权利要求
1.一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，包括炉体(1)和炉盖(20)，其特征在于：还包括氧化镁粉供给装置(6)、还原剂供给装置(9)和冷凝收集装置，炉体(1)内部设有熔炼腔(2)，炉盖(20)中心密封连接竖直设置的空心电极(3)，熔炼腔(2)底部对应设有底电极(4)，炉体(1)外部电连接供电装置，空心电极(3)与底电极(4)在供电装置的作用下，在熔炼腔(2)内形成等离子弧;空心电极(3)内腔形成物料喷射通道(10)，氧化镁粉供给装置(6)连通物料喷射通道(10)，且氧化镁粉供给装置(6)与物料喷射通道(10)之间设有气粉喷射装置，还原剂供给装置(9)通过炉盖(20)连通熔炼腔(2)，炉体(1)一侧连接冷凝收集装置和排渣装置(15)。
2.根据权利要求1所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述空心电极(3)下端竖向插入熔炼腔(2)内，空心电极(3)下方出口朝向熔炼腔(2)内下部设置的熔池(11);底电极(4)设置在熔炼腔(2)底部、熔池(11)的下方。
3.根据权利要求1或2所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的炉盖(20)上设有电极孔，空心电极(3)安装在电极孔内，电机孔的周圈设有加料孔，通过加料孔安装颗粒物料加料管(19)，还原剂供给装置(9)连通颗粒物料加料管(19)的上端部，颗粒物料加料管(19)的下端部插入熔炼腔(2)内，且颗粒物料加料管(19)的出口朝向熔炼腔(2)内壁。
4.根据权利要求1或2所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的空心电极(3)为非转移弧等离子空心电极。
5.根据权利要求1所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的氧化镁粉供给装置(6)和还原剂供给装置(9)分别连接原料计量控制装置(16)。
6.根据权利要求1所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的气粉喷射装置包括气粉喷射器(7)和载气供给装置(8)，气粉喷射器(7)一侧连接载气供给装置(8)，氧化镁粉供给装置(6)通过气粉喷射器(7)和载气供给装置(8)将氧化镁粉以喷射状态送入熔炼腔(2)。
7.根据权利要求6所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的载气供给装置(8)包括依次连通的气体净化单元、加压单元和储气单元，且所述载气供给装置(8)经调节阀与气粉喷射装置(7)连通。
8.根据权利要求1所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的还原剂供给装置(9)内的还原剂采用颗粒状
铝还原剂或颗粒状硅铁还原剂。
9.根据权利要求1所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的冷凝收集装置包括镁蒸气冷凝分离单元(13)和提纯/铸锭单元(14)，所述炉体(1)上部一侧设有气相导出管(12)，气相导出管(12)外端部出口连接镁蒸气冷凝分离单元(13)入口，镁蒸气冷凝分离单元一(13)出口连接提纯/铸锭单元(14)。
10.根据权利要求1所述的一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，其特征在于：所述的排渣装置(15)设置在炉体(1)下部一侧或炉体(1)底部，排渣装置(15)的出口端通过镁蒸气冷凝分离单元二(17)连接提纯/铸锭单元(14)。
说明书
技术领域
[0001]一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，涉及
金属镁冶炼领域。
背景技术
[0002]目前，金属镁冶炼生产工艺主要包括电解法和热还原法，其中，热还原法为主流工艺。电解法虽然具备一定应用基础，但存在原料制备流程长、无水氯化镁制备和储存困难、电耗高、设备腐蚀严重、氯气及废渣处理负担重、投资较大等问题，应用范围有限。
[0003]现有热还原法中，以皮江法应用最广。皮江法是以煅烧白云石为原料，以硅铁为还原剂，经磨粉、压球后在高温和真空条件下进行还原。此种工艺虽相对成熟，但仍存在以下缺陷：(1)需要在高温真空下间歇操作，还原周期长，单罐产率低，热效率低，能耗高;(2)还原罐在高温高真空条件下寿命短，消耗成本高;(3)以煤炭或煤气为热源，直接碳排放高、环境污染较重，不利于清洁生产;(4)原料需磨粉压球并配套抽真空装置，设备和运行维护成本较高，压球、抽真空、装卸料等生产环节多，工艺流程长，难以实现规模化连续生产;(5)白云石煅烧产生的超细粉料难以利用，固体废弃物多，资源利用率较低。
[0004]至于其他冶炼方法，有液态热还原工艺，如马格内姆法和MTMP法。这两种方式在提高反应速率方面具有一定优势，但仍分别存在不同的技术缺陷，比如，马格内姆法存在电极真空密封难得问题，容易导致漏气燃烧甚至局部爆炸，存在较大的安全隐患;MTMP法则存在反应温度高、炉衬寿命短、耐火材料成本高等问题。
[0005]因此，如何构建机、电、仪一体化的自动化生产线，解决制球、抽真空、真空罐利用率低和原料利用率低等问题，推动连续化、清洁化和高效化生产是目前金属镁冶炼领域亟待解决的技术问题。
发明内容
[0006]本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种兼具全密闭、常压、连续进料、连续出镁的常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，包括炉体和炉盖，其特征在于：还包括氧化镁粉供给装置、还原剂供给装置和冷凝收集装置，炉体内部设有熔炼腔，炉盖中心密封连接竖直设置的空心电极，熔炼腔底部对应设有底电极，炉体外部电连接供电装置，空心电极与底电极在供电装置的作用下，在熔炼腔内形成等离子弧;空心电极内腔形成物料喷射通道，氧化镁粉供给装置连通物料喷射通道，且氧化镁粉供给装置与物料喷射通道之间设有气粉喷射装置，还原剂供给装置通过炉盖连通熔炼腔，炉体一侧连接冷凝收集装置和排渣装置。
[0008]本发明炉体为全封闭结构，熔炼腔设置在炉体内部，有利于减少粉尘和气体外逸;在熔炼腔形成等离子弧，在全密闭环境中完成粉体输送、加热熔融、镁蒸气导出、冷凝收集及排渣等流程。在常压条件下使氧化镁原料与还原剂快速、充分反应;取消压球和抽真空等环节，可在常压条件下实现连续进料、连续出镁和排渣，利用等离子弧和气粉喷射耦合作用强化熔池搅拌，提高传质和传热效率;实现连续进料、连续产镁及排渣，以适应自动化和产业化应用需求。
[0009]所述空心电极下端竖向插入熔炼腔内，空心电极下方出口朝向熔炼腔内下部设置的熔池;底电极设置在熔炼腔底部、熔池的下方。采用空心电极和气粉喷射耦合结构，可将氧化镁粉直接喷入熔池深处，强化液相反应的传热与传质。
[0010]所述的炉盖上设有电极孔，空心电极安装在电极孔内，电机孔的周圈设有加料孔，通过加料孔安装颗粒物料加料管，还原剂供给装置连通颗粒物料加料管的上端部，颗粒物料加料管的下端部插入熔炼腔内，且颗粒物料加料管的出口朝向熔炼腔内壁。
[0011]所述的空心电极为非转移弧等离子空心电极。空心电极组件设置于全密闭炉体上部并伸入熔炼腔内，空心电极的中心通道用于气体或气粉穿过电弧中心喷出，以形成直流等离子弧喷射加热。
[0012]所述的氧化镁粉供给装置和还原剂供给装置分别连接原料计量控制装置。系统结构完整，便于与计量控制装置配合，实现自动化连续生产。将粉料与颗粒料分开加料的方法，可以减少粉尘飞扬，提高料层的透气性，避免喷炉，节省电能，提高生产安全性。
[0013]所述气粉喷射装置包括气粉喷射器和载气供给装置，气粉喷射器一侧连接载气供给装置，氧化镁粉供给装置通过气粉喷射器和载气供给装置将氧化镁粉以喷射状态送入熔炼腔。
[0014]所述的载气供给装置包括依次连通的气体净化单元、加压单元和储气单元，且所述载气供给装置经调节阀与气粉喷射装置连通。
[0015]所述的还原剂供给装置内的还原剂采用颗粒状铝还原剂或颗粒状硅铁还原剂。系统适用于以氧化镁粉为原料、以硅铁或铝为还原剂，在全密闭条件下通过直流等离子弧加热并配合气粉喷射实现连续进料、连续产镁及排渣作业。
[0016]所述的冷凝收集装置包括镁蒸气冷凝分离单元和提纯/铸锭单元，所述炉体上部一侧设有气相导出管，气相导出管外端部出口连接镁蒸气冷凝分离单元入口，镁蒸气冷凝分离单元一出口连接提纯/铸锭单元。设置镁蒸气冷凝分离单元、提纯/铸锭单元和排渣装置，以实现镁蒸气导出、冷凝收集及液态熔渣排放。
[0017]所述的排渣装置设置在炉体下部一侧或炉体底部，排渣装置的出口端通过镁蒸气冷凝分离单元二连接提纯/铸锭单元。
[0018]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
本发明炉体为全封闭结构，熔炼腔设置在炉体内部，有利于减少粉尘和气体外逸;在熔炼腔形成等离子弧，在全密闭环境中完成粉体输送、加热熔融、镁蒸气导出、冷凝收集及排渣等流程。在常压条件下使氧化镁原料与还原剂快速、充分反应;取消压球和抽真空等环节，利用等离子弧和气粉喷射耦合作用强化熔池搅拌，提高传质和传热效率。设置镁蒸气冷凝分离单元、提纯/铸锭单元和排渣装置，以实现镁蒸气导出、冷凝收集及液态熔渣排放。
[0019]以氧化镁粉为原料、以铝或硅铁为还原剂，在全密闭条件下通过等离子弧加热并配合气粉喷射的方式，实现连续进料、连续出镁和排渣等完整的工艺流程，以适应自动化和产业化应用需求。有效解决了现有技术中还原周期长、热效率低、还原罐寿命短以及难以规模化连续生产等不足的技术难题，有效避免了密封困难、漏气燃烧或反应温度高、炉衬寿命短等安全隐患。
附图说明
[0020]图1为本发明连接关系示意图。
[0021]图2为炉体内部结构剖视示意图。
[0022]图3为连续炼镁冶炼工艺流程框图。
[0023]图4为冷凝与出镁单元流程示意图。
[0024]其中，1、炉体 2、熔炼腔 3、空心电极 4、底电极 5、直流等离子电源 6、氧化镁粉供给装置 7、气粉喷射器 8、载气供给装置 9、还原剂供给装置 10、喷射通道 11、熔池 12、气相导出管 13、镁蒸气冷凝分离单元一 14、提纯/铸锭单元 15、排渣装置 16、原料计量控制装置 17、镁蒸气冷凝分离单元二 18、气囊 19、颗粒料加料管 20、炉盖。
具体实施方式
[0025]图1~4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~4对本发明做进一步说明。
[0026]参照附图1~4：一种常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统，包括炉体1、炉盖20、氧化镁粉供给装置6、还原剂供给装置9和冷凝收集装置，炉体1为全封闭结构，炉体1内部设有熔炼腔2，炉盖20的中心区域密封连接竖直设置的空心电极3，熔炼腔2底部对应设有底电极4，炉体1外部电连接供电装置，空心电极3与底电极4在供电装置的作用下，在熔炼腔2内形成等离子弧;空心电极3内腔形成物料喷射通道10，氧化镁粉供给装置6连通物料喷射通道10，且氧化镁粉供给装置6与物料喷射通道10之间设有气粉喷射装置，还原剂供给装置9通过颗粒料加料管19连通熔炼腔2，炉体1一侧连接冷凝收集装置和排渣装置15。直流等离子电源与炉体电连接，用于提供直流等离子弧加热能量。
[0027]本发明采用电熔镁炉专用的密闭炉型式。炉盖20为平顶伞状，固定在操作平台上。炉盖20为钢质水冷外壳，内衬镁质耐火混凝土。空心电极3至少设有一组，炉盖20上设有电极孔，空心电极3通过炉盖20顶部中央区域开设的电极孔伸入炉体1内，电极孔用耐火密封圈和充气密封圈密封。当空心电极3设置多组时，炉盖20顶部中央区域对应开设的多个电极孔之间设置隔磁板，以减小大电流在炉盖中产生的铁磁损耗。
[0028]电机孔的周圈设有加料孔，加料孔设有多个，通过加料孔安装颗粒物料加料管19，还原剂供给装置9连通颗粒物料加料管19的上端部，颗粒物料加料管19的下端部插入熔炼腔2内，且颗粒物料加料管19的出口朝向熔炼腔2内壁，以便用生料在炉体筒壁形成隔热耐火层。熔炼腔2里全是颗粒料，相互之间存在空隙，透气性好;计算机控制连续加料，料层薄，易于气体排出，消除了喷炉的可能性。炉盖20上还装有炉温、炉压检测元件，炉盖20侧面设有观察口，炉盖20顶部边缘设有与收尘管道相连接的排气口。颗粒物料加料管19为镁质耐火材料烧制成型，与炉盖20外部设置的加料管采用法兰连接，以便于维修更换。
[0029]空心电极3采用空心石墨电极，空心电极3上端周圈密封设置在炉体1顶部，空心电极3上部开口密封连接气粉喷射装置的出口，空心电极3下端竖向插入熔炼腔2内，空心电极3下方出口朝向熔炼腔2内下部设置的熔池11;底电极4设置在熔炼腔2底部、熔池11的下方。空物料喷射通道10设置在空心电极3内腔，用于输送氧化镁粉并将氧化镁粉喷入熔池11内部。
[0030]空心电极3为非转移弧等离子空心电极，供电装置为直流等离子电源5。电弧在压缩作用下形成高温、高速等离子射流，对熔池进行集中加热，并配合气粉喷射作用强化熔池搅拌。本发明采用直流等离子电源5，形成的直流电炉的短网无感抗，无电流过零熄弧的影响，功率因数高，噪音低，比交流电炉节电10%～20%，同时增加产量10%～20%。容量越大，增产越多，节能越多。供电系统接受和分配来自高压(10kV)电网的电能，由高压开关柜、变压器、变流器、电抗器组成，将交流电变成直流电，通过短网和电极送到炉内。
[0031]氧化镁粉供给装置6和还原剂供给装置9分别连接原料计量控制装置16，用于对氧化镁粉和还原剂的进料量进行计量和控制。原料计量控制装置16包括粉料称重
给料机和颗粒料流量电动控制阀，通过粉料称重给料机控制氧化镁粉的供料，通过颗粒料流量电动控制阀控制还原剂供给计量。
[0032]气粉喷射装置包括气粉喷射器7和载气供给装置8，气粉喷射器7一侧连接载气供给装置8，氧化镁粉供给装置6通过气粉喷射器7和载气供给装置8将氧化镁粉以喷射状态送入熔炼腔2，电极与熔池11之间的普通电弧转变成等离子电弧。等离子电弧的温度可达4000℃以上。载气供给装置8包括依次连通的气体净化单元、加压单元和储气单元，且所述载气供给装置8经调节阀与气粉喷射装置7连通。
[0033]还原剂加料装置9与熔炼腔2通过颗粒物料加料管19连通，用于向熔炼腔2内加入颗粒状还原剂，形成富含还原剂的熔体。还原剂供给装置9内的还原剂采用颗粒状铝还原剂或颗粒状硅铁还原剂。
[0034]冷凝收集装置包括镁蒸气冷凝分离单元13和提纯/铸锭单元14，炉体1上部一侧设有气相导出管12，气相导出管12外端部出口连接镁蒸气冷凝分离单元13入口，以导出并冷凝反应生成的镁蒸气，镁蒸气冷凝分离单元一13出口连接提纯/铸锭单元14。镁蒸气冷凝分离单元一13与提纯/铸锭单元14之间设有液态镁导出通路，镁蒸气经冷凝分离后进入提纯/铸锭单元14形成镁产品。
[0035]排渣装置15设置在炉体1下部一侧或炉体1底部，排渣装置15的出口端通过镁蒸气冷凝分离单元二17连接提纯/铸锭单元14。排渣装置15与全密闭炉体1的下部连通，用于排出液态熔渣。
[0036]工作过程及工作原理：
本发明适用于以氧化镁粉为原料、以硅铁或铝为还原剂的冶炼工艺。氧化镁粉喷入富含还原剂的熔体后，在熔池11内发生熔融还原反应，生成的镁蒸气通过气相导出管12导出并回收再利用。
[0037]具体的，如图1~2所示，本发明工作时，在电熔开始工作之前需往熔炼腔2内装料，应做到将料压实压密，并在粉料的最上层铺一层工业冶金焦炭，以设置三根空心电极3为例，其平铺范围在三根电极所形成的三角形范围内，使得起弧后电路形成回路。
[0038]然后调节电极，开始进入起弧阶段。起弧后，待电流趋于平稳，电极周围的原料开始熔融，熔池11逐渐形成，进入熔融阶段。随氧化镁原料不断消耗，熔池11液面开始下降。待熔池11液面稳定后，往电极周围填料，进入加料阶段。
[0039]原料计量控制装置16分别与氧化镁粉供给装置6和还原剂加料装置9连接，先由原料计量控制装置16分别控制还原剂加料装置9和氧化镁粉供给装置6的供料量，用于按照设定配比和进料速度进行计量控制。氧化镁粉供给装置6、气粉喷射装置7和载气供给装置8相互连通，氧化镁粉供给装置6内的氧化镁粉在载气供给装置8提供的载气作用下，经气粉喷射装置7进入物料喷射通道10，再由空心电极3下端喷入熔池11内部，入炉氧化镁粉在载气的吹送下经过空心电极3时形成射流等离子体，电极与熔池11之间的普通电弧转变成等离子电弧，与还原剂形成的熔体进行液相还原反应，粉状原料在等离子电弧的包裹下，直接进入电弧下端的熔池11高温区，微细粉尘穿过电弧时立即熔化，氧化镁熔液与二氧化碳气体分离。除尘后的二氧化碳由增压机压入储气罐储存。储气罐的二氧化碳一部分用来作为输送粉体料入炉的载气，其余的可装入气罐作为产品销售。
[0040]熔融开始时，随温度的升高，熔点较低的杂质先达到熔点温度，并转变成液态，含Si、Al、Fe、Ca等杂质开始聚集在固-液界面上逐步向外迁移。随温度继续升高，当达到氧化镁熔点温度时，此时氧化镁开始熔化，因氧化镁的密度相对较高，其它杂质的密度相对较低，加上熔池11中二氧化碳和水蒸气的不断上升，使得杂质逐渐向上迁移。其中，低熔点的杂质可以直接升华成气态从熔池中逸出，因而熔池11中氧化镁的含量越来越高。
[0041]物料喷射通道10的出口位于空心电极3的下端，且该出口对准熔池11的中心区域，使氧化镁粉可经空心电极3直接喷入熔池11深处，以提高氧化镁粉与熔体之间的接触面积和反应速率。还原剂加料装置9与熔炼腔2连通，通过颗粒料加料管19向熔炼腔2内加入颗粒状还原剂;优选地，还原剂可为颗粒状铝还原剂或颗粒状硅铁还原剂。
[0042]其中，直流等离子电源5启动后，在熔炼腔2内形成直流等离子弧，等离子弧的作用下熔炼腔2内形成高温熔池11;采用空心电极直流等离子弧加热，电弧能量集中，可提供适于熔融还原及高温排渣的热量条件。生成的镁蒸气经气相导出管12进入镁蒸气冷凝分离单元一13，再进入提纯/铸锭单元14，最终获得镁产品;熔炼腔2内残余液态熔渣由排渣装置15排出。
[0043]熔炼过程中1t
菱镁矿可以产生约0.48tMgO，同时产生约0.52tCO2，所以冶炼过程中MgO与CO2并存，CO2在电极下方形成气囊18,气囊18的大小在冶炼过程中维持一个平衡状态。熔炼完成后，电极逐渐被氧化消耗，电流减小。需通过冷却给熔池11内的氧化镁晶体创造一个稳定散热降温的环境，使其冷凝结晶出多晶氧化镁产品。随温度略微降低，氧化镁晶体开始结晶析出，此时系统温度仍高于杂质熔点温度，杂质仍为液态，由于毛细作用、温度以及浓度梯度的影响，杂质逐渐向外和向上迁移或析出，最后散落在方镁石(电熔镁砂)的晶界上。停炉过程中，往往采用手动加料，为了减少排气，空心电极3附近要加入氧化镁坯砂(氧化镁轻烧粉不含CO2)，并多加细粉料，有利于产品产量及品质提高。
[0044]如图3~图4所示，气相导出管12与镁蒸气冷凝分离单元13连通，镁蒸气经冷凝分离后进入提纯/铸锭单元14，最终获得镁产品。排渣装置15设置于全密闭炉体1的下部，与熔炼腔2连通，用于排出液态熔渣。当采用硅铁为还原剂时，排出的熔渣主要为Fe·SiO2体系熔渣;当采用铝为还原剂时，排出的熔渣主要为刚玉或
镁铝尖晶石熔渣，具备进一步综合利用基础。
[0045]本发明采用全密闭空心电极直流等离子弧加热与气粉喷射相结合的结构形式，全密闭炉体、原料输送管路、镁蒸气导出管路和冷凝收集装置共同构成密闭输送与密闭冶炼体系，保证炉料输送、入炉冶炼、蒸气导出、冷凝收集和产品产出过程均在密闭条件下进行。本发明优选设置自动控制装置，用于根据设定工艺参数对氧化镁粉进料量、还原剂加料量、载气供给量和入炉电功率进行调节，以保持炉内温度和镁蒸气生成量稳定。由于等离子体和载气对熔池11产生强烈搅拌作用，粉体在熔池11内分散更充分、传质界面更大、扩散边界层更薄，从而使反应加快并提高还原充分性。生成的镁蒸气经炉体1顶部或侧部气相通道12导出后进入冷凝收集装置，冷凝形成液态镁并进一步提纯、铸锭;反应剩余的液态熔渣积存于炉底1并通过排渣装置15排出。整个过程在常压和全密闭条件下进行，可实现连续进料、连续产镁及排渣作业。
[0046]本发明可对原料配比、进料速度和入炉电功率进行联动调节，适于构建机、电、仪一体化自动生产线，针对现有间歇式炼镁装备的不足提出了成套系统方案，适于放大与产业化。
[0047]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
说明书附图(4)
声明：
“常压熔融连续炼镁的等离子气粉喷射系统” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：新疆大学
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2026年08月06日 ~ 08日 
