一種具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鈦生產(chǎn)中的應用
【專利摘要】本發(fā)明公開一種具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鈦生產(chǎn)中的應用。該換熱器能夠?qū)㈡V熱還原反應產(chǎn)生的聚集在液鎂中心區(qū)域的熱量迅速排出，從而四氯化鈦加料量得以成倍放大；同時，該換熱器的表面惰性包覆層始終保持凝固狀態(tài)從而阻隔了鈦晶在換熱器金屬表面上的結(jié)晶、沉積和附著，避免了鈦坨和管式換熱器金屬表面的粘結(jié)；還原結(jié)束，包覆層熔化脫落，在鈦坨軸心位置形成空洞，從而使得海綿鈦蒸餾周期縮短一半以上。本發(fā)明將使海綿鈦生產(chǎn)效率成倍提高，電耗成本大幅度下降，也為爐型的更大型化創(chuàng)造了先決條件。
【專利說明】
-種具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中的應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及稀有金屬冶金技術領域，特別設及儀熱還原法生產(chǎn)鐵、錯、給、饑、銘等 其他金屬及其金屬的合金工藝技術。
【背景技術】
[0002] 本發(fā)明適用于所有金屬面化物金屬熱還原法生產(chǎn)，比如：四氯化鐵儀熱還原法生 產(chǎn)海綿鐵、四氯化錯儀熱還原法生產(chǎn)海綿錯等。為便于說明和理解，本發(fā)明W海綿鐵生產(chǎn)為 特例進行具體分析和說明。
[0003] 儀熱還原法是目前海綿鐵生產(chǎn)的主要方法，其生產(chǎn)過程主要包括四氯化鐵儀熱還 原過程和真空蒸饋分離過程。
[0004] 眾所周知，儀熱法海綿鐵生產(chǎn)周期長、能耗高、單爐產(chǎn)量低廢品率高等問題一直是 業(yè)內(nèi)人±所面臨的急待解決的問題。究其原因：在還原過程中釋放出的大量熱量，在現(xiàn)有技 術僅僅是采用空氣自然對流換熱方式或強制通風對流換熱方式對反應器反應帶附近的器 璧進行吹風散熱，而對于集聚在液態(tài)金屬儀中屯、區(qū)域的熱量排除還沒有很好的解決辦法， 目前只能通過限制了四氯化鐵的加料量控制反應器溫度，致使儀熱還原反應周期長達數(shù)天 之久，生產(chǎn)效率低下；同時由于液態(tài)金屬儀液面中屯、區(qū)域熱量的聚集，造成部分金屬儀汽 化，運些汽化的金屬儀和四氯化鐵氣體反應生成游離鐵粉和鐵的低價氯化物;高溫還會造 成鐵晶燒結(jié)，形成鐵巧硬忍;而在真空蒸饋過程中，殘留在海綿鐵混合體中的氯化儀和金屬 儀需要在高溫高真空條件下經(jīng)過汽化、擴散、逸出=個環(huán)節(jié)被去除，特別是殘留在鐵巧中屯、 區(qū)域的氯化儀和金屬儀的汽化、擴散、逸出需要穿過相當于鐵巧半徑距離的致密海綿鐵聚 集體才能夠得W去除，運也是真空蒸饋時間漫長的主要原因，也使得海綿鐵電耗成本居高 不下，成為高能耗產(chǎn)品。對于鐵巧硬忍中殘留的氯化儀和金屬儀即使在高溫高真空下也難 W去除掉，只好將此部分硬忍鐵作為廢品處理。尤其是隨著反應器爐型的增大，上述問題越 加突出。
[0005] 針對上述問題，也有許多相關專利技術進行了研究，但是至今也沒有哪一種技術 能夠應用于生產(chǎn)實踐。下面就其中存在的問題分析如下： 專利化200710011744.3"儀法海綿鐵生產(chǎn)反應器內(nèi)部熱交換的裝置"，該專利使用風冷 介質(zhì)(壓縮空氣或氣氣）的熱交換器排出反應器內(nèi)部的熱量。首先是氣體冷卻介質(zhì)導熱系數(shù) 太小、密度低、體積比熱小，受套管換熱器導熱面積的限制難W達到預期效果;其次，該換熱 器只進入到反應器內(nèi)部液體儀W上氣體空間，不能散除聚集在液態(tài)金屬儀中屯、區(qū)域的熱 量，散熱效果有限，仍不能根本解決問題，運一點在專利化200810068707.0的第5頁第2行中 也有介紹。
[0006] 專利化200810068707.0"海綿鐵生產(chǎn)還原過程的散熱及鐵巧成孔裝置"，該專利采 用筒體式換熱裝置，并將筒體插入儀液面W下，通過如下四種方式進行熱交換：I中屯、換熱 管自然對流進行冷卻；n在筒式換熱器內(nèi)插入壓縮空氣管進行冷卻；m和IV為在筒式換熱 器內(nèi)部的導熱管內(nèi)通入循環(huán)水、冷凍鹽水或冷凍氣體等進行換熱（導熱管與筒式換熱器之 間通過空氣進行熱傳導）。該專利的運幾種換熱方式實質(zhì)上也屬于氣體換熱或氣體傳導換 熱，從熱量散除角度分析和計算，該專利難W有效地把還原反應產(chǎn)生的并聚集在中屯、區(qū)域 的部分熱量及時排出。此外，該專利的另一個目的是通過套筒的占位使鐵巧軸屯、成孔，但是 卻沒有考慮當還原結(jié)束后套筒和鐵巧牢牢地粘結(jié)在一起，換熱器不能拔出，因此鐵巧中屯、 也不能成孔；同時，當鐵巧蒸饋結(jié)束后，由于鐵巧和筒體的粘結(jié)，用于固定筒體式換熱裝置 的反應器上蓋也難W打開。而專利化200810068708.5"-種生產(chǎn)海綿鐵蒸饋反應器內(nèi)的加 熱裝置"是W上述專利化200810068707.0為基礎的，也存在套筒與鐵巧粘結(jié)問題，因此難W 實現(xiàn)其鐵巧中屯、加熱目的。
[0007] 此外，在專利化200710011744.3和專利化200810068707.0中，在儀熱還原反應過 程中，中屯、換熱管管壁與液態(tài)金屬儀液面接觸的部位形成反應活性中屯、，金屬鐵在此結(jié)晶 成核、鐵晶長大形成晶枝，并與反應器壁上形成的晶枝趨于接近并形成搭橋現(xiàn)象，致使儀熱 還原反應受阻、生產(chǎn)停滯。
[000引在專利化201410744377.8"-種海綿鐵生產(chǎn)用的鐵巧分隔裝置"中，為了解決鐵巧 硬忍、中屯、部位氯化儀蒸饋時間長的問題，提供一種鐵巧分隔裝置。由于該分隔裝置的面板 與沉積的鐵晶緊密結(jié)合，不能起到擴大鐵巧蒸饋面積的目的，反而會增加海綿鐵與金屬面 板鐵的接觸面積，造成海綿鐵鐵量增加。
[0009] 因此，從現(xiàn)有海綿鐵生產(chǎn)技術上看，目前還沒有有效的技術方法真正能夠解決上 述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的一個目的是:通過本發(fā)明的換熱裝置將儀熱還原反應產(chǎn)生的并聚集在液 態(tài)金屬儀中屯、區(qū)域的熱量及時排出，從而可W進一步增加四氯化鐵加料量，提高四氯化鐵 儀熱還原反應效率，同時也減少了大量低價鐵和游離鐵的生成，解決鐵晶高溫燒結(jié)問題； 本發(fā)明的另一個目的是:借助本發(fā)明的換熱裝置在鐵巧軸屯、形成孔桐，縮短鐵巧內(nèi)部 氯化儀和金屬儀揮發(fā)物的擴散路徑長度，縮短蒸饋周期，同時也為爐型進一步大型化創(chuàng)造 先決條件； 本發(fā)明的再一個目的是:解決換熱裝置與鐵巧粘結(jié)問題，避免換熱裝置與反應器內(nèi)璧 之間的海綿鐵晶枝搭橋現(xiàn)象發(fā)生，確保本發(fā)明裝置在還原階段結(jié)束后能夠順利取出。
[0011] 為此，本發(fā)明公開一種具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中的應用。 本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器由管式換熱器、惰性包覆層及其內(nèi)部循環(huán)流動的液態(tài) 冷卻介質(zhì)構(gòu)成;具有惰性包覆層的管式換熱器垂直設置在還原爐反應器上蓋，并通過其外 壁固定法蘭與還原爐反應器上蓋開口法蘭密封固定，其底部伸入還原劑金屬儀初始液面W 下，其上部從反應器上蓋引出作為換熱器冷卻介質(zhì)的入口和出口。
[0012] 本發(fā)明選用的惰性包覆層物質(zhì)具有W下特性： (1)、在還原反應過程中，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有一定的惰 性，也就是說，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有不與還原爐反應器內(nèi)的 其他物質(zhì)（比如：四氯化鐵、金屬儀、氯化儀、鐵的低價氯化物等)發(fā)生化學反應的特性，并且 在冷卻介質(zhì)的作用下能夠在管式換熱器的外表面保持凝固狀態(tài)，從而起到阻隔管式換熱器 金屬表面與反應器內(nèi)部氣氛直接接觸的作用，同時也起到阻隔了新生鐵晶在管式換熱器金 屬表面的生長、沉積和附著的作用； 間、在還原蒸饋的全部過程中，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部參加化學反應所形成的 產(chǎn)物不影響儀熱還原產(chǎn)物海綿鐵的質(zhì)量； 間、該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有相對較低的烙點或軟化點，在 還原過程結(jié)束后不阻礙管式換熱器從反應器中抽出。
[0013] 本發(fā)明惰性包覆層的形成方式可W采用W下幾種方式中的一種： (1)、管式換熱器位于反應器內(nèi)部管段的外表面整體進行惰性物質(zhì)預先包覆的方式； 間、管式換熱器位于反應器內(nèi)部從液態(tài)金屬儀還原反應結(jié)束液面或液態(tài)金屬儀還原反 應結(jié)束液面稍上位置至管式換熱器底端之間管段的外表面局部進行惰性物質(zhì)預先包覆的 方式； 間、管式換熱器位于反應器內(nèi)部并處于液態(tài)金屬儀還原反應起始液面或液態(tài)金屬儀還 原反應起始液面稍下位置上部管段的外表面進行惰性物質(zhì)預先包覆，剩余部分段在反應器 內(nèi)通過借助管式換熱器周圍的液態(tài)金屬儀和/或液態(tài)氯化儀自凝固形成惰性包覆層的方 式。
[0014] 本發(fā)明惰性管式換熱器的惰性包覆層可W采用預先分段包覆，各段分別包覆不同 的惰性包覆層物質(zhì)。目的是根據(jù)不同的惰性包覆層物質(zhì)的導熱系數(shù)控制不同區(qū)域的熱交換 量大小。
[0015] 所述惰性物質(zhì)可選自金屬面化物、烙點或軟化點低于90(TC的金屬或其合金中的 一種或兩種W上混合物，或者是金屬面化物和所述金屬的混合物。
[0016] 所述外表面預先包覆是指，在還原爐反應器系統(tǒng)裝配之前或在儀熱還原反應開始 之前對管式換熱器的外表面進行全部或局部惰性物質(zhì)包覆處理。
[0017] 上述自凝固（自形成)是指，在液態(tài)冷卻劑的作用下，管式換熱器外表面位于液態(tài) 金屬儀液面W下部分借助于其周圍的液態(tài)金屬儀和/或液態(tài)氯化儀所形成包覆層(也稱為 凝殼層）的過程;而管式換熱器位于液態(tài)金屬儀液面W上的部分可W借助于汽態(tài)金屬儀的 凝結(jié)過程。
[0018] 液態(tài)冷卻介質(zhì)可選自金屬鋼、金屬鐘、金屬裡、其他低烙點金屬或低烙點金屬合金 (例如:鋼鐘合金、祕基合金、鉛祕合金等）中的任意一種，也可W是低烙點烙鹽或其混合物。 液態(tài)金屬冷卻介質(zhì)具有烙點低、沸騰裕度大、導熱率高、熱容量大的特點，能夠滿足將還原 反應產(chǎn)生的大量熱量及時排出的要求，同時具有一定的安全性，即使在反應器內(nèi)發(fā)生泄漏， 也不會引起爆炸事故發(fā)生。
[0019] 本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器液態(tài)冷卻介質(zhì)的循環(huán)流動、溫度調(diào)節(jié)、流量 調(diào)節(jié)及儲存等功能由外部冷卻介質(zhì)循環(huán)控制系統(tǒng)提供。
[0020] 在還原期間，液態(tài)循環(huán)冷卻介質(zhì)的最低溫度要高于其烙點溫度，最高溫度要低于 其汽化點溫度和金屬儀烙點溫度;液態(tài)冷卻介質(zhì)的工作溫度要求確保管式換熱器表面惰性 包覆層始終保持凝固狀態(tài)。同時兼顧反應器內(nèi)部液態(tài)金屬儀和液態(tài)氯化儀的溫度高于各自 的烙點，保證液態(tài)金屬儀和液態(tài)氯化儀具有良好的流動性。
[0021] 循環(huán)控制系統(tǒng)是由帶加熱的液態(tài)冷卻介質(zhì)存儲容器、高溫循環(huán)累、連接管道、冷卻 介質(zhì)散熱器、溫度流量控制器、調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器及本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器 等組成。
[0022] 本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器主要應用于金屬面化物金屬熱還原法生產(chǎn) 金屬產(chǎn)品，尤其是應用于四氯化鐵儀熱還原法海綿鐵的生產(chǎn)，其應用方法和工作原理包括 W下步驟： 步驟1:在海綿鐵儀熱還原反應過程中，表面具有惰性包覆層的管式換熱器在液態(tài)冷卻 介質(zhì)的作用下其表面的惰性包覆層始終處于凝固狀態(tài)，隨著反應的進行，惰性包覆層的厚 度隨換熱器周圍區(qū)域液態(tài)儀的溫度及冷卻介質(zhì)入口與出口溫度差的變化而變化，具有惰性 包覆層的管式換熱器周圍的液態(tài)金屬儀和/或液態(tài)氯化儀與惰性包覆層物質(zhì)通過動態(tài)的 "冷凝一一烙化"轉(zhuǎn)換過程在管式換熱器的表面上進一步形成新的混合惰性包覆層(動態(tài)包 覆層），也稱為凝殼層。
[0023] 如圖2所示，凝殼層(動態(tài)包覆層)的厚度(5)、傳熱速率(色）、惰性管式換熱器周圍 液態(tài)金屬儀平均溫度(F)及冷卻介質(zhì)平均溫度(￡)之間的關系遵循W下公式：
上述公式符號說明：好：傳熱速率(單位:J/s或W)、S:凝殼層的厚度、子:液態(tài)金屬儀軸 屯、區(qū)域平均溫度、石：冷卻介質(zhì)平均溫度、A:管式換熱器外管管壁導熱系數(shù)、屯;：凝殼層 (動態(tài)惰性包覆層)導熱系數(shù)、r :管式換熱器外管的半徑(外徑）、& :管式換熱器外管壁厚、 怎:管式換熱器浸入液態(tài)金屬儀部分的長度。
[0024] 儀熱還原反應產(chǎn)生的聚集在中屯、區(qū)域的熱量，通過液態(tài)金屬儀、凝殼層和管式換 熱器的外管管璧與循環(huán)流動的液態(tài)冷卻介質(zhì)進行對流傳導換熱，被及時排出；隨著四氯化 鐵加料量的進一步放大，還原反應放熱量增加，可W通過調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流量和溫度來保 持反應器內(nèi)部中屯、區(qū)域液態(tài)金屬儀的溫度基本穩(wěn)定，因此，海綿鐵還原過程的生產(chǎn)效率得 W大幅提高(預計提高1-2倍）。
[0025] 同時還避免了由于還原爐液儀表面中屯、區(qū)域熱量集聚而造成的新生鐵晶高溫燒 結(jié)問題和由于液態(tài)金屬儀高溫汽化而生成的低價鐵和游離鐵問題；由于惰性包覆層(氯化 儀和/或金屬儀凝殼層）的存在，避免了新生鐵晶W管式換熱器金屬外壁為活性中屯、成核， 阻隔了新生鐵晶在管式換熱器外壁上的結(jié)晶、沉積和附著，由此避免了管式換熱器與鐵巧 的粘結(jié)問題。
[0026] 步驟2:還原階段結(jié)束后，停止冷卻介質(zhì)的循環(huán)，并將存留在具有惰性包覆層的管 式換熱器(1)和循環(huán)管路中的液態(tài)冷卻介質(zhì)排回到冷卻介質(zhì)儲存容器;此后，惰性包覆層物 質(zhì)受熱烙化脫落，從而在管式換熱器與鐵巧之間自形成空隙，從反應器中抽出管式換熱器 后，鐵巧軸屯、形成孔桐，使鐵巧里部距離鐵巧表面的最大路徑長度由原來的鐵巧的半徑距 離減小到二分之一半徑距離W下，當進入蒸饋階段后鐵巧內(nèi)部氯化儀和金屬儀的擴散速度 和揮發(fā)速度得W提高，蒸饋的時間周期縮短一半W上，同時也避免了由于反應器長時間蒸 饋而造成的鐵巧氧化、氮化及過熱燒結(jié)問題。
[0027] 本專利與現(xiàn)有海綿鐵生產(chǎn)技術比較具有W下有益效果： (1)、還原效率大大提高。由于儀熱還原產(chǎn)生的集聚在液態(tài)金屬儀中屯、區(qū)域的大量熱量 被及時排出，四氯化鐵的加料量可W進一步增大(預計提高1-2倍），還原反應效率大大提 高，還原反應周期得W縮短，還原過程單位產(chǎn)品電耗下降； 間、由于液態(tài)金屬儀液面中屯、區(qū)域的溫度得W控制，避免了液態(tài)金屬儀由于過熱而造 成的部分汽化，從而減少了低價鐵和游離鐵生成，提高了鐵的成品率;避免了鐵巧在取出期 間和化皮期間由于黑粉過多而造成的自燃現(xiàn)象發(fā)生;避免了反應器中屯、區(qū)域過熱導致的新 生鐵晶燒結(jié)而產(chǎn)生的鐵巧硬忍問題；降低了四氯化鐵對反應器內(nèi)璧和上蓋內(nèi)壁的高溫腐 蝕，減少液態(tài)金屬儀和反應器器璧的接觸時間，降低了液態(tài)金屬儀對反應器璧鐵、銘、儀和 碳等元素的溶解量，從而生產(chǎn)出低鐵、低銘、低儀和低碳的海綿鐵； 間、由于本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器表面存在的惰性包覆層，阻隔了新生鐵 晶在換熱器套管金屬外壁上的生長、沉積和附著，從而避免了管式換熱器金屬表面與鐵巧 粘結(jié)的問題，解決了管式換熱器無法取出的難題； (4)、由于本發(fā)明在還原過程結(jié)束后能夠使鐵巧中屯、形成空桐，使得鐵巧內(nèi)部組織距離 外表面的最遠路徑長度和現(xiàn)有海綿鐵生產(chǎn)技術相比縮短近50%W上，因此，將比現(xiàn)有同爐型 海綿鐵生產(chǎn)蒸饋時間縮短一半到=分之二W上，同時也避免了由于海綿鐵蒸饋時間過長而 造成的海綿鐵鐵巧的過氧化、過氮化及過熱燒結(jié)問題，因此可W生產(chǎn)出比現(xiàn)有技術氧、氮含 量更低的優(yōu)質(zhì)海綿鐵產(chǎn)品，甚至可W生產(chǎn)出航空級海綿鐵產(chǎn)品； 巧)、由于本發(fā)明的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)將儀熱還原反應產(chǎn)生的集聚在中屯、區(qū)域的大量熱量及 時散出，在還原結(jié)束后還實現(xiàn)了鐵巧軸屯、形成孔桐，大大縮短了蒸饋擴散路徑，從而為儀熱 還原法還原蒸饋爐爐型的進一步大型化創(chuàng)造了先決條件； (6) 、由于還原蒸饋周期的縮短生產(chǎn)效率的提高，海綿鐵生產(chǎn)的電耗成本和其他相關成 本將大大降低;尤其是隨著還原蒸饋爐爐型的大型化，成本降低將更加顯現(xiàn)； (7) 本發(fā)明優(yōu)選的冷卻介質(zhì)液態(tài)金屬鋼具有烙點低、沸騰裕度大、導熱率高、熱容量大的 特點，能夠滿足本發(fā)明的熱交換要求，即使液態(tài)金屬鋼在還原爐反應器內(nèi)發(fā)生泄露，也不會 引起爆炸事故發(fā)生(因為金屬鋼是和金屬儀一樣的還原劑）。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例1具有惰性包覆層管式換熱器的反應器系統(tǒng)示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例1具有惰性包覆層管式換熱器的橫斷面示意圖； 圖3為具有惰性包覆層管式換熱器的反應器系統(tǒng)及其配套的冷卻循環(huán)系統(tǒng)示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例2局部預包覆惰性物質(zhì)的管式換熱器及反應器系統(tǒng)示意圖之一； 圖5為本發(fā)明實施例2局部預包覆惰性物質(zhì)的管式換熱器及反應器系統(tǒng)示意圖之二； 圖6為本發(fā)明實施例3具有惰性包覆層管式換熱器的反應器系統(tǒng)示意圖； 圖7為本發(fā)明實施例5具有雙內(nèi)管惰性管式換熱器的反應器系統(tǒng)示意圖； 圖8為本發(fā)明實施例5具有雙內(nèi)管惰性管式換熱器的橫斷面示意圖； 圖9為本發(fā)明實施例6具有夾層的惰性管式換熱器及反應器示意圖； 圖10為本發(fā)明實施例6具有夾層的惰性管式換熱器橫斷面示意圖； 圖中：1-具有惰性包覆層的管式換熱器(虛線框內(nèi)）、2-(管式換熱器）內(nèi)管、2-1-第一 內(nèi)管、2-2-第二內(nèi)管、3-管式換熱器、4-(管式換熱器)外管、5-惰性包覆層(凝殼層或動態(tài) 惰性包覆層巧一1-上部惰性包覆層、5-2-中部包覆層、5-3-金屬儀液面下部自形成的包 覆層、6-(還原蒸饋爐)反應器、7-1-液態(tài)金屬儀還原反應起始液面、7-2-液態(tài)金屬儀還原 反應結(jié)束液面、8-1-還原反應中期鐵巧上表面、8-2-還原反應結(jié)束時鐵巧上表面、9-內(nèi)管 下端、9-1-第一內(nèi)管下端、9-2-第二內(nèi)管下端、10-外管下端(或管式換熱器下端）、11-(還 原爐反應器)篩板、12-內(nèi)管上部開口、12-1第一內(nèi)管上部開口、12-2-第二內(nèi)管上部開口、 13-外管上部開口、14-管式換熱器固定法蘭、15-反應器上蓋開口法蘭、16-(還原蒸饋爐)反 應器上蓋、17-夾層套管、18-內(nèi)管外側(cè)的夾層空間、19-耐高溫循環(huán)累、20-冷卻介質(zhì)散熱器、 21-帶加熱功能的冷卻介質(zhì)儲罐、22-第一內(nèi)管和第二內(nèi)管之間的隔板。
【具體實施方式】
[0029] 為了更清晰、更準確地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施對本發(fā)明做進一步 的詳細說明。
[0030] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明公開一種具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn) 中的應用。本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器1由管式換熱器3、惰性包覆層5及其內(nèi)部循 環(huán)流動的液態(tài)冷卻介質(zhì)構(gòu)成;具有惰性包覆層的管式換熱器1垂直設置在還原爐反應器上 蓋16,并通過其外壁固定法蘭14與還原爐反應器上蓋開口法蘭15密封固定，其底部10伸入 還原劑金屬儀初始液面7-1W下，其上部從反應器上蓋16引出作為換熱器冷卻介質(zhì)的入口 和出口。
[0031] 本發(fā)明惰性包覆層5的形成方式:可W采用外表面整體預先包覆的方式，或者采用 外表面的局部段采用預先包覆形成包覆層巧-U5-2)而另一部分段在反應器內(nèi)借助于管式 換熱器周圍的液態(tài)金屬儀和/或液態(tài)氯化儀自凝固形成包覆層5-3的方式，也可W采用在儀 熱還原反應開始前后借助于管式換熱器的冷卻作用使管式換熱器周圍的金屬儀蒸汽、液態(tài) 金屬儀和/或液態(tài)氯化儀自凝固（自形成)形成包覆層巧-4、5-3)的方式。
[0032] 本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器1的冷卻介質(zhì)循環(huán)由外部循環(huán)控制系統(tǒng)負 責，由其負責液態(tài)冷卻介質(zhì)的溫度控制、流量控制及儲存。
[0033] 為了便于閱讀和理解，將上述的"具有惰性包覆層的管式換熱器r簡稱為"惰性包 覆層管式換熱器r或"惰性管式換熱器r。
[0034] 所述管式換熱器3由外管4和內(nèi)管2構(gòu)成。內(nèi)管2嵌套在外管4內(nèi)部，外管下端10封 閉，內(nèi)管下端9開口，內(nèi)管2通過其下端9開口與外管4連通。內(nèi)管下端9位于接近外管底部10 內(nèi)側(cè)的位置。惰性包覆層管式換熱器1穿過反應器上蓋16,垂直插入金屬儀初始液面7-1W 下。管式換熱器3的外管下端10可位于液態(tài)金屬儀初始液面7-1至反應器篩板11下部之間， 優(yōu)選位于篩板上面的高度為0 -1500mm，更優(yōu)選800 -1200mm。
[0035] 惰性包覆層管式換熱器1的上端位于反應器上蓋16的外側(cè)，并通過管式換熱器固 定法蘭14與反應器上蓋開口法蘭15密封固定。外管和內(nèi)管的上部空間相互隔斷，分別獨立 開口引出（內(nèi)管上部開口 12,外管上部開口 13)，均可作為惰性包覆層管式換熱器冷卻介質(zhì) 的入口或出口。本發(fā)明優(yōu)選外管上部開口 13作為惰性管式換熱器1冷卻介質(zhì)的入口，內(nèi)管上 部開口 12作為惰性管式換熱器1冷卻介質(zhì)的出口。
[0036] 所述惰性包覆層物質(zhì)具有W下特性： (1)、在還原反應過程中，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有一定的惰 性，也就是說，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物不與還原爐反應器內(nèi)的其他 物質(zhì)發(fā)生化學反應，并且在冷卻介質(zhì)的作用下能夠在管式換熱器3的外表面保持凝固狀態(tài)， 從而起到阻隔管式換熱器3金屬表面與反應器內(nèi)部氣氛接觸的作用，同時也起到阻隔了新 生鐵晶在管式換熱器3金屬表面上的生長、沉積和附著的作用； 間、在還原蒸饋的全部過程中，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部氣氛中所形成的產(chǎn)物不 影響儀熱還原產(chǎn)物海綿鐵的質(zhì)量； 間、該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有相對較低的烙點或軟化點，在 還原過程結(jié)束后不阻礙管式換熱器3從反應器中抽出。
[0037] 本發(fā)明惰性包覆層(5)的形成方式可W采用W下幾種方式中的一種： (1)、管式換熱器(3)位于反應器內(nèi)部管段的外表面整體進行惰性物質(zhì)預先包覆的方式； 間、管式換熱器(3)位于反應器內(nèi)部從液態(tài)金屬儀還原反應結(jié)束液面7-2位置或7-2的 稍上位置至管式換熱器底端(10)之間管段的外表面局部進行惰性物質(zhì)預先包覆的方式； 間、管式換熱器(3)位于反應器內(nèi)部并處于液態(tài)金屬儀還原反應起始液面7-1位置或 7-1稍下位置上部管段的外表面進行惰性物質(zhì)預先包覆，剩余部分段在反應器內(nèi)通過借助 管式換熱器周圍的液態(tài)金屬儀和/或液態(tài)氯化儀自凝固形成惰性包覆層的方式。
[0038] 本發(fā)明惰性管式換熱器1的惰性包覆層5可W采用預先分段包覆，各段分別包覆不 同的惰性包覆層物質(zhì)。比如管式換熱器3位于篩板上部1000 mmW上部分段預先包覆金屬儀 惰性包覆層，位于篩板上部1000 mmW下部分段預先包覆氯化儀或其他金屬面化物等，目的 是根據(jù)不同的惰性包覆層物質(zhì)的導熱系數(shù)控制不同區(qū)域的熱交換量大小。
[0039] 具有惰性包覆層的管式換熱器1的表面惰性包覆層5可W是W致密的固體形式存 在，也可W是W多微孔狀(蜂窩狀、泡沫狀)的固體形式存在。多微孔的目的同樣是通過多孔 來改變惰性包覆層5的導熱系數(shù)，W此控制不同區(qū)域的熱交換量大小。
[0040] 依據(jù)上述惰性包覆層5物質(zhì)所具有的特性，本發(fā)明惰性包覆層5物質(zhì)可選自金屬面 化物、烙點或軟化點低于90(TC的金屬或其合金中的一種或兩種W上混合物，或者是金屬面 化物和所述金屬的混合物。
[0041] 本發(fā)明惰性包覆層物質(zhì)優(yōu)選無水氯化儀(副產(chǎn)品）、金屬儀或二者的混合物。
[0042] 所述金屬面化物為金屬氯化物、金屬氣化物和金屬艦化物，所述低烙點金屬可選 自金屬儀、金屬鋒、金屬巧、金屬侶等。
[0043] 所述反應器內(nèi)部氣氛包括:液態(tài)和氣態(tài)四氯化鐵、液態(tài)和氣態(tài)金屬儀、液態(tài)氯化 儀、金屬鐵、鐵的低價氯化物、反應器金屬材料等。
[0044] 上述預先包覆是指，在還原爐反應器系統(tǒng)裝配之前或在儀熱還原反應開始之前對 管式換熱器的外表面進行全部或局部惰性物質(zhì)預先包覆處理。
[0045] 所述金屬儀初始液面7-1稍下位置本發(fā)明優(yōu)選為金屬儀初始液面7-1下面200mm處 位置。所述金屬儀結(jié)束液面7-2稍上位置本發(fā)明優(yōu)選為金屬儀結(jié)束液面7-2上面500mm處位 置。
[0046] 上述自凝固（自形成)包覆層是指，在液態(tài)冷卻劑的作用下，管式換熱器外表面位 于液態(tài)金屬儀液面W下部分借助于其周圍的液態(tài)金屬儀和/或液態(tài)氯化儀所形成包覆層 (也稱為凝殼層)的過程;而管式換熱器位于液態(tài)金屬儀液面W上的部分可W借助于汽態(tài)金 屬儀的凝結(jié)過程。
[0047] 惰性包覆層5的預先包覆方法，在滿足本發(fā)明惰性包覆層管式換熱器1的功能前提 下可W采取任何常規(guī)的方法進行預先包覆。比如:模型誘鑄、模壓成型、預制成型塊組合包 覆、涂覆、液態(tài)凝結(jié)(凝固、冷凝)附著、混合有機粘合劑成型、管狀包套、金屬帶纏繞等或其 他方法。只要能夠滿足本發(fā)明惰性包覆層管式換熱器1的功能，無論采取任何方式實現(xiàn)惰性 包覆層5物質(zhì)在管式換熱器3表面的附著，都沒有脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)。
[0048] 所述預制成型塊組合包覆是指，根據(jù)管式換熱器1外形尺寸，用上述惰性包覆層物 質(zhì)分段預制多個成型塊件，然后在管式換熱器3上進行組裝包覆，形成包覆層5的方法。
[0049] 所述爐內(nèi)直接冷凝包覆是指，當管式換熱器3和反應器6裝配完成后，啟動冷卻介 質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，然后從反應器上蓋16沿著管式換熱器3外壁周圍加入液體金屬儀和/或液體氯 化儀，使金屬儀和/或液體氯化儀均勻的冷凝、涂掛、附著在管式換熱器3的外壁上，形成惰 性包覆層5的方法。
[0050] 為了增加包覆層5在管式換熱器3上的表面附著力，管式換熱器3的外壁應進行粗 糖化處理，比如:管式換熱器3的外壁上間隔加工數(shù)個環(huán)形淺凹槽或焊接數(shù)個環(huán)形凸臺等方 法。
[0051] 所述管式換熱器3的材質(zhì)要求導熱效果好、具有一定的強度、在還原爐內(nèi)的氣氛下 不發(fā)生化學反應的材料均可。可W是鐵、碳鋼、耐熱鋼、鍋爐鋼、不誘鋼、儀、銅等金屬材料、 合金材料或其他金屬材料等。
[0052] 內(nèi)管下端9距離外管下端10的內(nèi)側(cè)高度優(yōu)選為大于內(nèi)管半徑。
[0053] 所述管式換熱器外管4的直徑本發(fā)明不進行限制，可根據(jù)還原爐反應器6的直徑大 小、四氯化鐵加料流量、W及冷卻介質(zhì)的溫度和流量參數(shù)而定，同時要兼顧避免引起海綿鐵 搭橋現(xiàn)象發(fā)生(說明：夕惜4的外壁和反應器的內(nèi)壁的間距要大于800mm，否則將引起海綿鐵 搭橋現(xiàn)象）。
[0054] 所述管式換熱器內(nèi)管2的直徑的選擇W內(nèi)管2截面積等于內(nèi)管2和外管4之間的環(huán) 形截面積為原則，即:冷卻介質(zhì)上升通道的截面積等于下降通道的截面積。
[0055] 本發(fā)明惰性包覆層管式換熱器1在還原爐內(nèi)可為多個，分別平行并垂直于水平面 布置。本發(fā)明就現(xiàn)有海綿鐵還原爐爐型優(yōu)選在還原爐反應器內(nèi)設置一個惰性包覆層管式換 熱器1，并與反應器6同軸布置。
[0056] 如圖3所示，本發(fā)明所述液態(tài)冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)主要包括:耐高溫循環(huán)累19、冷卻 介質(zhì)散熱器20、帶加熱功能的冷卻介質(zhì)儲罐21、連接管道、閥口、惰性氣體入口和出口、控制 裝置和本發(fā)明的具有惰性包覆層管式換熱器1。
[0057] 所述液態(tài)冷卻介質(zhì)可W是金屬鋼、金屬鐘、金屬裡、其他低烙點金屬或低烙點合金 (比如：鐘鋼合金、祕基合金、鉛祕合金等），也可W是低烙點烙鹽或其混合物。其中，金屬鋼 具有烙點低(97.72 °C )、沸點高(883 °C )、沸騰的裕度大、熱導率高(450°C時:71 W/m ? k)、換熱 效率高的特點，即使在反應器內(nèi)發(fā)生泄露，也不會引起爆炸事故發(fā)生。祕基合金或鉛祕合金 具有烙點低，運行安全的特點。本發(fā)明優(yōu)選液態(tài)金屬鋼、祕基合金、鉛祕合金或鋼鐘合金作 為液態(tài)冷卻介質(zhì)，更優(yōu)選液態(tài)金屬鋼作為液態(tài)冷卻介質(zhì)。
[0058] 冷卻介質(zhì)入口 13溫度控制在略高于其烙點溫度，冷卻介質(zhì)出口 12溫度低于金屬 儀、氯化儀和惰性包覆層5物質(zhì)的烙點溫度，同時還要低于冷卻介質(zhì)的沸點溫度;具體溫度 范圍要W確保惰性包覆層始終保持在管式換熱器表面為前提條件，同時兼顧反應器內(nèi)部液 態(tài)金屬儀和液態(tài)氯化儀的溫度高于各自的烙點，保證液態(tài)金屬儀和液態(tài)氯化儀具有良好的 流動性。對本發(fā)明優(yōu)選的液態(tài)冷卻介質(zhì)金屬鋼來說，入口 13溫度控制在高于98°C，出口 12溫 度控制在低于650°C ;本發(fā)明優(yōu)選入口 13溫度控制在110-650°C之間，出口 12溫度控制在 130-650°C 之間。
[0059] 本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器主要應用于金屬面化物金屬熱還原法生產(chǎn) 金屬產(chǎn)品，尤其是應用于四氯化鐵儀熱還原法海綿鐵的生產(chǎn)，其應用方法包括W下步驟： 步驟1:在海綿鐵儀熱還原反應過程中，表面具有惰性包覆層的管式換熱器1在液態(tài)冷 卻介質(zhì)的作用下其表面的惰性包覆層始終處于凝固狀態(tài)，隨著反應的進行，惰性包覆層5的 厚度隨換熱器周圍區(qū)域液態(tài)儀的溫度及冷卻介質(zhì)入口 13與出口 12溫度差的變化而變化，具 有惰性包覆層的管式換熱器(1)周圍的液態(tài)金屬儀和/或液態(tài)氯化儀與惰性包覆層5通過動 態(tài)的"冷凝一一烙化"轉(zhuǎn)換過程在管式換熱器3的表面上進一步形成新的混合惰性包覆層5， 也可W稱為凝殼層5;儀熱還原反應產(chǎn)生的聚集在中屯、區(qū)域的熱量，通過液態(tài)金屬儀、凝殼 層5和管式換熱器的外管4管璧與循環(huán)流動的液態(tài)冷卻介質(zhì)進行對流傳導換熱，被及時排 出；隨著四氯化鐵加料量的進一步放大，還原反應放熱量增加，運時可W通過調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì) 的流量和溫度來保持反應器內(nèi)部中屯、區(qū)域液態(tài)金屬儀的溫度基本穩(wěn)定；因此，海綿鐵還原 過程的生產(chǎn)效率得W大幅提高(預計提高1-2倍），同時還避免了由于還原爐液儀表面中屯、 區(qū)域熱量集聚而造成的新生鐵晶高溫燒結(jié)問題及由于液態(tài)金屬儀高溫汽化而生成的低價 鐵和游離鐵問題；由于惰性包覆層5(氯化儀和/或金屬儀凝殼層5)的存在，避免了新生鐵晶 W管式換熱器3金屬外壁為活性中屯、成核，阻隔了新生鐵晶在管式換熱器3外壁上的結(jié)晶、 沉積和附著，由此避免了管式換熱器與鐵巧的粘結(jié)問題。
[0060] 步驟2:還原階段結(jié)束后，停止冷卻介質(zhì)的循環(huán)，并將存留在具有惰性包覆層的管 式換熱器1和循環(huán)管路中的液態(tài)冷卻介質(zhì)排回到冷卻介質(zhì)儲存容器21中；此后，惰性包覆層 物質(zhì)5受熱烙化并脫落，從而在管式換熱器3與鐵巧之間形成空隙，從反應器6中抽出管式換 熱器3后，鐵巧軸屯、形成孔桐，使鐵巧里部距離鐵巧表面的最大路徑長度由原來的鐵巧的半 徑距離減小到二分之一半徑距離W下，當進入蒸饋階段后鐵巧內(nèi)部氯化儀和金屬儀的擴散 速度和揮發(fā)速度得W提高，蒸饋的時間周期可縮短一半W上，同時也避免了由于反應器長 時間蒸饋而造成的鐵巧過氧化、過氮化及過熱燒結(jié)問題。
[0061] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明： 實施例1: 如圖1、圖2、圖3所示，在本發(fā)明實施例1中，還原爐反應器6的直徑為1860mm，長度為 4500mm;管式換熱器3與還原爐反應器6同中屯、軸設置，管式換熱器3的外管4外徑為200mm， 外管壁厚為10mm，管式換熱器3的內(nèi)管2外徑為140mm，內(nèi)管2壁厚為5mm。內(nèi)管下端9距離外管 下端10內(nèi)側(cè)的高度為80mm。外管下端10位于篩板11的上部，距離篩板11的高度為800mm。
[0062] 本實施例的惰性包覆層管式換熱器1的惰性包覆層采用模型誘鑄的方法預先對管 式換熱器3的表面進行整體惰性物質(zhì)包覆，惰性包覆層材料為海綿鐵副產(chǎn)品無水氯化儀，包 覆層5的厚度為20mm。冷卻介質(zhì)選用液態(tài)金屬鋼，惰性包覆層管式換熱器1冷卻介質(zhì)入口 13 處的液態(tài)金屬鋼溫度控制在120-150°C之間，冷卻介質(zhì)出口 12液態(tài)金屬鋼的溫度控制在 130-300°C 之間。
[0063] 還原反應產(chǎn)生的熱量通過惰性包覆層管式換熱器1被冷卻介質(zhì)液態(tài)金屬鋼及時排 出。當四氯化鐵加料量進一步放大時，通過調(diào)整惰性管式換熱器1中冷卻介質(zhì)的流量，反應 器6中屯、區(qū)域的溫度被保持平衡。由于惰性包覆層管式換熱器I的換熱作用，凝殼層5(惰性 包覆層5)始終保持凝固狀態(tài)，從而阻止了新生鐵晶在管式換熱器3的外表面上生長、沉積和 附著，避免了管式換熱器3金屬表面與鐵巧的粘結(jié)。
[0064]還原過程結(jié)束后，冷卻介質(zhì)停止循環(huán)，惰性包覆層管式換熱器1溫度升高后，凝殼 層5開始烙化脫落，在管式換熱器3與鐵巧之間形成空隙，然后從反應器中抽出管式換熱器 3,在鐵巧的軸屯、形成空桐，從而使鐵巧內(nèi)部距鐵巧表面最遠的路徑長度比現(xiàn)有工藝減小一 半W上，蒸饋期間鐵巧內(nèi)部殘留的氯化儀和金屬儀蒸饋得W快速去除，還原蒸饋周期將縮 短一半W上，不但大大地降低了產(chǎn)品電耗成本，同時也避免了鐵巧由于蒸饋時間過長、再加 上反應器滲漏而造成海綿鐵產(chǎn)物的過氧化、過氮化問題，從而可W生產(chǎn)出氧氮含量更低的 優(yōu)質(zhì)海綿鐵產(chǎn)品，甚至可W生產(chǎn)出航空級海綿鐵產(chǎn)品。
[00化]實施例2: 如圖4、圖5所示，本實施例與實施例1的不同點是，預先在管式換熱器3外表面的局部區(qū) 段包覆一層氯化儀惰性物質(zhì)。即：如圖4所示對于從還原爐反應器上蓋16內(nèi)側(cè)至金屬儀起始 液面7-1下面200mm處之間段的管式換熱器3的外表面進行惰性物質(zhì)氯化儀預先包覆處理， 形成惰性包覆層5-1;或如圖5所示對于位于還原爐反應器液態(tài)金屬儀還原反應起始液面7- 1下面200mm處至液態(tài)金屬儀還原反應結(jié)束液面7-2上面200處之間段的管式換熱器3的外表 面進行惰性物質(zhì)氯化儀預先包覆處理，形成惰性包覆層5-2;而管式換熱器3下部表面未預 先包覆惰性物質(zhì)的部分段，在爐內(nèi)還原反應開始前后，通過管式換熱器的冷卻作用，借助其 周圍烙融狀態(tài)的金屬儀和/或氯化儀在其表面的凝固自形成凝殼層5-3(惰性包覆層5-3)， W此方法形成本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器1。
[0066] 本實施例的優(yōu)點是簡化了惰性包覆層管式換熱器1的預制方法。本實施例中具有 惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中的應用的其他部分如同上述關于圖1、圖2、圖3 所示的說明和實施例1的說明，在運里不再重復敘述。
[0067] 實施例3: 如圖6所示，在本實施例中，在還原爐反應器內(nèi)位于液態(tài)金屬儀還原反應起始液面7-1 上面的管式換熱器3的外表面惰性包覆層5-4通過頂部加入液態(tài)金屬儀，使其在管式換熱器 外表面表面冷凝結(jié)殼的方式預先形成。
[006引目P，當還原爐反應器溫度升高到750-800°C時，通過抬包將液態(tài)金屬儀沿著管式 換熱器3的管壁周圍加入，向下流動的液態(tài)金屬儀在管式換熱器3內(nèi)部循環(huán)流動的液態(tài)冷卻 介質(zhì)的作用下凝固形成預先惰性包覆層5-4。惰性包覆層5-4在儀熱還原反應開始后通過與 反應器內(nèi)部氣氛中的四氯化鐵氣體反應，生成的氯化儀產(chǎn)物原位凝固，形成新的惰性包覆 層 5-4。
[0069] 而管式換熱器3在反應器內(nèi)位于液態(tài)金屬儀還原反應起始液面7-1下面部分段表 面未預先包覆惰性物質(zhì)的部分，在爐內(nèi)還原反應開始前通過管式換熱器的冷卻作用，借助 其周圍烙融狀態(tài)的金屬儀和/或氯化儀在其表面的凝固自形成凝殼層5-3(惰性包覆層5- 3)，W此方法形成本發(fā)明具有惰性包覆層的管式換熱器1。
[0070] 本實施例中具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中的應用的其他部分 如同上述關于圖1、圖2、圖3所示的說明和實施例1的說明，在運里不再重復敘述。
[0071] 實施例4: 本實施例如圖4所示與實施例2大體相同，不同的是本實施例的局部惰性包覆層5-1物 質(zhì)為金屬儀。金屬儀惰性包覆層5-1可W通過管式換熱器3預先模型誘鑄的方法包覆在管式 換熱器3的局部外表面上，包覆層5的為厚度20mm。
[0072] 還原反應開始后，暴露在還原劑金屬儀液面7-1W上的金屬儀包覆層5-1與反應器 內(nèi)部的四氯化鐵氣體發(fā)生化學反應，反應產(chǎn)物氯化儀隨即原位凝固在冷態(tài)的惰性包覆層管 式換熱器1的表面上。
[0073] 隨著上述反應的進行，產(chǎn)物氯化儀逐漸全部覆蓋住原有的金屬儀包覆層5-1，從而 阻斷了在具有金屬儀惰性包覆層的管式換熱器1的表面上所發(fā)生的儀熱還原反應，使得原 有的金屬儀包覆層5-1得W保護。
[0074] 還原結(jié)束后，惰性管式換熱器1表面凝殼層烙化脫離，鐵巧軸屯、形成空桐，從反應 器中抽出管式換熱器3后轉(zhuǎn)入真空蒸饋階段。
[0075] 本實施例中具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中的應用的其他部分 如同上述關于圖1、圖2、圖3所示的說明和實施例1、實施例2的說明，在運里不再重復敘述。
[0076] 實施例5 如圖7、圖8所示，本發(fā)明實施例與實施例1不同的是惰性管式換熱器1外管4內(nèi)嵌套兩根 內(nèi)管2(內(nèi)管2-1、內(nèi)管2-2)。內(nèi)管2-1底端9-1距離外管底端10內(nèi)側(cè)的高度為內(nèi)管半徑大小。 內(nèi)管2-2底端9-2設置在還原周期結(jié)束時鐵巧頂部邊界線8-2與內(nèi)管2-1底端9-1的正中間的 位置。第一內(nèi)管上部開口 12-1、第二內(nèi)管上部開口 12-2。
[0077] 在海綿鐵還原反應前期，內(nèi)管2-1擔任冷卻介質(zhì)的循環(huán)工作，內(nèi)管2-2處于關閉狀 態(tài)。當鐵巧頂部高度超過內(nèi)管2-2的底端位置9-2后，適時將內(nèi)管2-2開通，擔任循環(huán)工作，然 后關閉內(nèi)管2-1。
[0078] 本實施例的目的是減少還原反應中后期還原爐底部的熱量流失，避免還原爐底部 液態(tài)氯化儀溫度的過分下降。本實施例中具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中 的應用的其他部分如同上述關于圖1、圖2、圖3所示的說明和實施例1的說明，在運里不再重 復敘述。
[0079] 實施例6: 在上述幾個實施例中，管式換熱器內(nèi)管2直接嵌套在外管4中，冷卻介質(zhì)在循環(huán)過程中， 從外管上部開口（入口）13進入外管4,然后通過內(nèi)管下端9進入內(nèi)管2中，并從內(nèi)管上部開口 (出口）12排出。在此過程中，從外管4下行的低溫冷卻介質(zhì)與從內(nèi)管2上行的高溫冷卻介質(zhì) 僅僅一壁之隔，通過內(nèi)管2的管壁進行無效的對流熱交換，導致?lián)Q熱效率的下降。
[0080] 如圖9、圖10所示，為了解決此問題本發(fā)明提出了在內(nèi)管2外側(cè)增加一個夾層套管 17,夾層套管17的下端的內(nèi)壁和內(nèi)管下端9的外壁之間牢固封閉，夾層套管17的上端外壁和 外管4上端內(nèi)壁之間牢固封閉，內(nèi)管2的上部外壁與夾層套管的內(nèi)壁固定連接(可W選擇不 封閉固定或封閉固定），于是在內(nèi)管2和夾層套管17之間形成了夾層空間18,從而隔絕了下 行低溫冷卻介質(zhì)和上行高溫冷卻介質(zhì)之間的對流熱交換，提高了換熱效率。
[0081] 本實施例中具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中的應用的其他部分 如同上述關于圖1、圖2、圖3所示的說明和實施例1的說明，在運里不再重復敘述。
[0082] 實施例7: 如圖9、圖10所示，本發(fā)明實施例的具有惰性包覆層的管式換熱器1與實施例7中所介紹 的具有惰性包覆層的管式換熱器I的結(jié)構(gòu)相同。本實施例所應用的還原爐反應器6外徑為 3000mm，長度為5000mm;管式換熱器的外管4外徑為700mm，外管4壁厚為15mm;夾層套管外徑 為600mm，壁厚為15mm;內(nèi)管2外徑為370mm，內(nèi)管壁厚為IOmm;內(nèi)管下端8距離外管下端10內(nèi) 側(cè)的高度為175mm。外管下端10和篩板11成水平高度。
[0083] 在本實施例中，位于反應器內(nèi)部的管式換熱器3的外表面下部包覆氯化儀惰性物 質(zhì)，上部包覆金屬儀惰性物質(zhì)，比如:管式換熱器外表面從篩板起到1000 mm高位置之間段包 覆氯化儀惰性物質(zhì)，再往上區(qū)段包覆金屬儀惰性物質(zhì)。
[0084] 本實施例具有惰性包覆層的管式換熱器的還原蒸饋爐，單爐可W生產(chǎn)20-25噸的 優(yōu)質(zhì)海綿鐵產(chǎn)品。
[0085] 本實施例中具有惰性包覆層的管式換熱器及在海綿鐵生產(chǎn)中的應用的其他部分 如同上述關于圖1、圖2、圖3所示的說明和實施例1、實施例4的說明，在運里不再重復敘述。
[0086] W上僅僅是通過W實施例的形式對本發(fā)明做進一步的說明，W便更好地理解本發(fā) 明裝置和方法，但不應就此理解本發(fā)明的保護范圍僅限于此，對于本領域的技術人員來說， 在不脫離本發(fā)明技術構(gòu)思前提下得到的改進、變換也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種具有惰性包覆層的管式換熱器，其特征在于:本發(fā)明由管式換熱器(3)、表面惰 性包覆層(5)及其內(nèi)部循環(huán)流動的液態(tài)冷卻介質(zhì)構(gòu)成;具有惰性包覆層的管式換熱器(1)垂 直設置在還原爐反應器上蓋（16)，并通過其外壁固定法蘭（14)與還原爐反應器上蓋開口法 蘭（15)密封固定，其底部（10)伸入還原劑金屬鎂初始液面(7-1)以下，其上部從反應器上蓋 (16)引出作為換熱器冷卻介質(zhì)的入口和出口； 該惰性包覆層(5)物質(zhì)具有以下特性： (1)、在還原反應過程中，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有一定的惰 性，也就是說，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有不與還原爐反應器內(nèi)的 其他物質(zhì)（比如：四氯化鈦、金屬鎂、氯化鎂、鈦的低價氯化物等)發(fā)生化學反應的特性，并且 在冷卻介質(zhì)的作用下能夠在管式換熱器(3)的外表面保持凝固狀態(tài)，從而起到阻隔管式換 熱器(3)金屬表面與反應器內(nèi)部氣氛(氣氛包括：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))直接接觸的作用，同時 也起到阻隔了新生鈦晶在管式換熱器(3)金屬表面的生長、沉積和附著的作用； ⑵、在還原蒸餾的全部過程中，該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部參加化學反應所形成的 產(chǎn)物不影響鎂熱還原產(chǎn)物海綿鈦的質(zhì)量； (3)、該物質(zhì)或該物質(zhì)在反應器內(nèi)部反應形成的產(chǎn)物具有相對較低的熔點或軟化點，在 還原過程結(jié)束后不阻礙管式換熱器(3)從反應器中抽出； 本發(fā)明惰性包覆層(5)的形成方式可以采用以下幾種方式中的一種： ⑴、管式換熱器(3)位于反應器內(nèi)部管段的外表面整體進行惰性物質(zhì)預先包覆的方式； ⑵、管式換熱器(3)位于反應器內(nèi)部從液態(tài)金屬鎂還原反應結(jié)束液面7-2位置或7-2的 稍上位置至管式換熱器底端(10)之間管段的外表面局部進行惰性物質(zhì)預先包覆的方式； (3)、管式換熱器(3)位于反應器內(nèi)部并處于液態(tài)金屬鎂還原反應起始液面7-1位置或 7-1稍下位置上部管段的外表面進行惰性物質(zhì)預先包覆，剩余部分段在反應器內(nèi)通過借助 管式換熱器周圍的液態(tài)金屬鎂和/或液態(tài)氯化鎂自凝固形成惰性包覆層的方式。2. 根據(jù)權利要求1所述一種具有惰性包覆層的管式換熱器，其特征在于:所述惰性包覆 層(5)物質(zhì)可選自金屬鹵化物、熔點或軟化點低于900 °C的金屬或其合金中的一種或兩種以 上混合物，或者是金屬鹵化物和所述金屬的混合物。3. 根據(jù)權利要求1-2所述一種具有惰性包覆層的管式換熱器，其特征在于:所述惰性包 覆層(5)可以采用預先分段包覆，各段分別包覆不同的惰性包覆層物質(zhì)。4. 根據(jù)權利要求1所述一種具有惰性包覆層的管式換熱器，其特征在于:所述液態(tài)循環(huán) 冷卻介質(zhì)，可選自金屬鈉、金屬鉀、金屬鋰、其他低熔點金屬或低熔點金屬合金(例如:鈉鉀 合金、鉍基合金、鉛鉍合金等）中的任意一種，也可以是低熔點熔鹽或其混合物。5. 根據(jù)權利要求1或3所述一種具有惰性包覆層的管式換熱器，其特征在于:所述的液 態(tài)冷卻介質(zhì)的最低溫度要高于其熔點溫度，最高溫度要低于其汽化點溫度和金屬鎂熔點溫 度;液態(tài)冷卻介質(zhì)的工作溫度要求確保管式換熱器(3)表面惰性包覆層始終保持凝固狀態(tài)。6. -種具有惰性包覆層的管式換熱器在海綿鈦生產(chǎn)中的應用方法，主要應用于金屬鹵 化物金屬熱還原法生產(chǎn)的熱量散除和產(chǎn)物中心成孔，尤其是應用于四氯化鈦鎂熱還原法海 綿鈦的散熱和中心成孔，其特征在于： 步驟1:在海綿鈦鎂熱還原反應過程中，表面具有惰性包覆層的管式換熱器（1)在液態(tài) 冷卻介質(zhì)的作用下其表面的惰性包覆層始終處于凝固狀態(tài)，隨著反應的進行，惰性包覆層 (5)的厚度隨換熱器周圍區(qū)域液態(tài)鎂的溫度及冷卻介質(zhì)入口與出口溫度差的變化而變化， 鎂熱還原反應產(chǎn)生的聚集在中心區(qū)域的熱量，通過液態(tài)金屬鎂、凝殼層(5)和管式換熱器的 外管(4)管璧與循環(huán)流動的液態(tài)冷卻介質(zhì)進行對流傳導換熱，被及時排出；同時還避免了由 于還原爐液鎂表面中心區(qū)域熱量集聚而造成的新生鈦晶高溫燒結(jié)問題和由于液態(tài)金屬鎂 高溫汽化而生成的低價鈦和游離鈦問題；由于惰性包覆層(5)(凝殼層)的存在，避免了新生 鈦晶以管式換熱器(3)金屬外壁為活性中心成核，阻隔了新生鈦晶在管式換熱器(3)外壁上 的結(jié)晶、沉積和附著，由此避免了管式換熱器與鈦坨的粘結(jié)問題； 步驟2:還原階段結(jié)束后，停止冷卻介質(zhì)的循環(huán)，惰性包覆層物質(zhì)（5)受熱熔化脫落，從 而在管式換熱器(3)與鈦坨之間自形成空隙，鈦坨軸心形成孔洞，使鈦坨里部距離鈦坨表面 的最大路徑長度由原來的鈦坨的半徑距離減小到二分之一半徑距離以下，當進入蒸餾階段 后鈦坨內(nèi)部氯化鎂和金屬鎂的擴散速度和揮發(fā)速度得以提高，蒸餾的時間周期縮短一半以 上，同時也避免了由于反應器長時間蒸餾而造成的鈦坨氧化、氮化及過熱燒結(jié)問題。
【文檔編號】F28D7/12GK105925820SQ201610272636
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】王進民, 其他發(fā)明人請求不公開姓名
【申請人】王進民