一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置的制作方法

1.本实用新型属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置。


背景技术：

2.在众多中间合金中，铝基中间合金是最重要的一个大类，该类合金生产过程中，采用金属铝作为还原剂，通过铝热还原反应得到目标中间合金。该类合金的常规装置及方法是用石墨加工或氧化镁、氧化铝等耐材预制/打结成的反应容器，将按比例混匀的反应物料加入到反应容器后，点燃反应物料，通过自蔓延还原反应完成冶炼。传统生产工艺的设备及生产过程简单，但反应过程不易控制，易发生反应物混合不均匀等问题。此外，在合金反应过程中，产生的热量不能得到有效利用，造成了能源浪费。


技术实现要素：

3.本实用新型实施例提供一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置，旨在解决在制备铝基中间合金的反应过程中易发生反应物混合不均匀及产生的热量不能有效利用的技术问题。
4.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置，包括：
5.敞口反应器，用于进行生产铝基中间合金的反应过程，所述敞口反应器还具有反应进料口；
6.加热机构，设置于所述敞口反应器的外周，用于对所述敞口反应器加热；
7.输送管道，与所述反应进料口连通；
8.气源，用于提供惰性气体或还原气体，与所述输送管道连通；
9.氧化物料仓，用于承装生产铝基中间合金用的氧化物，所述氧化物料仓的出料口与所述输送管道连通；
10.其中，所述氧化物料仓的氧化物流入到所述输送管道内并跟随所述输送管道内的气流流转至所述敞口反应器内。
11.在一种可能的实现方式中，所述敞口反应器为反应坩埚。
12.在一种可能的实现方式中，所述反应坩埚为石墨材质。
13.在一种可能的实现方式中，所述反应进料口设置于所述敞口反应器的底端。
14.在一种可能的实现方式中，所述气源为气体罐，所述气体罐的出料口与所述输送管道连通，所述气体罐的出料口设有控制通断的第一阀门。
15.在一种可能的实现方式中，所述氧化物料仓的出料口位于所述氧化物料仓的底部，所述氧化物料仓的出料口设有控制通断的第二阀门。
16.在一种可能的实现方式中，所述输送管道上临近所述反应进料口的一端还设有控制所述输送管道与所述反应进料口通断的第三阀门。
17.在一种可能的实现方式中，所述铝热还原法生产铝基中间合金的装置还包括用于测量所述敞口反应器内反应温度的测温元件。
18.在一种可能的实现方式中，所述测温元件为热电偶。
19.在一种可能的实现方式中，所述加料机构还包括用于监测所述输送管道流量的流量计，所述流量计安装于所述输送管道上。
20.本实用新型提供的一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置的有益效果在于：与现有技术相比，通过将加热机构设置在敞口反应器外周，从而实现对敞口反应器内氧化物料既能起到加热作用，又能起到保温作用，提高合金质量，使反应放热得到了有效利用，节约能源。通过设置输送管道，输送管道与反应进料口连通，将惰性气体或者还原气体以及氧化物料输送至敞口反应器中，使得反应过程中物料的混合更加均匀，加快反应速率。
附图说明
21.图1为本实用新型实施例提供的一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置的结构示意图。
22.附图标记说明：10、敞口反应器；20、加热机构；30、输送管道；40、气源；50、氧化物料仓；60、第一阀门；70、第二阀门；80、第三阀门；90、测温元件；100、流量计。
具体实施方式
23.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
24.需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
25.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.请参阅图1，现对本实用新型提供的一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置进行说明。所述一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置，包括敞口反应器10、加热机构20、输送管道30、气源40以及氧化物料仓50。敞口反应器 10用于进行铝基中间合金的反应过程，敞口反应器10还具有反应进料口。加热机构20设置在敞口反应器10的外周，加热机构20
用于对敞口反应器10加热。气源40用于提供惰性气体或者还原气体，气源40与输送管道30连通。氧化物料仓50用于盛装生产铝基中间合金用的氧化物，氧化物料仓50的出料口与输送管道30连通。输送管道30与反应进料口连通，输送管道30用于将惰性气体或者还原气体以及氧化物料输送至敞口反应器10中。此反应中的氧化物呈粉末状或者颗粒状，能够利用流动气体进行输送，故氧化物氧化物料仓50的氧化物流入到输送管道30后跟随输送管道30内的气流流转到敞口反应器10内。
28.本实施例中，将加热机构20设置在敞口反应器10的外周，对敞口反应器 10内的氧化物料既能起到加热作用，又能起到保温作用，从而可使炉渣凝固时间及过程高度可控，有利于渣与合金的分离并增强液态渣对合金的保护作用，提高合金品质。
29.本实用新型实施例提供的一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置，与现有技术相比，通过将加热机构设置在敞口反应器外周，从而实现对敞口反应器内氧化物料既能起到加热作用，又能起到保温作用，提高合金质量，使反应放热得到了有效利用，节约能源。通过设置输送管道，输送管道与反应进料口连通，将惰性气体或者还原气体以及氧化物料输送至敞口反应器中，使得反应过程中物料的混合更加均匀，加快反应速率。
30.在一些实施例中，请参阅图1，敞口反应器10为反应坩埚。
31.在一些实施例中，反应坩埚为石墨材质。
32.在一些实施例中，请参阅图1，反应进料口设置在敞口反应器10的底端。输送管道30与反应进料口连通，从而惰性气体或者还原气体以及氧化物料从敞口反应器10的底端输送至敞口反应器10中，使得反应过程中物料的混合更加均匀，加快反应速率。
33.在一些实施例中，请参阅图1，加热机构20包括加热炉，加热炉与敞口反应器10适配且设置在敞口反应器10的外周，加热炉底端设有供输送管道30 穿过的通孔。通孔和反应进料口连通，从而保证惰性气体或者还原气体以及氧化物料从敞口反应器10的底端输送至敞口反应器10中。
34.在一些实施例中，请参阅图1，气源40为气体罐，气体罐的出料口与输送管道30连通，气体罐的出料口处设有控制通断的第一阀门60。本实施例中，生产铝基中间合金的初始熔化铝的阶段，第一阀门60关闭，待铝熔化完成，敞口反应器10内温度达到反应温度，打开第一阀门60向敞口反应器10中通入惰性气体或者还原气体。
35.在一些实施例中，请参阅图1，氧化物料仓50的出料口位于氧化物料仓50 的底部，氧化物料仓50的出料口处设有控制通断的第二阀门70。本实施例中，当第一阀门60打开后，打开第二阀门70，第二阀门70位于靠近敞口反应器10 一端(相对于第一阀门60来说)，从而氧化物料随着惰性气体或者还原气体进入敞口反应器10中发生反应。出料口设置在氧化物料仓50的底部，有利于氧化物料从出料口处流出。
36.在一些实施例中，请参阅图1，输送管道30上临近反应进料口的一端还有第三阀门80。第三阀门80控制输送管道30与反应进料口通断。
37.在一些实施例中，请参阅图1，本实用新型实施例提供的铝热还原法生产铝基中间合金的装置还包括测温元件90。测温元件90用于测量敞口反应器内的反应温度。本实施例中，设置测温元件90可以实时监测敞口反应器内的反应温度，从而实时调整通入敞口反应器内惰性气体或者还原气体以及氧化物料的用量。
38.在一些实施例中，测温元件90为热电偶。
39.在一些实施例中，请参阅图1，本实用新型实施例提供的铝热还原法生产铝基中间合金的装置还包括流量计100。流量计100安装在输送管道30上，从而监测输送管道30的流量。
40.基于以上的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，本技术实施例还提供一种铝热还原法生产铝基中间合金的方法：
41.s100、加料金属铝，将金属铝放入敞口反应器10中；
42.s200、初步通气，使气源40中的气体通过输送管道30以第一预设流量值通入至敞口反应器10中；
43.s300、金属铝液化，启动加热机构20对敞口反应器10加热，使敞口反应器10内的反应温度处于第一预设温度以使金属铝液化；
44.s400、第一铝热还原反应，使敞口反应器10内的反应温度处于第二预设温度，将气源40中的气体通过输送管道30以第二预设流量值通入至敞口反应器 10中，并在第一预设时间内将氧化物以第一出料速度通入至输送管道30内；
45.s500、第二铝热还原反应，使敞口反应器10内的反应温度处于第三预设温度，此时，在第二预设时间内气体通过输送管道30以第三预设流量值通入至敞口反应器10中，同时在第二预设时间内将氧化物以第二出料速度通入至输送管道30内；
46.s600、保温阶段，停止气体和氧化物通入至敞口反应器10中后，使敞口反应器10内的反应温度处于第四预设温度并保温第三预设时间；
47.s700、静置阶段，保温后敞口反应器10静置第四预设时间，扒渣得到目标合金锭。
48.本实施例中，s400和s500为氧化还原反应的两个阶段，第二预设温度是为了达到反应温度使反应能进行，相当于反应过程对炉内补热，保证后续反应热降低后炉内温度不降低，第一出料速度为第二阀门70的开度为总开度的二分之一时氧化物流出的速度，第三预设温度是为了提高炉温，减缓炉渣的凝固时间、速度等，保证渣和合金分离，第二出料速度为第二阀门70完全打开时氧化物流出的速度。
49.在一些实施例中，第一预设流量值范围为0.1m3/min-1m3/min，第二预设流量值范围为1m3/min-10m3/min，第三预设流量范围为5m3/min-20m3/min。本实施例中，在金属铝液化阶段，还未通入氧化物料，故气体的流量控制在 0.1m3/min-1m3/min即可，反应第一预设时间即反应开始30s至90s时间段内，氧化物料和气体一起从反应坩埚底端通入到反应坩埚中，气体的流量增加至 1m3/min-10m3/min，反应进行30s至90s后即第二预设时间，气体的流量增加至 5m3/min-20m3/min。
50.在一些实施例中，气体包括但不限于氢气、氦气。
51.在一些实施例中，金属铝为工业纯铝，包括但不限于国标1a99、1a97工业纯铝。
52.在一些实施例中，第二预设温度范围为850℃-1600℃，第三预设温度范围为1000℃-2000℃。本实施例中，第二预设温度范围850℃-1600℃是为了达到反应温度使反应能进行，相当于反应过程对炉内补热，保证后续反应热降低后炉内温度不降低，第三预设温度范围1000℃-2000℃是为了提高炉温，减缓炉渣的凝固时间、速度等，保证渣和合金分离。
53.在一些实施例中，氧化物料的氧化物的粒度范围为60目-270目。
54.本技术铝热还原法生产铝基中间合金的方法的具体实施例一为：
55.还原物氧化物料气体第一预设流量第二预设温度第三预设温度第二预设流量氧化物粒度第三预设流量
金属铝v2o5氢气0.1m3/min850℃1500℃10m3/min270目20m3/min
56.具体反应步骤：将一定重量的金属铝放入反应坩埚后，打开第一阀门60 及第三阀门80开始通入氢气(本实施例通入的气体为还原气体氢气)，控制流量计100示数为0.1m3/min，开启加热炉进行升温，金属铝液化后，第一预设时间段内，热电偶显示达到第二预设温度850℃并保持此温度，第二预设时间段内，重新设定第三预设温度至1500℃并增大第三阀门80开度使流量计100示数达到10m3/min，开启第二阀门70，使氧化物料仓50内内合金元素的氧化物(表格中氧化物料为反应中所需的其中一种氧化物)流入输送管道30，合金元素的氧化物粒度为270目，氧化物料由气流带入反应坩埚内的还原用金属铝液内后开始氧化还原反应，氧化物料仓50内物料少于1/2后，增大第三阀门80 开度使流量计100示数达到20m3/min，待氧化物料仓50内物料全部流尽后依次关闭第一阀门60、第三阀门80及第二阀门70，保温5min后停止加热并静置 48h后扒渣得到目标合金锭。
57.本技术铝热还原法生产铝基中间合金的方法的具体实施例二为：
58.还原物氧化物料气体第一预设流量第二预设温度第三预设温度第二预设流量氧化物粒度第三预设流量金属铝液moo3氦气0.5m3/min900℃1000℃5m3/min180目10m3/min
59.具体反应步骤：将一定重量的金属铝放入反应坩埚后，打开第一阀门60 及第三阀门80开始通入氦气(本实施例通入的气体为惰性气体氦气)，控制流量计100示数为0.5m3/min，开启加热炉进行升温，金属铝液化后，第一预设时间段内，热电偶显示达到第二预设温度900℃并保持此温度，第二预设时间段内，重新设定第三预设温度至1000℃并增大第三阀门80开度使流量计100示数达到5m3/min，开启第二阀门70，使氧化物料仓50内合金元素的氧化物(表格中氧化物料为反应中所需的其中一种氧化物)流入输送管道30，合金元素的氧化物粒度为180目，氧化物料由气流带入反应坩埚内的还原用金属铝液内后开始氧化还原反应，氧化物料仓50内物料少于1/2后，增大第三阀门80开度使流量计100示数达到10m3/min，待氧化物料仓50内物料全部流尽后依次关闭第一阀门60、第三阀门80及第二阀门70，保温5min后停止加热并静置48h 后扒渣得到目标合金锭。
60.本技术铝热还原法生产铝基中间合金的方法的具体实施例三为：
61.还原物氧化物料气体第一预设流量第二预设温度第三预设温度第二预设流量氧化物粒度第三预设流量金属铝液v2o5氢气1m3/min850℃1800℃10m3/min60目15m3/min
62.具体反应步骤：将一定重量的金属铝放入反应坩埚后，打开第一阀门60 及第三阀门80开始通入氢气(本实施例通入的气体为还原气体氢气)，控制流量计100示数1m3/min，开启加热炉进行升温，金属铝液化后，第一预设时间段内，热电偶显示达到第二预设温度850℃并保持此温度，第二预设时间段内，重新设定第三预设温度至1800℃并增大第三阀门80开度使流量计100示数达到10m3/min，开启第二阀门70，使氧化物料仓50内合金元素的氧化物(表格中氧化物料为反应中所需的其中一种氧化物)流入输送管道30，合金元素的氧化物粒度为60目，反应物料由气流带入反应坩埚内的还原用金属铝液内后开始氧化还原反应，氧化物料仓50内物料少于1/2后，增大第三阀门80开度使流量计100示数达到15m3/min，待氧化物料仓50内物料全部流尽后依次关闭第一阀门60、第三阀门80及第二阀门70，保温5min后停止加热并静置48h后扒渣得到目标合金锭。
63.本技术铝热还原法生产铝基中间合金的方法的具体实施例四为：
64.还原物氧化物料气体第一预设流量第一预设温度第二预设温度第二预设流量氧化物粒度第三预设流量金属铝液v2o5氢气0.5m3/min1600℃2000℃1m3/min270目5m3/min
65.具体反应步骤：将一定重量的金属铝放入反应坩埚后，打开第一阀门60 及第三阀门80开始通入氢气(本实施例通入的气体为还原气体氢气)，控制流量计100示数0.5m3/min，开启加热炉进行升温，金属铝液化后，第一预设时间段内，热电偶显示达到第二预设温度1600℃并保持此温度，第二预设时间段内，重新设定第三预设温度至2000℃并增大第三阀门80开度使流量计100示数达到1m3/min，开启第二阀门70，使氧化物料仓50内合金元素的氧化物(表格中氧化物料为反应中所需的其中一种氧化物)流入输送管道30，合金元素的氧化物粒度为270目，氧化物料由气流带入反应坩埚内的还原用金属铝液内后开始氧化还原反应，氧化物料仓50内物料少于1/2后，增大第三阀门80开度使流量计100示数达到5m3/min，待氧化物料仓50内物料全部流尽后依次关闭第一阀门60、第三阀门80及第二阀门70，保温5min后停止加热并静置48h后扒渣得到目标合金锭。
66.本技术铝热还原法生产铝基中间合金的方法的具体实施例五为：
67.还原物氧化物料气体第一预设流量第一预设温度第二预设温度第二预设流量氧化物粒度第三预设流量金属铝液moo3氦气0.3m3/min1500℃1800℃5m3/min100目10m3/min
68.具体反应步骤：将一定重量的金属铝放入反应坩埚后，打开第一阀门60 及第三阀门80开始通入氦气(本实施例通入的气体为惰性气体氦气)，控制流量计100示数为0.3m3/min，开启加热炉进行升温，金属铝液化后，第一预设时间段内，热电偶显示达到第二预设温度1500℃并保持此温度，第二预设时间段内，重新设定第三预设温度至1800℃并增大第三阀门80开度使流量计100示数达到5m3/min，开启第二阀门70，使氧化物料仓50内合金元素的氧化物(表格中氧化物料为反应中所需的其中一种氧化物)流入输送管道30，合金元素的氧化物粒度为100目，氧化物料由气流带入反应坩埚内的还原用金属铝液内后开始氧化还原反应，氧化物料仓50内物料少于1/2后，增大第三阀门80开度使流量计100示数达到10m3/min，待氧化物料仓50内物料全部流尽后依次关闭第一阀门60、第三阀门80及第二阀门70，保温5min后停止加热并静置48h 后扒渣得到目标合金锭。
69.传统生产铝基中间合金的合金元素的试验收率约为92％，本实用新型实施例一至五合合金元素的试验收率大于95％。
70.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，包括：敞口反应器，用于进行生产铝基中间合金的反应过程，所述敞口反应器还具有反应进料口；加热机构，设置于所述敞口反应器的外周，用于对所述敞口反应器加热；输送管道，与所述反应进料口连通；气源，用于提供惰性气体或还原气体，与所述输送管道连通；氧化物料仓，用于承装生产铝基中间合金用的氧化物，所述氧化物料仓的出料口与所述输送管道连通；其中，所述氧化物料仓的氧化物流入到所述输送管道内并跟随所述输送管道内的气流流转至所述敞口反应器内。2.如权利要求1所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述敞口反应器为反应坩埚。3.如权利要求2所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述反应坩埚为石墨材质。4.如权利要求1所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述反应进料口设置于所述敞口反应器的底端。5.如权利要求1所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述气源为气体罐，所述气体罐的出料口与所述输送管道连通，所述气体罐的出料口设有控制通断的第一阀门。6.如权利要求5所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述氧化物料仓的出料口位于所述氧化物料仓的底部，所述氧化物料仓的出料口设有控制通断的第二阀门。7.如权利要求6所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述输送管道上临近所述反应进料口的一端还设有控制所述输送管道与所述反应进料口通断的第三阀门。8.如权利要求1-7任一项所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述铝热还原法生产铝基中间合金的装置还包括用于测量所述敞口反应器内反应温度的测温元件。9.如权利要求8所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述测温元件为热电偶。10.如权利要求1-7任一项所述的铝热还原法生产铝基中间合金的装置，其特征在于，所述铝热还原法生产铝基中间合金的装置还包括用于监测所述输送管道流量的流量计，所述流量计安装于所述输送管道上。

技术总结
本实用新型提供了一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置，包括敞口反应器、加热机构、输送管道、气源以及氧化物料仓。敞口反应器用于进行生产铝基中间合金的反应过程，敞口反应器还具有反应进料口；加热机构设置于敞口反应器的外周，用于对敞口反应器加热；输送管道与反应进料口连通；气源用于提供惰性气体或还原气体，与输送管道连通；氧化物料仓用于承装生产铝基中间合金用的氧化物，氧化物料仓的出料口与输送管道连通。本实用新型提供的一种铝热还原法生产铝基中间合金的装置，旨在解决在制备铝基中间合金的反应过程中易发生反应物混合不均匀及产生的热量不能有效利用的技术问题。题。题。


技术研发人员：朱立杰 马瑞峰 卢明亮 赵备备 王海旭 白丽
受保护的技术使用者：河钢承德钒钛新材料有限公司
技术研发日：2021.09.22
技术公布日：2022/5/25