一种基于石墨电极稳定导电的真空内热炼镁系统的制作方法

本发明属于镁冶金及真空内热冶炼，尤其涉及一种基于石墨电极稳定导电的真空内热炼镁系统。

背景技术：

1、金属镁具有密度低、比强度高、导热性能良好和资源储量丰富的特点，在航空航天、轨道交通、汽车制造和电子设备领域具有广泛应用，镁冶炼过程需要在高温及真空条件下完成含镁原料还原、镁蒸气转移和金属镁冷凝，为降低冶炼能耗、缩短还原周期并减少碳排放，需要建立兼具稳定导电、内外协同加热、连续真空保持和资源循环利用能力的内热炼镁生产系统。

2、现有内热炼镁设备采用电极向反应物料输入热量时，石墨电极在高温环境及电极穿罐接口处容易发生氧化、孔隙进气、接触电阻升高和局部温度异常，电极导电能力随运行时间发生波动，同时外部辐射加热与内部导电加热缺少协调控制，容易造成炼镁团料外层升温较快、中心升温较慢和反应区域温度分布不均，影响还原反应稳定性及石墨电极使用寿命。

3、现有真空炼镁生产过程中的进料、出镁和出渣环节通常需要解除局部真空并重新抽真空，生产环节切换容易造成空气进入、热量损失和生产周期延长，同时原料煅烧尾气、高温还原渣、反应罐外壁及镁蒸气冷凝过程产生的余热未能按温度等级充分利用，煅烧产生的二氧化碳和还原渣也未形成协同回收利用体系，导致单位金属镁能耗及碳排放量较高。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于石墨电极稳定导电的真空内热炼镁系统，利用石墨电极致密抗氧化处理、辐射导电协同加热、连续真空密封及低碳资源循环利用的原理，实现石墨电极稳定导电、炼镁团料内外同步升温、进料至出渣全过程真空保持、余热梯级回收及二氧化碳矿化固碳，提高了还原反应稳定性和能源利用率，解决石墨电极氧化、团料受热不均、生产环节反复破坏真空及炼镁过程能耗和碳排放较高的问题。

2、本发明采用的技术方案如下：一种基于石墨电极稳定导电的真空内热炼镁系统，包括原料预处理与密闭供给模块、石墨电极稳定导电模块、辐射导电协同加热模块、连续真空还原与冷凝模块、余热梯级回收模块、二氧化碳回收利用模块和智能生产控制模块。

3、原料预处理与密闭供给模块对含镁原料、还原剂和矿化剂进行煅烧、破碎、定量配料、混合、压团、干燥及预热处理，生成炼镁团料，并通过真空过渡仓、第一真空隔离阀、第二真空隔离阀和进料推送器将炼镁团料输送至真空反应罐。

4、石墨电极稳定导电模块包括石墨电极、导电夹持组件、电极密封组件、电极状态采集组件和防氧化保护组件，石墨电极包括外部导电连接段、穿罐密封段和罐内加热段。

5、石墨电极经过真空脱气、碳质浸渍、压力渗透、固化及高温碳化处理，使石墨电极内部开口孔隙被碳化填充材料封闭，穿罐密封段和罐内加热段表面形成碳化硅抗氧化保护层，外部导电连接段保留经过研磨及清洁处理的导电接触面。

6、导电夹持组件根据导电接触电阻和夹持压力调节石墨电极的夹持状态，并通过冷却通道控制导电接触区域温度，电极密封组件通过内侧真空密封件、外侧真空密封件和隔离腔形成双层密封结构，防氧化保护组件向隔离腔输入惰性保护气体。

7、石墨电极稳定导电模块根据石墨电极当前导电率、导电接触电阻、氧化质量损失比例和轴向温度差生成石墨电极稳定导电系数，并根据石墨电极稳定导电系数调节导电夹持压力、石墨电极输入电流和防氧化保护状态。

8、辐射导电协同加热模块包括外部电阻辐射加热单元、内部石墨电极导电加热单元、团料温度场采集单元、热流分布分析单元和加热功率协调单元。

9、外部电阻辐射加热单元从真空反应罐外部向炼镁团料提供辐射热，内部石墨电极导电加热单元控制成对设置的石墨电极通电，使罐内加热段产生焦耳热并向炼镁团料内部传递热量。

10、团料温度场采集单元采集炼镁团料外层温度、中心温度、轴向温度和径向温度，热流分布分析单元根据外部辐射热流密度、石墨电极输入功率、真空反应罐外壁温度和炼镁团料温度分布生成协同加热状态数据。

11、加热功率协调单元根据协同加热状态数据生成加热协同系数，并根据炼镁团料中心温度、外层温度、内部最大温度差及石墨电极稳定导电系数调节外部电阻辐射加热功率和内部石墨电极导电加热功率。

12、连续真空还原与冷凝模块包括真空反应罐特殊处理单元、分级抽真空单元、真空还原控制单元、镁蒸气定向转移单元、分级冷凝单元、密闭出镁单元和密闭出渣单元。

13、真空反应罐特殊处理单元对真空反应罐的罐体焊缝实施全熔透焊接，对罐体内壁实施真空脱气处理，并在进料接口、出渣接口、镁蒸气接口和电极安装接口设置双层密封结构及独立检漏腔。

14、分级抽真空单元通过预抽真空泵组、中真空泵组和高真空泵组分别建立初始真空环境、排出炼镁团料受热释放气体并维持还原反应阶段的目标真空压力。

15、镁蒸气定向转移单元通过设置保温加热组件的耐高温真空管路将镁蒸气输送至分级冷凝单元，分级冷凝单元通过高温导流区、中温结晶区和低温捕集区完成镁蒸气导流、金属镁结晶和残余镁蒸气捕集。

16、密闭出镁单元和密闭出渣单元分别通过真空过渡腔、内侧隔离阀、外侧隔离阀及独立抽真空接口完成金属镁和还原渣排出，使进料、还原、镁蒸气转移、冷凝、出镁和出渣过程保持连续真空环境。

17、余热梯级回收模块包括高温余热回收单元、中温余热回收单元、低温余热回收单元、热媒循环单元、热量储存单元和热量分配单元。

18、高温余热回收单元回收高温还原渣和原料煅烧尾气中的余热，中温余热回收单元回收真空反应罐外壁、镁蒸气冷凝组件和耐高温真空管路中的余热，低温余热回收单元回收真空泵排气、冷凝冷却介质回水和二氧化碳压缩设备冷却介质中的余热。

19、热量分配单元根据余热温度、余热流量、各用热位置目标温度和生产阶段生成余热分配数据，并将高温余热分配至原料煅烧及炼镁团料预热过程，将中温余热分配至团料干燥及真空进料准备过程，将低温余热分配至进料仓保温过程。

20、二氧化碳回收利用模块包括含二氧化碳气体采集单元、除尘净化单元、脱水压缩单元、二氧化碳暂存单元、还原渣预处理单元、矿化固碳单元和固碳产物检测单元。

21、含二氧化碳气体采集单元采集原料煅烧过程产生的含二氧化碳尾气，除尘净化单元和脱水压缩单元对含二氧化碳尾气进行除尘、净化、脱水及压缩处理，二氧化碳暂存单元根据矿化固碳单元的处理能力调节二氧化碳暂存量和输出流量。

22、还原渣预处理单元对还原渣进行冷却、破碎、筛分和含水率调节，生成矿化原料，矿化固碳单元将二氧化碳气体通入矿化原料，使二氧化碳与矿化原料中的含钙组分和含镁组分发生矿化反应。

23、固碳产物检测单元根据矿化处理前后的质量变化、碳酸盐含量变化及二氧化碳浓度变化确定二氧化碳矿化固定状态，并结合余热重新利用状态生成低碳资源利用系数。

24、智能生产控制模块包括生产数据采集单元、生产状态识别单元、数字化生产模型、协同控制单元、故障诊断单元、低碳评价单元和生产追溯单元。

25、生产数据采集单元采集原料状态数据、石墨电极状态数据、协同加热状态数据、真空还原状态数据、镁蒸气冷凝状态数据、余热回收状态数据和二氧化碳回收状态数据，并按照生产批次和采集时间建立生产数据序列。

26、数字化生产模型根据物料平衡、热量平衡、电能输入、真空压力变化、镁蒸气产生速率和二氧化碳流向生成预计还原完成时间、预计金属镁产量、预计单位能耗、预计余热回收量和预计二氧化碳固定量。

27、协同控制单元根据炼镁生产预测数据调节炼镁团料进料量、石墨电极输入电流、电阻炉辐射加热功率、真空泵组运行状态、镁蒸气冷凝温度、余热热媒流量和二氧化碳矿化输入量。

28、故障诊断单元根据石墨电极稳定导电系数、加热协同系数、真空连续保持系数、镁蒸气产生速率和冷凝温度识别石墨电极接触异常、石墨电极氧化异常、加热分区异常、真空泄漏异常、镁蒸气管路堵塞异常和冷凝失效异常，并生成对应控制指令。

29、本发明有益效果如下：

30、（1）利用石墨电极致密处理、表面抗氧化保护、双层真空密封及惰性气体隔离的原理，实现了石墨电极导电接触状态、氧化状态和温度状态的实时监测及闭环调节，提高了石墨电极在高温真空环境中的导电稳定性，解决了石墨电极容易氧化、接触电阻升高、接口进气和局部过热的问题。

31、（2）本发明利用外部电阻辐射加热与内部石墨电极导电加热协同供热的原理，根据炼镁团料温度场和石墨电极稳定导电状态动态分配辐射加热功率及导电加热功率，实现了炼镁团料外部辐射升温和内部焦耳热升温的协同控制，解决了单一外部加热传热路径长、团料中心升温缓慢及温度分布不均的问题。

32、（3）利用双闸门密闭进料、分级抽真空、真空过渡出镁、真空过渡出渣、余热梯级回收及二氧化碳矿化固碳的原理，实现了进料、还原、镁蒸气转移、冷凝、出镁和出渣全过程连续真空，并实现不同温度等级余热及二氧化碳资源的循环利用，解决了生产环节反复破坏真空、热能利用率低及碳排放量较高的问题。