专利名称：：低能耗碳化硅(或其它金属非金属)多功能环保冶炼炉及工艺的制作方法
技术领域：
：本发明属于碳化硅真空冶炼和部分金属和非金属真冶炼及提纯领域，具体说是一种大型真空电阻冶炼炉结构和冶炼工艺。
背景技术：
：l:现状和大小炉比较07年我国碳化硅产量约100万吨，现在的碳化硅炉有冶炼能耗高，工人操作环境差，尾气不回收污染环境等缺点。经计算生产1吨碳化硅要产出1.7吨一氧化碳、氢气、甲烷等废气，废气不做任何处理直接在炉表面燃烧，有18%燃烧不净造成空气污染，1.7吨废气的热值能发出2041K千瓦电量。我国现在碳化硅炉冶炼平均能耗每吨为6050千瓦，如今为降低电耗，受大中型炉电耗低潮流的影响，各碳化硅厂，都在上大功率碳化硅冶炼炉。如变压器功率28000千瓦的大型炉，12000千瓦的中型炉冶炼炉等，但综合能耗和3500千瓦小炉相比相比差别不大，列表如下<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>2:大小炉产品质量比较碳化硅含量相同，一极品率相近，碳化硅结晶差别较大，大型炉主要以粒型结晶为主，小型炉主要以针型结晶为主，但本专利的中小型炉如果在冶炼后期把密闭罩内的负压改为高于大气几个压力，断续供电保温会产出品质更好的粒型结晶。3:投入产出比较大型炉600吨+12天=50吨/天3000万+50吨=60万/吨中型炉250吨+5天=50吨/天1300万+50吨=26万/吨小型炉12.5吨+1天=12.5吨/天300万+12.5吨=24万/吨由上可知中小炉投入20多万就可以生产一吨碳化硅而大型炉投入60万才能生产一吨碳化硅。4:能耗高炉气不回收的原因现在的碳化硅炉，没有加密闭罩回收炉气，其主要原因是炉罩结构和安全防爆问题。因一氧化碳和空气混和比例达到12.5%80%遇明火会发生爆炸。氢气和空气的混合比4.0%74.2%时遇明火也会爆炸，而且炉体越大炉气越多爆炸的能量越大。碳化硅冶炼炉、在冶炼过程中喷炉、此火是常事不可能杜绝。专利、200810044763.0只对炉气的输送、净化、和提纯一氧化碳的方法作了描述，并没有对碳化硅炉的负压冶炼和工艺提出建议.专利cn1212183和专利cn1699160报道了一种用于碳化硅的炉气回收装置，在冶炼炉的上方设置一密封罩，在炉罩和地面连接处设置有一水封槽，炉罩上部的气体出口通过阀门与风机连接，风机出口于储罐连通，回收气体送到指定地点燃烧或作为燃料使用，从而改善现场工作环境，减少废气对大气的污染。该专利未见实际运用原因如下碳化硅中型炉，长四十米、宽六米、高七米、整体炉罩又大又重、炼一炉移动一次炉罩、不仅需要大型起重设备，而且受水槽密封深度影响、-0.03MPa需要三米高的水封、炉罩需要举高到15米才能移动，加之水在负压下几十度就会蒸发，产生大量水蒸汽，破坏真空，一但喷炉，因炉罩是一个没底的五面体、它会迅速升空、空气进入发生强爆炸。专利cnl01337673a提出了一种用多块碳化硅炉墙，炉盖，周边用多根管道连接的废气回收冶炼炉，它周边管道多、每炉次、几千吨料的装炉出炉，几十上百块大面积炉墙和炉盖的对接、管道的连接、要保证耐温、不漏气确实难，因为生产中漏气就有把管道和炉体炸坏的可能，非常危险。正因为以上专利有这些缺点，至今未见我国碳化硅企业回收炉气。更主要的原因是以上技术都只能微负压或微正压冶炼不能进行低能耗低负压真空冶炼。
发明内容低能耗碳化硅(或其它金属非金属)多功能环保冶炼炉及工艺本发明是利用电阻内热炉或其它(燃气热管等)内热炉在真空环境下进行冶炼的炉体及其工艺。炉体组成它是由一个或几个固定的冶炼炉外罩l，可以在轨道上行走的炉车(冶炼炉芯)2，行车轨道3，供电或其它供能设备4，炉气和炉热回收设备5，燃气设备6，发电机组7，循环保护气体设备8，冷却水系统9，鼓引风换热及真空设备10，尾气洗涤回收达标排放系统11，原料和成品库等组成。在冶炼炉变压器的左右建有一台或多台密闭的冶炼炉外罩l，冶炼时把带炉头装好炉料的炉车(炉芯)2，从装炉车间经钢轨被送到密闭的冶炼炉罩1内，关闭冶炼炉罩门，开启负压风机和真空机组10抽气，观察炉罩内仪表压力、当仪表压力达到冶炼负压时，给炉芯供电，炉料反应生成的高温气体，经管道由热交换器换热、降低气体温度和体积后，由风机或真空机组引出，引出的可燃气体经换热器升温后被送到燃气锅炉5燃烧，产出的水蒸汽要么供给汽轮机发电或驱动其它设备(蒸汽射流真空泵)，要么给其他设备供热，也可以把然气除杂后，直接供给内燃发电机发电等。发出的交流电整流后与冶炼变压器整流设备并联全部供给冶炼炉，为了充分利用冶炼变压器，需要两台或多台冶炼炉罩，轮流使用。4本设计为一台固定冶炼变压器，两台固定冶炼炉罩，第一台冶炼炉冶炼完毕，变压器转为第二台冶炼炉供电，开启惰性气体储罐阀门给第一台冶炼罩内炉芯充气，并开启热交换器和高温惰性气体循环风机，置换出冶炼炉芯内的余热，热交换器换出的余热被送到发电机发电，热交换完毕后，充第一台冶炼罩内惰性气体压力为大气压力，开启第一台冶炼罩密闭门，解开炉头供电和减温水连接，拉出冶炼完毕的炉芯，送入新的冶炼炉芯连接好供电母排和减温水管道，关闭冶炼炉罩密封门，等待下一次冶炼。拉出的炉芯由轨道送到出炉车间，卸炉后，产品被送到成品库，空炉车被重新装炉后，作为新炉芯运到炉车暂停处、等待下一周期进炉罩冶炼。该发明提出的固定冶炼炉罩、移动冶炼炉芯可以很好的解决炉气回收问题一节火车客车长24米宽3.3米两节就是48米最大的炉现在也不会超过三节车箱、宽度可以两节或三节并列、采用四轨或六或八轨道完全可以满足大型炉的冶炼要求。如果采用侧翻炉车设计、卸炉会非常方便，省去大量人力物力。加之炉罩紧靠在变压器的左右、大电流供电母排短、供电效率要比现在的炉高，换热器、锅炉、发电机、风机真空泵、都围绕炉罩而建距离短、管道省、热效率高投资小，有较好的投资效益。发明要点第一炉车要做绝缘降低炉漏电流，炉车上砌筑耐火砖，长度上每5IO米用耐火刚玉料绝缘，因炉车出炉前已被惰性气体换热冷却，出炉后不需浇水降温所以绝缘好，比现在的碳化硅炉对地漏电流要小很多。第二炉车在炉罩中，采用隧道砖窑车结构，下部有砂封保护炉车钢结构免受高温辐射降低刚性。第三炉罩为钢结构可以是任意多边型，本文用圆形，内壁加保温层，顶部有多个自重防爆门和自控安全阀，炉罩有压力、温度、一氧化碳、氧气、氮气、真空等检测和自控报警仪表，确保文明安全生产。第四炉车(炉芯)进出炉罩和停放位置、可由炉罩门前的载轨轨道载车平移位置不同来传送。第五本发明碳化硅冶炼炉的能耗比现在的碳化硅炉低31%由碳化硅反应方程式Si2+3C=SiC+2C0看出生成一摩尔碳化硅会生成两摩尔一氧化碳气体，即生产一吨碳化硅，会产出1.4吨一氧化碳气体。生产中由于使用的焦炭，无烟煤木屑都有挥发份，在实际生产中产一吨碳化硅约产气体1.7吨，具体成分体积百分比如下(生产一吨碳化硅所产气体能量和体积表)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由上表可知，生产一吨碳化硅废气可发电2041KW现以我厂3500KVA小炉表述如下炉长13.5米送电23.5小时送电量76000kw，碳化硅产量12.56吨平均电耗6051kw/t，每炉冶炼循环周期一天(24小时)平均每小时产生废气904.9M可发电1085.6KW每天可发电1085.6X23.5=25512.5KW，把发出的电量乘以0.95功率因数后全部反供给冶炼炉25512.5KWX0.95=24236.8KW，总用电量76000KW-24236.8KW=51763.2KW，吨碳化硅冶炼电耗51763.2KW+12.56T=4121.27KW吨碳化硅节电6051KW-4121.27KW=1929.7KW节电率1929.7KW+6051KW=31.89%第六该碳化硅炉产品质量好由于该碳化硅炉是在真空状态下工作的，在2500°C摄氏度高温下三氧化二铝，氧化铁，氧化镁，氧化钙等杂质会大量蒸发并随气体进入黄皮和排出。所以用该专利炉生产的碳化硅纯度要比普通炉生产的碳化硅高很多。第七该碳化硅炉，产量大。该碳化硅炉由于在真空状态下冶炼对炉料的透气性要求不严，可以降低炉料的粒度增加反应料接触面积，加之反应生成的气体被迅速排出，碳化硅生成速度和反应激烈程度都比现在的碳化硅炉高很多。降低大气压力1000Pa就可增加结晶桶半经5厘米、增产约10%加大真空5000Pa-9800Pa产量和质量还会有大的提升。第八碳化硅晶筒余热回收碳化硅炉、炉芯停止反应卸炉时的温度还有180(TC多摄氏度，加之碳化硅比热容很大，直接加水冷却出炉，即污染环境，又浪费热能。用该专利技术不污染环境又可回收热能。现以3500KVA碳化硅炉芯为例列表如下(碳化硅比热取40(TC摄氏度时的1340J/KgK)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本发明用用惰性气体对密闭罩内的炉芯进行换热，可换出热能2500KW第九安全实用现在的碳化硅炉，没有加密闭罩回收炉气，其主要原因有二，1安全问题，因一氧化碳和空气混和比例达到12.5%80%遇明火会发生爆炸。氢气和空气的混合比4.0%74.2%时遇明火也会爆炸，而且炉体越大炉气越多爆炸的能量越大，碳化硅炉冶炼不喷炉不此火是不可能的炉体越大炉芯和反应料越不容易装的密度厚薄一致，也更容易此火或喷炉。可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。在低于爆炸下限和高于爆炸上限浓度时，既不爆炸，也不着火。该专利发明的冶炼炉罩，因是固定炉罩不用来回移动，所以可制成高强度钢材炉罩，其它技术介绍的简易碳化硅冶炼收气罩，强度小，抽气压力低，易漏气、易爆炸。而该炉罩在较高温度下可以承受6公斤压力，密封良好，并在炉罩顶部装有多个防爆门和安全阀、局部密封有冷却水，内部有炉车轨道。冶炼前炉车(炉芯)、被送到炉罩内关闭炉罩门(严格密封)，开启引风机或真空泵抽真空，当负压达到冶炼要求试漏后，合闸给炉芯供电，炉芯在冶炼过程中由于炉罩密封、外界空气不可能进入炉罩内，加之炉罩内气体稀薄，决不会产生4.0%80%的燃气和空气混和比，根本不会发生爆炸。由于抽气压力大炉芯内内气体稀薄没有压力就不会喷炉，即使炉芯有火喷出，炉罩内气体也不会爆炸，因炉罩内根本满足不了可燃气体爆炸的三大必要条件。冶炼停止送电后，用惰性气体换热、换热期间一但发生喷炉(千万分之一)，冶炼罩内压力会冲开防爆门和安全阀，炉罩内因无氧气(空气)也不会发生爆炸，出炉前炉芯被惰性气体长时间换热，既降低了炉芯温度，惰性气体也填满了炉芯的各处空间，不可能发生出炉事故，非常安全。另外用惰性气体填充高温炉芯空间也可避免空气进入、氧化产品降低产品质量。2实用问题已知专利介绍的积木式炉罩或整体水封炉罩对于四十多米长、六七米宽七八米高的中型冶炼炉来说，积木式炉罩冶炼现场乱、密封困难、劳动强度大、不安全，整体水封炉罩对固定的冶炼炉芯来说如何出炉装炉，用什么起重设备整体吊运又大又重的炉罩都是问题，不解决上述问题很难用于实际生产。而该发明提出的固定冶炼炉罩、移动冶炼炉芯却可以很好的解决上述问题一节火车客车长24米两节就是48米最大的炉现在也不会超过三节车箱、宽度可以两节或三并列采用四或六轨道最多8轨道完全可以满足特大型炉的冶炼要求，如果采用侧翻炉车设计卸炉会非常方便省去大量人力物力。加之炉罩在变压器的左右大电流供电母排非常短供电效率要比现在的炉高，换热器、锅炉、发电机、风机真空泵围绕炉罩而建距离短管道省热效率高投资省，有较好的投资效益。炉气回收原理及路径为开炉时给引风机和真空机组送电，罩内空气会经过换热器1号和2号、引凤机真空机组到四通换向阀，因四通换向阀位置在排空，所以空气被排空。当炉罩内压力达到冶炼要求时，给炉罩内炉芯送电、转四通阀位置为燃气排放，炉芯冶炼时产出的可燃炉气，经1、2号换热器换热降温，吸入真空机组，从机组出来的可燃气、经1号换热器换热升温后送到燃气锅炉燃烧，燃烧后的尾气、经尾气洗涤。权利要求1.<image>imageseeoriginaldocumentpage2</image>2.<image>imageseeoriginaldocumentpage2</image>3.<image>imageseeoriginaldocumentpage2</image>4.<image>imageseeoriginaldocumentpage2</image>5.<image>imageseeoriginaldocumentpage2</image>，0.方便多辆炉车交叉或循环移动，炉罩是采用高强度钢材制成的压力容器，它可以承受几公斤压力或十几公斤压力，密封良好，并在炉罩顶部装有多个自控防爆门和安全阀，局部和密封门有冷却水，内部有炉车轨道，炉罩横截面可以是圆形，方形和任意多边行。该炉炉体和冶炼外罩可以是卧式也可以是斜式和立式，可以加保温材料或水套，也可以不加保温材料或水套，完全由冶炼材料和工艺而定，碳化硅炉体用高强度密封罩密封便于负压、高真空冶炼或高正压冶炼。密封罩上有多个自控防爆门和安全阀确保冶炼安全。冶炼用的能源可以是电能也可以是其它能源如烷类，氢气，一氧化碳，天燃气，油，热管等转换的热能。6.冶炼工艺在冶炼炉变压器的左右建有一台或多台密闭的冶炼炉外罩l，冶炼时把带炉头装好炉料的炉车(炉芯)2，从装炉车间经钢轨被送到密闭的冶炼炉罩1内，关闭冶炼炉罩门，开启负压风机和真空机组10抽气，观察炉罩内仪表压力、当仪表压力达到冶炼负压时，给炉芯供电，炉料反应生成的高温气体，经管道由热交换器换热、降低气体温度和体积后，由风机或真空机组引出，引出的可燃气体经换热器升温后被送到燃气锅炉5燃烧，产出的水蒸汽要么供给汽轮机发电或驱动其它设备(蒸汽射流真空泵)，要么给其他设备供热，也可以把然气除杂后，直接供给内燃发电机发电等。发出的交流电整流后与冶炼变压器整流设备并联全部供给冶炼炉，为了充分利用冶炼变压器，需要两台或多台冶炼炉罩，轮流使用。本设计为一台固定冶炼变压器，两台固定冶炼炉罩，第一台冶炼炉冶炼完毕，变压器转为第二台冶炼炉供电，开启惰性气体储罐阀门给第一台冶炼罩内炉芯充气，并开启热交换器和高温惰性气体循环风机，置换出冶炼炉芯内的余热，热交换器换出的余热被送到发电机发电，热交换完毕后，充第一台冶炼罩内惰性气体压力为大气压力，开启第一台冶炼罩密闭门，解开炉头供电和减温水连接，拉出冶炼完毕的炉芯，送入新的冶炼炉芯连接好供电母排和减温水管道，关闭冶炼炉罩密封门，等待下一次冶炼。拉出的炉芯由轨道送到出炉车间，卸炉后，产品被送到成品库，空炉车被重新装炉后，作为新炉芯运到炉车暂停处、等待下一周期进炉罩冶炼。7.炉体组成有以下部分它是由一个或几个固定的冶炼炉外罩l，可以在轨道上行走的炉车(冶炼炉芯)2，行车轨道3，平移载轨轨道车，供电或其它供能设备4，炉气和炉热回收设备5包括热交换器，燃气设备6包括内燃机、燃气锅炉等，发电机组7包括汽轮机，循环保护气体设备8包括制氮机、热交换器、风机、氮气储罐等，冷却水系统9，引风换热及真空设备IO，尾气洗涤回收达标排放系统ll，原料和成品库等组成。8.专利中提到的惰性气体可以是氮气或氩气等，惰性气体即是换热的介质，也是防止炉罩内可燃气体爆炸的介质，发电机发出的电压略高于冶炼变压器电压，整流加装防逆流二极管后、于冶炼变压器整流直流电压并联，全部送给冶炼炉，或着给其他附属设备供电。停炉后出炉前、密封罩内冲入惰性气体到大气压力，一是为了开启密闭罩门方便，二是用惰性气体填充高温炉芯空间免的空气进入氧化产品降低产品质量。炉车装有多处高温绝缘装置，增大炉体电阻，减少漏电流，炉车在炉罩内采用隧道砖窑车结构，下部有砂封保护，炉车钢结构免受高温辐射降低刚性。全文摘要本发明提供了一种新型碳化硅或其它金属非金属的冶炼提纯炉及其冶炼新工艺，该工艺不仅可以降低电耗三分之一，产品质量提升一个档次而且操作环境非常好环保。非常适合低成本高品质碳化硅、金属或非金属的冶炼和提纯。它是由一台冶炼变压器和几个围绕变压器固定的冶炼炉外罩1，可以在轨道上行走的炉车(冶炼炉芯)2，行车轨道3，供电或其它供能设备4，炉气和炉热回收设备5，然气设备6，发电机组7，循环保护气体设备8，冷却水系统9，鼓引风换热及真空设备10，尾气洗涤回收达标排放系统11，原料和成品库等组成。冶炼时炉车上的炉芯被送入炉罩内真空冶炼，炉气被回收发电，或作它用。文档编号C01B31/36GK101709916SQ20091011723公开日2010年5月19日申请日期2009年2月19日优先权日2009年2月19日发明者姜洪金,姜腾,徐卫申请人:姜洪金;姜腾;徐卫