一种等离子体闪速还原冶金系统的制作方法

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种等离子体闪速还原冶金系统。

背景技术：

近年来，随着社会的进步和工业的快速发展，各行各业对钢铁的需求与日剧增，冶炼的速度与质量还有待改善和提高，目前炼铁工业主要以高炉炼铁为主，高炉炼铁是采用还原剂（焦炭、煤炭等）在高温下将铁矿粉还原成液态生铁后再冶炼成钢。经过长时期的发展，虽高炉炼铁技术已成熟，但仍强烈依赖昂贵的冶金焦炭；其次是非高炉炼铁，它分为直接还原炼铁与熔融还原炼铁，直接还原炼铁的产品是固态海绵铁，然后再冶炼成钢，熔融还原炼铁，它的产品相当于高炉炼铁的铁水，再冶炼成钢。非高炉炼铁摆脱了对冶金焦炭的依赖，直接用煤炭来炼铁，但还处于初期阶段，有待开发。所以需研制一种新型冶金方法，克服它们各自的缺陷，从而达到更环保、更低碳、更节能的目的。

等离子态是物质的第四态，宇宙中几乎99﹪的物质（不包括尚未确认的暗物质）都处于等离子态。等离子体其温度分布范围则从10k的低温到核聚变等离子体的10亿k超高温并拥有一系列独特性质，使等离子体在纳米材料生产、新材料合成、热加工制造、冶炼、钻探、煤化工、垃圾废物处理、材料表面处理、电子、新能源、军事、航空航天等领域获得广泛应用。等离子体技术作为一种近年来在工业中得到广泛应用的新技术，可以用于还原冶金，有利于实现高效、低碳又环保的冶金方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种等离子体闪速还原冶金系统，能够高效迅速高效地对金属矿粉末进行还原冶金，高效无污染；与传统还原冶金设备相比，设备结构简单，体积小巧。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种等离子体闪速还原冶金系统，包括：等离子体发生器，反应炉，气体提取装置和供电系统，其中，

所述等离子体发生器与位于所述反应炉顶部的进料口连接；

所述等离子体发生器包括：绝缘壳体和设置于所述绝缘壳体内的阴极管、多个阳极管、陶瓷层，所述阴极管设置于多个所述阳极管的上方，所述阴极管与所述阳极管间、所述阳极管与阳极管间设置有陶瓷层；

所述阴极管、多个阳极管分别与所述供电系统连接，通过调节每个阳极管的带电量，使不同位置的所述阳极管与所述阴极管间形成等离子体；

所述气体提取装置与所述反应炉连接，所述反应炉内设置有多层独立空间。

进一步的，所述供电系统包括：电源、转接柜和冷水机，所述转接柜分别与所述电源、冷水机连接；

所述转接柜分别与所述阴极管、阳极管通过水电缆连接，所述水电缆的接头贯穿设置于所述绝缘壳体上。

进一步的，所述独立空间有四层，由上至下依次为第一层、第二层、第三层和第四层。

进一步的，还包括：气体冷却装置，所述气体冷却装置与所述第一层连接，将第一层内的混合气体进行冷却；

所述气体提取装置与所述气体冷却装置连接，用于在所述混合气体中提取氩气和燃气；

所述气体提取装置的出口、氩气瓶分别与所述等离子体发生器的入口连接。

进一步的，还包括：燃气瓶，所述燃气瓶与所述第三层连接，对还原后的金属进行二次还原以及预热燃气；

所述第三层设置有燃气出口，所述燃气出口与所述等离子发生器的入口连接，将预热后的燃气送至所述等离子发生器中。

进一步的，所述第一层、第二层和第三层的底部为翻转炉底，所述第四层的底部设置有出料口。

进一步的，所述第一层、第二层和第三层的底部设置有通道，所述第四层底部设置有出料口。

进一步的，所述第一层、第二层、第三层第四层的底部均为锥形结构，所述锥形结构的底部设置有下料口。

进一步的，还包括：定位销，所述定位销依次穿过所述绝缘壳体、阴极管、陶瓷层和多个阳极管并对所述阴极管、陶瓷层和多个阳极管进行定位，所述定位销由玻璃钢材料制成；

还包括：进料装置，所述进料装置与所述等离子体发生器的入口连接。

一种等离子体闪速还原冶金系统的工作方法，包括以下步骤：

1）将氩气通入等离子发生器之中，然后启动电源，电离氩气，使阴阳极之间产生高温等离子体，再向等离子发生器之中通入燃气，使等离子体成为还原性气氛；

2）启动进料装置，向等离子发生器内部通入金属矿粉末；

3）金属矿粉末流经高温还原性等离子体并反应，生成还原后的金属与混合气体；混合气体经反应炉的第一层流入气体冷却装置之中进行冷却，接着再流入气体提取装置中进行分离提取，将混合气体中的水蒸气跟二氧化碳除去，剩余大量的氩气跟部分燃气储存到储存罐之中；

4）还原后的金属先落到反应炉的第一层，当第一层的还原后的金属达到一定量时，打开第一层与第二层之间的通道，使还原后的金属进入第二层，然后关闭第一层与第二层之间的通道，打开第二层与第三层之间的通道，使还原后的金属落到第三层之中；还原后的金属通入第三层，第三层中的燃气对金属进行二次还原，同时燃气被还原后的金属预热；当还原后的金属冷却后，送入第四层并取出；燃气经预热后通入等离子发生器。

本发明的有益效果在于：能够高效迅速高效地对金属矿粉末进行还原冶金，高效无污染；与传统还原冶金设备相比，设备结构简单，体积小巧。

附图说明

图1为本发明等离子体闪速还原冶金系统整体结构图。

图2为本发明供电系统连接示意图。

图3为本发明等离子体发生器结构示意图。

图4为本发明等离子体发生器内部结构示意图。

其中，进料装置1，等离子发生器2，反应炉3，还原后的金属4，氩气瓶5，储气罐6，气体提取装置7，气体冷却装置8，燃气瓶9，电源11，转接柜12，冷水机13，进料接头111，绝缘壳体112，水电缆的接头113，陶瓷层114，冷却水115，定位销116，阴极管117，阳极管118。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种等离子体闪速还原冶金系统，图1为本发明等离子体闪速还原冶金系统整体结构图，如图1所示，包括：等离子体发生器，反应炉，气体提取装置和供电系统。

根据本发明的具体实施例，所述等离子体发生器与位于所述反应炉顶部的进料口连接；其中，所述等离子体发生器包括：绝缘壳体和设置于所述绝缘壳体内的阴极管、多个阳极管、陶瓷层，所述阴极管设置于多个所述阳极管的上方，所述阴极管与所述阳极管间、所述阳极管与阳极管间设置有陶瓷层；等离子发生器的作用是采用高温还原性等离子体对金属矿粉末进行闪速还原冶金。图3为本发明等离子体发生器器结构示意图，图4为本发明等离子体发生器器内部结构示意图，如图3和图4所示，在本发明的一些优选的实施例中，所述等离子发生器还包括定位销，所述定位销依次穿过所述绝缘壳体、阴极管、陶瓷层和多个阳极管并对所述阴极管、陶瓷层和多个阳极管进行定位，所述定位销由玻璃钢材料制成，本发明对此不作特别的限制。绝缘壳体套在陶瓷层、阴极管和阳极管外面，被定位销固定，绝缘壳体的材料为玻璃钢，其作用是装载等离子发生器之中所有的零部件，玻璃钢具有绝缘特性，能够有效防止阴极管与阳极管之间短路产生电弧；陶瓷层固定在阴极管和阳极管之间，陶瓷层夹在阴极管与阳极管、阳极管与阳极管之间，其作用是隔绝电流，使阴极管与阳极管是一个独立的带电单元；定位销穿过绝缘壳体、陶瓷层、阴极管和阳极管；阴极管固定在多个阳极管的顶端，中间夹有陶瓷层。

根据本发明的具体实施例，阴极管的材料优选为铜合金，阳极管的材料优选为铜合金，阳极管与阴极管之间产生高温还原性等离子体；不同的阳极管分别带电并与阴极管之间产生等离子体，能够有效改变等离子体的电压及温度，实现对还原反应的有效控制。

根据本发明的具体实施例，图2为本发明供电系统连接示意图，如图2所示，所述阴极管、多个阳极管分别与所述供电系统连接，通过调节每个阳极管的带电量，使不同位置的所述阳极管与所述阴极管间形成等离子体；所述供电系统包括：电源、转接柜和冷水机，所述转接柜分别与所述电源、冷水机连接；具体而言，电源与转接柜采用电缆连接，电缆与二者之间采用螺纹连接，冷水机与转接柜之间采用水管连接，水管与二者之间采用螺纹连接；转接柜与等离子发生器之间采用水电缆连接，水电缆与二者之间采用螺纹连接。水电缆的接头的材料为黄铜，也可以是其他铜合金，其作用是与外界水电缆进行连接，将电能跟冷却水输入到阴阳极之间。

根据本发明的具体实施例，所述转接柜分别与所述阴极管、阳极管通过水电缆连接，所述水电缆的接头贯穿设置于所述绝缘壳体上，在本发明的一些优选的实施中，水电缆的接头穿过绝缘壳体分别与阴极管、阳极管螺纹连接。电源的作用是为等离子发生器提供电能；转接柜的作用是将子电源的电能与冷水机的冷却水有效地结合在一起，通过水电缆传送到等离子发生器之中；冷水机的作用是为等离子发生器提供冷却水，对等离子发生器进行及时冷却保护，防止等离子发生器被烧穿，冷却水为工业纯净水，也可以是蒸馏水。

根据本发明的具体实施例，所述气体提取装置与所述反应炉连接，所述反应炉内设置有多层独立空间，所述独立空间有四层，由上至下依次为第一层、第二层、第三层和第四层，相应的，在本发明的一些优选的实施例中，由于第一层内产生的混合气体温度较高，本发明还包括气体冷却装置，具体的，所述气体冷却装置与所述第一层连接，将第一层内的混合气体进行冷却，所述气体提取装置的出口、氩气瓶分别与所述等离子体发生器的入口连接，分别为所述等离子发生器提供氩气、燃气。此外在本发明的一些优选的实施例中，本发明还包括储气罐，所述气体提取装置与储气罐之间通过气管连接，储气罐与所述等离子发生器的入口连接；气体提取装置是将尾气之中的氩气提取出来储存到储存罐之中。氩气瓶的作用是为等离子体提供易电离的主气。

优选的，本发明还包括燃气瓶，所述燃气瓶与所述第三层连接，对还原后的金属进行二次还原及预热燃气；所述第三层设置有燃气出口，所述燃气出口与所述等离子发生器的入口连接，将预热后的燃气送至所述等离子发生器中。燃气瓶中的的燃气经过第三层，不仅能够对还原后的金属进行二次还原，保证还原后的金属不被二次氧化，还能在期间进行预热，有效利用金属预热，提高燃气的电离性，以及为等离子发生器提供燃气作为还原性气氛。

根据本发明的具体实施例，所述第一层、第二层和第三层的底部为翻转炉底，所述第四层的底部设置有出料口。

根据本发明的具体实施例，所述第一层、第二层和第三层的底部设置有通道，所述第四层底部设置有出料口。

根据本发明的具体实施例，所述第一层、第二层、第三层第四层的底部均为锥形结构，所述锥形结构的底部设置有下料口。

根据本发明的具体实施例，本发明还包括进料装置，进料装置的作用是将金属矿粉末输送到等离子发生器之中，进料装置与等离子发生器采用送料管连接，具体的，阴极管上设置有进料接头，所述进料接头以螺纹连接的方式连接在阴极管上，送料管与进料装置、进料接头之间采用螺纹连接，便于装置安装和更换。进料接头材料为耐热钢，也可以是其他材料，其作用是将氩气、燃气及金属矿粉末送入等离子发生器之中进行还原冶金。

同时，本发明提供了一种等离子体闪速还原冶金系统的工作方法，包括以下步骤：

1）将氩气通入等离子发生器之中，然后启动电源，电离氩气，使阴阳极之间产生高温等离子体，再向等离子发生器之中通入燃气，使等离子体成为还原性气氛；

2）启动进料装置，向等离子发生器内部通入金属矿粉末；

3）金属矿粉末流经高温还原性等离子体并反应，生成还原后的金属与混合气体；混合气体经反应炉的第一层流入气体冷却装置之中进行冷却，接着再流入气体提取装置中进行分离提取，将混合气体中的水蒸气跟二氧化碳除去，剩余大量的氩气跟部分燃气储存到储存罐之中；

4）还原后的金属先落到反应炉的第一层，当第一层的还原后的金属达到一定量时，打开第一层与第二层之间的通道，使还原后的金属进入第二层，然后关闭第一层与第二层之间的通道，打开第二层与第三层之间的通道，使还原后的金属落到第三层之中；还原后的金属通入第三层，第三层中的燃气对金属进行二次还原，同时燃气被还原后的金属预热；当还原后的金属冷却后，送入第四层并取出；燃气经预热后通入等离子发生器。

根据本发明的具体实施例，运行过程中，先将氩气瓶或储气罐之中的氩气通入等离子发生器之中；然后启动电源，电离氩气，使阴阳极之间产生高温等离子体；再向等离子发生器之中通入燃气，使等离子体成为还原性气氛；通过调节多个阳极管之中的不同单个阳极管进行带电，令不同位置的单个阳极管与阴极管之间形成等离子体，实现等离子体电压及温度的控制；启动进料装置，向等离子发生器内部通入金属矿粉末，金属矿粉末粒径在100~500目之间，要求具有一定的流动性；金属矿粉末流经高温还原性等离子体，与等离子态的燃气进行反应，生成金属单质与水蒸气跟二氧化碳；水蒸气跟二氧化碳经反应炉的第一层流出，流入气体冷却装置之中进行冷却，接着再流入气体提取装置中进行分离提取，将气体中的水蒸气跟二氧化碳除去，剩余大量的氩气跟部分燃气储存到储存罐之中；还原后的金属单质先落到反应炉的第一层，当第一层的金属单质达到一定量时，打开第一层与第二层之间的通道，使金属单质进入第二层，然后关闭第一层与第二层之间的通道，打开第二层与第三层之间的通道，使金属单质落到第三层之中；第三层中通有燃气，金属单质通入第二层，一可对金属进行二次还原，二可预热燃气；当金属单质冷却后，送入第四层并取出；第三层炉底基本可以将上下两部分气源隔离分开；燃气经预热后通入等离子发生器，既可有效利用反应预热，又可提高气体的电离度。

综上所述本发明的等离子体闪速还原冶金系统，能够高效迅速高效地对金属矿粉末进行还原冶金，高效无污染；与闪速还原冶金设备相比，设备结构简单，体积小巧。

在本发明的描述中，需要理解的是，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。