DOC《内热式竖式炉炼镁冷凝产物形态的研究》

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 710055) 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50 cm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:TF822 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2015)01-0000-00 Morphology Study of Mg Condensation Produced by Inner-heating Vertical Furnace NIU Li-bin, WANG Xiao-gang, FAN Zi-min, XU Zheng (College of Materials Science and Engineering, Xi'

an University of Science and Technology, Xi?an 710055, China) Abstract: Novel inner-heating vertical furnace independently developed was applied to extract crude magnesium from dolomite. Magnesium condensation was analyzed and characterized. The results show that when condenser is located above shaft furnace and no external cooling is carried out, collection of crude magnesium is available. Condensation products can be divided into dense layer and loose layer, respectively. The optimal location is

50 cm from fire blocking, where dense layer is thick and loose layer is thin. Key words: Pidgeon Process;

vertical furnace;

condensation;

magnesium 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[3-7].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. 图1 内热式竖式炉炼镁装置示意图 Fig.1 Sketch map of inner-heating vertical furnace to produce magnesium 收稿日期:2014-08-13 基金项目:陕西省科技统筹计划项目(KTCQ1-17);

陕西省教育厅项目(2013JK0861) 作者简介:牛立斌(1972-),男,山西运城人,博士,副教授. 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3 m、高度8 m,本试验炉对原有专利[8]所述的炼镁炉进行了改进,将冷凝器位于炉体顶端[9].试验时每炉装还原球团料约1.5 t,还原真空度10~15 Pa,从室温20 ℃加热到集气空间(D点)温度为(1 200±20)℃,用时4 h,保温2 h后开始降温,直至集气空间的温度为200 ℃,破坏真空,取出冷凝器,对冷凝器内粗镁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1

600 mm.其中测温点A、B、C、D的温度分别为

195、

440、

786、1

200 ℃,经计算,温度梯度为3.75 ℃/mm.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0.6 m,下端直径0.7 m,高度1.8 m,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. 图2 不同位置冷凝产物的厚度变化 Fig.2 Thickness variation of Mg condensation at different locations 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50 cm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99.5%以上,而后者略微低些,但都在98.7%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XRD谱.与标准卡片PDF#35-0821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(002)、(102)、(103)晶面附近出现明显的衍射峰. 图3 不同位置致密层的XRD谱Fig.3 XRD patterns of compact layers at different locations 图4为距离挡火板不同高度区域的宏观形貌. (a)距挡火板50 cm处断面;

(b)距挡火板75 cm处断面;

(c)距挡火板50 cm处疏松层;

(d)距挡火板75 cm处疏松层;

(e)距挡火板150 cm处疏松层 图4 不同区域的宏观形貌 Fig.4 Macro-morphology at different locations 从横断面(图4a和4b)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4c~4e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50 cm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间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[10].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.

3 结论 利用自主研发的内热式竖式炉炼镁能大........