一种多功能熔盐系统

技术领域

本发明涉及高纯熔盐制备技术领域，具体涉及一种多功能熔盐系统。

背景技术

许多金属或合金（如碱金属、碱土金属、稀土金属及其合金等）在熔化或者进一步合金化过程中，很容易发生高温氧化烧损，甚至发生剧烈爆炸。例如，在制备含稀土的合金时，由于稀土元素高温活性很强，在高温冶炼过程中很容易与环境大气发生反应，导致昂贵的稀土金属的损失。又例如，镁合金在高温熔化或制备过程中很容易由于剧烈的高温氧化短时间放出大量的热，从而引起剧烈燃烧甚至爆炸。除此之外，许多熔盐中由于含有易水解的物质，在高温与环境气体接触时会造成严重的水解，大大影响了其物理化学性质。比如，电解制备金属镁过程中常用到KCl-NaCl-MgCl

（1）真空保护。将装有易氧化金属（或合金）或易水解熔盐的容器抽真空，使其中的含氧气体含量降至一定水平后进行加热操作，通过降低物料与空气的接触机会从而降低氧化或水解的发生几率。例如，孙天生等人提出了一种保护含无水氯化镁熔体的真空抬包系统（详见文献：孙天生, 阎守义. 真空法排放氯化镁在海绵钛生产上的应用, 轻金属,2017 （3））。该系统包括保温真空抬包、吊钩秤、真空管道、三向阀、金属软管和抽真空泵，氯化物熔盐采用抽真空法排出抬包，大大降低了高温氯化物熔盐的水解。然而，该方法操作过程繁琐，且对密封性要求比较高，大大增加了生产成本。

（2）惰性气体保护。在盛放高温易氧化金属（或合金）或易水解熔盐的容器中通入惰性气体，使惰性气体充斥在物料表面，从而降低了环境大气与物料接触的几率。例如，在金属镁冶炼过程中，向容器中通入大量的SF

（3）熔剂覆盖保护。熔剂覆盖保护是将固态盐类混合物覆盖在被保护金属（或合金）或氯化物熔体表面，减小其与空气的接触面积，达到高温保护的目的。例如，发明专利CN1162562C所述，将含有NaCl、KCl、（La, Ce）F

发展多功能熔盐炉以解决高温熔炼过程中存在的氧化和水解问题，对于镁金属及合金生产及加快高纯熔盐进一步应用都具有深远的意义。目前，该方面的研究存在以下问题：

（1）功能单一，无法多场合应用。由于熔盐高温水解和金属（或合金）高温氧化机制不同，因而设备的专有化很强，无法实现通用。例如，重庆大学自主研发的镁合金熔炼炉，可以实现镁合金熔炼过程中的即时保护，但是对于高温熔盐体系，从炉子结构而言，无法有效避免熔盐的高温水解。

（2）过程安全性差，容易引发重大事故。易氧化金属或合金在高温加热过程中很容易发生剧烈氧化，在短时间内生成大量的热，进而引发燃烧或爆炸。而保护性气体、惰性气体或真空技术的只能减缓高温氧化速率，并不能有效地隔绝金属或合金与空气的接触，仍存在较大的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足而提供一种多功能熔盐系统，实现了易氧化金属或合金在熔盐介质中的熔化和合金化（对掺合金化或熔盐原位合金化），大大减弱了氧化烧损。此外，本发明大大减小了熔盐制备过程的水解，实现了高纯熔盐的制备。

为解决上述技术问题，本发明的内容包括：

一种多功能熔盐系统，包括预热除杂单元、进料保护单元和熔盐加热/反应单元；所述熔盐加热/反应单元包括熔盐炉以及设置在熔盐炉中的下部加热组件；所述熔盐炉的内腔分为下部的液态熔盐区和上部的保护气氛区，所述下部加热组件位于液态熔盐区的底部；所述下部加热组件用于将固态熔盐加热成液态熔盐并对加入到液态熔盐中的物料进行加热；所述预热除杂单元包括竖直插设在熔盐炉中的物料输送管、设置在物料输送管中的搅拌杆、设置在物料输送管外端外部的上部加热组件以及设置在物料输送管顶部的加料口，所述物料输送管的底端位于液态熔盐区中；所述进料保护单元包括设置在液态熔盐区中且位于物料输送管下方的熔盐支撑件以及设置在搅拌杆下端的螺旋加料器；所述物料输送管的下管口与熔盐支撑件的进料口相连，并且螺旋加料器的底部与液态熔盐的表面留有间隔；所述螺旋加料器用于防止大部分物料直接落入液态熔盐中，并通过控制其推进速度实现物料下行速度的控制；通过上部加热组件和液态熔盐区中的高温熔盐共同对物料输送管中的物料进行加热，当温度较低的物料与高温熔盐接触时，通过控制熔盐温度及低温物料的加入量，使得熔盐表面由于放热凝固而结壳，从而支撑住上部的固体物料，使得物料在物料输送管中堆积，实现物料的预热和部分杂质的脱除。

进一步的，所述物料输送管的高度和直径之比为0.5-35.0。

进一步的，所述物料输送管的上端通过排气连接件设置有横向的排气管道。

进一步的，所述物料输送管的内径与螺旋加料器的叶片直径之差为0.5-5.0mm。

进一步的，所述熔盐炉的顶部设置有用于对熔盐炉内部温度和熔盐液位分别进行测量的热电偶和液位测量器。

进一步的，所述熔盐炉的顶部设置有用于向熔盐炉中加入和补充固体熔盐并定时加入氯化铵以保证熔盐炉上方的保护性气氛的补料口。

进一步的，所述熔盐炉的侧壁上且位于液态熔盐液面以下的位置设置有出料口，熔盐炉的底部设置有出渣口。

进一步的，所述熔盐支撑件的侧面中间位置设置有溢流孔。

进一步的，所述搅拌杆和螺旋加料器的材质采用刚玉、碳化硅、Inconel 625、陶瓷中任意一种或任意两种组合。

本发明的有益效果是：

本发明通过控制物料加热温度和下行速度，固体物料在预热除杂单元可以实现预热及部分杂质的脱除；通过控制螺旋加料器的推进速度，固体物料在进料保护单元可以实现“浸入”式熔化，大大降低了熔化过程中的氧化或水解；通过熔盐加热/反应单元的液态熔盐保护实现物料的熔化或合金化。利用本发明的多功能熔盐炉可以实现易氧化烧损金属或合金的保护性熔化、合金化（对掺合金化或熔盐原位合金化）及高纯度易水解熔盐的制备。本发明对于易氧化金属或合金生产及高纯熔盐进一步应用都具有深远的意义。

与现有装置相比，本发明的优点在于：（1）多功能，可实现多场合应用：可以实现易氧化金属或合金的熔化、合金化（对掺合金化或熔盐原位合金化）及高纯度易水解熔盐的制备，大大减小了加热过程中的氧化烧损和水解；（2）全程保护，过程安全：炉体具有特殊的结构，可以保证加入物料以一定方式堆积，通过调控加热温度、物料熔化速度和保护气体逸出速度（熔盐挥发的蒸气及氯化铵分解释放的气体），可以实现加热过程的全程保护；另外，熔盐是一种很好的阻燃剂，可以保证加热过程中的安全性。

附图说明

图1为本发明多功能熔盐炉的组成示意图。

图中：1-上部加热组件、2-物料输送管、3-排气连接件、4-排气管道、5-加料口、6-搅拌杆、7-螺旋加料器、8-熔盐支撑件、9-溢流孔、10-熔盐炉、11-下部加热组件、12-热电偶、13-液位测量器、14-补料口、15-出料口、16-出渣口。

具体实施方式

为便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

如图1所示，本发明提供了一种多功能熔盐系统，包括预热除杂单元、进料保护单元和熔盐加热/反应单元；熔盐加热/反应单元包括熔盐炉10以及设置在熔盐炉10中的下部加热组件11；熔盐炉10的内腔分为下部的液态熔盐区和上部的保护气氛区，下部加热组件11位于液态熔盐区的底部；下部加热组件11用于将固态熔盐加热成液态熔盐并对加入到液态熔盐中的物料进行加热；预热除杂单元包括竖直插设在熔盐炉10中的物料输送管2、设置在物料输送管2中的搅拌杆6、设置在物料输送管2外端外部的上部加热组件1以及设置在物料输送管2顶部的加料口5，物料输送管2的底端位于液态熔盐区中；进料保护单元包括设置在液态熔盐区中且位于物料输送管2下方的熔盐支撑件8以及设置在搅拌杆6下端的螺旋加料器7；熔盐支撑件8的侧面中间位置设置有溢流孔9。物料输送管2的下管口与熔盐支撑件8的进料口相连，并且螺旋加料器7的底部与液态熔盐的表面留有间隔；螺旋加料器7用于防止大部分物料直接落入液态熔盐中，并通过控制其推进速度实现物料下行速度的控制；通过上部加热组件1和液态熔盐区中的高温熔盐共同对物料输送管2中的物料进行加热，当温度较低的物料与高温熔盐接触时，通过控制熔盐温度及低温物料的加入量，使得熔盐表面由于放热凝固而结壳，从而支撑住上部的固体物料，使得物料在物料输送管2中堆积，实现物料的预热和部分杂质的脱除。

物料输送管2的高度和直径之比为0.5-35.0，优选为1.5-30.0，进一步优选为2.5-25.0。

物料输送管2的上端通过排气连接件3设置有横向的排气管道4。

物料输送管2的顶部设置有搅拌电机，搅拌杆6的顶部与搅拌电机的输出轴相连；螺旋加料器7设置在物料输送管2与熔盐炉10的顶部相连的位置。螺旋加料器7起到定量推进物料、减小金属或合金与空气接触面积、搅拌混匀及调控保护气体逸出速度的作用。搅拌杆6和螺旋加料器7的材质采用刚玉、碳化硅、Inconel 625、陶瓷中任意一种或任意两种组合。

物料输送管2的内径与螺旋加料器7的叶片直径之差为0.5-5.0mm，可防止大部分物料直接落入液态熔盐中，而在管内部堆积；物料加热温度由物料输送管2外端外部的上部加热组件1及底部熔盐温度共同控制；加入的低温物料在与高温熔盐接触时，通过控制熔盐温度及低温物料的加入量，可使得熔盐表面由于放热凝固而结壳，支撑了上部的固体物料，使得物料在管内堆积。因此，通过底部熔盐温度以控制物料熔化速度，并通过螺旋加料器7的推进速度实现物料下行速度的控制。

熔盐炉10采用内部电极加热、加热组件外部加热、燃气外部加热中的任意一种或任意两种的组合。预热除杂单元的加热温度为300-650℃，优选为350-600℃，进一步优选为380-580℃；熔盐加热/反应单元中的熔盐液位高度与熔盐炉10的高度之比为0.10-0.95，优选为0.20-0.90，进一步优选为0.30-0.80。

熔盐炉10的顶部设置有用于对熔盐炉内部温度和熔盐液位分别进行测量的热电偶12和液位测量器13。熔盐炉10的顶部设置有用于向熔盐炉10中加入和补充固体熔盐并定时加入氯化铵以保证熔盐炉10上方的保护性气氛的补料口14。在物料下行过程中，通过向补料口14中定时加入氯化铵，实现整个系统内气体分压保持在1.00-1.50个大气压。熔盐炉10的侧壁上且位于液态熔盐液面以下的位置设置有出料口15，熔盐炉10的底部设置有出渣口16。

熔盐加热/反应单元用于提供保护物料熔化或合金化的液态熔盐、在液态熔盐中实现易氧化烧损金属或合金的保护性熔化、合金化（对掺合金化或熔盐原位合金化）及高纯度易水解熔盐的制备，同时提供对物料加热过程中物料周围气氛的保护；预热除杂单元用于通过控制物料的加热温度和下行速度，对进入到熔盐加热/反应单元中的物料进行预热和除杂；进料保护单元用于将预热除杂单元中的物料定量的推送到熔盐加热/反应单元中的液态熔盐中。

本发明多功能熔盐炉各部分功能及实施过程如下：

（a1）预热除杂单元：将物料（熔盐、金属或合金）由加料口5加入物料输送管2后，在物料输送管2形成一定形状的堆积；利用上部加热组件1控制物料的预热温度，同时利用物料在物料输送管2内的堆积方式以及排气连接件3和排气管道3的开关程度实现物料内部气氛（包括氯化铵气体、氯化铵分解释放的氨气和氯化氢、熔盐蒸气）的有效控制；物料中的部分杂质在一定条件下可与周围气体发生选择性反应，生成易挥发物质而逸出，从而实现了物料的预热和除杂。

（a2）进料保护单元：将预热除杂后的物料通过搅拌杆6和螺旋加料器7的推进，在液态熔盐中逐渐熔化。其中，熔盐支撑件8、溢流孔9布置在液态熔盐下方，可以保证在物料熔化的过程中有效地隔绝空气，减小高温氧化或水解。

进料保护单元通过以上部件的协同作用，可以实现如下功能：①. 防止物料结块：高温下固态物料很容易发生烧结，从而导致无法顺畅下料。利用螺旋搅拌可以持续破坏物料已经形成的烧结结构，保证物料能够顺行；②. 定量进料：通过控制搅拌器旋转速度，进而控制螺旋加料器7的推进速度，可以定量控制进入液态熔盐中的固体物料，可有效解决进料速度和物料熔化速度不匹配的问题；③. 气氛保护：控制螺旋加料器7的形状、大小及推进物料的速度，可以实现物料熔化前周围气氛的控制；④. 物料熔化过程保护：物料熔化过程在液态熔盐下部进行，有效地隔绝了其与空气中含氧气体的接触，大大减小了氧化和水解发生的几率；另外，螺旋加料器7还可以将密度较小的金属或合金压入熔盐下部，避免在加热过程中的上浮引起的严重氧化；⑤. 合金均匀化：螺旋加料器7可以在对掺合金化过程中对合金液进行搅拌，实现合金液成分的均匀分布。

（a3）熔盐加热/反应单元：采用下部加热组件11将熔盐加热成液态，随着加热的进行，从补料口14加入熔盐固体料以补充高温熔盐挥发的损失或定时加入氯化铵以保证熔盐炉上方的保护性气氛；利用热电偶12和液位测量器13对熔盐炉内部温度和熔盐液位进行连续测试并显示，以便于连续化生产；产品通过出料口15排出，沉淀于熔盐底部的渣通过出渣口16排出。

熔盐加热/反应单元可以实现如下功能：①. 均匀加热：熔盐可以直接和物料接触，传热效率高且加热均匀；②. 易氧化金属或合金熔化：液态熔盐可以很好地隔绝物料与空气的接触，避免高温加热过程中的严重氧化烧损；将易氧化金属或合金置于熔盐中进行加热熔化，大大减小了高温氧化烧损；③. 可实现合金化过程：将多种金属置于熔盐下部并进行混匀，可以大大减小了对掺法合金化过程中的氧化烧损；除此之外，还可以利用金属和熔盐中部分组分反应，从而实现了熔盐环境中的原位合金化；④. 高纯易水解熔盐制备：通过控制加热/反应区的气氛，可以有效地控制高温易水解熔盐的水解，并保证了水解产物有足够时间进行沉淀，进一步提高了熔盐的纯度。

本发明多功能熔盐炉作为整体使用时操作如下：

（b1）底部熔盐制备：

利用下部加热组件11对加入的固体熔盐进行加热熔化，通过热电偶12和液位测量器13对熔盐状态进行持续监控；通过补料口14定时加入一些氯化铵，并调整螺旋加料器7的位置，以调节液态熔盐上方的气氛组成和各组分分压，保证底部熔盐高温不发生水解。

（b2）金属或合金熔化过程/对掺合金化过程：

将金属或合金从上部的加料口5加入，当金属或合金在物料输送管2中堆积时，通过控制从补料口2加入的氯化铵的量、螺旋加料器7推进速度、物料堆积状态和加热温度，实现金属或合金的预热和除杂（包括合金表面或内部吸附气体和金属杂质等）。利用物料周围的气氛（包括氨气、氯化氢、氯化铵）实现对物料加热过程的保护，减小加热过程的水解。

在物料下行过程中，利用螺旋加料器7将固体金属或合金压入熔盐中，使得整个熔化过程在熔盐中进行，避免物料上浮造成的严重氧化烧损。在对掺合金化过程中，螺旋加料器7可以对合金液进行搅拌，保证合金液成分均匀。产品和沉渣分别从出料口15和排渣口16排出，实现了连续化操作。

（b3）原位合金化过程：

将金属或合金及反应物熔盐从上部的加料口5加入，当物料在物料输送管2中堆积时，通过控制从补料口14加入的氯化铵的量、螺旋加料器7推进速度、物料堆积状态和加热温度，实现物料的预热和除杂，并利用物料周围的气氛（包括氨气、氯化氢、氯化铵）实现对物料加热过程的保护。

在物料下行过程中，利用螺旋加料器7将固体金属或合金压入熔盐中，使得整个熔化过程在熔盐中进行，避免物料上浮造成的严重氧化烧损。熔化后的金属或合金与熔化的反应物熔盐进行原位反应，并利用螺旋加料器7对合金液进行搅拌，制备得到所需合金液。产品和沉渣分别从出料口15和排渣口16排出，实现了连续化操作。

（b4）高纯熔盐制备过程：

将熔盐从上部的加料口5加入，当物料在物料输送管2中堆积时，通过控制从补料口14加入的氯化铵的量、螺旋加料器7推进速度、物料堆积状态和加热温度，实现物料的预热、除杂和水解产物转化，并利用物料周围的气氛（包括氨气、氯化氢、氯化铵）实现对物料加热过程的保护。

在物料下行过程中，通过调控螺旋加料器7的推进速度将实现熔盐进料和熔化速度的匹配，使得易水解熔盐尽快得到液态熔盐保护。产品和沉渣分别从出料口15和排渣口16排出，实现了连续化操作。

尽管本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺参数和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺参数和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺参数和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。