一种用于还原氮化反应的直热式回转窑的制作方法

本发明涉及一种直热式回转窑，属于高温窑炉技术领域。

背景技术：

回转窑是化工、材料、甚至医药行业重要的加热煅烧设备，应用非常广泛。本发明人提交的中国专利cn103335513b披露了一种直热式回转窑，为一种将电源通过电极直接馈入回转窑内的被加热物料(也即回转窑所处理的物料，以下简称物料)，电流从加热电源经正极流经物料、返回负极再回到加热电源，利用物料的电阻使得物料自身直接发热的电加热回转窑(下称直热式回转窑)。窑膛(紧靠回转管内壁的耐材构成的近似圆柱形的内腔,即回转管内物料所能到达的地方)内的物料一般随着回转管的旋转而旋转和/或翻滚，并且由于回转窑的回转管一般与水平面有一个倾角，物料也会在旋转过程中沿回转管轴向前进，也即回转窑内的物料是螺旋前进的。回转窑窑膛沿回转管轴向方向一般被分为预热段(或升温段)、加热段(或高温段)、降温段(或冷却段)，物料依次经过预热段、加热段、冷却段然后出窑。一般说来，回转窑在制作过程中，处于回转管内部的电极（正极和/或负极，电源可以是交流电，也可以是直流电。是直流电的时候，一个或者一组电极为正极，另外一个或者一组电极为负极；是交流电的时候，无所谓正负极，但为了方便起见本发明中还是以正负极指称）之间的距离已经固定，也就是说正负极之间的距离已经固定，进一步就固定了作为发热电阻的加热段物料的长度。加热段物料的横截面积则会随着窑膛中物料的填充率的增加而增加(回转窑填充率一般定义为回转窑内物料体积与回转窑窑膛体积之比)，提高直热式回转窑的填充率，或者说提高加热段的填充率，就可以提高直热式回转窑的产能(即单位时间的产量)。

一般的非直热式的回转窑，受传热限制的影响，其物料填充率，特别是加热段的填充率很少有大于20%的。而作为直热式回转窑，窑膛内的物料自身直接发热，省却了热量从回转管内壁或者窑膛内气氛传递到物料的过程，可以尽量增加加热段物料填充率，提高回转窑产能，降低单位产品的能耗(因为无论产能大小，只要温度相同，同一回转窑通过回转管向周围环境的散热量基本上是一定的，产能大，则单位产量分摊的这个热损失就小)，当然也提高了生产效率。一般直热式回转窑在运转过程中，填充率都控制在25%以上，最好控制在50%左右，对流动性好、结块不严重的物料，可以控制在70%甚至更高，提高产能至少一倍以上。

虽然发明人研究直热式回转窑的初衷是以更低的能耗更高的效率生产氮化钒或钒氮合金，但是经过近年来的改进和对其它原料和产品的接触，发现不同原料、加热温度、所加工的产品规模、物料电阻率的大小范围对直热式回转窑的结构尺寸提出了更高的要求。比如还原铁粉等大宗产品的大规模工业生产，在直热式回转窑的结构特性上提出了不同的要求。再比如冶金炉料的氮化，如生产氮化锰、氮化锰铁、氮化硅铁、微碳氮化铬铁等等，原料和产品的电阻率都很小。这些产品的生产，如果采用更加节能和自动化程度更高的直热式回转窑设备，就对直热式回转窑提出了适应低电阻率的物料的要求。对于例如用氧化铝生产氮氧化铝，原料和产品的电阻率都比较大，这需要直热式回转窑适应大电阻率物料。过大的电阻率造成加热段物料电阻过大，电流过小，而物料的发热功率等于电压*电流，从而发热功率也过小，不能有效发热，就好比给绝缘体通电一样。过小的电阻率，造成加热段物料电阻过小从而电压过小，同理物料也不能有效发热，就好比给导电性能良好的铜排通电一样。过大的电流或过高的电压也不安全，电源制造的成本也比较高。

特别是生产钒氮合金时，原料初始的电阻率非常大，700℃以上反应一段时间以后，电阻率又逐步变小，反应接近完成的情况下，电阻率接近一般金属材料的电阻率。而且其还原过程中要经过物料料块特别脆弱的阶段，要经过物料料块软化发粘的阶段，而产品标准又限制了小块物料的含量，整个生产过程对窑炉结构、物料填充率、回转窑转速、加热段长度和位置等提出了很高的要求，必须配合窑炉结构、窑型、进出料方式等多种技术手段，才能达到钒氮合金生产工艺和产品的要求。用电安全以及环保日益严格，也对直热式回转窑技术提出了新的要求。

综上所述，直热式回转窑的各种技术参数还需要进一步的优化和调整，以适应不同的原料产品的加工，适应新的安全和环保要求。

技术实现要素：

发明的目的:为了提高直热式回转窑对碳热还原反应、氮化反应、碳热还原氮化反应、氢、氨气、天然气和/或一氧化碳作还原剂的还原反应的不同产品、加热温度、所加工的产品规模、物料电阻率的大小范围、用电安全和环保要求的适应性，进一步提高直热式回转窑的电热效率、提高产量、降低粉尘排放、并减小占地面积、增加窑膛内物料的前进速度(在回转窑转速不变的前提下)，需要对直热式回转窑的各种参数进行统一的调整和优化。

本发明的目的是这样实现的：本发明在总结本发明人之前制造和使用直热式回转窑的经验基础上，对直热式回转窑的窑型结构、加热段结构、回转管倾斜率、窑膛出料口结构等部件或参数进行了系统的调整和优化，并采用直流电源作为加热电源，对电源的电压电流范围设置了多个档位。

本发明的具体技术方案如下：

一种用于还原氮化反应的直热式回转窑，其用作高温碳热还原反应和或/氮化的反应器设备，包括回转管、紧靠回转管内壁的耐材、驱动轮、承重轮、电加热系统、窑头箱和窑尾箱，其特征在于：所述的耐材围成的圆柱形或者棱柱形空腔为窑膛；沿回转管轴向方向，窑膛被依次分为窑膛进料口、预热段、加热段、降温段和窑膛出料口；回转管与水平面的夹角大小在1°~6°之间；组成窑膛壁的耐材为绝缘材料。

所述的窑尾箱在窑膛出料口端与回转管之间转动密封连接；所述的窑头箱在窑膛进料口端与回转管之间转动密封连接。

在窑头箱上设置有进料通道，进料通道自窑头箱上部穿入窑头箱并到达窑膛进料口；进料通道的进口在不加料时封闭并与大气隔绝或者不封闭用作回转窑尾气出口。

在所述的进料通道和/或窑膛出料口设置有料位保持装置；所述的进料通道由上部中间料斗和下部进料料斗组成，所述的进料通道料位保持装置为在中间料斗和进料料斗的连接处设置的料位检测装置，进料通道中的料位下降到该检测装置处，触发报警和/或触发人工或者自动机械上料，或者加快向中间料斗上料的速度；随着回转管的转动，物料从中间料斗进入到进料料斗，再由进料料斗进入窑膛进料口；物料进一步从窑膛进料口进入窑膛的预热段，然后依次经过加热段和降温段，从窑膛出料口掉落窑尾箱暂存并进一步降温或冷却，然后间歇性的从窑尾箱出料；所述的窑膛出料口料位保持装置为在所述的窑膛出料口外紧靠所述的窑膛出料口处设置的挡料板；挡料板覆盖了的出料口的一部分；所述的挡料板为不随回转管转动的板材；挡料板与出料口圆形的圆周相交的两个交点的连线所得的玄的玄高大于5cm；窑膛内的物料经所述的出料口越过所述的挡料板后向窑尾箱中掉落。

在窑尾箱上设置有进气口；在窑头箱上或者进料通道露出窑头箱的部分设置有出气口；窑膛中气体和物料在回转管长度方向上的运动方向相反。从窑尾箱上设置的进气口进入的气体为氨气、氢气、氮气、一氧化碳、天然气中的一种或多种。

所述的电加热系统由加热电源和电极系统组成；其电极系统包含两个或者两组电极，其中一个或者一组为正极，另外一个或者一组为负极，正极和负极之间的窑膛构成所述的加热段，正极和负极固定在窑膛壁上；加热电源为直流电源，其在正极和负极上施加直流电压，通过电极与窑膛内部被加热的物料接触，电流经由正极流经加热段中的物料再到负极，使得物料自身作为电阻发热，以完成对物料的加热。

所述的正极通过正极导电材料与固定在回转管外部的正极导电滑环导电连接，所述的正极导电滑环进一步与不随回转管转动的正极电刷导电连接，所述的正极电刷进一步与加热电源的正极导电连接；所述的负极通过负极导电材料与固定在回转管外部的负极导电滑环导电连接，所述的负极导电滑环进一步与不随回转管转动的负极电刷导电连接，所述的负极电刷进一步与加热电源的负极导电连接。

所述的正极导电滑环和负极导电滑环外套在所述的回转管圆柱面外并固定在回转管上，所述的正极导电材料和负极导电材料沿回转管的径向方向穿过耐材和回转管，到达回转管圆柱面外面，并分别与所述的正极导电滑环和负极导电滑环导电连接。

所述的加热段长度与该段窑膛平均直径之比在5~30之间。

有部分所述的耐材和/或电极的材料块，相邻两块之间、和/或同一块材料块的一部分与另外一部分之间在面向回转管中心方向上凸起有1cm以上的高度。

进一步的是，在窑膛出料口和窑尾箱物料暂存处之间物料通过的路径上设有筛孔管和/或筛板，或者在窑膛出料口和所述的挡料板之间设置有筛孔管和/或在挡料板和窑尾箱物料暂存处之间物料通过的路径设置有筛板。

所述的筛孔管的两端管口为筛孔管进料口和出料口；筛孔管管壁上分布有孔径相同的筛孔，筛孔等效直径(筛孔可能不是圆形的)5~30mm；出窑膛出料口的物料经过筛孔管时，粒度大于筛孔的大块物料从筛孔管出料口掉落到窑尾箱中，粒度小于筛孔的小块物料从筛孔掉落到窑尾箱。

所述的筛板倾斜设置在物料掉落到窑尾箱的路径上；筛板上分布有大小相同的筛孔，筛孔的等效直径(筛孔可能不是圆形的)在5~30mm之间；在物料下落过程中将物料分为粒度较大的大块物料和粒度较小的小块物料两部份。

窑尾箱中设置隔板，将不同粒度的物料隔开；窑尾箱相应的设置两个以上的出料口，分别用于不同粒度的物料的出料。通过筛孔管和筛板的配合使用，可以将产品分成三个以上的粒度。单是筛孔管，用不同筛孔孔径的筛孔管串联，就可以把产品分成三个以上的粒度。窑尾箱相应的设置两个以上的出料口，分别用于不同粒度的物料的出料。

进一步的是，所述的正极导电材料和负极导电材料沿回转管的径向方向穿过耐材和回转管，到达回转管圆柱面外面，其采用以下方法中的一种或者两种降温:

方法1，其露出回转管外部分用水喷淋或者强制风冷冷却;

方法2，将固定在窑膛壁上的所述的正极和/或负极在回转管轴向上的宽度做到30cm以上，所述的正极导电材料和/或负极导电材料分别在远离窑膛加热段的正极和/或负极端与正极和/或负极导电连接。

进一步的是，所述的加热电源为可调直流电源，其最大输出电压为umax伏特，最大输出电流为imax安培；有电压值u1在0~umax伏特之间，有电流值i1在0~imax安培之间；所述的直热式回转窑在工作时，加热电源在保持装机功率不变的前提下，其输出可在两档电压电流范围之间切换；两档电压电流范围分别为高电压低电流档和低电压大电流档；在高电压低电流档时，输出电压可调范围为0~umax伏特，输出电流可调范围在为0~i1安培；在低电压大电流档时，输出电压可调范围为0~u1伏特，输出电流可调范围为0~imax安培。

进一步的是，在窑膛加热段有一根以上的热电偶，其沿回转管径向方向穿过回转管并插入耐材中或者穿过耐材，并靠近窑膛壁；热电偶测得的温度数据模拟量被固定在回转管圆柱面外表面上的温度变送器进行模数变换后无线传送到所述的加热电源的控制柜，用于温度的显示和对加热电源输出电流、电压和/或功率的控制。

进一步的是，所述的加热电源为可调直流电源，当升温到反应温度处于稳态运行时，所述的加热电源的输出电压在40~200v之间，输出电流在3000~20000a之间。通过前述的技术方案提高加热段物料的填充率，并合理设置加热段长径比之后，加热电源电压大幅降低，提高了用电的安全性。

进一步的是，所述的用于碳热还原反应的直热式回转窑用于高温碳热还原反应和/或高温氮化反应，所述的反应至少包括以下反应过程：

r1.氧化钒与碳质还原剂在高温和氮气气氛下碳热还原氮化生产钒氮合金。反应最高温度在1500℃左右。

r2.氧化钒、铁和/或氧化铁、碳质还原剂在高温和氮气气氛下碳热还原氮化生产氮化钒铁。氮化钒铁的制备当前一般采用钒铁自蔓延燃烧的方式制备，设备批量小，钒铁原料本身成本就比较高。反应最高温度在1500℃左右。

r3.氧化铁和/或铁矿和碳质还原剂和/或氢气在高温和隔绝空气的情况下碳热还原生产还原铁、海绵铁或铁碳化合物或混合物。近年来因为环保限制，海绵铁生产有采用电加热的趋势。反应最高温度在1250℃左右。

r4：氧化铬和碳质还原剂在高温和氮气气氛下碳热还原氮化生产氮化铬。反应最高温度在1500℃左右。氮化铬的主流方法是采用三氧化二铬与碳粉压块，然后在电弧炉中用电弧加热反应，工艺非常不稳定，反应不均匀，需要经过两次反应。第一次反应后，降温，把料块磨碎，混合均匀，再加热进行第二次反应。采用本发明的直热式回转窑只进行一次加热反应，优势明显。

r5：高碳铬铁和氧化铬和/或氧化铁在高温和氮气气氛下碳热还原生产微碳氮化铬铁。反应最高温度在1500℃左右。该反应的碳质还原剂就是高碳铬铁里面的碳。目前该过程主要在真空炉内进行。只能间歇生产，一个周期需要大约一个星期。电耗高、生产效率低。因为真空炉降温的时候整个窑都需要水喷淋，生产环境也非常差、安全性也不好。

所述的直热式回转窑用作以上所述的反应的反应器时，所述的加热电源为可调直流电源，当升温到反应温度后，处于稳态运行时，其输出电压在40~200v之间，输出电流在3000~20000a之间。

与现有技术相比，采用本发明具有如下的优点：

1)通过使用向窑膛凸出的耐材和/或电极材料、以及始终保持进料料斗里面比较高的料位和/或者在窑膛出料口设置挡料板，提高了直热式回转窑窑膛中物料的料位和填充率，特别是提高了加热段的物料填充率，将物料填充率提高到了接近50%。用于生产钒氮合金时，直热式回转窑日产量在原有优化的基础上再次提高30%，吨产品耗电量降低。

2)通过选择合适的加热段长径比范围和提高物料填充率，将加热电源电压控制到一个比较安全的范围。生产钒氮合金时，加热段窑膛长径比不同的直热式回转窑加热电源最高电压在110~300v之间，达到稳态运行时，其加热电源电压在40~200v之间。用电安全性提高。同时也使得加热电流不至于太大，日产量4吨钒氮合金的情况下，加热电流可以控制在7000a以内。

3)用于生产钒氮合金等料块大小在几厘米范围的产品时，由于物料料块往往不是圆形，料堆流动性很差。物料沿回转窑长度方向运动的速度并不能随长径比的增加成比例增加，过大的长径比也使得加热段反应器空速降低，吨产品电耗增加。通过选择合适的窑膛的长径比，结合窑膛内物料填充率的提高，使得物料不至于在窑膛内停留过长的时间，反应器空速提高、产量增加、吨产品电耗降低。还可以使得回转窑转速降低，产品中碎料和粉料减少。

4)通过在窑膛出料口处设置筛孔管，对产品进行粒度分级，大粒度和小粒度的产品分开出料。避免了产品出窑后的粒度分选工艺，避免了窑外分选工序可能产生的粉尘。成本低、环境污染小。还可以在产品经窑膛出料口挡料板下落到窑尾箱暂存的路径上设置筛板，进一步将产品进行粒度分级。较小块但粒度又合格的产品，可以方便包装时调节单个包装的重量。

采用本发明的技术方案进行所述的碳热还原反应，生产稳定可靠，提高了所述的碳热还原反应的产量、环保、高效、节能、自动化程度高，生产成本和劳动强度降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是实施例1直热式回转窑示意图图。

图2是实施例1直热式回转窑的回转管由出料端到进料端方向的正视图示意图，左上部分局部剖视。

图3是实施例2直热式回转窑降温段到窑尾箱的剖视示意图图。

图4是实施例2直热式回转窑电极、导电滑环到电刷的导电连接示意图。

图5是实施例2直热式回转窑窑头箱和进料部分的示意图。

具体实施方式

实施例1

图1和图2为实施例1的示意图。如图1所示，所述的直热式回转窑，其用作金属氧化物等原料碳热还原和/或氮化反应的反应器，包括窑头箱1、窑头箱尾气出口16、驱动轮2、承重轮3、一组两个正极导电材料10、一组两个正极14、正极导电滑环4、回转管5、耐材6、一组两个负极导电材料11、一组两个负极15、负极导电滑环7、6支k分度热电偶12、窑尾箱与回转管之间的转动密封连接8、窑尾箱9和窑尾箱上的进气口13。耐材6同时起到耐火、保温和绝缘的作用。耐材6围成的一个近似圆形、与回转管接近等长的内腔称为窑膛17。窑膛17按照物料经过的先后顺序，依次分为窑膛进料口171、预热段172、加热段173、降温段174、窑膛出料口175。其余细节未示出。

如图2所示，直热式回转窑的耐材6由高低两个规格的耐材602和601组成。在回转管径向方向上，耐材602比601更加突出于窑膛内，突出高度为4cm，形成炒料槽。在回转窑转动时，其可以防止物料在窑膛壁上滑动，抬高物料的料位。在窑膛出料口处设置一块挡料板19，或者在窑膛出料口处连接一段筛孔管25、在筛孔管的出料口处设置一块挡料板19。由图2中还可以看到，环状的负极15比周围的耐材601和602在面向回转管中心轴的方向上都高。

在窑膛内突出的耐材602、电极15以及物料出口处的挡料板19一起，使得窑膛内加热段物料填充率接近50%。再加上在进料通道上设置的料位观察或者检测装置，能够在直热式回转窑运行期间容易保持比较高的窑膛进料口料位高度。填充率提高，提高了窑膛的利用率，在物料在加热段停留时间保持不变的情况下，直热式回转窑产量随加热段填充率的提高成比例增加。

采用本发明的直热式回转窑生产钒氮合金，加热段长径比为10左右时，产品中粒度小于10mm的细料占3%左右；加热段长径比为20时，产品中粒度小于10mm的细料占8%左右，并且单位加热段长度的产能有所下降。用本发明所述的直热式回转窑生产钒氮合金，回转管长度17m的直热式回转窑，加热电压约70v，加热电流约5000a，日产钒氮合金可达4吨以上，而同样产能的推板窑，长度为46m。与cn103335513b所述的直热式回转窑相比，窑膛内物料填充率从20%左右提高到接近50%，日产量提高80%，吨产品电耗下降40%，回转管转速下降20%，出窑物料中钒氮合金的细碎料减少50%。加热电源的电压降低20%。由于加热电源电压降低，对连接窑膛内壁上的正负电极和回转管外部的导电滑环部分的导电材料喷淋冷却时，用电安全性提高。

实施例2

图3、图4和图5为实施例2的示意图。图3中显示出窑膛17的加热段173、降温段174和窑膛出料口175，负极15、穿过耐材6和回转管5的负极导电材料11、窑尾箱与回转管之间的转动密封连接8、窑尾箱9、连接到窑膛出料口175上的筛孔管25、覆盖在筛孔管上的挡料板19。挡料板19不随回转管5转动，与实施例1中的窑膛出料口175或者本实施例中的筛孔管出料口滑动摩擦接触。窑尾箱9中有隔板20和筛板21。

图4示出了环状负极15、负极导电材料11、负极导电滑环7和负极电刷26之间的导电连接。环状负极15上连接有三根负极导电材料11。环状的喷淋管30对负极导电材料11进行喷淋冷却，挡水板32将喷淋水约束到接水槽31然后进一步回流。

图5示出了直热式回转窑的窑尾箱和进料部分。窑尾箱1上设置有进料通道27，其由中间料斗271、进料料斗272和其出料口273组成。中间料斗271顶端设置有翻板阀29，在没有物料通过时，翻板阀29关闭，使得中间料斗与大气隔开。图示预热段172示出了耐材6由靠近回转管内壁的保温砖603和靠近炉膛的耐火砖604组成。耐火砖604有高低两个规格的砖，在炉膛内形成炒料槽。这也是往往说炉膛为近似圆柱空腔的原因，因为炉膛壁有耐材凸起。图中也示出了回转管5与窑头箱1之间的转动密封连接。

中间料斗271与进料料斗272之间设置有翻板阀和料位检测装置28，此处有物料时，翻板阀28打开，物料可以持续通过。此处没有物料时，翻板阀28关闭，触发料位报警，并触发人工或者自动上料，或者加快连续上料的上料速度。

随着回转窑的转动，进料料斗中的物料从其出料口273进入到窑膛进料口171,然后进入窑膛预热段172。

所述的直热式回转窑用于生产钒氮合金、氮化钒铁、微碳氮化铬铁等产品时，由于炼钢工艺对炉料粒度大小有要求，一般这些产品中粒度小于10mm的部分的比例受到限制。比如用于生产钒氮合金时，钒氮合金国家标准gb/t20567-2006中规定“产品中小于10mm粒级应不大于总量的5%”。钒氮合金的生产过程中，碳热还原反应的物料料块会经过一个放出一氧化碳后密度变小的阶段，料块强度低容易碎。另外在回转窑转动过程中，物料料块的边角也会产生磨损。因此生产过程中产生3~5%的细碎料或粉料。采用本发明的直热式回转窑设备，可以将筛孔管25的筛孔直径设置为比如10mm或12mm，将筛板的筛孔直径设置为20mm。这样将物料分为三个粒度等级。粒度小于10mm的细碎产品从窑尾箱上的出料口22间歇放出，返回原料压球成型工序；粒度在10~20mm之间的产品从出料口23放出，用于包装时精确称量添加；粒度大于20mm的产品从出料口24放出，去包装。

作为对比的推板窑工艺，钒氮合金产品出窑时装在石墨坩埚中并结成一整块，需要取出、打散(破碎或者打散时，会产生可能比较大量的粒度小于10mm的碎料)、粒度分选，然后才能包装。劳动强度大，产生粉尘、生产成本高。