專利名稱：一種金屬提煉用立式還原罐和還原爐裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于皮江金屬提煉法的還原設(shè)備，更確切地說，涉及一種立式還原罐和還原爐裝置的使用及制造。
雖然本發(fā)明的描述是以金屬鎂的煉制為例，但它也適用于煉制其它易揮發(fā)金屬，如鈣、鍶、鋅等。
背景技術(shù)：
發(fā)明于上世紀40年代的皮江金屬提煉方法(美國專利號2330143，加拿大專利號415764，415765和463416)是一種適用于煉制多種易揮發(fā)金屬(如鎂、鈣、鍶、鋅等)的火法冶金技術(shù)。其工藝過程包括如下步驟1)將礦料和還原劑粉末混合壓制成的原料球裝入水平放置的真空還原罐內(nèi)加熱，2)在高溫和真空狀態(tài)下，原料球內(nèi)發(fā)生金屬還原反應(yīng)生成金屬蒸汽，3)金屬蒸汽在位于還原罐口的結(jié)晶筒內(nèi)凝結(jié)為固態(tài)金屬。因為其工藝過程簡單和提煉純度高，皮江法已被廣泛用于煉制多種易揮發(fā)金屬。以金屬鎂為例，目前世界總產(chǎn)量中有高達70％是使用皮江法生產(chǎn)的。但是傳統(tǒng)皮江工藝設(shè)備存在一系列不容忽視的缺點，包括1.還原周期長。比如，傳統(tǒng)皮江煉鎂法的還原周期通常達10小時以上。還原周期長的主要原因是原料球的導(dǎo)熱性能差。因此，需要足夠長的時間才能將位于還原罐中心區(qū)的料球加熱到反應(yīng)溫度以上。
2.還原罐壽命短。標(biāo)準(zhǔn)皮江法真空還原罐是使用鎳鉻耐熱鋼經(jīng)離心澆鑄制成的圓筒。在高溫和大氣壓力的作用下，還原罐會由于其罐壁的高溫蠕變而失效。目前煉鎂還原罐的平均使用壽命僅有2-3個月。
3.裝卸料困難。標(biāo)準(zhǔn)皮江法真空還原罐是內(nèi)徑為10英寸，長度為10英尺，一端封閉，水平放置的圓筒。其狹小的操作空間使得裝卸料困難，生產(chǎn)效率低下，勞動強度大。
4.無法監(jiān)測還原過程。這經(jīng)常會造成“空燒”現(xiàn)象，即在還原反應(yīng)已完成后仍繼續(xù)對還原罐進行加熱，因而造成能源的浪費；或“欠燒”想象，即在還原反應(yīng)結(jié)束前就被提前終止，因而造成原料的浪費。
5.熱泄漏嚴重。標(biāo)準(zhǔn)皮江法真空還原罐位于爐內(nèi)的反應(yīng)區(qū)段和位于爐外的金屬結(jié)晶區(qū)段是焊接成一體的金屬構(gòu)件。還原爐內(nèi)的熱量通過還原罐的傳導(dǎo)被大量地泄漏到爐外。這些泄漏的熱量必須被安裝在金屬結(jié)晶區(qū)段上的冷卻水套吸收。這不僅加劇了能耗也浪費了水資源。
盡管傳統(tǒng)皮江法的上述缺點已被廣泛意識到(如E.F.EmleyPrinciples of MagnesiumTechnology，Oxford，1966，pp.57-58)，但迄今還未有令人滿意的解決方案。為克服卸料困難，皮江(Pidgeon)曾在加拿大專利號420243中提供了一種下部帶有一卸料通道的立式還原罐。在地心引力的作用下，反應(yīng)后殘渣可通過該卸料通道被自動排出還原罐。然而，這一方案至今還未被采用。一個原因是皮江所提供的方法無法有效阻止熱量沿卸料通道的泄漏從而使還原爐的熱利用率下降。另一個原因是皮江沒能提供一適當(dāng)?shù)男读峡谏w板開啟裝置來避免在地心引力作用下快速卸出的高溫殘渣對操作人員的安全威脅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是通過提供一種立式還原爐裝置來克服傳統(tǒng)皮江法的上述缺點。
為達成此目標(biāo)，本發(fā)明的首要目的是提供一種分段組合式還原罐，其三個功能區(qū)段(即位于還原爐內(nèi)的反應(yīng)區(qū)段和位于爐外的金屬結(jié)晶區(qū)段和卸料區(qū)段)之間以耐火材料制成的熱阻接口相連接。
本發(fā)明的另一目的是提供一種還原罐高溫真空密封裝置，其特點是能夠?qū)Π惭b和使用過程中在還原罐區(qū)段接口處所形成的真空泄漏缺陷進行即時的自動修復(fù)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種還原罐強化裝置，其作用是能夠同時增強還原罐的傳熱效率和高溫蠕變抗力。
本發(fā)明的另一目的是提供一種利用空氣對金屬結(jié)晶筒進行冷卻的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種利用地心引力完成還原罐裝卸料的操作方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種對金屬還原過程進行連續(xù)監(jiān)測和紀錄的方法和裝置。
上述諸目的是通過提供一種包含三個功能區(qū)段的立式還原罐來實現(xiàn)的。三個功能區(qū)段分別是反應(yīng)區(qū)段，金屬結(jié)晶區(qū)段，和卸料區(qū)段；它們之間由兩個熱阻接口連接。熱阻接口與反應(yīng)區(qū)段的接合面上安裝有一具有自修復(fù)功能的高溫真空密封墊。
還原罐反應(yīng)區(qū)段位于還原爐內(nèi)。其內(nèi)部安裝有一根與其罐壁緊密接觸(或連成一體)的金屬制強化裝置。該裝置具有雙重作用1)利用其良好的導(dǎo)熱性能將罐壁所提供的熱量迅速傳遞到溫度較低的罐中心區(qū)使全體料球都能被更快和更均勻地加熱到反應(yīng)溫度以上，從而縮短還原周期；2)通過其對罐壁的支撐來抵消還原罐所承受的大氣壓力，從而提高還原罐的蠕變抗力和使用壽命。
還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段位于還原爐外上部并通過上熱阻接口與還原罐反應(yīng)區(qū)段相連。該熱阻接口有效地阻止了爐內(nèi)熱量向金屬結(jié)晶區(qū)的傳遞。這使得通過空氣冷卻即可將還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段保持在合適的溫度范圍。還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段內(nèi)安裝有金屬結(jié)晶筒和堿金屬分離器。金屬結(jié)晶筒的重量被秤重傳感器連續(xù)記錄下來作為對還原過程進行監(jiān)測的數(shù)據(jù)。
由隔熱耐火材料制造的還原罐卸料區(qū)段位于還原爐外下部。其頭部與下熱阻接口制成一體并伸入爐內(nèi)與還原罐反應(yīng)區(qū)段相連。配合充填其內(nèi)的一次性隔熱材料，還原罐卸料區(qū)段能夠有效地阻隔熱量從爐內(nèi)向卸料口傳遞。卸料口被開啟后，其內(nèi)隔熱填料隨同反應(yīng)殘渣一起在地心引力的作用下被自動排出還原罐。卸料口的開啟是通過一合適的裝置遠程完成的，從而保證了操作人員的安全。
與現(xiàn)存皮江法相比，本發(fā)明所提供的立式還原設(shè)備具有以下優(yōu)點1.分段組合式還原罐和熱阻接口的使用降低了還原爐的熱泄漏。
2.空冷金屬結(jié)晶簡的使用將水消耗降低為零。
3.還原罐強化裝置的使用提高了還原罐的蠕變抗力使其可在較高的還原溫度下工作并具更長的使用壽命。
4.較高的還原溫度提高了硅鐵的利用率、降低了料鎂比、提高了原料利用率。
5.較高的還原溫度和還原罐強化裝置的導(dǎo)熱作用使還原罐罐壁所提供的熱量被更快和更均勻地傳遞到全體料球中去從而縮短了還原周期。
6.對還原過程的連續(xù)監(jiān)測和自動紀錄不僅徹底避免了“空燒”和“欠燒”現(xiàn)象從而杜絕了能源和原料的浪費，而且亦為生產(chǎn)經(jīng)營的數(shù)字化管理提供了即時和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
7.利用地心引力進行裝卸料不但縮短了裝卸料時間而且減輕了工人的勞動強度。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
圖1是采用本發(fā)明之立式還原罐所建立的立式還原爐之示意剖視圖(實施例之一)。
圖2是還原罐反應(yīng)區(qū)段及與其相連接的熱阻接口的剖視圖。
圖3是圖2A-A剖視圖。
圖4是使用有限元數(shù)學(xué)模型算出的還原罐反應(yīng)區(qū)段截面等溫線圖a)沒裝十字支撐梁，加熱時間12小時；b)裝有十字支撐梁，加熱時間3小時16分。
圖5是還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段及相關(guān)部件的剖視圖(金屬結(jié)晶筒重量秤量方法實施例之一)。
圖6是圖5A-A剖視圖。
圖7是金屬結(jié)晶筒重量秤量方法實施例之二。
圖8是圖7中拉桿截面俯視圖。
圖9是還原罐卸料區(qū)段及相關(guān)部件的剖視圖。
圖10是利用專用提手將金屬結(jié)晶筒提起之操作示意圖。
圖11是裝料保護管之剖視圖。
圖12是由于還原罐截面偏離理想圓而在其罐壁截面產(chǎn)生彎矩的示意圖。
圖13是還原罐罐壁內(nèi)力與大氣壓力平衡關(guān)系示意圖a)為沒有，b)為安裝有十字支撐梁的還原罐。
具體實施例方式
圖1所示的是采用本發(fā)明之立式還原罐所建造的立式還原爐(100)的示意剖視圖(實施例之一)。該立式還原爐(100)由爐體(101)、燃燒室(102)、安裝其內(nèi)的多根立式還原罐(200)、上工作平臺(103)和下工作平臺(104)組成。對還原爐(100)的加熱可利用任何適當(dāng)?shù)臒嵩赐瓿?。上工作平臺(103)上安裝有適當(dāng)?shù)奶嵘瓦\送裝置(未示出)，用于取出還原金屬塊和裝入原料球。下工作平臺(104)上安裝有適當(dāng)?shù)倪\送裝置(未示出)，用于卸出和運送反應(yīng)殘渣。還原爐(100)中所安裝的立式還原罐(200)的根數(shù)和其排列方式均可根據(jù)設(shè)計產(chǎn)量、廠房和爐體結(jié)構(gòu)等因素靈活變化。
立式還原罐(200)由反應(yīng)區(qū)段(210)、金屬結(jié)晶區(qū)段(220)和卸料區(qū)段(260)三個部分組成，其區(qū)段之間由熱阻接口(270)和(280)連接。如圖1所示，僅還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)位于爐體(101)內(nèi)。金屬結(jié)晶區(qū)段(220)位于爐體(101)外面的頂部；卸料區(qū)段(260)位于在爐體(101)外面的底部。位于還原爐爐墻內(nèi)并與其厚度相等的熱阻接口(270)和(280)起阻隔爐內(nèi)熱量沿還原罐向爐外傳遞的作用。立式還原罐(200)被垂直安放在托架(105)上。該托架(105)被固定在還原爐爐體框架(未示出)的底部。固定在爐體框架(未示出)頂部的壓板(106)通過螺桿(107)和彈簧(108)壓在還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段(220)下法蘭盤上來幫助立式還原罐(200)保持穩(wěn)定。這一柔性的安裝方式也為還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)因為熱脹冷縮引起的長度變化預(yù)留了空間。需要指出的是，因為立式還原罐(200)主要是靠自重被安放在托架(105)上的，所以其軸線必須嚴格垂直以保證其穩(wěn)定性。
示于圖2的是還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)及與其相連的熱阻接口(270)和(280)的剖視圖。還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)系由耐熱鋼經(jīng)離心鑄造制成，其頭部焊有一以相同材料制造的碗形接口(211)。該碗形接口的內(nèi)錐面通過一高溫真空密封墊(212)與上熱阻接口(270)相連。還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)的尾部焊有一以相同材料制造的錐形接口(214)；其外錐面通過一高溫真空密封墊(212)與下熱阻接口(280)相連。熱阻接口(270)和(280)均系采用合適的耐火材料燒結(jié)而成，要求具有低熱導(dǎo)率、高抗壓強度、良好的抗熱振性和低透氣性。下熱阻接口(280)與還原罐卸料區(qū)段(260)是一由相同耐火材料燒結(jié)而成的整體部件。該部件被安裝在還原罐托架(105)上并承擔(dān)著立式還原罐(200)的全部重量。
還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)與熱阻接口(270)和(280)之間的高溫真空密封墊(212)是一由耐火材料纖維或耐熱鋼(或其它耐熱合金)絲編織而成的墊圈，其間充滿半流態(tài)膏狀物。該膏狀物在高溫空氣環(huán)境下應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、低揮發(fā)性和合適的粘性。玻璃是合適的材料之一。高溫真空密封墊(212)不僅能夠填充所處接合面的原有不平缺陷，而且也能自發(fā)填充那些在使用過程中由于震動、變形或破損所造成的缺陷，從而保證還原罐內(nèi)部真空的獲得和保持。這一自修復(fù)功能來自于膏狀物在高溫下的流動性。在毛細現(xiàn)象和大氣壓力作用下，具流動性的膏狀物能自發(fā)填充接合面上的任何可能空間。但另一方面，高溫真空密封墊中的膏狀物也會在大氣壓力的驅(qū)動下不斷地流失到還原罐內(nèi)而使其失去密封作用。這一問題可以使用下述三種方法解決1)減緩流失將膏狀物調(diào)整到一合理的粘度以增加流動阻力(高溫真空密封墊(212)內(nèi)的纖維也起到增加膏狀物流動阻力的作用)；2)補充流失在高溫真空密封墊(212)上方設(shè)立一與其貫通的膏狀物儲備空間(213)隨時對流失的膏狀物進行補充；3)檢測流失在還原罐(200)服役期間，定期對膏狀物儲備倉(213)內(nèi)的存量進行檢測，及時補足。對上熱阻接口(270)內(nèi)的膏狀物儲備倉存量的檢測和補充要通過檢測口(271)進行。對位于下熱阻接口(280)內(nèi)的膏狀物儲備存量的檢測和補充要通過一穿過還原爐爐墻的陶瓷管(未示出)進行。檢測工具可以是一合適尺寸的鐵絲(或類似工具)。首先將該鐵絲穿過上述檢測口(271)或陶瓷管探入到膏狀物儲備倉(213)，然后抽回并測量鐵絲頭部所沾取的膏狀物長度即可得知當(dāng)時儲備存量。補充膏狀物方法是通過上述的檢測口(271)和陶瓷管將膏狀物原粉喂入膏狀物儲備空間(213)。膏狀物原粉被加熱到高溫融化后即成為膏狀物。以玻璃為例，常溫下的玻璃粉(膏狀物原粉)被加熱到高溫后即成為半流態(tài)玻璃膏。
還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)的作用是裝載原料球，并為這些料球提供發(fā)生化學(xué)還原反應(yīng)所需要的溫度和壓力條件。其內(nèi)部安裝有一根與還原罐罐壁緊密接觸的(或連成一體的)金屬裝置。該裝置的作用之一是利用其良好的導(dǎo)熱性能將還原罐罐壁(215)所提供的熱量迅速傳遞到溫度較低的罐中心區(qū)使全體料球都能被更快和更均勻地加熱到反應(yīng)溫度以上，從而縮短還原周期。作用之二是通過抵消施加在還原罐上的大氣壓力來提高還原罐的蠕變抗力，從而延長還原罐的使用壽命。該金屬裝置的實施例之一是在圖2及其A-A剖視圖(圖3)中所示的十字支撐梁(216)。該十字支撐梁(216)可使用與還原罐反應(yīng)區(qū)段相同的材料制成，并被通過合適的工藝安裝到還原罐的反應(yīng)區(qū)段。
示于圖4的有限元計算結(jié)果為十字支撐梁(216)對還原罐反應(yīng)區(qū)傳熱效率的增強作用提供了令人信服的證據(jù)。在該計算中，還原罐內(nèi)徑被取為265毫米，罐壁溫度假設(shè)為恒定1250℃，十字支撐梁的厚度取為10毫米，其初始溫度等于罐壁溫度，料球的初始溫度假設(shè)為25℃，其余計算參數(shù)示于表1。計算結(jié)果顯示，在相同加熱條件下，沒裝十字支撐梁的還原罐(圖4a，傳統(tǒng)皮江法還原罐)需要12小時才能將反應(yīng)區(qū)內(nèi)的所有原料球都加熱到1190℃或以上。相比之下，裝有十字支撐梁的還原罐(圖4b，本發(fā)明之還原罐)僅需要3小時16分就可將全部料球都加熱到此溫度以上。
表1-十字支撐梁及料球的熱學(xué)特性數(shù)據(jù)

十字支撐梁(216)延長還原罐使用壽命的原因是其能夠通過抵消作用在還原罐上的大氣壓力來減小罐壁內(nèi)的周向內(nèi)力。對還原罐的應(yīng)力分析結(jié)果表明(詳細見本說明書附錄還原罐應(yīng)力分析)，使用十字支撐梁可以將還原罐壽命提高到其原有水平的7.6倍以上。
圖5是還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段(220)及相關(guān)部件的剖視圖。還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段(220)包括金屬結(jié)晶筒(221)、金屬結(jié)晶筒外套(222)、還原罐蓋板(223)及附屬裝置。金屬結(jié)晶筒外套(222)是一外壁鑄有一組散熱片(224)，上部鑄有一個分餾器倉(225)、一個真空喉管(226)和一個導(dǎo)線引管(227)的鑄鋼或鑄鐵筒。其下法蘭盤(228)經(jīng)由一密封圈(229)與上熱阻接口(270)相連。其間通過固定在爐體框架(未示出)頂部的壓板(106)、螺桿(107)、彈簧(108)和定位銷(230)來固定。這一固定方式既提高了立式還原罐(200)的安裝穩(wěn)定性也為其提供了必要的熱脹冷縮空間。
金屬結(jié)晶筒套筒(222)內(nèi)安裝有一與其內(nèi)表面保持有一合適間隙的金屬結(jié)晶筒(221)。該金屬結(jié)晶筒(221)是一略呈上粗下細的薄壁圓臺筒。這一幾何形狀即避免了還原過程中形成的冠狀金屬塊(231)因自重掉下，又保證了還原結(jié)束后能夠?qū)⒃摴跔罱饘賶K(231)順利壓出。得益于熱阻接口材料的低熱導(dǎo)率，金屬結(jié)晶筒外套(222)的溫度可以在空氣自然冷卻的條件下，被保持在較低的溫度(200℃左右)。因此可以通過輻射熱交換對其內(nèi)的金屬結(jié)晶筒(221)施以有效的冷卻。
金屬結(jié)晶筒套筒(222)通過其上法蘭盤(232)經(jīng)由一密封圈(233)與還原罐蓋板(223)相連。還原罐蓋板(223)上安裝有金屬蒸汽反射板(234)和堿金屬沉積板(235)。金屬蒸汽反射板(234)是一個帶有一下凸表面的金屬圓片，其溫度必須被保持在金屬蒸汽露點溫度以上，以避免金屬蒸汽在其上的沉積。該溫度是由一個被懸掛在上熱阻接口(270)內(nèi)通道邊緣上的擋火板(236)來控制的。該擋火板(236)是一個帶有一下凸表面和若干通孔的金屬圓片。其上的通孔除了是金屬蒸汽進入金屬結(jié)晶筒的通道外，也控制著金屬蒸汽反射板(234)所直接接受的來自反應(yīng)區(qū)段的輻射熱量。這些通孔的尺寸越大、數(shù)量越多，金屬蒸汽反射板(234)接受的熱輻射越強烈，溫度就越高。金屬蒸汽反射板(234)把所接受的熱輻射的一部分反射到金屬結(jié)晶筒(221)的內(nèi)壁上對其造成加熱效果。另一方面，堿金屬沉積板(235)的溫度必須被保持在堿金屬蒸汽露點溫度以下。這可以通過調(diào)整隔熱板(237)的數(shù)量來實現(xiàn)。
還原過程中，金屬結(jié)晶筒(221)需要被保持在金屬蒸汽露點溫度和堿金屬露點溫度之間的某一適宜的結(jié)晶溫度附近。金屬結(jié)晶筒(221)的溫度由其外套(222)對其的冷卻能力和金屬蒸汽反射板(234)對其的加熱強度控制。在還原罐結(jié)構(gòu)和加熱溫度給定的的情況下，此溫度可以通過改變金屬蒸汽反射板(234)的下凸表面曲率半徑來調(diào)整。該曲率半徑越小，反射到金屬結(jié)晶筒(221)上的輻射能越多，加熱越強烈，其溫度就越高。
擋火板(236)的另一作用是用來加熱上熱阻接口(270)的料球通道(272)，使其表面溫度保持在金屬蒸汽露點溫度以上，以避免金屬蒸汽的沉積。通過改變其下凸表面的曲率半徑可以控制此表面溫度；曲率半徑越小，料球通道(272)內(nèi)壁表面的溫度越高。
如圖5所示，立式還原罐(200)通過其金屬結(jié)晶筒外套上的真空喉管(226)與真空系統(tǒng)(未示出)相連。所以，金屬結(jié)晶區(qū)段(220)是還原罐(200)內(nèi)的低溫低壓區(qū)。還原過程中，在還原罐反應(yīng)區(qū)段產(chǎn)生的金屬蒸汽被真空系統(tǒng)抽取到金屬結(jié)晶區(qū)段后首先遇到金屬蒸汽反射板(234)的阻擋。因為金屬蒸汽反射板(234)的溫度高于金屬蒸汽露點溫度，金屬蒸汽無法在其表面上沉積而被反射到金屬結(jié)晶筒(221)的內(nèi)表面上。因為金屬結(jié)晶筒(221)的溫度低于金屬蒸汽的露點溫度但高于堿金屬蒸汽的露點溫度，只有金屬蒸汽能在其上沉積并成長為冠狀金屬塊(231)，而堿金屬蒸汽則通過金屬蒸汽反射板(234)和金屬結(jié)晶筒(221)之間的間隙進入到分餾器倉(225)。因為位于分餾器倉(225)的堿金屬沉積板(235)的溫度被保持在堿金屬蒸汽露點溫度以下，所以堿金屬在那里沉積下來。
隨著還原反應(yīng)的進行，冠狀金屬塊(231)逐漸長大，導(dǎo)致金屬結(jié)晶筒(221)重量的逐漸增加。很顯然，在還原過程中任一給定時刻，金屬結(jié)晶筒重量的增量就等于冠狀金屬塊(231)的重量，而單位時間內(nèi)該金屬結(jié)晶筒重量的變化就等于還原反應(yīng)的速率。因此，對金屬還原過程的監(jiān)測可以通過對金屬結(jié)晶筒(221)重量的連續(xù)秤量來實現(xiàn)。
金屬結(jié)晶筒重量秤量方法的具體實施例之一示于圖5和圖6中。通過其頂部的輻緣，金屬結(jié)晶筒(221)被自然安放在3個紐扣型秤重傳感器(238)上。這3個秤重傳感器被均勻固定在金屬結(jié)晶筒外套凸肩上的外環(huán)槽(239)內(nèi)。秤重傳感器(238)的引線(240)被連接到導(dǎo)線引管(227)內(nèi)的接線柱(241)上。接線柱(241)的另一端則與一監(jiān)控計算機(未示出)相接。該計算機可以對秤重傳感器輸出的信號進行多項分析處理，包括還原反應(yīng)過程監(jiān)測、生產(chǎn)成本分析、工藝參數(shù)優(yōu)化、產(chǎn)量匯總報表等。
為保證秤量的準(zhǔn)確性，要避免金屬蒸汽進入到金屬結(jié)晶筒(221)與其外套(222)之間的間隙。不然的話，金屬蒸汽會在金屬結(jié)晶筒(221)的外壁上和其外套(222)的內(nèi)壁上沉積并造成它們之間的粘連。這不但會影響秤量的準(zhǔn)確性，甚至?xí)斐山饘俳Y(jié)晶器無法被取出的后果。這一問題可以通過在還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段凸肩上的內(nèi)環(huán)槽(242)內(nèi)安裝一適當(dāng)?shù)拿芊庋b置(243)，如E型密封圈或金屬波紋管，來解決。要注意的是，E型密封圈(243)的自由高度要高于秤重傳感器(238)觸點的高度；而后者又要高于還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段凸肩上內(nèi)外環(huán)槽間分離環(huán)筋(244)的高度。也就是說，金屬結(jié)晶筒(221)輻緣的下表面要與E型密封圈(243)的頂面緊密接觸，而其重量則由秤重傳感器(238)來承擔(dān)。
金屬結(jié)晶筒重量秤量方法具體實施例之二示于圖7。其與實施例之一的主要區(qū)別是1)秤重傳感器(238)被安裝在還原罐之外；2)金屬蒸汽反射板(234)、堿金屬沉積板(235)和隔熱板(237)被固定在金屬結(jié)晶筒懸掛架(301)上；3)取消了金屬結(jié)晶筒外套上的導(dǎo)線引管(227)。在被裝進還原罐之前，金屬結(jié)晶筒(221)和其懸掛架(301)被事先通過楔腳(302)和楔鞋(303)連接起來。當(dāng)它們被一起裝入還原罐后，它們先是坐在金屬結(jié)晶筒外套的凸肩上。當(dāng)還原罐蓋板(223)被裝上后，拉桿(304)頭部的花鍵(305)被自然插入金屬結(jié)晶筒懸掛架(301)上的花鍵槽(306)內(nèi)(見圖8a)。向任何方向轉(zhuǎn)動杠桿(307)60°，令花鍵(305)上的鍵齒旋入花鍵槽(306)上的鍵齒的下方(見圖8b)。當(dāng)轉(zhuǎn)動輪盤(308)并帶動絲杠(309)及通過基盤(310)與其連接的秤重傳感器(238)沿螺母(311)上升時，拉桿(304)通過其花健(305)與花健槽(306)上重疊的鍵齒將金屬結(jié)晶筒(221)及其懸掛架(301)吊離金屬結(jié)晶筒外套凸肩從而實現(xiàn)對金屬結(jié)晶筒(221)的連續(xù)秤重。秤重傳感器(238)與拉桿(304)之間的旋轉(zhuǎn)鉸接(312)允許拉桿(304)在杠桿(307)的驅(qū)動下左右旋轉(zhuǎn)從而通過花健(305)和花健槽(306)上鍵齒的重疊和分離來控制秤重傳感器(238)與金屬結(jié)晶筒(221)之間的連接和分離。真空密封圈(313)保證了還原罐的真空密封。導(dǎo)向桿(314)保證了秤重傳感器的平穩(wěn)升降。
如圖2和圖9所示，還原罐卸料區(qū)段(260)是一個與下絕熱接口(280)制成一體的耐火材料燒結(jié)構(gòu)件。下絕熱接口(280)通過高溫真空密封墊(212)與還原罐反應(yīng)區(qū)段(210)相連。還原罐卸料區(qū)段(260)被安裝在一個被固定在還原爐爐體框架底部(未示出)的還原罐托架(105)上；其間安裝有一真空密封圈(261)。還原罐托架(105)使用鑄鋼制成，其上的卸料口法蘭(262)與還原罐軸線呈45度角并通過一轉(zhuǎn)軸(263)與卸料口蓋板(264)相連。卸料口蓋板(264)上固定有兩個導(dǎo)向槽(265)，其中穿有一弓形彈簧(266)。該彈簧的中部與扇形齒輪(267)鉸接，該扇形齒輪進一步與驅(qū)動齒輪(268)相咬合。搖動曲柄(269)，與其同軸的驅(qū)動齒輪(268)將驅(qū)使扇形齒輪(267)及與其相鉸接的卸料口蓋板(264)左右轉(zhuǎn)動進而開啟或關(guān)閉卸料口。一個與驅(qū)動齒輪(268)同軸同步的棘輪(270)被用來防止處于關(guān)閉狀態(tài)的卸料口蓋板(264)的意外開啟。如欲關(guān)閉卸料口，要先將棘輪(270)上方的棘爪(271)放下。這樣，當(dāng)卸料口蓋板(264)被關(guān)閉后，棘爪(271)將自動阻止棘輪(270)和驅(qū)動齒輪(268)的任何可能回轉(zhuǎn)，從而防止了卸料口蓋板(264)的意外開啟。反之，如欲開啟卸料口，必須先將棘輪(270)上方的棘爪(271)抬起。卸料口法蘭盤(262)和蓋板(264)之間安裝有一真空密封圈(272)。
在向還原罐裝料前，要事先向其卸料區(qū)段(260)及鄰近的一小段反應(yīng)區(qū)段內(nèi)填充一次性隔熱材料(未示出)。這些一次性隔熱材料可以是以前卸出的，現(xiàn)已冷卻了的反應(yīng)殘渣。這些一次性隔熱材料與低導(dǎo)熱率耐火材料制成的卸料區(qū)段能有效阻隔還原罐反應(yīng)區(qū)的熱量向下傳遞，使卸料口部位得以被保持在較低的溫度(＜200℃)。
顯而易見，與皮江所提出的方法(加拿大專利號420243)相比，本發(fā)明之地心引力卸料方法能夠明顯降低還原罐的熱泄漏(通過在低熱導(dǎo)率耐火材料制成的卸料通道內(nèi)填充一次性隔熱材料)和提高操作安全性(通過遠距開啟卸料口)。
本發(fā)明之立式還原罐的操作程序如下1.當(dāng)監(jiān)控計算機發(fā)出“還原反應(yīng)完成”信號后，解除還原罐真空；a.對于金屬結(jié)晶筒重量秤量方法實施例之一取下還原罐蓋板(223)，用圖10所示的專用提手(251)勾入金屬結(jié)晶筒(221)邊緣的四個吊孔(252)將其提出；b.對于金屬結(jié)晶筒重量秤量方法實施例之二轉(zhuǎn)動輪盤(308)將金屬結(jié)晶筒(221)降下，轉(zhuǎn)動杠桿(307)令秤重傳感器(238)與金屬結(jié)晶筒懸掛架(301)分離，取下還原罐蓋板(223)，提出金屬結(jié)晶筒及其懸掛架并將其分離；發(fā)出“卸料”信號；并隨后使用適當(dāng)?shù)膲毫ぞ邔⒔饘俳Y(jié)晶器中的冠狀金屬塊(231)壓出。
2.收到“卸料”信號后，抬起棘爪(271)，搖動曲柄(269)開啟卸料口蓋板(264)；在地心引力作用下，還原罐卸料區(qū)段內(nèi)的一次性隔熱材料連同反應(yīng)區(qū)段內(nèi)的反應(yīng)殘渣一起被自動從卸料口排出，然后發(fā)出“卸料完成”信號。
3.收到“卸料完成”信號后，使用一適當(dāng)工具將擋火板(236)取出，觀察還原罐內(nèi)是否有結(jié)渣，若有，使用一適當(dāng)工具將其排除，然后發(fā)出“關(guān)閉卸料口蓋板”信號；并隨后將圖11所示的保護管(253)放入還原罐，該保護管的作用是防止金屬結(jié)晶區(qū)段被裝料過程污染。
4.收到“關(guān)閉卸料口蓋板”后，放下棘爪(271)，搖動曲柄(269)關(guān)閉卸料口蓋板(264)，然后發(fā)出“裝料”信號。
5.收到“裝料”信號后，先倒入一次性隔熱材料(倒入量以達到十字支撐梁(216)的下端為準(zhǔn))，再倒入原料球(倒入量以剛好淹沒十字支撐梁(216)的上端為準(zhǔn))，取出保護管(253)，使用一適當(dāng)工具將擋火板(236)放入；a.對于金屬結(jié)晶筒重量秤量方法實施例之一使用圖10所示的專用提手(251)將金屬結(jié)晶筒(221)放入還原罐，蓋上還原罐蓋板(223)；b.對于金屬結(jié)晶筒重量秤量方法實施例之二將金屬結(jié)晶筒(221)及其懸掛架(301)接合，將其放入還原罐，蓋上還原罐蓋板(223)，轉(zhuǎn)動杠桿(307)令秤重傳感器(238)與金屬結(jié)晶筒懸掛架(301)接合，轉(zhuǎn)動輪盤(308)將金屬結(jié)晶筒(221)提起；啟動真空系；當(dāng)真空度達到給定值后，“還原反應(yīng)進行中”信號被自動觸發(fā)。
6.監(jiān)控計算機收到“還原反應(yīng)進行中”信號后，首先自動將金屬結(jié)晶筒(221)的重量設(shè)定為零重量并開始對還原過程進行跟蹤，檢測和記錄。
7.當(dāng)結(jié)晶筒的重量增加速率降低到一預(yù)定值后(或任何其他事先規(guī)定的判據(jù)被滿足后)，監(jiān)控計算機發(fā)出“還原反應(yīng)完成”信號。程序回到步驟1。
需要強調(diào)指出的是，上面給出的具體實施例僅為方便闡述本發(fā)明之工作原理。實施者可以應(yīng)用本發(fā)明之工作原理對上述具體實施例進行多種多樣的修改和細節(jié)完善。但所有如此產(chǎn)生的實施例變種都屬于本發(fā)明之工作原理的具體體現(xiàn)，因此亦被包含在本發(fā)明之權(quán)利要求書中所要求的權(quán)利范圍內(nèi)。
附錄還原罐應(yīng)力分析為計算簡單和敘述方便，還原罐被簡化為一個在大氣壓力作用下的圓柱形薄壁容器。進一步假設(shè)其軸向壓力為零，其應(yīng)力狀態(tài)可僅由其罐壁內(nèi)的周向內(nèi)力，Nθ，描述。在還原罐截面是理想圓的條件下，Nθ是罐壁蠕變的唯一驅(qū)動力，但它僅能使還原罐截面周長均勻縮短而不能令其形狀改變，即不能導(dǎo)致罐壁的塌陷和還原罐失效。然而，理想圓柱還原罐實際上是不存在的。因為干擾力(如重力)的作用和制造缺陷的存在，還原罐截面總會在一定程度上偏離理想圓，從而在周向內(nèi)力，Nθ，的作用下產(chǎn)生一彎矩，M(見圖12)。令e是圖12中的實際截面曲線(401)與理想圓曲線(400)之間的偏離距離，彎矩，M，可以由下式算出M＝Nθe(A1)與此彎矩相對應(yīng)的平均彎曲正應(yīng)力，σM，可由下式算出σ‾M=Mδ2I=Nθeδ2I---(A2)]]>這里，δ還原罐壁厚，I是罐壁截面的慣性矩。在σM的驅(qū)動下，蠕變令還原罐截面曲線進一步偏離理想圓曲線(即，e進一步增大)。這反過來又增大了σM，令蠕變加速并最終導(dǎo)致罐壁的塌陷和還原罐的失效。因為蠕變是導(dǎo)致還原罐失效的主要原因，有理由假設(shè)還原罐壽命(t)與蠕變速率 成反比，即t∝1/ϵ·.]]>同時假設(shè)上述蠕變過程主要發(fā)生在第二階段，且其蠕變速率 與σM有如下關(guān)系ϵ·=A(σ‾M)n=A(Nθeδ2I)n---(A3)]]>這里，A和n均是材料常數(shù)。
考慮兩支以同樣材料和工藝制造的還原罐，一支內(nèi)部安裝有十字支撐梁，另一支則沒有。在A3式中，除了周向內(nèi)力Nθ以外，其它參數(shù)對這兩支還原罐應(yīng)該都具有相同的數(shù)值。這樣，由A3式所估算的這兩支還原罐的使用壽命(t)之間的比值可由下式表達t+to=ϵ·oϵ·+=(NoθN+θ)n---(A4)]]>式中，下標(biāo)+表示裝有十字支撐梁的還原罐，o表示沒裝十字支撐梁的還原罐。
周向內(nèi)力Nθ可以被通過其與作用在還原罐上的大氣壓力之間的平衡關(guān)系求出。通過簡單的積分計算可以求出大氣壓力在單位長度半圓罐體上的合壓力為pD。這里p是大氣壓力，D是還原罐直徑。當(dāng)沒裝十字支撐梁時(圖13a)，pD被左右兩個截面中的內(nèi)力所平衡，所以Noθ＝pD/2。當(dāng)裝有十字支撐梁時(圖13b)，pD被兩個內(nèi)力及一個由十字支撐梁所形成的支點所平衡，所以N+θ＝pD/3。將求得的Noθ和N+θ代入A4式，并假設(shè)耐熱鋼的n值為5，得到t+to=1.55=7.6---(A5)]]>所以，使用十字支撐梁可以將還原罐壽命提高到其原有水平的7.6倍。
需要指出的是，在忽略氧化對還原罐壽命影響的條件下，A5式給出的數(shù)值僅是保守的估算，因為在本附錄給出的簡單分析中還有諸多沒有考慮的因素。比較重要的有以下兩點
1.在還原罐被水平放置時(傳統(tǒng)皮江法)，其自重會增大其罐壁內(nèi)的彎矩從而加速蠕變縮短壽命。但在還原罐被垂直放置時(本發(fā)明)，因其自重不會改變其罐壁內(nèi)的彎矩而對其壽命沒有不利影響。因此，還原罐自重的影響應(yīng)該令A(yù)5式中的to減小。
2.在本附錄的計算中，十字支撐梁對罐壁的支撐作用被簡化為可動鉸支座(見圖13b)。也就是說，十字支撐梁對罐壁彎曲變形的約束作用被忽略了。而此約束作用應(yīng)該令A(yù)5式中的t+增大。
綜上所述，A5式可被重新表述為t+to>7.6---(A6)]]>
權(quán)利要求
1.一種阻隔還原爐內(nèi)部熱量沿還原罐向爐外泄漏的方法，其特征在于，還原罐按爐內(nèi)和爐外部分分段制成，其間以具真空密封功能的熱阻接口連接。
2.一種可同時加強還原罐傳熱效率和蠕變抗力的方法，其特征在于，在還原罐內(nèi)安裝一根與罐壁緊密接觸的金屬構(gòu)件，利用該金屬構(gòu)件良好的導(dǎo)熱性能將還原罐罐壁所提供的熱量迅速傳遞到罐中心低溫區(qū)使全體原料都能被更快和更均勻地加熱到反應(yīng)溫度以上，同時利用該金屬構(gòu)件對作用于罐壁的大氣壓力的平衡作用來提高還原罐的蠕變抗力。
3.一種對還原罐金屬結(jié)晶器施行空氣冷卻的方法，其特征在于，利用散熱片的冷卻作用和熱阻接口的隔熱作用將金屬結(jié)晶器外套的溫度保持在遠低于金屬蒸汽露點溫度以下，再通過金屬結(jié)晶筒和其外套之間的熱輻射交換，對處于較高溫度的金屬結(jié)晶筒施行冷卻。。
4.一種利用地心引力實現(xiàn)還原罐自動裝卸料的方法，其特征在于，將還原罐一端封閉的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變?yōu)閮啥碎_口的筒形，將傳統(tǒng)的水平安放改變?yōu)榇怪卑卜?，在地心引力的作用下，反?yīng)原料從上邊的裝料通道進入還原罐，反應(yīng)殘渣從下邊的卸料通道排出還原罐。
5.一種對金屬還原過程進行連續(xù)在線監(jiān)測的方法，其特征在于，在還原反應(yīng)過程中對金屬結(jié)晶筒重量進行連續(xù)秤量和記錄，該重量的增量等于還原金屬的重量，單位時間內(nèi)該重量的變化等于還原反應(yīng)速率。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4和5所描述的方法建造的、由三個功能區(qū)段組合而成的、立式還原罐；其三個功能區(qū)段是a.位于還原爐內(nèi)的反應(yīng)區(qū)段，由耐熱金屬材料制造，其內(nèi)安裝有一根據(jù)權(quán)利要求2所述方法中所述的金屬構(gòu)件；b.位于還原爐外頂部的金屬結(jié)晶區(qū)段，系根據(jù)權(quán)利要求3所述方法中所述的金屬結(jié)晶筒外套，由金屬材料制造，其內(nèi)安裝有一只根據(jù)權(quán)利要求5所述方法中所述的金屬結(jié)晶筒；c.位于還原爐外底部的卸料區(qū)段，系根據(jù)權(quán)利要求4所述方法中所述的卸料通道，由耐火材料制造；上述三個還原罐功能區(qū)段之間以根據(jù)權(quán)利要求1所述方法中所述的熱阻接口連接；其中上熱阻接口用于連接反應(yīng)區(qū)段和金屬結(jié)晶區(qū)段，下熱阻接口用于連接反應(yīng)區(qū)段和卸料區(qū)段；下熱阻接口與卸料區(qū)段是制成一體的構(gòu)件。
7.根據(jù)權(quán)力要求6所述熱阻接口是一與還原爐墻體等厚的、中心開有一料球通道的、由低熱導(dǎo)率耐火材料制成的構(gòu)件，其與還原罐反應(yīng)區(qū)段的接合面上中安裝有一高溫真空密封墊。
8.根據(jù)權(quán)力要求7所述高溫真空密封墊是一侵泡在一種膏狀物中的由耐火材料纖維或耐熱合金金屬絲編制的墊圈。
9.根據(jù)權(quán)力要求7所述熱阻接口內(nèi)部有一與所述高溫真空密封墊相貫通的膏狀物儲倉用來隨時補充高溫真空密封墊中膏狀物在大氣壓力作用下的自然流失。
10.根據(jù)權(quán)力要求8和9所述膏狀物在高溫工作狀態(tài)下是一種在空氣中具高度化學(xué)穩(wěn)定性的、有一定粘度的半流體物質(zhì)；其在常溫下的初始形態(tài)則是呈粉末狀的同體。
11.根據(jù)權(quán)力要求10所述膏狀物是由玻璃粉或其與其它礦物質(zhì)粉末的混合物在高溫下融化而成。
12.根據(jù)權(quán)力要求6所述立式還原罐反應(yīng)區(qū)段內(nèi)的金屬構(gòu)件是一根使用與還原罐同樣材料制成的十字支撐梁。
13.根據(jù)權(quán)力要求7所述上熱阻接口料球通道的上端安裝有一具有一下凸表面的擋火板來將所述料球通道內(nèi)壁表面加熱到金屬蒸汽露點溫度以上；改變所述擋火板下凸表面曲率半徑可以改變對所述料球通道內(nèi)壁表面的加熱效果，從而控制其表面溫度和溫度分布。
14.根據(jù)權(quán)力要求13所述擋火板上開有多個利于金屬蒸汽通過的通孔；通過改變這些通孔的數(shù)量、尺寸和位置可以控制輻射到位于金屬結(jié)晶區(qū)段上端的金屬蒸汽反射板上的熱量，從而控制其表面溫度。
15.根據(jù)權(quán)力要求6所述立式還原罐金屬結(jié)晶區(qū)段內(nèi)的金屬結(jié)晶筒是一略呈上粗下細形狀的圓臺薄壁筒。
16.根據(jù)權(quán)力要求15所述金屬結(jié)晶筒的溫度是由其外套對其的冷卻能力和上述金屬蒸汽反射板對其的加熱能力來控制。
17.根據(jù)權(quán)力要求16所述金屬結(jié)晶筒外套的冷卻能力是由其外表面上散熱片的數(shù)量、尺寸和分布來控制。
18.根據(jù)權(quán)力要求16所述金屬蒸汽反射板的加熱能力是由其下凸表面的曲率半徑和其本身的表面溫度來控制。
19.根據(jù)權(quán)力要求15所述金屬結(jié)晶筒被安放在一組位于其外套上的秤重傳感器上或懸掛在一只位于還原罐蓋板外側(cè)上的秤重傳感器上；秤重傳感器的輸出信號被輸入到一臺計算機中用于完成還原反應(yīng)過程監(jiān)測、生產(chǎn)成本分析、工藝參數(shù)優(yōu)化、產(chǎn)量匯總報表等程序。
20.根據(jù)權(quán)力要求15所述金屬結(jié)晶筒與其外套間的間隙空間被一位于其幅緣下方的彈性密封圈所封閉，用以防止金屬蒸汽的進入。
21.根據(jù)權(quán)力要求6所述立式還原罐卸料區(qū)段的底部安裝有一卸料口蓋板；當(dāng)該蓋板關(guān)閉時，卸料區(qū)段內(nèi)所裝填的一次性隔熱材料起到阻止反應(yīng)區(qū)的熱量向下傳遞的作用；當(dāng)該蓋板開啟后，卸料區(qū)段成為還原罐內(nèi)反應(yīng)殘渣的排出通道。
22.一種采用權(quán)力要求6所述的立式還原罐所建造的立式還原爐，該還原爐配備有一個為方便完成從還原罐中取出還原金屬和為還原罐裝入原料等操作的上工作平臺，和一個為方便完成從還原罐卸出并運送反應(yīng)殘渣等操作的下工作平臺。
23.根據(jù)權(quán)力要求22所述立式還原爐的底部安裝有一系列還原罐托架，權(quán)力要求6中所述的立式還原罐按卸料區(qū)段/下熱阻接口、反應(yīng)區(qū)段、上熱阻接口、金屬結(jié)晶區(qū)段的順序依次靠自重被垂直疊放在這些托架上。
24.根據(jù)權(quán)力要求22所述立式還原爐的頂部安裝有一系列還原罐彈簧壓板用以增加還原罐的安裝穩(wěn)定性。
全文摘要
一種阻隔還原爐內(nèi)部熱量沿還原罐向爐外泄漏的方法；一種可同時加強還原罐傳熱效率和蠕變抗力的方法；一種對還原罐金屬結(jié)晶筒施行空氣冷卻的方法；一種利用地心引力實現(xiàn)還原罐自動裝卸料的方法；一種對金屬還原過程進行在線連續(xù)監(jiān)測的方法。一種利用上述諸方法所建造的立式還原罐。一種采用上述立式還原罐所建造的立式還原爐，其特征包括熱效率高、還原周期短、還原罐壽命長，裝卸料自動化，在線連續(xù)監(jiān)測還原過程。
文檔編號C22B19/00GK1876856SQ20051007492
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者劉偉杰 申請人:劉偉杰