一種真空高溫連續(xù)電解爐的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種真空高溫連續(xù)電解爐，主要由電解室，以及以電解室為核心而設置的真空系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、電極升降系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)組成。其中電解室主要由爐殼、隔熱屏、石墨發(fā)熱體和熔池依次由外到內圍設而成，爐殼上蓋有爐蓋；熔池的底部設置有高、低位兩個出料口，分別對應純凈熔融金屬液的液位和雜質熔液的液位；在爐蓋上的電極入口處，設置有密封連接的波紋管，波紋管的上端密封連接于電極升降系統(tǒng)上，安裝在電極升降系統(tǒng)上的電極穿過所述波紋管伸入到熔池中。本實用新型密封性好，保溫性好，可實現(xiàn)高真空度、高溫電解，用此爐進行鈦金屬的電解熔煉，簡單易操作，該爐還適用于其它難熔金屬的冶煉。
【專利說明】—種真空高溫連續(xù)電解爐
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電解設備，尤其是關于一種在真空、高溫條件下的連續(xù)電解難熔金屬的電解爐。
【背景技術】
[0002]真空高溫連續(xù)電解爐主要用于鈦與鈦基合金，以及某些有色金屬及其合金的熔煉。它是在真空狀態(tài)下，利用熱阻加熱進行熔化并采用電解還原的原理由含鈦的原料還原制備和冶煉、澆鑄成型。該爐除具備一般高溫真空爐的特點以外，還在電解系統(tǒng)，密封系統(tǒng)，加料、出料系統(tǒng)等方面均有要求，需要在不破壞真空度條件下進行連續(xù)加料、測溫、電解熔煉、出料、鑄錠冷卻及出錠，實現(xiàn)難熔金屬及其合金的連續(xù)生產(chǎn)。
[0003]現(xiàn)有的爐子主要為電解鋁工業(yè)爐，溫度一般低于1000°C，且爐膛為開放式結構，不能滿足電解鈦金屬的真空高溫連續(xù)電解爐的技術要求。
實用新型內容
[0004]本實用新型著重在于解決大于1800°C真空高溫密閉條件下連續(xù)電解制備高熔點金屬及合金的問題，并為此提出一種真空高溫連續(xù)電解爐，特殊的爐體結構設計以及便捷的工藝，使本發(fā)明具有高效成本低的優(yōu)勢。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術方案:
[0006]一種真空高溫連續(xù)電解爐，主要由電解室，以及以電解室為核心而設置的真空系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、電極升降系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)組成。所述電解室主要由爐殼、隔熱屏、石墨發(fā)熱體和熔池依次由外到內圍設而成，所述爐殼上蓋設爐蓋，所述爐殼及爐蓋的外圍設置有水冷套，所述爐蓋與爐殼之間設置有高溫密封圈；在所述熔池的內底部設置有高、低位兩個出料口，分別對應純凈熔融金屬液的液位和雜質熔液的液位；所述出料系統(tǒng)包括一連桿，由電解室外伸入，連桿下端帶封頭，正對著兩所述出料口，通過抽動連桿控制封頭與出料口的開度。
[0007]進一步講:
[0008]所述出料系統(tǒng)還包括出料管，連接在所述出料口的下部，所述出料管下方放置接料坩堝，接料坩堝位于冷卻的出料倉內。
[0009]所述出料管的外圍設加熱裝置。
[0010]在所述爐蓋上的電極入口處，設置有密封連接的波紋管，所述波紋管的上端密封連接于所述電極升降系統(tǒng)上，安裝在所述電極升降系統(tǒng)上的電極穿過所述波紋管伸入到所述熔池中，隨電極升降系統(tǒng)的升降而升降。
[0011]所述電極升降系統(tǒng)包括一電機或液壓缸帶動下的升降立柱，所述升降立柱上橫向固定一導電橫臂，所述導電橫臂的端部連接一電極抱卡，所述電極抱卡抱緊所述電極。
[0012]所述加料系統(tǒng)包括螺旋進料裝置、進料管，和連接于所述螺旋進料裝置與進料管之間的閘閥。[0013]所述真空系統(tǒng)主要包括進料真空泵、出料真空泵、電解室真空泵，附配有真空度/流量檢測裝置、真空排氣口、尾氣處理吸收塔。
[0014]所述電氣控制系統(tǒng)采用常規(guī)技術的人機操作界面和PLC控制系統(tǒng)。
[0015]所述循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要包括:針對電極升降系統(tǒng)設置的封閉冷卻水管路，針對爐殼、爐蓋設置的水冷套以及針對出料倉設置的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，所述出料倉內設置有制冷板。
[0016]本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點:1、爐體結構設計考慮了爐體材料性質，真空密封，保溫與傳熱，高溫壽命，高溫下投料、出料等相關問題，通過對爐體加發(fā)熱體、隔熱屏，對爐蓋加密封圈，對爐體爐蓋加水冷套，對電極加波紋管動態(tài)密封等改進，實現(xiàn)真空高溫連續(xù)電解的需求。2、在熔池內設置高低位出料口，實現(xiàn)不同層次的出料。尤其在生產(chǎn)鈦金屬的過程中，通過高溫下以石墨電極為陽極，以二氧化鈦原料為陰極，二氧化鈦在氟化鈣或者是氟化鈣與氟化鋰的混合熔鹽中進行電解，二氧化鈦被電解還原為液態(tài)的鈦，由于密度的差異，鈦沉到最底層，當累積的鈦達到一定的量后，從高溫爐底部出料。3、由于高溫下氧陰離子擴散速度快，從而加速了脫氧速度，因而該方法電流效率高，電耗低，同時由于產(chǎn)品金屬鈦為液體，可使二氧化鈦電解實現(xiàn)連續(xù)化，因此能夠大幅度降低鈦的生產(chǎn)成本，與傳統(tǒng)工藝比較可節(jié)能50%，電流效率提高到90%以上；而雜質液體由高位出料口出料，可實現(xiàn)出料成分的有效分離。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本裝置的結構剖視圖。
[0018]圖2是螺旋進料裝置的結構示意圖。
[0019]1-帶有水冷套的爐殼、2-帶有水冷套的爐蓋、3-隔熱屏、4-石墨發(fā)熱體、5-熔池、6-高位出料口、7-低位出料口、8-導流臺、9-連桿、10-封頭、11-出料管、12-接料坩堝、13-坩堝導軌、14-出料倉、15-入倉門、16-出倉門、17-制冷板、18-螺旋進料裝置、19-閘閥、20-進料管、21-動力部分、22-導電橫臂、23-電極抱卡、24-波紋密封管、25-升降立柱、26-電極、27-進料真空泵、28-出料真空泵、29-電解室真空泵、30-真空度/氣流量(速)檢測裝置、31-真空排氣口、32-尾氣處理吸收塔、33-冷卻機、34-冷卻塔、181-料口、182-料管、183-螺旋葉片、184-電機、185-支座、186-手動轉柄。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。
[0021]如圖1所示，本實用新型主要由電解室、真空系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、電極升降系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等幾部分組成。工作最高溫度可達2000°C，最大冷態(tài)真空度達30Pa，采用熔鹽電解還原工藝金屬氧化物為金屬并排出液態(tài)金屬鑄錠。
[0022]1、電解室
[0023]在該實用新型中，電解室主要包括帶有水冷套的爐殼1、帶有水冷套的爐蓋2、隔熱屏3、石墨發(fā)熱體4和熔池5構成，爐殼1、隔熱屏3、石墨發(fā)熱體4和熔池5依次由外到內層圍設置，可為方形也可為圓形結構。其中，帶有水冷套的爐殼1，由具有良好焊接性能的軋制鋼板加工而成，為防止加熱不均勻引起變形和保護密封圈，在爐殼的四周焊接有水冷套。帶有水冷套的爐蓋2與帶有水冷套的爐殼I通過法蘭連接，中間有高溫密封圈，可以保證電解室的密封；在爐蓋2上設置有進料口、出料連桿口、電極口、出氣口等，與其相應連接件都為密封連接。為了防止熱輻射造成爐蓋過熱和變形，以及保護密封元件，在爐蓋的上表面焊接有冷卻水套。熔池5位于電解室的中心，由石墨材料制成，用做高溫熔鹽電解用的電解池，在電解的過程中兼做熔鹽電解用的陰極。熔池5的外側面與發(fā)熱體4距離5-lOcm，發(fā)熱體4也由石墨材料制成。為了進一步地減少爐壁的散熱損失和蓄熱損失，提高爐子的熱效率，在發(fā)熱體4的四周設置有石墨隔熱屏3，其主要作用是隔熱、保溫及減少熱損失。
[0024]2、出料系統(tǒng)
[0025]在熔池5的底部，設置有出料口，對著所述出料口的位置設置有出料系統(tǒng)，本裝置中，出料系統(tǒng)設置有高、低位兩個出料口 6、7，連桿9，封頭10，出料管11，接料坩堝12，坩堝導軌13，出料倉14，入倉門15，出倉門16，制冷板17組成。高、低位出料口 6、7分別用于出不同層面的熔料，高位出料口 6是通過在熔池底部原有低位出料口上加裝一導流臺8而形成(如圖1所示)，導流臺即為一凸臺。連桿9，由電解室外伸入，桿下端帶封頭10，正對著出料口，抽動連桿9可以改變封頭10與出料口的開度。封頭10比出料口的尺寸大，當封頭全部落在出料口處時，可以堵死出料口。出料管11連接在出料口的下部，出料管外可設加熱裝置，以便熔融液流出時順暢，而出料倉14內是冷的。出料管下方放置接料坩堝12，位于出料倉14內，接料坩堝12滑動設置在坩堝導軌13上利于接料坩堝移動和停止，由入倉門15進，由出倉門16出，制冷板17置于出倉門16的前方，用于給坩堝降溫，快速吸收熔料輻射熱和坩堝底部傳導熱，使物料成錠凝固，一般為水冷板方式。
[0026]3、加料系統(tǒng)
[0027]加料系統(tǒng)包括螺旋進料裝置18、閘閥19、進料管20。顆粒狀物料經(jīng)由螺旋進料裝置18進料，螺旋進料裝置下接閘閥19，閘閥19下接進料管20，進料管20插入到電解室中，進料最大速度控制為500kg/h。螺旋進料裝置18的詳細結構如圖2所示，螺旋進料裝置為傳統(tǒng)螺旋進料器，包括料口 181、料管182、螺旋葉片183、電機184、支座185、手動轉柄186等，屬于現(xiàn)有裝置。
[0028]4、電極升降系統(tǒng)
[0029]電極升降系統(tǒng)包括動力部分21、導電橫臂22、電極抱卡23、波紋密封管24四個主要部分。電極升降系統(tǒng)動力部分主要為電機或液壓缸帶動下的升降立柱25。升降立柱25上固定一導電橫臂22，導電橫臂22的端部連接電極抱卡23，電極抱卡23抱緊一電極26，電極26穿過波紋密封管24伸入到電解室中。波紋密封管24上端密封連接在導電橫臂22上，下端密封連接在爐蓋2上，當電極26在導電橫臂22的帶動下升降時，波紋密封管24彈性伸縮，實現(xiàn)電極的動態(tài)密封。在導電橫臂中，設置有封閉的水冷卻管路。
[0030]波紋密封管24采用耐溫壓波紋管材料，連接加熱爐電極口與導電抱卡，實現(xiàn)整體密封。
[0031]5、真空系統(tǒng)與真空度的獲得
[0032]電解爐整體密封，真空環(huán)境由多臺持續(xù)運轉的真空泵獲得，制造電解室的真空度。主要包括進料真空泵27、出料真空泵28、電解室真空泵29，進料真空泵主要用于將加料過程中補進的空氣進行排空，出料真空泵主要用于出料操作時對出料倉進行抽真空、電解室真空泵用于電解前期和電解過程中反應產(chǎn)生氣體時氣體的排出。各真空系統(tǒng)附屬設計有真空度/氣流量(速)檢測裝置30、真空排氣口 31、尾氣處理吸收塔32等。設備啟動運行初氣體經(jīng)排氣口 31排出，后期電解過程尾氣經(jīng)由吸收塔排空。本設備為多封口系統(tǒng)，加料口、電極口等均采用機械密封結構，可滿足批量化生產(chǎn)的要求。設備從大氣壓到0.01Pa時所用的時間保證在8-10min，設計真空度要求為5 X 10-3_1 X IO^1Pa0
[0033]6、電氣控制系統(tǒng)
[0034]設備采用數(shù)字化控制系統(tǒng)，操作簡單，自動控制程度高。電氣控制系統(tǒng)采用常規(guī)選擇，包括人機操作界面、PLC控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)與真空系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，動力系統(tǒng)，測量系統(tǒng)等之間的電腦化自動控制。在生產(chǎn)過程中可調節(jié)電極升降，抱卡，密封定位，控制加熱電壓，時間，加熱方式，工作方式等工藝參數(shù)，同時可以顯示真空系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)、部件位置、報警狀態(tài)等；系統(tǒng)設置了各種自動保護措施，為設備的可靠運行提供了安全保障。另外，由于在真空中，不同的熱封材料其熱封時間也有一定的差異，所以本系統(tǒng)采用數(shù)字控制熱封時間，以及在熱封裝置中采用過熱自動保護裝置，防止熱封材料被損壞。
[0035]7、循環(huán)式冷卻水系統(tǒng)
[0036]冷卻水系統(tǒng)主要包括兩部分，一是針對導電橫臂和抱卡電極的導電銅排設置的純水冷卻裝置系統(tǒng)，主要由冷卻機33提供冷卻循環(huán)，并絕緣避免通電。二是加熱爐整體水冷套與出料倉冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，通過外置冷卻塔34對爐體鋼件實現(xiàn)冷卻保護。出料倉內設置有水冷制冷板17，快速吸收熔料表層和底部熱量，在出倉前完成冷卻。冷卻過程將溫度由大于1500°C降至500°C以下。
[0037]8、加熱系統(tǒng)
[0038]本設備采用電阻式加熱方式，發(fā)熱部件為石墨發(fā)熱體4。發(fā)熱體4采用石墨連接件與外部導電銅排連接，接觸部位銅排設計有水冷循環(huán)進行銅部件冷卻。為了減少熱輻射，在發(fā)熱體4四周設置有多層 石墨材質隔熱屏3，避免造成對鋼制爐體的輻射損傷。熱源系統(tǒng)控制由數(shù)字化電氣控制系統(tǒng)進行調節(jié)，通過程序化電流電壓實現(xiàn)升溫方式的變化。
[0039]電解室爐蓋有均勻分布的一個或多個電極口，電極采用一根或多根石墨電極，電極直徑為100-700mm，電極從爐蓋頂部上方插入爐中，工作時電極可分別獨立調整。為保證爐內氣氛和絕緣，電極與帶有水冷套的爐蓋之間有波紋管動態(tài)密封和絕緣裝置。為了保證電解的連續(xù)進行，在電解室爐蓋上均勻分布一個或多個加料管，加料管帶有密封裝置與爐蓋密封，具有防止散熱、防止漏氣的功能。在電解室爐蓋上設置液體鈦出料連桿，通過氣動裝置實現(xiàn)液體鈦出料裝置的開啟和關閉。熔液成分冶煉反應完全后，因物料比重差異較大和互不相溶，物料出現(xiàn)結構性分層，因此本設備將出料口設計為高低位出料，當執(zhí)行高位放料操作時，打開高位出料口，將熔融鈦液放出，當執(zhí)行低位放料操作時，將打開低位出料口，將含有雜質的熔液放出。
[0040]由于鈦高溫電解爐采用了全封閉設計，尾氣從出氣口排放，而該尾氣含有少量含氟氣體和固體氟化鈣粉塵或者是氟化鈣與氟化鋰的混合粉塵。含氟氣體對人體有傷害，并且氟化鈣粉塵也會污染環(huán)境。本設備還包括為鈦高溫電解爐提供的一套尾氣處理裝置，該吸收系統(tǒng)操作簡單，利于環(huán)保，對尾氣中的含氟氣體具有很好的吸收效果。
[0041]下面是一種利用此電解爐的真空高溫電解工藝:
[0042]第一步，安裝電極與各部件密封。采用吊裝工具將石墨電極安裝到抱卡內，啟動抱卡將電極接牢并保證電極電氣接通良好。調整波紋管密封件，各管路閘閥等保持關閉。提高電極高度至高于電解熔池上沿。
[0043]第二步，開啟全設備真空系統(tǒng)將設備內部實現(xiàn)真空，真空度0.005Pa。開啟入料閘閥使螺旋進料裝置與加料管連通。增大加料真空泵真空度至0.1Pa，開始加料:將造粒并干燥后的顆粒經(jīng)由加料口、螺旋進料裝置加入到電解爐熔池內，完成后關閉入料閘閥。
[0044]原料種類與配比舉例如下:將制備好的二氧化鈦、氟化鈣電解質球團按質量比2:1比例加入熔池中，電解質加入量為熔池容量的2/3。
[0045]第三步，繼續(xù)開啟電解爐抽真空至鈦高溫電解爐真空度I X KT1-SXKT3Pa,氣體經(jīng)由排氣口排出。
[0046]第四步，開啟加熱系統(tǒng)，石墨發(fā)熱體通電加熱，控制300°C保溫2h后持續(xù)升溫至1800°C，持續(xù)保溫。
[0047]第五步，調整電極升降裝置，使石墨電極到達預定高度。設置電源輸出電流l-30kA,電壓0-5V，電解溫度1800-1900°C條件下進行電解，電解50_900min，按工藝條件允許開始進入出料工序；
[0048]第六步，出料時加熱出液管，使其出口處的溫度達到1800-1900°C?？刂欺釄鍖к墝⒔恿羡釄宥ㄎ恢脸隽峡?。打開封頭，使鈦液通過出料管流入到冷卻室的接料坩堝中，出料完畢后，關閉出料口 ；將坩堝推進至水冷制冷板區(qū)域冷卻至500°C以下后，打開冷卻室的倉門取出接料坩堝和出錠。
【權利要求】
1.一種真空高溫連續(xù)電解爐，主要由電解室，以及以電解室為核心而設置的真空系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、電極升降系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)組成，其特征在于: 所述電解室主要由爐殼、隔熱屏、石墨發(fā)熱體和熔池依次由外到內圍設而成，所述爐殼上蓋設爐蓋，所述爐殼及爐蓋的外圍設置有水冷套，所述爐蓋與爐殼之間設置有高溫密封圈； 在所述熔池的內底部設置有高、低位兩個出料口，分別對應純凈熔融金屬液的液位和雜質熔液的液位；所述出料系統(tǒng)包括一連桿，由電解室外伸入，連桿下端帶封頭，正對著兩所述出料口，通過抽動連桿控制封頭與出料口的開度。
2.根據(jù)權利要求1所述的真空高溫連續(xù)電解爐，其特征在于:所述出料系統(tǒng)還包括出料管，連接在所述出料口的下部，所述出料管下方放置接料坩堝，接料坩堝位于冷卻的出料倉內。
3.根據(jù)權利要求2所述的真空高溫連續(xù)電解爐，其特征在于:所述出料管的外圍設加熱裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的真空高溫連續(xù)電解爐，其特征在于:在所述爐蓋上的電極入口處，設置有密封連接的波紋管，所述波紋管的上端密封連接于所述電極升降系統(tǒng)上，安裝在所述電極升降系統(tǒng)上的電極穿過所述波紋管伸入到所述熔池中，隨電極升降系統(tǒng)的升降而升降。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的真空高溫連續(xù)電解爐，其特征在于:所述電極升降系統(tǒng)包括一電機或液壓缸帶動下的升降立柱，所述升降立柱上橫向固定一導電橫臂，所述導電橫臂的端部連接一電極抱卡，所述電極抱卡抱緊所述電極。
6.根據(jù)權利要求1所述的真空高溫連續(xù)電解爐，其特征在于:所述加料系統(tǒng)包括螺旋進料裝置、進料管，和連接于所述螺旋進料裝置與進料管之間的閘閥。
7.根據(jù)權利要求1所述的真空高溫連續(xù)電解爐，其特征在于:所述真空系統(tǒng)主要包括進料真空泵、出料真空泵、電解室真空泵，附配有真空度/流量檢測裝置、真空排氣口、尾氣處理吸收塔。
8.根據(jù)權利要求1所述的真空高溫連續(xù)電解爐，其特征在于:所述循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要包括:針對電極升降系統(tǒng)設置的封閉冷卻水管路，針對爐殼、爐蓋設置的水冷套以及針對出料倉設置的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，所述出料倉內設置有制冷板。
【文檔編號】C25C3/28GK203582988SQ201320623348
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權日:2013年10月10日
【發(fā)明者】賈文成, 劉美鳳, 沈博, 曹志新 申請人:寶納資源控股(集團)有限公司