[发明专利]一种无碳化硅热还原镁冶金装置及方法

权利要求书

1.一种无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：包括依次连通的上部熔融硅系铁合金炉，中部还原炉和下部炉渣精炼炉；

所述的熔融硅系铁合金炉（4）上端设置有熔融硅系铁合金加料管道（2），内部安装有加热丝装置（5），下端开设有与中部还原炉（35）相连通的熔融硅系铁合金出口，熔融硅系铁合金炉（4）上贯穿安装有提拉杆（3），提拉杆（3）的下端穿过熔融态硅系铁合金出口，且在熔融态硅系铁合金出口周围安装有与还原炉（35）相连通的雾化喷嘴（41），所述的雾化喷嘴（41）经管道与放置有煅白粉末（8）的流态化床（9）相连通，流态化床（9）上还开设有高压氩气入口（10）；

所述的中部还原炉包括外壳（38）以及套装在外壳（38）内的还原炉（35），还原炉（35）上端与熔融硅系铁合金出口、雾化喷嘴（41）相连通，下端与外壳（38）下端留有间隙，外壳（38）与还原炉（35）之间的空腔形成了镁蒸气区（36），外壳（38）外安装有冷凝结晶装置（11），外壳下端炉渣出口（33）与下部硅系铁合金炉渣精炼炉相连通；

所述下部硅系铁合金炉渣精炼炉安装在支撑材料（26）上，硅系铁合金炉渣精炼炉上端与外壳炉渣出口（33）相连通，底端侧壁上开设有与浇筑处理设备（21）相连通的出铁口管道（23），上端侧壁上开设有出渣口管道（19），顶端设置有排气管道（32）和旋转喷吹装置（16），所述的旋转喷吹装置（16）入口与氩气入口管道（14）相连，旋转喷吹装置（16）下端伸入炉渣精炼炉底部，且在旋转喷吹装置（16）下端安装有石墨转子。

2.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的熔融硅系铁合金炉（4）由保温材料制成，熔融硅系铁合金炉（4）下端为锥形结构，且在熔融硅系铁合金加料管道（2）上设置有熔融硅系铁合金加料管道阀门（1）。

3.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的雾化喷嘴（41）与流态化床（9）相连的管道上安装有加热器（7）。

4.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的外壳（38）内安装有加热丝装置（37），还原炉（35）内设置有高温热电偶（13），外壳（38）与还原炉（35）上端均为喇叭口状结构，外壳（38）下端安装有由耐火材料（34）形成的锥形结构。

5.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的外壳（38）内壁上设置有悬挂固定器件（12、39），还原炉（35）通过悬挂固定器件（12、39）悬挂在外壳（38）内。

6.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的炉渣出口（33）上安装有炉渣出口阀门（30）。

7.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的炉渣精炼炉由外侧的保温材料（29）和内侧的耐火材料（27）构成，且在保温材料（29）和内侧的耐火材料（27）之间设置有加热丝装置（28）。

8.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的排气管道（32）和氩气入口管道（14）上分别安装有排气管道阀门（31）和氩气入口管道阀门（15）。

9.根据权利要求1所述的无碳化硅热还原镁冶金装置，其特征在于：所述的出铁口管道（23）和出渣口管道（19）上分别安装有出铁口管道阀门（24）和出渣口管道阀门（17），且在出铁口管道阀门（24）和出渣口管道阀门（17）后端的管道上分别安装有出铁虹吸装置（22）和出渣虹吸器（18）。

10.一种如权利要求1所述装置的无碳化硅热还原镁冶金方法，其特征在于包括以下步骤：

1）高温熔融硅系铁合金（6）经过熔融硅系铁合金加料管道阀门（1）的控制，从熔融硅系铁合金加料管道（2）进入到熔融硅系铁合金炉（4）中，在加热丝装置（5）和包裹的保温材料共同作用下，保持1500-1800℃还原反应条件；

2）经过提拉杆（3）的上下操纵，控制熔融硅系铁合金（6）进入到中间还原炉区域，同时，已高温煅烧处理后的白云石，即煅白粉末（8）在流态化床（9）中与高压氩气入口（10）进入的高压氩气充分混合，混合后的气固粉末，经过加热器（7）达到需要的高温条件，在雾化喷嘴（41）的作用下与熔融硅系铁合金（6）一同进入还原炉（35），与芯核煅白粉末（8）和雾化气体氩气高速两相流相互作用，熔融硅系铁合金（6）在煅白粉末（8）表面形成一定厚度硅系铁合金液膜，实现液相即熔融态硅系铁合金包覆固相MgO形态，即生成大量的喷射状的液相硅系合金包裹固相粉末液滴（40），进入到中间的高温还原区进行镁金属的还原冶金；

3）液相硅系合金包裹固相粉末液滴在1450-1700℃温度下反应，其中，加热丝装置（37）调控还原反应温度，其中反应式为：

2MgO(s)+Si(Fe)(l)＝2Mg(g)+SiO2(s)

SiO2(s)+2CaO(s)＝2CaO·SiO2(l)

反应生成的高温镁蒸气在上端压力作用下，向下移动，由于密度小与高温作用下，从下部离开还原炉（35）后，向上折返从镁蒸气区（36）进入到冷凝结晶装置（11）中遇冷凝华成结晶镁；

4）反应过程中生成的SiO2及后续反应生成的CaO·SiO2包裹于硅系合金液中，在重力作用下，连同未参与反应的铁及其他固体杂质，经过炉渣出口阀门（30）从炉渣出口（33）落入炉渣精炼炉中；

5）下部精炼炉在内部耐火材料（27）的保护下，外层设置有加热丝装置（28），保证精炼炉温度在1400-1500℃，铁合金位于精炼炉下部，氧化物渣位于精炼炉上部，利用旋转喷吹装置（16）端部的石墨转子在精炼炉熔池底部，经过氩气入口管道阀门（15）控制下，由氩气入口管道（14）吹入氩气，产生的细小氩气泡在上浮过程中对熔体起搅拌作用，带动质量轻的氧化物杂质上浮，促进杂质分离，即对熔渣熔体进行净化处理，并使得其中的各种成分混合均匀；

6）待精炼炉内熔渣（20）累计到精炼炉设定的深度后，打开出渣口管道阀门，精炼炉内氧化物熔渣在虹吸器（18）作用下，经过出渣口管道（19）排出至炉外，待精炼炉内含硅系铁合金水（25）累计40～50％的精炼炉容量后，打开出铁口管道阀门（24），经过出铁口管道（23）在虹吸装置（22）作用下排出至中浇筑处理设备（21）中进行后续的铁合金处理与利用，并仍保持精炼炉内存有炉容量10～20％的铁水熔池，在熔炼炉的顶端设计有排气管道阀门（31）控制的排气管道（32），用于控制炉内压力。