易大偉， 王曉剛， 樊子民， 牛立斌， 師玉璞

(西安科技大學材料科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

設備及自動化

新型半連續(xù)電內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

(西安科技大學材料科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

針對原鎂生產過程中存在的技術水平低、能源消耗大、環(huán)境污染嚴重等共性技術難題，研究并設計了新型半連續(xù)電內熱法豎式煉鎂爐。該爐型具有豎式大容積爐體、多熱源發(fā)熱體內部加熱、自動控制實現機械化作業(yè)和電能加熱等特點。試驗結果表明，其具有高能效、高效率、低污染等優(yōu)點。

豎式煉鎂爐； 半連續(xù)爐； 電內熱法

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構材料。鎂以其獨特的性質,在社會經濟發(fā)展中越來越受重視。我國的鎂產業(yè)發(fā)展迅速，一躍成為世界第一鎂業(yè)大國，產量、出口和消費均居世界首位。我國原鎂生產主要以皮江法為主[1]，但普遍存在著技術水平低、自動化程度低、生產效率低、成本高、能源消耗大、環(huán)境污染嚴重等共性問題[2-4]。近年來,我國在皮江法煉鎂技術方面開展了大量的研究與改進工作[5-6]，其工作重點在于改進窯爐結構，選用煤氣或重油為燃料，應用雙預熱蓄熱爐燃燒技術，還原爐余熱回收利用，研制裝料和扒渣設備，這些研究為新型煉鎂技術的應用做出了貢獻[7-11]，使我國皮江法煉鎂技術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業(yè)存在的部分問題，但我國鎂冶煉技術落后的現狀并未從根本上得到解決。2010年工信部頒布的《鎂行業(yè)準入條件》對鎂產業(yè)的發(fā)展前景產生了深遠的影響。在國家提倡低碳環(huán)保、節(jié)能減排，調整產業(yè)結構，關停與淘汰落后產能的要求下，金屬鎂冶煉企業(yè)必須進行技術性的革新，因此開發(fā)金屬鎂冶煉新工藝及裝備，促進鎂行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展迫在眉睫。

相對于目前國內廣泛采用的橫罐煉鎂技術，豎罐煉鎂技術展現出了很多優(yōu)勢，引起學者們廣泛的關注，其研究也取得了卓有成效的進展[12]，然而這些研究工作在付諸于工業(yè)實踐之前還需進一步完善，并且未能從根本上解決皮江法存在的諸多問題。

陜西省硅鎂產業(yè)節(jié)能與多聯產工程技術研究中心歷時10年，在電內熱式快速煉鎂小、中、大型反應器試驗研究的基礎上，設計制造了新型大容積豎式電內熱法半連續(xù)煉鎂爐。新型爐投料試驗結果表明，該項技術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生的污染，單爐產量大幅度提高。新型煉鎂設備是金屬鎂冶煉技術的重要革新，有望改變現有金屬鎂生產高資源消耗、高能耗、高污染、低效率等現狀，大幅度提高煉鎂企業(yè)生產效率，降低勞動強度，提升企業(yè)競爭力。

1 新型半連續(xù)煉鎂爐的設計與制造基礎

本課題組在前期理論研究的同時還分別設計了小、中、大反應器進行試驗研究工作：

(1)小型反應器，裝料量10 kg。試驗結果表明，多熱源—內熱式—電熱法煉鎂工藝可以實現原鎂的生產，其爐內的溫度變化以及結晶器的溫度梯度與數值模擬結果有著較好的對應關系。此外，實現了結晶區(qū)溫度的有效控制，使鎂蒸氣能夠順利傳輸至結晶筒內完成結晶，達到最初的設計目標。

(2)中型反應器，裝料量150 kg。這部分工作側重于發(fā)熱元件的系統(tǒng)研究和設計，解決了發(fā)熱體的材質、規(guī)格、結構、排布等問題。

(3)大型反應器，裝料量300 kg。該部分試驗的目的在于擴大試驗規(guī)模，并對爐體的密封系統(tǒng)和測溫方法進行優(yōu)化。

2008年在國家科技支撐計劃項目“多熱源內熱試驗爐工藝及裝備的研究”的支持下，設計并建成了單爐裝料量1 500 kg的大型豎式內熱法中試煉鎂爐(見圖1)，其技術參數如下：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 大型內熱法中試豎式煉鎂爐

中試爐多次試驗結果表明，多熱源體系可實現原料的均勻與快速加熱，促使原料反應充分高效，此外，原料反應完成后可通過底部出料口實現出渣。中試爐的成功設計與運行，為新型半連續(xù)煉鎂爐的豎式真空爐體、自動進料系統(tǒng)、自動卸渣系統(tǒng)、鎂冷卻系統(tǒng)及真空系統(tǒng)的設計與制造奠定了堅實可靠的基礎。

2 新型半連續(xù)煉鎂爐的設計目標與結構

設計研發(fā)的具有自主知識產權的新型半連續(xù)電內熱法豎式煉鎂爐，實現了鎂冶煉過程的連續(xù)進出料、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，實現了生產過程穩(wěn)定、高效、節(jié)能、降耗與清潔的目標。

新型半連續(xù)電內熱法豎式煉鎂爐的系統(tǒng)機構如圖2所示，圖3則對應展現了新型煉鎂系統(tǒng)的形體結構。

圖2 半連續(xù)豎式煉鎂爐的系統(tǒng)機構

圖3 半連續(xù)豎式煉鎂爐的形體機構

新型半連續(xù)電內熱法豎式煉鎂系統(tǒng)主要由自動進料系統(tǒng)、豎式真空爐體、鎂冷凝系統(tǒng)(結晶筒及其與主爐體間的通道)、自動卸渣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)組成。豎式煉鎂爐體的實物結構由上至下依次為進料倉、貯料倉、反應倉(內含多熱源發(fā)熱體)、熱渣倉和冷渣倉。

反應倉中的長方形內腔結構由高鋁磚砌筑，內腔中設置多層發(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入冷渣倉。原料通過進料倉和貯料倉進入反應倉，三個料倉之間由真空閥鏈接。反應倉中形成的鎂蒸氣通過出鎂真空閥進入冷凝系統(tǒng)結晶。自動進料和卸渣系統(tǒng)由主程序控制；真空度的控制由ZJP1200/H150L羅茨滑閥真空機組實現；直流電供應由1 200 kVA整流供電系統(tǒng)完成；以上各系統(tǒng)的協(xié)調、自動控制與監(jiān)測、工藝參數的自動采集及記錄由自動控制與監(jiān)測系統(tǒng)完成。

3 新型半連續(xù)煉鎂爐的設計特點及運行

新型半連續(xù)煉鎂爐的主要特點如下：

(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)熱體內部加熱。爐內多個發(fā)熱體(多熱源)之間具有熱場疊加性，使得熱量沿熱源徑向傳遞速度大幅度提高，升溫速度加快，反應料的溫度可在2～3 h內達到煉鎂溫度。這一技術創(chuàng)新改變了皮江法外加熱的低效和高能耗，實現了節(jié)能和高效。熱源之間的熱場疊加和屏蔽作用使還原爐內溫度梯度變小，熱場更趨均勻[13]，熱效率提高。

(3)豎式爐體結構。新型半連續(xù)爐改變了皮江法間歇式的生產方式，實現了鎂還原過程的連續(xù)進出料以及間歇出鎂的半連續(xù)化生產模式。通過自動控制，裝料和出渣可在2～5 min內完成，降低了粉塵污染和勞動強度，提高了生產效率。

(4)大容積反應系統(tǒng)。多熱源體系使得反應空間不再受還原罐直徑限制，單爐裝料量進一步提升，爐體為普通材質，降低了生產和投資成本。

(5)自動控制與測檢系統(tǒng)。自動系統(tǒng)以PLC為核心控制器，可實現遠程自動/手動控制煉鎂系統(tǒng)的運行，同時，可實時采集爐內溫度、壓力等參數并自動記錄。此爐型實現了半連續(xù)還原、間歇出鎂、自動裝卸料、低污染的新型生產方式。新型生產方式可實現煉鎂體系大型化、集約化、自動化和清潔化。

新型半連續(xù)電內熱法豎式煉鎂爐是以小、中、大型多熱源內電熱式煉鎂反應器為基礎設計制造的。新型半連續(xù)爐裝料量可達1 000 kg。依據20余次試驗結果，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%，自動化控制和生產極大地降低了勞動強度。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，實現了高效、節(jié)能、清潔生產。

4 結論

針對目前原鎂生產過程中的高能耗、高污染、低效率等問題，設計制造了新型半連續(xù)電內熱法豎式煉鎂爐。此爐型設計為豎式大容積爐體、內部多熱源電加熱、自動控制與監(jiān)測，具有高效、節(jié)能、清潔生產等優(yōu)勢，有望使鎂產業(yè)轉變?yōu)楦咝录夹g產業(yè)，實現我國煉鎂技術全面升級。

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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設備設計與制造。

西安市科技計劃項目 CX1261 CX1254-⑧

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