一种飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置

1.本实用新型涉及金属提纯技术领域，具体涉及一种飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置。


背景技术：

2.金属元素在自然界中主要以氧化矿、硫化矿形式存在，一般需要通过矿物加工、火法冶金或者湿法冶金等过程不断富集纯化得到。而矿物中杂质元素非常复杂，成分及性质多样，况且有些元素因为特性相近而难以分离，因此，一般金属的材料中通常会含有多种元素及杂质成分，然而不同金属材料具有不同的特性和使用领域，杂质元素的存在会严重影响金属材料的本征特性和使用性能，同样对其合金材料也是如此。因此，金属或合金的纯化对高性能材料而言非常重要。
3.当前，金属或合金的纯化其主要技术流程为化学过程和物理过程，金属或合金材料中存在较多的杂质元素，因此往往需要多种手段和流程进行处理，造成高纯化金属或合金材料制备难度大，流程长，批量小，成本高等问题，严重限制了高纯材料技术的发展及其工业应用。
4.当前，金属或合金纯化主要有化学和物理两种方法，纯度越高需要去除的杂质元素种类越多，含量越低。然而杂质元素的特性与处理方法又各异。因此，一般高纯化金属或合金材料制备难度大，流程长，批量小，成本高等问题，严重限制了高纯材料技术的发展及其工业应用。
5.金属真空蒸馏分离是金属纯化的一种重要物理手段。其原理是依据不同成分及元素的沸点与饱和蒸气压进行分离。蒸馏方法一般包含两种条件，一是真空条件下蒸馏，先将金属熔化形成金属溶液，其次在真空作用下，将蒸馏出来的金属气体由高气压区向低气压区扩散，然后在冷却区内通过不同的冷却温度进行分离提纯；二是在常压载气条件下进行蒸馏，利用惰性或者还原性气体作为载气强化金属气液界面的蒸汽分离与排除，进而提高蒸馏效率。上述两种条件下提高蒸馏效率，主要的控制手段是提高蒸馏温度和(真空条件下)真空度和(常压)载气流量。而上述参数的提高，不仅增加了沸点相近元素(杂质)含量的提高，而且增加了能量消耗陷。
6.鉴于目前真空蒸馏法，真空度要求高，有时甚至需要超高真空多级蒸馏，过程复杂、能耗大且蒸馏周期长，效率低；而气体保护蒸馏法，要求载气流量大，温度要求高，其同样消耗大、蒸馏周期长，效率低；因此，一种蒸馏时间短，蒸馏效率高，提纯效果显著的装置亟待发明。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是提供一种飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置，以解决现有技术中存在的现有蒸馏法提纯金属或合金效率与能耗及产品中杂质含量之间“高低同步”的矛盾和冲突的问题(即蒸馏效率高，能耗与杂质含量高；反之亦然)；本实用新型提
供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果(飞液桨包括周向均匀设置的多个桨叶，飞液分流效果显著，为金属或合金溶液飞扬提供前提；桨叶顶部边沿均匀设置有多个沟槽，沟槽形成飞液分流槽，相邻沟槽间呈齿状，桨叶上边部形成分流齿条。在桨叶转动的过程中，金属或合金溶液在惯性、离心力和重力作用下经过飞液桨上部的沟槽时分散成液滴状或雾状，并在惯性和重力的作用下由下向上做抛物线运动，液滴飞扬效果显著；桨叶上部区段均匀设置有多个通槽，通槽形成飞液分流槽，液滴飞扬效果显著，飞液桨结构多样；加热炉装置包括炉体和上盖，炉体内部设置有蒸馏腔，为初级纯度的金属或合金提供蒸馏空间，上盖可拆卸盖合，便于初级纯度的金属或合金进料；炉体从外至内依次为外衬、保温层、加热丝和内衬，能够将初级纯度的金属或合金加热至熔融态；飞液桨驱动装置包括升降旋转动力组件和输出轴，升降旋转动力组件具有两个动作，其一通过输出轴驱动飞液桨转动，其二带动输出轴升降，通过飞液桨角度、进入溶液的深度及旋转速度控制溶液飞液的体量。在飞液桨旋转运动作用下，在金属熔池表面产生离心力，将溶液浅表面的少量浮渣和比重较大的杂质微粒推动至熔池周边，实现对金属溶液的不同密度微粒的重力分离；蒸馏腔室内位于飞液桨的上方设置有钟罩，在避免金属或合金溶液过度飞溅的同时，能够将钟罩内外部分未蒸馏汽化的液滴重新引流至溶液内，以便再次重复蒸馏，避免金属或合金二次熔融，减少能耗，同时避免熔融液粘接上盖，便于连续化、规模化的生产；加热炉装置设置有热电偶，用于炉内温度的检测，辅助飞液装置启闭；加热炉装置包括设置有液位测定仪，能够根据液位判断炉内金属或合金的蒸馏程度等)；详见下文阐述。
8.为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
9.本实用新型提供的一种飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置，包括加热炉装置和飞液装置，其中：所述加热炉装置内部设置有蒸馏腔；所述加热炉装置上与所述蒸馏腔连通设置有进气或真空口；所述加热炉装置上与所述蒸馏腔连通设置有冷凝出口；所述飞液装置包括飞液桨驱动装置和飞液桨，所述飞液桨驱动装置的输出端位于所述蒸馏腔内且与所述飞液桨传动相连，所述飞液桨上部区段设置有飞液分流槽，所述飞液桨驱动装置能驱动所述飞液桨转动，金属或合金溶液经所述飞液分流槽分化为液滴或者雾滴，并在所述蒸馏腔内做抛物线运动，以增大气液蒸馏界面和时间。
10.优选地，所述飞液桨包括桨叶，所述桨叶的数量为偶数且至少设置为两个，所有所述桨叶周向均匀设置。
11.优选地，所述桨叶上均匀设置有多个沟槽，相邻所述沟槽呈齿状位于所述桨叶上部，所述沟槽形成所述飞液分流槽。
12.优选地，所述桨叶的上部区段的叶面上均匀设置有多个通槽，所述通槽形成所述飞液分流槽。
13.优选地，所述加热炉装置包括炉体和上盖，其中：所述蒸馏腔设置在所述炉体内；所述炉体顶侧开口，所述上盖可拆卸盖合设置在所述炉体顶部。
14.优选地，所述炉体从外至内依次设置有外衬、保温层、加热丝和内衬。
15.优选地，所述飞液桨驱动装置包括升降旋转动力组件和输出轴，其中：所述升降旋转动力组件位于所述加热炉装置的顶部；所述输出轴的输入端与所述升降旋转动力组件传动相连，所述输出轴的输出端插入至所述蒸馏腔内且与所述飞液桨连接。
16.优选地，所述蒸馏腔内位于所述飞液桨的上侧设置有钟罩；所述钟罩的口径沿远
离所述飞液桨方向逐减。
17.优选地，所述加热炉装置上设置有热电偶。
18.优选地，所述加热炉装置上设置有液位测定仪。
19.本实用新型提供的一种飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置至少具有以下有益效果：
20.所述飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置包括加热炉装置和飞液装置，所述加热炉装置内部设置有蒸馏腔，所述加热炉装置上与所述蒸馏腔连通设置有进气或真空口，所述加热炉装置上与所述蒸馏腔连通设置有冷凝出口，加热炉装置能够将金属或合金加热至熔融态，进气或真空口用于抽真空或者充入惰性气体保护，冷凝出口用于导出蒸馏的气态金属或合金，从而实现金属或合金的提纯。
21.所述飞液装置包括飞液桨驱动装置和飞液桨，所述飞液桨驱动装置的输出端位于所述蒸馏腔内且与所述飞液桨传动相连，所述飞液桨的上部区段设置有飞液分流槽，飞液桨驱动装置为动力件，为飞液桨的转动提供动力，飞液桨在转动的过程中，金属或合金溶液经过飞液分流槽，在惯性、离心力和重力的作用下由下向上做抛物线运动，从而形成溶液飞扬，液滴在悬浮的过程中，具有更大的气液界面和蒸馏效率。
22.由于金属或者合金元素的分离，不仅与金属或者合金杂质元素的饱和蒸气压、真空度和载气流速有关，更与金属或者合金蒸馏时的气液界面面积相关，因其蒸馏时气液界面面积越大，蒸馏周期越短，效率越高。
23.本实用新型利用金属中不同杂质元素的沸点和饱和蒸气压的不同，将熔融态金属采用液滴化和/或雾化技术，在不增加温度、真空度的条件下显著提高蒸馏时的气液界面面积，不仅显著提高金属蒸馏分离效率，而且有效降低了沸点相近杂质元素的污染，提高了蒸馏纯度。具有蒸馏周期短、蒸馏效率高、过程控制程度高、能耗低、杂质影响小及蒸馏率高等优点。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1和图2是本实用新型结构示意图；
26.图3是图1的局部放大图；
27.图4是本实用新型实施例2结构示意图；
28.图5是图4的局部放大图。
29.附图标记
30.1、加热炉装置；11、蒸馏腔；12、进气或真空口；13、冷凝出口；14、出气口；15、炉体；151、内衬；152、加热丝；153、保温层；154、外衬；16、上盖；2、飞液装置；21、飞液桨驱动装置；211、升降旋转动力组件；212、输出轴；22、飞液桨；221、桨叶；222、沟槽；223、通槽；3、钟罩；4、热电偶；5、液位测定仪。
具体实施方式
31.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
32.实施例1：
33.本实用新型提供了一种飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置，如图1-图3所示，所述飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置包括加热炉装置1和飞液装置2。
34.加热炉装置1内部设置有蒸馏腔11；加热炉装置1上与蒸馏腔11连通设置有进气或真空口12，进气或真空口12用于抽真空和补充惰性气体；加热炉装置1上与蒸馏腔11连通设置有冷凝出口13，冷凝出口13连接冷凝室。
35.飞液装置2包括飞液桨驱动装置21和飞液桨22，飞液桨驱动装置21的输出端位于蒸馏腔11内且与飞液桨22传动相连，飞液桨22上部区段设置有飞液分流槽。
36.提纯时，向蒸馏腔11内部添加初级纯度的金属或合金，加热炉装置1将蒸馏腔11内部初级纯度的金属或合金加热至熔融态，并对熔池进行保温，飞液桨驱动装置21启动，将驱动飞液桨22下降至液面以下位置，然后驱动飞液桨转动，金属或合金容溶液经所述飞液分流槽后，由下向上做抛物线运动，雾化飞扬，汽化后的金属或合金气体经冷凝出口13排出，并进入制所述冷凝室内冷凝，得到高纯金属或合金。
37.在上述过程中，通过飞液桨22将熔融态金属或合金溶液原位飞扬雾化，可显著增大气液蒸馏界面，缩短蒸馏时间，提高蒸馏效率；
38.通过控制飞液桨22转速、飞液桨22形状、角度及所述飞液分流槽槽径等参数控制液滴数量、大小及空间悬浮时间等，调整蒸馏效率，工艺可控程度高，参数精确性好。
39.通过金属熔化、熔池保温、溶液飞扬雾化一体设计，将熔融态金属或合金溶液原位飞扬雾化，液滴从液体表面向上做抛物线运动，在悬浮期间强化蒸馏过程，未蒸馏部分最后再返回熔池，避免反复熔化，能耗低。
40.通过飞液桨22在熔池浅表面旋转的作用下，所产生的离心力将熔池浅表面有限浮渣或大密度微粒杂质推向熔池边沿，避免了其对金属溶液表面的覆盖和反复污染。
41.传统蒸馏方法随着蒸馏过程的持续，随着蒸馏过程的进行，熔池中的杂质和表面浮渣不断富集，致使蒸馏效率逐步下降，采用飞液桨22飞扬雾化的方式，能够有效破解熔池表面浮渣对蒸馏效率的影响，增加了熔池内部金属或合金进一步蒸馏的机会，从而提高了金属蒸馏率。
42.本实用新型具有蒸馏效率高、过程控制程度高、能耗低、杂质影响小、蒸馏率高等优点。
43.作为可选地实施方式，如图1所示，飞液桨22包括桨叶221，桨叶221的数量为偶数且至少设置为两个，所有桨叶221周向均匀设置。
44.作为可选地实施方式，如图3所示，桨叶221的顶部边沿均匀设置有多个沟槽222，桨叶221的上沿相邻沟槽222之间的区段呈齿状，沟槽222形成所述飞液分流槽；该结构的飞液桨22为分流齿条飞液桨。
45.作为可选地实施方式，如图1所示，加热炉装置1包括炉体15和上盖16。
46.蒸馏腔11设置在炉体15内；炉体15顶侧开口，上盖16可拆卸盖合设置在炉体15顶部。
47.添加待提纯金属或合金时，打开上盖16，沿所述开口将初级纯度的金属或合金添加至蒸馏腔11内。
48.提纯时，盖合上盖16，密封炉体15，保证蒸馏腔11内部的密封性。
49.作为可选地实施方式，如图2所示，炉体15从外至内依次设置有外衬154、保温层153、加热丝152和内衬151。
50.外衬154采用不锈钢材质。
51.内衬151为氧化铝、氮化硼或其他陶瓷坩埚。
52.作为可选地实施方式，如图2所示，飞液桨驱动装置21包括升降旋转动力组件211和输出轴212，升降旋转动力组件211位于加热炉装置1的顶部；输出轴212的输入端与升降旋转动力组件211传动相连，输出轴212的输出端插入至蒸馏腔11内且与飞液桨22连接。
53.可选地，飞液装置2采用现有升降搅拌机，升降搅拌机能够实现升降和旋转两个动作；其升降旋转动力组件211包括升降驱动构件和旋转驱动构件，所述升降驱动构件采用升降电机和丝杆螺母机构，所述升降电机通过所述丝杆螺母机构带动所述旋转驱动构件升降，所述旋转驱动构件设置为旋转电机，所述旋转电机与输出轴212的输入端传动相连，在实际提纯的过程中，所述升降驱动构件带动所述旋转驱动构件、输出轴212和飞液桨22同步升降，所述旋转驱动构件通过输出轴212驱动飞液桨22转动。
54.作为可选地实施方式，如图2所示，蒸馏腔11内位于飞液桨22的上侧设置有钟罩3。
55.钟罩3的口径沿远离飞液桨22方向逐减，钟罩3呈圆台状，一方面飞扬的金属或合金液滴能够沿钟罩3的罩壁重新回落至熔池内，避免再次熔融，能耗低，另一方面能够避免金属或合金溶液过度飞溅，增强设备使用安全性，同时有效避免金属及溶液粘连上盖16，能够实现连续化、规模化生产。
56.作为可选地实施方式，如图2所示，加热炉装置1上设置有热电偶4，热电偶4能够检测蒸馏腔11内的温度，从而辅助加热炉装置1及飞液装置2的启闭。
57.作为可选地实施方式，如图2所示，加热炉装置1上设置有液位测定仪5，液位测定仪5能够测量蒸馏腔11内的溶液液位，通过测量液位，间接确定金属或合金的熔融程度。
58.实施例2：
59.实施例2与实施例1的不同点在于：
60.如图4和图5所示，桨叶221的上部区段均匀设置有多个通槽223，通槽223形成所述飞液分流槽；该结构飞液桨22为多孔板飞液桨。
61.采用所述飞液桨原位雾化强化金属或合金蒸馏的装置提纯金属或合金的方法包括如下步骤：
62.步骤i：将称重后初级纯度的金属或合金放置于蒸馏腔11内，根据需要从进气或真空口12抽真空(真空度一般为10-2
～10-3
pa)或者充惰性气体保护，当达到所需的压力时，启动加热炉装置1，设置温度至金属或合金熔点以上温度，加热熔化。
63.步骤ii：必要时可以增加合金剂，使部分杂质合金化上浮或者沉淀分离。
64.步骤iii：根据质量计算加入至蒸馏腔11内金属或合金的液位，再根据液位测定仪5判断金属或合金是否完全熔化。
65.当液位表示金属或合金全熔化后，飞液桨驱动装置21带动飞液桨22下降，并伸入至金属或合金溶液表面以下，再将热电偶4的温度值设置在炉内压力下金属或合金的沸点温度以上。
66.步骤iv：当热电偶4的温度达到沸点温度时，飞液桨驱动装置21驱动飞液桨22转动，根据需要设置转速(0～500rad/s)，旋转的飞液桨22使熔池上表面的金属或合金溶液飞扬液滴化或雾化。
67.步骤v：金属或合金液滴在悬浮的过程中，具有更大的气液表面，同时低沸点和高饱和蒸气压物质向外扩散并汽化成气态金属或合金；其中的非汽化或者升华物则随着液滴向下沉降，再次返回熔池之中。
68.步骤vi：汽化金属或合金由于密度小，向上流动，经冷凝出口13进入冷凝室，经过冷却结晶，得到纯化金属或合金。
69.步骤vi：最终，当液位测定仪5数值几乎无变化时，证明该沸点的金属或合金纯化结束。
70.步骤vii：重复上述步骤，实现具有低沸点高饱和蒸气压金属或合金的纯化。
71.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
72.此外，在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
73.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。