CN100552357C - 铁硫化物矿粉脱硫焙烧和氮化处理多功能微波冶炼设备 - Google Patents

Abstract

硫化物矿粉脱硫焙烧和氮化处理多功能微波冶炼设备属于矿冶设备；主机由结构机架、微波发生和控制装置、红外测温装置、自动控制装置、连续进料斗、螺旋状连续运料搅拌杆、石英高温反应管、供气装置、排气装置、分段弹性隔离装置、气体收集冷凝装置、供液装置、水气两用冷却装置、动力同步调速传动装置、出口阀门、等五边形微波发射箱安装架组成，本发明使粉状铁硫化物在微波作用下快速升温，达到一定温度时，铁硫化物中的硫原子迅速与氧发生结合形成“硫—氧气化物”，全部被冷凝并收集利用，反应后在主机中留下粉状固态物就是单质金属铁粉，再经微波加热对铁粉进行氮化处理使其成为粉末冶金所需的高性能专用基料；本发明用途广泛。

Description

铁硫化物矿粉脱硫焙烧和氮化处理多功能微波冶炼设备

技术领域

本发明涉及微波的应用技术、微波对铁的硫化物矿粉进行脱硫焙烧和氮化处理的技术、工艺和设备技术，特别涉及一种能满足工业化批量生产的多功能微波冶炼设备。

背景技术

铁的硫化物有多种形式，常见的有：FeS、FeS₂、Fe₃S₄、Fe_0.885S和Fe_0.98S等；这些铁硫化物的金属铁物质的提炼以及含硫物质的提取，在目前大批量工业化生产的情况下通常使用炉、窑并以煤或焦炭为燃烧介质的传统加热方式进行提取，其加热温度通常在780℃～920℃之间，而用这种加热方式的脱硫焙烧，直接的后果是产生较大的空气和环境污染，脱硫时间长，工作效率较低，且能源利用率不高，热效率低。另外，传统方式的矿粉脱硫焙烧工艺与铁粉的氮化工艺是分开并各自单独进行的，不能同时进行。到目前为止，传统技术无法做到将这两道工艺合并在一台设备内同时完成。

因为铁硫化物矿粉物质是一种非常良好的微被吸收介质，又是很好的极性材料，它在微波作用下，其微波能对铁硫化物矿粉物质进行极化，使得被极化的极性铁硫化物矿粉物质在高频的交变微波电磁波作用下，产生高频振荡的剧烈运动，导致这些极性分子相互间摩擦损耗，使得微波电磁能迅速转化为热能，也就是说，微波加热原理及过程就是介质材料自身损耗电磁能量而产生热量的过程。通过微波对铁硫化物矿粉的迅速加热，使得铁硫化物矿粉中的硫元素与空气中含有的氧原子发生反应生成“硫——氧气化物”，气体随即被水冷凝并回收，脱硫便完成了。由于微波有促进化学反应的作用，所以，实际脱硫所需的温度可比用传统加热方法所需的脱硫温度低60℃～100℃。

为了使经过脱硫焙烧的微粒铁粉不再被氧化，能被广泛应用于粉末冶金领域，需对铁粉进行氮化处理，即将铁粉在微波加热状态下，充入高纯度氮气，使铁粉颗粒的表面被氮气钝化，其加热温度控制在810℃～860℃之间，这样，铁粉再经细磨和磁选，就能成为高性能的粉末冶金用的基料。

本发明所涉及的一种多功能微被冶炼设备，是能将铁硫化物矿粉的脱硫焙烧工艺与铁粉的氮化工艺合二为一的一种微波冶炼设备，且同样能应用于铁氧化物矿粉的脱氧还原工艺与铁粉的同步氮化工艺。它能连续进料、连续出料，满足大批量、工业化连续生产的要求。这项复合工艺和所对应的多功能微波冶炼设备，是目前国内钢铁工业中的一项空白。因此，本发明的技术含量和重大意义就不言而喻。

发明内容

针对传统技术所存在的种种不足，本发明的目的是提供一种能缩短工艺流程、简化工序、无气体污染、高效节能、投资少、自动化控制程度高、能实现快速批量工业化生产、且是利用了微被对铁硫化物矿粉加热原理进行产品整体设计的多功能微波冶炼设备。

本发明的另一个目的是确定了在微波作用下铁硫化物矿粉脱硫焙烧工艺与铁粉的氮化工艺的同步实施方法和提供了一种能同时实施这两项复合工艺的多功能微波冶炼设备。

本发明采用如下技术方案：一种铁硫化物矿粉的脱硫焙烧和氮化处理的多功能微波冶炼设备，

其结构特征和工作特征说明如下：

1.沿主机呈长方体箱式的长度方向，水平地平行布置着三个工作腔，每个腔内各有一组螺旋状连续运料搅拌杆(6)，并按上中下三层叠加水平布置。在上层和中间层内还分别设有微波发生和控制装置(2)、红外测温装置(3)、石英高温反应管(7)、供气装置(8)、排气装置(9)、气体收集冷凝装置(11)、供液装置(12)和等五边形微波发射箱安装架(16)。在上层和中间层内的螺旋状连续运料搅拌杆(6)都是套在石英高温反应管(7)内的，能分别作不等速反向旋转；微波发生和控制装置(2)中的微波发射箱和红外测温装置(3)安装在等五边形微波发射箱安装架(16)上。

2.在下层内所设的螺旋状连续运料搅拌杆(6)的外部为不锈钢金属板圆形筒体，环绕筒体外表设置水气两用冷却装置(13)的冷却紫铜管，分段设置，有多个进水(气)口和出水(气)口。在螺旋状连续运料搅拌杆(6)出口端部开有出料孔，安装一个分段弹性隔离装置(10)和出口阀门(15)。在上层、中间层和下层的两层分隔处及下层出口处每处设有一个分段弹性隔离装置(10)，在连续进料斗(5)下部设置分段弹性隔离装置(10)；在结构机架(1)上部设有连续进料斗(5)、动力同步调速传动装置(14)；主机与可移动安装的自动控制装置(4)之间由线缆联接。

3.在上层和中间层内的螺旋状连续运料搅拌杆(6)的进料处及排料处分别设有供液装置(12)、供气装置(8)、排气装置(9)和气体收集冷凝装置(11)，允许在同一处最多设置两个供气装置(8)和排气装置(9)，并可同时使用。气体收集冷凝装置(11)设置在主机外并用管道与主机相连接。

4.在结构机架(1)的一端设有动力同步调速传动装置(14)，为螺旋状连续运料搅拌杆(6)、石英高温反应管(7)提供送料、搅拌和旋转动力，能实现一定范围内的无级调速。

5.如由于主机本体的结构按照实际工况设计时，需要满足一定的长度时，结构机架(1)、螺旋状连续运料搅拌杆(6)、石英高温反应管(7)、等五边形微波发射箱安装架(16)制作成分段形式，可分段拆卸和分段拼装。如产品及工序要求不需要对经脱硫或还原焙烧后的铁粉作氮化处理，则可以将设备的中间层取消，其相应的附属设施也随之取消。

6.铁硫化物矿粉物料在进入设备进口后直至被加工完毕到达出口，物料在设备中的呈三层布置的三个工作腔内呈“S”状行进姿态，并连续不断。通常的设备设计方案为三根螺旋状连续运料搅拌杆(6)是等速旋转的(旋转方向则是上下层是一致的，中间层则与之相反)，但也可使下层螺旋搅拌杆的转速略快于其他两根螺旋搅拌杆。当铁硫化物矿粉物料伴随着空气一进入上层工作腔后，随即被螺旋状连续运料搅拌杆(6)送入石英高温反应管(7)内并继续被搅拌和朝前输送，此时在微波作用下物料开始升温，升温到特定温度时，铁硫化物矿粉开始脱硫，当物料被送达到上层螺旋状连续运料搅拌杆(6)的端部时，脱硫完成。而后被脱硫的铁粉落入中间层作反向输送，也被中间层的螺旋状连续运料搅拌杆(6)送入同心安装的石英高温反应管(7)内，在微波作用下所达到的氮化温度环境下，与工作腔内加入的高纯度氮气发生钝化作用，当铁粉被反向输送到中间层螺旋状连续运料搅拌杆(6)的端部时，氮化过程结束，最后落入到下层再由螺旋状连续运料搅拌杆(6)将氮化铁粉向设备出口处输送并随之冷却，在冷却到约70℃左右时铁粉被送出机外。

附图说明

图1是多功能微波冶炼设备正面结构剖视示意图

图2是多功能微波冶炼设备端面结构剖视示意图

图3是多功能微波冶炼设备***工作示意图

具体实施方式

1.上层脱硫焙烧实施方式：将粒度达到100目～200目的铁硫化物矿粉按照事先设定的工作流量直接用皮带输送机送至本发明设备进口处所设的连续进料斗(5)内，在斗内稍积存一点重量后，其下部所设的分段弹性隔离装置(10)就会自行打开，让物料连续通过，进入本发明设备的上层工作腔内，随即被匀速旋转的螺旋状连续运料搅拌杆(6)朝前输送到在反向旋转的石英高温反应管(7)内被微波加热并开始升温，在石英高温反应管(7)的入口端部，可根据实际工作状况用供气装置(8)向内压入一定流量的空气，以补充工作腔内的氧气含量。物料在边搅拌边前送的过程中迅速被微波加热升温至脱硫反应所需的温度(设定的加热温度，约700℃～820℃左右)时，铁硫化物矿粉中的硫元素与石英高温反应管(7)内空气中的氧原子发生反应生成“硫——氧气化物”，气体随即被排气装置(9)吸出主机外进入气体收集冷凝装置(11)被冷凝后回收，脱硫工序便完成了。

上层腔内的工作要点是：①不断进入工作腔内的物料最多只能让其填满在石英高温反应管(7)内所剩空间(即为扣除内置螺旋搅拌杆所占去空间后的管内容积)的60％，其余空间为气体所占空间；②石英管内的温度由红外测温装置(3)测定后再操控微波发生和控制装置(2)的关启或调节其微波发射功率，使其脱硫反应温度保持在一个最合适的温度范围内；③进口处的供气流量和压力视实际状况而调整，以确保空气的足额供应为供气原则；④石英管内由于有反应后的高温气体存在，其内部的压力常保持微正压(大于机外的大气压力)；⑤排气装置(9)被安装在螺旋状连续运料搅拌杆(6)的末端，排气流量需与供气流量相匹配，并随着供气流量的大小、反应温度的高低、反应气体的生成速度的快慢等因素而有所调整。

上层腔内所设置的供气装置(8)可视工作需要(如处理其他可以被微波处理的金属化合物)供入其他气体，如氢气、氩气、氮气或二氧化碳等，也可选择关闭供气口。

上层腔内所设置的供液装置(12)可视工作需要(如提炼高纯铁粉)供入液氨或其他液体，清洗设备时可供入清水，也可选择关闭供液口。

2.中间层高温氮气钝化实施方式：在上层工作腔内被完全脱硫后的纯铁粉，被上层的螺旋状连续运料搅拌杆(6)推送到其端部时，铁粉就顺着处于端部的下料口落下，随即自行打开下料口下部所设的分段弹性隔离装置(10)，再落入中间层的氮化处理工作腔内，而被旋转者的中间层螺旋状连续运料搅拌杆(6)朝着与上层物料运动的相反方向边推送边搅拌，当铁粉被送入在反向旋转的石英高温反应管(7)内随即被微波加热并开始升温，在石英高温反应管(7)的入口端部，有供气装置(8)向腔内压入一定流量的高纯度氮气，以用于铁粉的氮化所需，同时驱赶空气或其他气体，也与上层一样，腔内气体压力常保持微正压。确保在整个中间层工作腔内充满了氮气，使得铁粉在氮气气氛中所进行的氮化处理得以顺利。在充满氮气的工作气氛中，铁粉将在温度达到810℃～860℃之间被氮气钝化，至此，铁粉的氮化处理工序完成。而处于中间层工作腔终端的排气装置(9)则可以排出或收集多余的氮气和其他气体，并具有调整腔内压力的功能。

中间层腔内的工作要点是：①中间层腔内压力应与上层腔内压力基本保持一致；②由于上层输入的铁粉为高温状态，到中间层后只要稍稍用微波加热便能满足铁粉氮化所需要的温度，因此，中间层的微波发生和控制装置(2)的配置数量和功率都可以有所降低，可以大幅度减少成本；

中间层腔内所设置的供气装置(8)可视工作需要(如处理其他可以被微波处理的金属化合物)供入其他气体，如氢气、氩气、氮气或二氧化碳等，也可选择关闭供气口。

中间层腔内所设置的供液装置(12)可视工作需要(如提炼高纯铁粉)供入液氨或其他液体，清洗设备时可供入清水，也可选择关闭供液口。

3.下层铁粉物料冷却实施方式：在中间层工作腔内被完全氮化处理后的纯铁粉，被中间层的螺旋状连续运料搅拌杆(6)推送到其端部时，铁粉就顺着处于端部的下料口落下，随即自行打开下料口下部所设的分段弹性隔离装置(10)，再落入下层的冷却处理工作腔内，而被旋转着的下层螺旋状连续运料搅拌杆(6)朝着与中间层物料运动的相反方向(与上层的物料运动方向相同)边推送边搅拌，由于在下层的螺旋状连续运料搅拌杆(6)的外部没有设置石英高温反应管(7)，而是用不锈钢金属板所制成的圆形筒体直接套装在螺旋状连续运料搅拌杆(6)的外部，且包裹其整个长度。固定在结构机架(1)上的不锈钢金属板圆形筒体的外部布置着水气两用冷却装置(13)的冷却紫铜管组，根据实际情况，应设置有多组冷却管组，有多个进水(气)口和出水(气)口，使冷却效果达到设计要求。铁粉物料在边推送边搅拌边冷却的状况下输送到下层出料口时，出料口下部所设的分段弹性隔离装置(10)便自行打开，经冷却至约70℃左右的铁粉物料便通过出口阀门(15)排出机外。

下层腔内的工作要点是：①下层螺旋状连续运料搅拌杆(6)一般是与其他两根螺旋搅拌杆是等速旋转的(旋转方向则是上下层是一致的，中间层则与之相反)，但也可在设备设计时将下层螺旋搅拌杆的旋转转速略快于其他两根螺旋搅拌杆；②冷却装置通常用水作为冷却介质，且循环使用，降低水资源的损耗和浪费；③出口阀门(15)是用人工来控制其关启的，在设备处于工作情况下是处于开启状态的，只有当设备长期不使用的情况下才关闭。另外，在要用清水灌注在整个设备的三个工作腔做清洗设备工作时，出口阀门(15)须关闭；④下层工作腔外无微波发生和控制装置(2)，它只是一个冷却、出料通道，铁粉物料在此工作段是边推送边搅拌边冷却的一个过程，无任何其他化学反应。

4.上、中、下三层中所布置的三根螺旋状连续运料搅拌杆(6)是同时运动、同时停止的，转速也是可以在一定范围内进行调控的；在连续处理物料的工作过程中，上、中、下三层的工作腔内的温度、气体是相对封闭、互不流通的。这主要是由于有分段弹性隔离装置(10)在起作用。这就使得这三个腔内在发生不同的化学变化时其相互之间能做到互不干挠。

Claims (7)

1.一种铁疏化物矿粉的脱硫焙烧和氮化处理的多功能微波冶炼设备，主机外形呈长方体箱式造型，多功能微波冶炼设备包括结构机架(1)、微波发生和控制装置(2)、红外测温装置(3)、自动控制装置(4)、连续进料斗(5)、螺旋状连续运料搅拌杆(6)、石英高温反应管(7)、供气装置(8)、排气装置(9)、分段弹性隔离装置(10)、气体收集冷凝装置(11)、供液装置(12)、水气两用冷却装置(13)、动力同步调速传动装置(14)、出口阀门(15)、等五边形微波发射箱安装架(16)，其特征在于由三组螺旋状连续运料搅拌杆(6)按上、中间、下三层叠加水平布置，并以上、中间、下三层分别为中心形成三个相互独立的工作腔体和物料输送管道，在上层和中间层内还分别设有微波发生和控制装置(2)、红外测温装置(3)、石英高温反应管(7)、供气装置(8)、排气装置(9)、气体收集冷凝装置(11)、供液装置(12)和等五边形微波发射箱安装架(16)；在下层设有水气两用冷却装置(13)、出口阀门(15)；在上层、中间层和下层的两层分隔处及下层出口处每处设有一个分段弹性隔离装置(10)，在连续进料斗(5)下部设置分段弹性隔离装置(10)；在结构机架(1)上部设有连续进料斗(5)、动力同步调速传动装置(14)；主机与可移动安装的自动控制装置(4)之间由线缆联接。

2.根据权利要求1所述的多功能微波冶炼设备，其特征是：在上层和中间层内所设的螺旋状连续运料搅拌杆(6)都是套在石英高温反应管(7)内的，这两个螺旋状连续运料搅拌杆(6)与两个外套的石英高温反应管(7)分别作不等速反向旋转；在设置每一层的螺旋状连续运料搅拌杆(6)和石英高温反应管(7)时用多段设置的方法布置，以满足设备设计时要求的特定长度。

3.根据权利要求1所述的多功能微波冶炼设备，其特征是：在下层内所设的螺旋状连续运料搅拌杆(6)的外部为不锈钢金属板圆形筒体，环绕筒体外表设置水气两用冷却装置(13)的冷却紫铜管，并分段缠绕设置，有多个进水/气口、出水/气口，在螺旋状连续运料搅拌杆(6)出口端部开有出料孔，安装一个分段弹性隔离装置(10)和出口阀门(15)。

4.根据权利要求1所述的多功能微波冶炼设备，其特征是：在上层和中间层内的螺旋状连续运料搅拌杆(6)的进料处及排料处分别设有供液装置(12)、供气装置(8)、排气装置(9)和气体收集冷凝装置(11)，在同一处最多设置两个供气装置(8)和排气装置(9)，并同时使用，气体收集冷凝装置(11)设置在主机外并用管道与主机相连接。

5.根据权利要求1所述的多功能微波冶炼设备，其特征是：微波发生和控制装置(2)中的微波发射箱和红外测温装置(3)安装在等五边形微波发射箱安装架(16)上。

6.根据权利要求1所述的多功能微波冶炼设备，其特征是：在结构机架(1)的一端设有动力同步调速传动装置(14)，为螺旋状连续运料搅拌杆(6)、石英高温反应管(7)提供送料、搅拌和旋转的动力，能实现一定范围内的无级调速。

7.根据权利要求1所述的多功能微波冶炼设备，其特征是：如由于主机本体的结构按照实际工况设计时，需要满足一定的长度时，结构机架(1)、螺旋状连续运料搅拌杆(6)、石英高温反应管(7)、等五边形微波发射箱安装架(16)制作成分段形式，便于分段拼装和分段拆卸。

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