易大偉， 王曉剛， 樊子民， 牛立斌， 師玉璞

(西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

設(shè)備及自動(dòng)化

新型半連續(xù)電內(nèi)熱法豎式煉鎂爐的研制

易大偉， 王曉剛， 樊子民， 牛立斌， 師玉璞

(西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

針對原鎂生產(chǎn)過程中存在的技術(shù)水平低、能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等共性技術(shù)難題，研究并設(shè)計(jì)了新型半連續(xù)電內(nèi)熱法豎式煉鎂爐。該爐型具有豎式大容積爐體、多熱源發(fā)熱體內(nèi)部加熱、自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)和電能加熱等特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，其具有高能效、高效率、低污染等優(yōu)點(diǎn)。

豎式煉鎂爐； 半連續(xù)爐； 電內(nèi)熱法

0 前言

鎂是十分常見的有色金屬之一,也是最輕的一種金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂以其獨(dú)特的性質(zhì),在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中越來越受重視。我國的鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一躍成為世界第一鎂業(yè)大國，產(chǎn)量、出口和消費(fèi)均居世界首位。我國原鎂生產(chǎn)主要以皮江法為主[1]，但普遍存在著技術(shù)水平低、自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、成本高、能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等共性問題[2-4]。近年來,我國在皮江法煉鎂技術(shù)方面開展了大量的研究與改進(jìn)工作[5-6]，其工作重點(diǎn)在于改進(jìn)窯爐結(jié)構(gòu)，選用煤氣或重油為燃料，應(yīng)用雙預(yù)熱蓄熱爐燃燒技術(shù)，還原爐余熱回收利用，研制裝料和扒渣設(shè)備，這些研究為新型煉鎂技術(shù)的應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)[7-11]，使我國皮江法煉鎂技術(shù)水平得到了較大的提升。

盡管目前的研究工作改善了煉鎂產(chǎn)業(yè)存在的部分問題，但我國鎂冶煉技術(shù)落后的現(xiàn)狀并未從根本上得到解決。2010年工信部頒布的《鎂行業(yè)準(zhǔn)入條件》對鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在國家提倡低碳環(huán)保、節(jié)能減排，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，關(guān)停與淘汰落后產(chǎn)能的要求下，金屬鎂冶煉企業(yè)必須進(jìn)行技術(shù)性的革新，因此開發(fā)金屬鎂冶煉新工藝及裝備，促進(jìn)鎂行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展迫在眉睫。

相對于目前國內(nèi)廣泛采用的橫罐煉鎂技術(shù)，豎罐煉鎂技術(shù)展現(xiàn)出了很多優(yōu)勢，引起學(xué)者們廣泛的關(guān)注，其研究也取得了卓有成效的進(jìn)展[12]，然而這些研究工作在付諸于工業(yè)實(shí)踐之前還需進(jìn)一步完善，并且未能從根本上解決皮江法存在的諸多問題。

陜西省硅鎂產(chǎn)業(yè)節(jié)能與多聯(lián)產(chǎn)工程技術(shù)研究中心歷時(shí)10年，在電內(nèi)熱式快速煉鎂小、中、大型反應(yīng)器試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了新型大容積豎式電內(nèi)熱法半連續(xù)煉鎂爐。新型爐投料試驗(yàn)結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)能夠大幅度縮短還原周期，突破傳統(tǒng)還原罐尺寸的局限性，采用清潔電能加熱，降低了燃料消耗所產(chǎn)生的污染，單爐產(chǎn)量大幅度提高。新型煉鎂設(shè)備是金屬鎂冶煉技術(shù)的重要革新，有望改變現(xiàn)有金屬鎂生產(chǎn)高資源消耗、高能耗、高污染、低效率等現(xiàn)狀，大幅度提高煉鎂企業(yè)生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升企業(yè)競爭力。

1 新型半連續(xù)煉鎂爐的設(shè)計(jì)與制造基礎(chǔ)

本課題組在前期理論研究的同時(shí)還分別設(shè)計(jì)了小、中、大反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)研究工作：

(1)小型反應(yīng)器，裝料量10 kg。試驗(yàn)結(jié)果表明，多熱源—內(nèi)熱式—電熱法煉鎂工藝可以實(shí)現(xiàn)原鎂的生產(chǎn)，其爐內(nèi)的溫度變化以及結(jié)晶器的溫度梯度與數(shù)值模擬結(jié)果有著較好的對應(yīng)關(guān)系。此外，實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶區(qū)溫度的有效控制，使鎂蒸氣能夠順利傳輸至結(jié)晶筒內(nèi)完成結(jié)晶，達(dá)到最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2)中型反應(yīng)器，裝料量150 kg。這部分工作側(cè)重于發(fā)熱元件的系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)，解決了發(fā)熱體的材質(zhì)、規(guī)格、結(jié)構(gòu)、排布等問題。

(3)大型反應(yīng)器，裝料量300 kg。該部分試驗(yàn)的目的在于擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模，并對爐體的密封系統(tǒng)和測溫方法進(jìn)行優(yōu)化。

2008年在國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“多熱源內(nèi)熱試驗(yàn)爐工藝及裝備的研究”的支持下，設(shè)計(jì)并建成了單爐裝料量1 500 kg的大型豎式內(nèi)熱法中試煉鎂爐(見圖1)，其技術(shù)參數(shù)如下：還原周期3～5 h，料鎂比5.8，電耗約8 000～10 000 kWh/tMg，粗鎂中鎂含量高于99%，鎂還原率在90%以上。

圖1 大型內(nèi)熱法中試豎式煉鎂爐

中試爐多次試驗(yàn)結(jié)果表明，多熱源體系可實(shí)現(xiàn)原料的均勻與快速加熱，促使原料反應(yīng)充分高效，此外，原料反應(yīng)完成后可通過底部出料口實(shí)現(xiàn)出渣。中試爐的成功設(shè)計(jì)與運(yùn)行，為新型半連續(xù)煉鎂爐的豎式真空爐體、自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)、自動(dòng)卸渣系統(tǒng)、鎂冷卻系統(tǒng)及真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造奠定了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。

2 新型半連續(xù)煉鎂爐的設(shè)計(jì)目標(biāo)與結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型半連續(xù)電內(nèi)熱法豎式煉鎂爐，實(shí)現(xiàn)了鎂冶煉過程的連續(xù)進(jìn)出料、間歇出鎂、廢渣回收利用。目前新工藝和新裝備可將冶煉還原時(shí)間縮短為3～5 h、耗電量控制在8 000～10 000 kWh/tMg、料鎂比低于6.0，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程穩(wěn)定、高效、節(jié)能、降耗與清潔的目標(biāo)。

新型半連續(xù)電內(nèi)熱法豎式煉鎂爐的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖2所示，圖3則對應(yīng)展現(xiàn)了新型煉鎂系統(tǒng)的形體結(jié)構(gòu)。

圖2 半連續(xù)豎式煉鎂爐的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

圖3 半連續(xù)豎式煉鎂爐的形體機(jī)構(gòu)

新型半連續(xù)電內(nèi)熱法豎式煉鎂系統(tǒng)主要由自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)、豎式真空爐體、鎂冷凝系統(tǒng)(結(jié)晶筒及其與主爐體間的通道)、自動(dòng)卸渣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)控制與監(jiān)測系統(tǒng)組成。豎式煉鎂爐體的實(shí)物結(jié)構(gòu)由上至下依次為進(jìn)料倉、貯料倉、反應(yīng)倉(內(nèi)含多熱源發(fā)熱體)、熱渣倉和冷渣倉。

反應(yīng)倉中的長方形內(nèi)腔結(jié)構(gòu)由高鋁磚砌筑，內(nèi)腔中設(shè)置多層發(fā)熱體，并使其與爐體上的電極相連。料渣在熱渣倉中冷卻后進(jìn)入冷渣倉。原料通過進(jìn)料倉和貯料倉進(jìn)入反應(yīng)倉，三個(gè)料倉之間由真空閥鏈接。反應(yīng)倉中形成的鎂蒸氣通過出鎂真空閥進(jìn)入冷凝系統(tǒng)結(jié)晶。自動(dòng)進(jìn)料和卸渣系統(tǒng)由主程序控制；真空度的控制由ZJP1200/H150L羅茨滑閥真空機(jī)組實(shí)現(xiàn)；直流電供應(yīng)由1 200 kVA整流供電系統(tǒng)完成；以上各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、自動(dòng)控制與監(jiān)測、工藝參數(shù)的自動(dòng)采集及記錄由自動(dòng)控制與監(jiān)測系統(tǒng)完成。

3 新型半連續(xù)煉鎂爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及運(yùn)行

新型半連續(xù)煉鎂爐的主要特點(diǎn)如下：

(1)電能作為加熱能源。避免了皮江法加熱過程中煤、煤氣、重油等燃燒排出大量的煙塵，可減輕環(huán)境污染。采用電能作為加熱能源，符合國家長期發(fā)展規(guī)劃，而這也是鎂冶煉的發(fā)展方向。

(2)多熱源發(fā)熱體內(nèi)部加熱。爐內(nèi)多個(gè)發(fā)熱體(多熱源)之間具有熱場疊加性，使得熱量沿?zé)嵩磸较騻鬟f速度大幅度提高，升溫速度加快，反應(yīng)料的溫度可在2～3 h內(nèi)達(dá)到煉鎂溫度。這一技術(shù)創(chuàng)新改變了皮江法外加熱的低效和高能耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和高效。熱源之間的熱場疊加和屏蔽作用使還原爐內(nèi)溫度梯度變小，熱場更趨均勻[13]，熱效率提高。

(3)豎式爐體結(jié)構(gòu)。新型半連續(xù)爐改變了皮江法間歇式的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)了鎂還原過程的連續(xù)進(jìn)出料以及間歇出鎂的半連續(xù)化生產(chǎn)模式。通過自動(dòng)控制，裝料和出渣可在2～5 min內(nèi)完成，降低了粉塵污染和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

(4)大容積反應(yīng)系統(tǒng)。多熱源體系使得反應(yīng)空間不再受還原罐直徑限制，單爐裝料量進(jìn)一步提升，爐體為普通材質(zhì)，降低了生產(chǎn)和投資成本。

(5)自動(dòng)控制與測檢系統(tǒng)。自動(dòng)系統(tǒng)以PLC為核心控制器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)/手動(dòng)控制煉鎂系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)，可實(shí)時(shí)采集爐內(nèi)溫度、壓力等參數(shù)并自動(dòng)記錄。此爐型實(shí)現(xiàn)了半連續(xù)還原、間歇出鎂、自動(dòng)裝卸料、低污染的新型生產(chǎn)方式。新型生產(chǎn)方式可實(shí)現(xiàn)煉鎂體系大型化、集約化、自動(dòng)化和清潔化。

新型半連續(xù)電內(nèi)熱法豎式煉鎂爐是以小、中、大型多熱源內(nèi)電熱式煉鎂反應(yīng)器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造的。新型半連續(xù)爐裝料量可達(dá)1 000 kg。依據(jù)20余次試驗(yàn)結(jié)果，該爐的還原周期為3～5 h，料鎂比5.88～7.2，電耗為8 000～10 000 kWh/tMg，粗鎂中鎂含量高于99%，自動(dòng)化控制和生產(chǎn)極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。此爐型目前僅需1～2人即可完成還原工段的工作，封閉式作業(yè)模式使污染降至最低，實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能、清潔生產(chǎn)。

4 結(jié)論

針對目前原鎂生產(chǎn)過程中的高能耗、高污染、低效率等問題，設(shè)計(jì)制造了新型半連續(xù)電內(nèi)熱法豎式煉鎂爐。此爐型設(shè)計(jì)為豎式大容積爐體、內(nèi)部多熱源電加熱、自動(dòng)控制與監(jiān)測，具有高效、節(jié)能、清潔生產(chǎn)等優(yōu)勢，有望使鎂產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝录夹g(shù)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)我國煉鎂技術(shù)全面升級。

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Developmentofnewshaftsemi-continuousmagnesiumsmeltingfurnacewithinternalelectro-thermalmethod

YI Da-wei, WANG Xiao-gang, FAN Zi-min, NIU Li-bin, SHI Yu-pu

In view of the low technological level, high energy consumption and environmental pollution of raw magnesium production, the new shaft semi-continuous magnesium smelting furnace with internal electro-thermal method was successfully designed and manufactured. The new furnace has many characteristics such as shaft large-volume furnace body, inner heating with multiple-heating-sources heating units, and mechanized operation and electric heating realized by automatic control. At present, several tests were performed and the key technical parameters were obtained. The present test results showed that the new furnace had the advantages of high energy efficiency, high production efficiency and low environmental pollution, etc.

shaft magnesium smelting furnace; semi-continuous furnace; internal electro-thermal method

易大偉(1982—)，男，黑龍江大慶市人，講師。主要研究方向：鎂冶煉與合金化及相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)與制造。

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目 CX1261 CX1254-⑧

TF822

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