中反應(yīng)式為： 2MgO(s)+Si(Fe)(l)＝2Mg(g)+SiO2(s) SiO2(s)+2CaO(s)＝2CaO·SiO2(l) 反應(yīng)生成的高溫鎂蒸氣在上端壓力作用下，向下移動，由于密度小與高溫作用下，從下部離開還原爐(35)后，向上折返從鎂蒸氣區(qū)(36)進(jìn)入到冷凝結(jié)晶裝置(11)中遇冷凝華成結(jié)晶鎂； 4)反應(yīng)過程中生成的SiO2及后續(xù)反應(yīng)生成的CaO·SiO2等包裹于硅系合金液中，在重力作用下，連同未參與反應(yīng)的鐵及其他固體雜質(zhì)，經(jīng)過爐渣出口閥門(30)從爐渣出口(33)落入爐渣精煉爐中； 5)下部精煉爐在內(nèi)部耐火材料(27)的保護(hù)下，外層設(shè)置有加熱絲裝置(28)，保證精煉爐溫度在1400-1500℃左右，鐵合金位于精煉爐下部，氧化物渣位于精煉爐上部，利用旋轉(zhuǎn)噴吹凈化裝置(16)端部的石墨轉(zhuǎn)子在精煉爐熔池底部，經(jīng)過氬氣入口管道閥門(15)控制下，由氬氣入口管道(14)吹入氬氣，產(chǎn)生的細(xì)小氬氣泡在上浮過程中對熔體起攪拌作用，帶動質(zhì)量輕的氧化物雜質(zhì)上浮，促進(jìn)雜質(zhì)分離，即對熔渣熔體進(jìn)行凈化處理，并使得其中的各種成分混合均勻； 6)待精煉爐內(nèi)熔渣(20)累計(jì)到精煉爐設(shè)定的深度后，打開出渣口管道閥門，精煉爐內(nèi)氧化物熔渣在虹吸器(18)作用下，經(jīng)過出渣口管道(19)排出至爐外，待精煉爐內(nèi)含硅系鐵合金水(25)累計(jì)40～50％的精煉爐容量后，打開出鐵口管道閥門(24)，經(jīng)過出鐵口管道(23)在虹吸器(22)作用下排出至中澆筑處理設(shè)備(21)中進(jìn)行后續(xù)的鐵合金處理與利用，并仍保持精煉爐內(nèi)存有爐容量10～20％的鐵水熔池，在熔煉爐的頂端設(shè)計(jì)有過壓保護(hù)閥門(31)控制的排氣管道(32)，用于控制爐內(nèi)壓力。

說明書

無碳化硅熱還原鎂冶金裝置及方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鎂冶金制備方法，特別涉及一種無碳化硅熱還原鎂冶金裝置及方法。

背景技術(shù)

金屬鎂及其合金具有比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱和電導(dǎo)性能好、阻尼減震、電磁外屏蔽、易機(jī)械加工和易回收等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，已成為僅次于鋼鐵和鋁的第三大金屬工程材料。2017年世界金屬鎂產(chǎn)量已超過120萬噸。我國是世界產(chǎn)鎂大國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的85％以上。而中國的金屬原鎂全部采用皮江法生產(chǎn)。皮江法是以白云石為原料、以含75％硅的硅鐵合金(75#硅鐵)為還原劑的真空熱還原煉鎂技術(shù)。皮江法自誕生以來已有70多年歷史，在我國的工業(yè)應(yīng)用已超過40年。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，特別是近十幾年來蓄熱式還原爐的應(yīng)用，能耗已從生產(chǎn)1t鎂消耗標(biāo)煤10t降至4～5t。如果加上還原劑硅鐵合金的能耗，皮江法煉鎂技術(shù)的綜合能耗仍高達(dá)8-9t標(biāo)煤以上，單位能耗甚至超過金屬鋁，是單位能耗最高的有色冶金行業(yè)之一。以石化能源為主的鎂冶金行業(yè)，更是二氧化碳排放量的主力之一。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2019年全國鎂產(chǎn)量為84萬噸以上，二氧化碳排放量約為1375-1498萬噸，約占全國當(dāng)年二氧化碳排放量的13-15％。隨著國家“雙碳”目標(biāo)的強(qiáng)制性推進(jìn)和對能耗雙控目標(biāo)的總要求，鎂冶金與以硅鐵合金合金為代表的“兩高”產(chǎn)業(yè)和CO 2排放大戶，正在面臨著嚴(yán)重的生存危機(jī)。如何大幅度節(jié)能與降碳是決定皮江法鎂冶金能否生存與發(fā)展的關(guān)鍵。

皮江法鎂冶金是將焙燒白玉石、75硅鐵合金、螢石與氧化鈣等制成的球團(tuán)在真空度10pa和1200℃左右進(jìn)行還原。由于球團(tuán)導(dǎo)熱性能差，加之固固反應(yīng)本身效率低，且隨著鎂蒸氣溢出效率不斷下降，因此還原時(shí)間長達(dá)8-12h，能耗大，且MgO還原率不足80％。同樣地，作為鎂冶金的還原劑，硅系合金的冶煉是在礦熱爐內(nèi)將碳源與石英石和鐵源混合物，經(jīng)過電弧加熱形成的熔融態(tài)下還原的，溫度大約1800℃以上，鐵水出口高達(dá)1700℃以上。包括硅系合金在內(nèi)的所有鐵合金，由于成型過程基本以地坑澆筑為主。溶解熱和凝固熱無法回收，造成鐵合金產(chǎn)業(yè)能耗居高不下。

在皮江法鎂冶金中，硅系合金僅作為鎂冶金的還原劑的功能使用。鎂冶金溫度在900℃以上，硅的熔點(diǎn)在1410℃，硅鐵合金的熔點(diǎn)1200-1400℃之間，其中主要采用的75FeSi熔點(diǎn)為1300℃。如果將硅系合金作為鎂冶金的熱源，必將顯著降低鎂冶煉能源成本。準(zhǔn)確地說，利用熔融態(tài)硅系合金出口1750℃降低至1300℃之間的熱量，作為鎂冶金還原的熱源，將極大地實(shí)現(xiàn)硅系合金熱量的回收與再利用，實(shí)現(xiàn)硅系合金產(chǎn)業(yè)和鎂冶金產(chǎn)業(yè)“雙控”和“雙碳”目標(biāo)。

硅系合金屬于鐵合金產(chǎn)業(yè)，長期以來備受“高能耗、高污染”的產(chǎn)業(yè)定性而困擾。業(yè)界也持續(xù)在設(shè)備大型化、工業(yè)流程自動化以及生產(chǎn)精益化方面做了大量工作，單臺設(shè)備產(chǎn)能及連續(xù)與自動化控制水平顯著提高。在節(jié)能方面，從煙氣余熱、煙氣中可燃?xì)怏w回收以及廢渣余熱利用等方面也取得了突破，能源消耗顯著降低。但是由于鐵合金成型為靜態(tài)成形為主，現(xiàn)有的成型技術(shù)不能滿足規(guī)劃化生產(chǎn)要求，幾乎所有鐵合金的凝固熱都被消耗掉了。這是鐵合金熱能流失最大的部分。但是自鐵合金誕生以來，始終沒有取得關(guān)鍵性的改變。

皮江法煉鎂工藝是在現(xiàn)有鎂冶金技術(shù)中具有投資小，操作方便且可以大規(guī)?；a(chǎn)等顯著優(yōu)勢，因此深受國人歡迎，并使中國快速發(fā)展成為世界皮江法煉鎂的最大國家。其顯著的成本優(yōu)勢，也成為中國鎂占據(jù)世界85％市場的利器。更為世界鎂合金的大范圍使用奠定了堅(jiān)實(shí)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。圍繞皮江法煉鎂工藝存在的問題，國內(nèi)相關(guān)院所開展了多方面的研究，比如東北大學(xué)張廷安團(tuán)隊(duì)開展的鎂冶金一體化技術(shù)，將白云石煅燒與還原實(shí)現(xiàn)一體化；西安工業(yè)大學(xué)王曉剛發(fā)明了一種多熱源內(nèi)熱法煉鎂裝置，建立了大型豎式爐煉鎂新工藝；陜西府谷按照“集中布局、綠色生產(chǎn)，項(xiàng)目組團(tuán)，產(chǎn)業(yè)循環(huán)，園區(qū)承載”的發(fā)展思路，但是并沒有改變皮江法還原的實(shí)質(zhì)。其他人員在鎂還原豎式爐上開展了一定的工作，取得了一定進(jìn)展，也沒有突破皮江法煉鎂的技術(shù)范疇。正因?yàn)槿绱?，隨著“雙碳”目標(biāo)強(qiáng)制性實(shí)施，以“高能耗、高污染、高排放”為特征的皮江法鎂冶金產(chǎn)業(yè)，必將成為首要的控制目標(biāo)，中國鎂產(chǎn)業(yè)的生存和世界鎂金屬供應(yīng)都將面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

皮江法煉鎂還存在以下幾個問題。一是能耗高，冶煉1噸金屬鎂需要消耗4-5噸標(biāo)煤，加之硅鐵合金冶煉能耗，每噸初鎂能耗達(dá)到8-9噸標(biāo)煤；二是還原率低，目前MgO的還原率不足80％；三是效率低，還原時(shí)間長至8-12h；三是有污染，還原產(chǎn)生的廢渣和反應(yīng)添加的螢石，都是污染源；還有還原罐壽命短對生產(chǎn)的影響等問題。

事實(shí)上，造成皮江法煉鎂上述問題的根本原因有兩點(diǎn)。一是還原球團(tuán)是固相反應(yīng)，反應(yīng)物接觸不充分，特別是反應(yīng)速度隨著鎂蒸氣溢出而傳質(zhì)效率進(jìn)一步衰減，導(dǎo)致無法完全反應(yīng)；二是傳熱效率低。無論是內(nèi)熱式還是外熱式，反應(yīng)球團(tuán)所包含的成分主要為煅燒白云石、硅鐵合金、螢石與氧化鈣等。這些成分都是不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱效率低，造成球團(tuán)內(nèi)外及相互之間傳熱困難，進(jìn)而導(dǎo)致還原時(shí)間長、反應(yīng)效率低以及還原罐體積及產(chǎn)能的問題。在此背景下，添加礦化劑螢石有助于加快還原效率，但是有造成氟化氫氣體污染。由此可見，實(shí)現(xiàn)鎂冶金節(jié)能的關(guān)鍵是提高反應(yīng)物傳熱和反應(yīng)效率。眾所周知，從反應(yīng)效率的角度講，氣-固＞液-固＞固-固。因此，如能將鎂還原過程中的固-固反應(yīng)轉(zhuǎn)換為液-固反應(yīng)，傳熱與反應(yīng)效率將得到極大增強(qiáng)。依據(jù)這一思路，將鎂還原過程中的還原劑-硅系合金以液態(tài)相參與MgO還原就能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

硅系合金在熔煉出鐵時(shí)處于液相狀態(tài)，一般要求出鐵溫度在1600℃以上，遠(yuǎn)高于皮江法煉鎂球團(tuán)的還原反應(yīng)溫度900-1200℃。如此高溫度的液相硅系鐵合金和固態(tài)MgO反應(yīng)，將顯著增強(qiáng)傳熱效率，顯著提高M(jìn)gO的還原效率，更無需采用真空的方法提高反應(yīng)效率和降低還原溫度，進(jìn)而為常壓或者負(fù)壓鎂冶金創(chuàng)造工藝條件。經(jīng)過硅熱還原還原出來的鎂蒸氣溢出后，硅系合金溶液會及時(shí)補(bǔ)充氣體溢出留下的空隙，始終保持與剩余MgO顆粒之間緊密接觸狀態(tài)，保持持續(xù)的傳熱和還原效率。因此，也無需添加螢石作為礦化劑。消除了HF氣體污染。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)鎂冶金過程高效、低碳、節(jié)能和綠色化的一種無碳化硅熱還原鎂冶金裝置及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種無碳化硅熱還原鎂冶金裝置，包括依次連通的上部熔融態(tài)硅系鐵合金爐，中部還原爐和下部爐渣精煉爐；

所述的熔融硅系鐵合金爐上端設(shè)置有熔融硅系鐵合金加料管道，內(nèi)部安裝有加熱絲，下端開設(shè)有與中部還原爐相連通的熔融硅系鐵合金出口，熔融硅系鐵合金爐上貫穿安裝有提拉桿，提拉桿的下端穿過熔融硅系鐵合金出口，且在熔融硅系鐵合金出口周圍安裝有與還原爐相連通的霧化噴嘴，所述的霧化噴嘴經(jīng)管道與放置有煅白粉末的流態(tài)化床相連通，流態(tài)化床上還開設(shè)有高壓氬氣入口；

所述的中部還原爐包括外殼以及套裝在外殼內(nèi)的還原爐，還原爐上端與熔融硅系鐵合金出口、霧化噴嘴相連通，下端與外殼下端留有間隙，外殼與還原爐之間的空腔形成了鎂蒸氣區(qū)，外殼外安裝有冷凝結(jié)晶裝置，外殼下端爐渣出口與下部爐渣精煉爐相連通；

所述下部爐渣精煉爐安裝在支撐材料上，爐渣精煉爐上端與外殼下端爐渣出口相連通，底端側(cè)壁上開設(shè)有與澆筑處理設(shè)置相連通的出鐵口管道，上端側(cè)壁上開設(shè)有出渣口管道，頂端設(shè)置有排氣管道和旋轉(zhuǎn)噴吹裝置，所述的旋轉(zhuǎn)噴吹裝置入口與氬氣入口管道相連，旋轉(zhuǎn)噴吹裝置下端伸入爐渣精煉爐底部，且在旋轉(zhuǎn)噴吹裝置下端安裝有石墨轉(zhuǎn)子。

所述的熔融硅系鐵合金爐由保溫材料制成，熔融硅系鐵合金爐下端為錐形結(jié)構(gòu)，且在熔融硅系鐵合金加料管道上設(shè)置有熔融硅系鐵合金加料管道閥門。

所述的霧化噴嘴與流態(tài)化床相連的管道上安裝有加熱器。

所述的外殼內(nèi)安裝有加熱絲裝置，還原爐內(nèi)設(shè)置有高溫?zé)犭娕?，外殼與還原爐上端均為喇叭口狀結(jié)構(gòu)，外殼下端安裝有由耐火材料形成的錐形結(jié)構(gòu)。

所述的外殼內(nèi)壁上設(shè)置有懸掛固定器件，還原爐通過懸掛固定器件懸掛在外殼內(nèi)。

所述的爐渣出口上安裝有爐渣出口閥。

所述的爐渣精煉爐由外側(cè)的保溫材料和內(nèi)側(cè)的耐火材料構(gòu)成，且在保溫材料和內(nèi)側(cè)的耐火材料之間設(shè)置有加熱絲裝置。

所述的排氣管道和氬氣入口管道上分別安裝有排氣管道閥門和氬氣入口管道閥門。

所述的出鐵口管道和出渣口管道上分別安裝有出鐵口管道閥門和出渣口管道閥門，且在出鐵口管道閥門和出渣口管道閥門后端的管道上分別安裝有出鐵虹吸裝置和出渣虹吸裝置。

本發(fā)明無碳化硅熱還原鎂冶金的方法，包括以下步驟：

1)高溫熔融態(tài)硅系鐵合金經(jīng)過加料管道進(jìn)入到熔融硅系鐵合金爐中，在加熱絲裝置和包裹的保溫材料共同作用下，保持1700-1800℃；

2)經(jīng)過提拉桿的上下操縱，控制熔融態(tài)硅系鐵合金進(jìn)入到中間還原爐區(qū)域，同時(shí)，已高溫煅燒處理后的白云石，即煅白粉末在流態(tài)化床中與高壓氬氣入口進(jìn)入的高壓氬氣充分混合，混合后的氣固粉末，經(jīng)過加熱器達(dá)到需要的高溫條件，在氬氣壓力作用下與熔融態(tài)硅系鐵合金兩流交叉混流，并在高壓氬氣的沖擊作用下，形成熔融態(tài)硅系鐵合金包裹固體煅白粉末形成，即生成大量的噴射狀的液相硅系合金包裹固相粉末液滴，進(jìn)入到中間的高溫還原區(qū)進(jìn)行鎂金屬的還原冶金；

3)液相硅系合金包裹固相粉末液滴在1450-1800℃溫度下反應(yīng)，其中，加熱絲裝置調(diào)控反應(yīng)溫度，其中反應(yīng)式為：

2MgO(s)+Si(Fe)(l)＝2Mg(g)+SiO2(s)

SiO2(s)+2CaO(s)＝2CaO·SiO2(l)

生成的高溫鎂蒸氣在重力和上端氬氣和反應(yīng)中生成的鎂蒸氣氣體壓力的共同作用下，向下移動。由于密度小會從還原倉下沿溢出并向上折返從鎂蒸氣區(qū)，最后進(jìn)入到冷凝結(jié)晶裝置中遇冷凝華成結(jié)晶鎂；

4)反應(yīng)過程中生成的SiO2等包裹于硅系合金液中，在重力作用下，連同2CaO·SiO2及未參與反應(yīng)的鐵，高溫生成物的爐渣經(jīng)過爐渣出口閥門從爐渣出口落入爐渣精煉爐中；

5)下部精煉爐在內(nèi)部耐火材料的保護(hù)下，外層設(shè)置有加熱絲裝置，保證精煉爐溫度在1350以上，鐵合金位于精煉爐下部，氧化物渣位于精煉爐上部，利用旋轉(zhuǎn)噴吹凈化裝置端部的石墨轉(zhuǎn)子在精煉爐熔池底部，經(jīng)過氬氣入口管道閥門控制下，由氬氣入口管道吹入氬氣，產(chǎn)生的細(xì)小氬氣泡在上浮過程中對熔體起攪拌作用，帶動質(zhì)量輕的氧化物雜質(zhì)上浮，促進(jìn)雜質(zhì)分離，即對熔渣熔體進(jìn)行凈化處理，并使得其中的各種成分混合均勻；

6)待精煉爐內(nèi)熔渣累計(jì)到精煉爐設(shè)定的深度后，打開出渣口管道閥門，精煉爐內(nèi)氧化物熔渣在虹吸器作用下，經(jīng)過出渣口管道排出至爐外，待精煉爐內(nèi)含硅系鐵合金溶液高度達(dá)到40～50％的精煉爐容量后，打開出鐵口管道閥門，經(jīng)過出鐵口管道在虹吸器作用下排出至中澆筑處理設(shè)備中進(jìn)行后續(xù)的鐵合金處理與利用，并仍保持精煉爐內(nèi)存有爐容量10～20％的鐵水熔池，在熔煉爐的頂端設(shè)計(jì)有過壓保護(hù)閥門，控制爐內(nèi)壓力。

本發(fā)明針對鐵合金產(chǎn)業(yè)與鎂冶金產(chǎn)業(yè)在“雙碳”和“雙控”目標(biāo)的重壓下，通過兩個產(chǎn)業(yè)之間物質(zhì)和能量協(xié)同銜接，實(shí)現(xiàn)硅系合金能源回收與鎂冶金的能源利用，實(shí)現(xiàn)兩大高能耗產(chǎn)業(yè)的節(jié)能降碳目標(biāo)。即本發(fā)明采用熔融態(tài)硅系合金還原MgO，通過調(diào)整MgO反應(yīng)量，在過量(硅/氧比≥1.5)硅系合金過熱(溫度高于75FeSi的1300℃熔點(diǎn)溫度300℃以上)完成MgO還原過程；

保持硅系合金的熔融狀態(tài)，有助于鎂冶金過程通過液相(硅系合金)與固相(MgO)反應(yīng)替代皮江法固相(硅系合金)與固相(MgO)反應(yīng)。對硅系合金的生產(chǎn)影響較少。通過硅系合金與鎂冶金兩個工藝流程中的物流與能源流的緊密的銜接，保持硅系合金的熔融狀態(tài)，特別是通過熔融態(tài)金屬霧化，形成液相包裹固相反應(yīng)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化兩相之間的傳熱、傳質(zhì)、傳能，提高還原效率，大幅度降低鎂冶金能耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無碳化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)鎂冶金過程高效、低碳、節(jié)能和綠色化制備。

采用以上方案所帶來的技術(shù)效果如下：

1、節(jié)能?；鞠V冶金過程能耗，即每噸原鎂4-5噸標(biāo)準(zhǔn)煤，實(shí)現(xiàn)節(jié)能90％以上；

2、無碳。創(chuàng)新的無碳化還原冶金技術(shù)，可有效減少鎂冶金工業(yè)的碳排放量，鎂冶金作為中國二氧化碳最大的排放行業(yè)，占據(jù)中國碳排放量12％以上；

3、高效。皮江法還原鎂一般需要8-12h。本發(fā)明借助于高溫、液固包裹形態(tài)，強(qiáng)化傳熱與傳質(zhì)，實(shí)現(xiàn)鎂冶金反應(yīng)過程由長時(shí)到瞬時(shí)的轉(zhuǎn)變；

4、高還原率。皮江法采用低導(dǎo)熱物料之間的固固反應(yīng)，MgO的還原率不足80％。本發(fā)明以過量高溫液相還原劑包裹固相MgO形態(tài)，還原率提高至95％以上；

5、消除HF污染。螢石作為皮江法煉鎂的礦化劑螢石，添加量一般為3％左右。螢石在高溫下形成HF氣體排除，造成環(huán)境污染。本發(fā)明無需添加螢石原料。

6、實(shí)現(xiàn)了鎂冶金大型化、連續(xù)化和規(guī)?；a(chǎn)。皮江法作為中國鎂冶金的主體工藝，一直是多層多排小型還原罐間歇式生產(chǎn)，效率低，能耗高，環(huán)境差。本發(fā)明通過常壓下高溫還原和高效反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、規(guī)模化和低碳化制造。

附圖說明

圖1是本發(fā)明無碳化硅熱還原鎂冶金裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、熔融硅系鐵合金加料管道閥門；2、熔融硅系鐵合金加料管道；3、提拉桿；4、熔融硅系鐵合金爐；5、加熱絲裝置；6、熔融硅系鐵合金；7、加熱器；8、煅白粉末(其中包含MgO、CaO)；9、流態(tài)化床；10、高壓氬氣入口；11、冷凝結(jié)晶裝置；12、懸掛固定器件；13、高溫?zé)犭娕迹?4、氬氣入口管道；15、氬氣入口管道閥門；16、旋轉(zhuǎn)噴吹裝置；17、出渣口管道閥門；18、虹吸器；19、出渣口管道；20、熔渣；21、澆筑處理設(shè)備；22、虹吸裝置；23、出鐵口管道；24、出鐵口管道閥門；25、含硅系鐵合金水；26、支撐材料；27、耐火材料；28、加熱絲裝置；29、保溫材料；30、爐渣出口閥門；31、排氣管道閥門；32、排氣管道；33、爐渣出口；34、耐火材料；35、還原爐；36、鎂蒸氣區(qū)；37、加熱絲裝置；38、外殼；39、懸掛固定器件；40、液相硅系合金包裹固相粉末液滴；41、霧化噴嘴。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參見圖1，本發(fā)明的制備裝置包括依次連通的上部熔融硅系鐵合金爐，中部還原爐和下部爐渣精煉爐；

所述的熔融硅系鐵合金爐4由保溫材料制成，其上端設(shè)置有帶有熔融硅系鐵合金加料管道閥門1的熔融硅系鐵合金加料管道2，內(nèi)部安裝有加熱絲5，下端為錐形結(jié)構(gòu)且在下端開設(shè)有與中部還原爐35相連通的熔融硅系鐵合金出口，熔融硅系鐵合金爐4上貫穿安裝有提拉桿3，提拉桿3的下端穿過熔融硅系鐵合金出口，且在熔融硅系鐵合金出口周圍安裝有與還原爐35相連通的霧化噴嘴41，所述的霧化噴嘴41經(jīng)管道及安裝在管道上的加熱器7與放置有煅白粉末8的流態(tài)化床9相連通，流態(tài)化床9上還開設(shè)有高壓氬氣入口10；

所述的中部還原爐包括外殼38以及套裝在外殼38內(nèi)的還原爐35，外殼38內(nèi)壁上設(shè)置有懸掛固定器件12、39，還原爐35通過懸掛固定器件12、39懸掛在外殼38內(nèi)，外殼38內(nèi)安裝有加熱絲裝置37，還原爐35內(nèi)設(shè)置有高溫?zé)犭娕?3，外殼38與還原爐35上端均為喇叭口狀結(jié)構(gòu)，還原爐35上端與熔融硅系鐵合金出口、霧化噴嘴41相連通，下端與外殼38下端留有間隙，外殼38下端安裝有由耐火材料34形成的錐形結(jié)構(gòu)，外殼38與還原爐35之間的空腔形成了鎂蒸氣區(qū)36，外殼38外安裝有冷凝結(jié)晶裝置11，外殼下端爐渣出口33與下部爐渣精煉爐相連通；

所述下部爐渣精煉爐安裝在支撐材料26上，爐渣精煉爐由外側(cè)的保溫材料29和內(nèi)側(cè)的耐火材料27構(gòu)成，且在保溫材料29和內(nèi)側(cè)的耐火材料27之間設(shè)置有加熱絲裝置28，爐渣精煉爐上端與外殼下端帶有爐渣出口閥30爐渣出口33相連通，底端側(cè)壁上開設(shè)有與澆筑處理設(shè)置21相連通的出鐵口管道23，上端側(cè)壁上開設(shè)有出渣口管道19，頂端設(shè)置有帶排氣管道閥門31的排氣管道32和旋轉(zhuǎn)噴吹裝置16，出鐵口管道23和出渣口管道19上分別安裝有出鐵口管道閥門24和出渣口管道閥門17，且在出鐵口管道閥門24和出渣口管道閥門17后端的管道上分別安裝有出鐵虹吸裝置22和出渣虹吸裝置18所述的旋轉(zhuǎn)噴吹裝置16入口與帶有氬氣入口管道閥門15的氬氣入口管道14相連，旋轉(zhuǎn)噴吹裝置16下端伸入爐渣精煉爐底部，且在旋轉(zhuǎn)噴吹裝置16下端安裝有石墨轉(zhuǎn)子。

本發(fā)明的無碳化硅熱還原鎂冶金方法包括以下步驟：

上部分區(qū)域：高溫熔融硅系鐵合金6經(jīng)過熔融硅系鐵合金加料管道閥門1的控制，從熔融硅系鐵合金加料管道2進(jìn)入到上部分的熔融硅系鐵合金爐4，在加熱絲裝置5和包裹的保溫材料共同作用下，保持符合還原反應(yīng)的高溫條件，高溫1800度。經(jīng)過提拉桿3的上下操縱，可控制熔融態(tài)硅系鐵合金進(jìn)入到中間還原爐區(qū)域，同時(shí)，已高溫煅燒處理后的白云石，即煅白粉末8在流態(tài)化床9中，與高壓氬氣入口10進(jìn)入的高壓氬氣充分混合，混合后的氣固粉末，經(jīng)過加熱器7達(dá)到需要的高溫條件，在霧化噴嘴41的作用下，熔融硅系鐵合金6金屬經(jīng)霧化噴嘴41中間的導(dǎo)流管進(jìn)入霧化區(qū)域，與芯核煅白粉末8和霧化氣體氬氣高速兩相流相互作用，熔融金屬在粉末表面形成等厚度液膜并快速凝固得到金屬包覆粉末的形態(tài)，即生成了大量的噴射狀的液相硅系合金包裹固相粉末液滴40。進(jìn)入到中間的高溫還原區(qū)進(jìn)行鎂金屬的還原冶金。

中間還原部分區(qū)域：液固包裹液滴在高溫環(huán)境下開始反應(yīng)，溫度范圍為1450-1700度。其中，加熱絲裝置作用是保證溫度在合適范圍內(nèi)。還原爐35在左右兩邊的懸掛固定器件12.39的共同作用下，懸掛在中間反應(yīng)裝置中。其中反應(yīng)式為：

2MgO(s)+Si(Fe)(l)＝2Mg(g)+SiO2(s)

SiO2(s)+2CaO(s)＝2CaO·SiO2(l)

生成的高溫鎂蒸氣在上端壓力下，向下移動，還原爐35四周密封，下部非密封。從下部離開還原爐35后，由于密度小與高溫作用下，而向上折返從鎂蒸氣區(qū)36進(jìn)入到裝置兩邊冷凝結(jié)晶裝置11中，因?yàn)橛隼淠A成結(jié)晶鎂。

中間區(qū)域和下部區(qū)域中間為耐火材料34，起到耐火的安全作用以及一定的支撐效果。

下部分區(qū)域：反應(yīng)過程中生成的SiO2等包裹于硅系合金液中，并在重力作用下，連同2CaO·SiO2及未參與反應(yīng)的鐵，高溫生成物的爐渣經(jīng)過爐渣出口閥門控制，從爐渣出口33落入爐渣精煉爐中。

下部精煉爐在內(nèi)部耐火材料27的保護(hù)下，外層設(shè)置有加熱絲裝置28，保證爐內(nèi)溫度為1500左右。下部的支撐材料26保證了整體裝備的穩(wěn)定性與安全性。因?yàn)殍F合金和上述氧化物雜質(zhì)的密度相差較大而產(chǎn)生分離。鐵合金位于精煉爐下部，氧化物渣位于熔池上部。利用旋轉(zhuǎn)噴吹凈化裝置16端部的石墨轉(zhuǎn)子在熔池底部，經(jīng)過氬氣入口管道閥門15控制下，由氬氣入口管道14吹入氬氣，產(chǎn)生的細(xì)小氬氣泡在上浮過程中對熔體起攪拌作用，帶動質(zhì)量輕的氧化物雜質(zhì)上浮，促進(jìn)雜質(zhì)分離，即對熔渣熔體進(jìn)行凈化處理，并使得其中的各種成分混合均勻，方便下一步的靜置與分層。當(dāng)待爐內(nèi)熔渣20累計(jì)到爐內(nèi)一定深度后，打開出渣口管道閥門，爐內(nèi)氧化物熔渣在虹吸器18作用下，經(jīng)過出渣口管道19排出至爐外。根據(jù)計(jì)算，待爐內(nèi)含硅系鐵合金水25中Si含量降至20％以下并在爐內(nèi)累計(jì)40～50％的爐容量后，打開出鐵口管道閥門24，經(jīng)過出鐵口管道23在虹吸器22作用下排出至中澆筑處理設(shè)備21中進(jìn)行后續(xù)的鐵合金處理與利用，并仍保持爐內(nèi)存有約占爐容量10～20％的鐵水熔池，有利于加熱絲裝置28的導(dǎo)熱性。其中，為了安全考慮，在熔煉爐的頂端設(shè)計(jì)有排氣管道閥門31控制的排氣管道32，用于排出爐中多余氣體。

本發(fā)明是通過硅系合金與鎂冶金兩個工藝流程中的物流與能源流的緊密銜接，特別是對MgO還原方式與機(jī)理的技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合無碳的創(chuàng)新型冶煉方法，實(shí)現(xiàn)鎂冶金過程高效、低碳、節(jié)能和綠色化制備。硅系合金和鎂冶金兩個冶金流程的銜接的關(guān)鍵是MgO還原過程需要在硅系合金從1410(硅的熔點(diǎn))-1700℃以上(出鐵溫度點(diǎn))完成，同時(shí)保證對硅系合金精煉過程影響最小。其核心是在保持反應(yīng)過程中的能量平衡、物料平衡和反應(yīng)速度平衡的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鎂冶金過程的高效運(yùn)行。通過前述已經(jīng)知道，硅系合金和MgO分別是以熔融態(tài)和固態(tài)形式參與反應(yīng)的。此過程中存在兩個反應(yīng)物接觸-反應(yīng)-分離過程。需要短時(shí)間完成反應(yīng)過程，就必須實(shí)現(xiàn)高速反應(yīng)。也就是說需要反應(yīng)兩相高速接近-高速反應(yīng)-高速溢出。這在靜態(tài)溶液里添加固體反應(yīng)物體系中是無法實(shí)現(xiàn)的。因此必須采取液相包裹固相的核殼結(jié)構(gòu)。因?yàn)樾枰ＷC硅系合金的精煉對成分和溫度的要求，硅系合金體量遠(yuǎn)大于固相體量，為此也保證了核殼結(jié)構(gòu)的物質(zhì)條件。核殼結(jié)構(gòu)充分的反應(yīng)界面，高溫形成的足夠反應(yīng)動力和快速溢出的殼層條件，可以保證鎂還原的高速率要求。初次之外，還需要解決生成物的后續(xù)處理問題。其中產(chǎn)生的鎂蒸氣會溢出核殼結(jié)構(gòu)，并以氣相排出反應(yīng)體系；其中生產(chǎn)的固相產(chǎn)物SiO 2以及伴隨MgO添加攜帶的SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、CaO等雜質(zhì)，一起隨著未參與反應(yīng)的液相硅系鐵合金合金需要重新進(jìn)入熔池，完成渣鐵分離過程。

本發(fā)明的硅系合金包括：金屬硅、硅系鐵合金、硅鈣、硅鋁、硅鋁鐵、硅鈣鐵等各種以硅為組元的合金；本發(fā)明還可用于鋁熱、硅熱、鈣熱等金屬熱還原固體粉末過程。

將硅系合金既作為鎂冶金還原劑硅的來源，也作為鎂冶金的熱源；

過量高熱的液相硅系合金緊密包裹MgO顆粒形成的核殼液滴結(jié)構(gòu)，消除了固固反應(yīng)物之間的空隙，結(jié)合度高，接觸面積大，反應(yīng)溫度1700℃以上(遠(yuǎn)高于皮江法鎂冶金溫度)，更為重要的是鎂蒸氣外擴(kuò)散路徑短，實(shí)現(xiàn)了兩相之間快速接近，快速反應(yīng)和快速分離，還原效率顯著提高；

4、常壓/負(fù)壓鎂冶金：皮江法煉鎂采用的是真空煉鎂工藝，真空度10pa左右。目的是為了降低溫度和提高效率。本發(fā)明所給予的高溫還原條件，無需真空條件?？梢栽诔?、微正壓和負(fù)壓條件下還原：

5、實(shí)現(xiàn)硅系合金凝固熱量回收與利用。由于國內(nèi)鐵合金成型工藝整體落后，鐵合金凝固熱一直無法回收。本發(fā)明通過兩個冶金工藝融合，實(shí)現(xiàn)了硅系合金冶煉凝固熱的回收，顯著降低硅系合金產(chǎn)業(yè)的能耗。

本發(fā)明不僅可用于鎂金屬的還原制備，對于可使用的還原物料為熔融狀態(tài)，若是能得到揮發(fā)性的產(chǎn)物，如低沸點(diǎn)的金屬及化合物，均可適用。不僅是鎂熱反應(yīng)，該專利適用范圍可延伸至鋁熱、硅熱、鈣熱等還原反應(yīng)以及以硅作還原劑，生產(chǎn)釩鐵、金屬錳、鎢鐵、鎳鐵、以及稀土硅鐵、硅鈣鐵、鈦硅合金、硅鋇、硅鍶等硅系復(fù)合合金的反應(yīng)等等，可充分利用反應(yīng)熱能，增加生成效率，是可改變傳統(tǒng)金屬冶煉方式的具有劃時(shí)代意義的設(shè)計(jì)。

無碳化硅熱還原鎂冶金裝置及方法.pdf