ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТУГОПЛАВКИХ СИЛИКАТСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области плазменных технологий и может быть использована в производстве строительных материалов из тугоплавкого силикатного сырья, а более конкретно для получения расплавов для изготовления минеральных волокон и нанопорошков, которые могут быть использованы, например, в качестве модифицирующих добавок для строительных материалов.
Из уровня техники известна установка для получения минеральной ваты (RU 2270810, С03В 37/06, опубл. 27.02.2006), которая используется для переработки золошлаковых отходов тепловых электрических станций в минеральную вату с применением плазменной технологии. Установка содержит совмещенный плазменный реактор с графитовыми анодом и катодом. Анод выполнен цилиндрическим и является тиглем для расплава золы. Для формирования в поперечном сечении камеры реактора вращающейся электрической дуги снаружи реактора в его средней части установлена электромагнитная катушка. Внизу под плазменным реактором расположен узел раздува ваты, вытекающей из реактора по лотку. Установка содержит также камеру осаждения волокна. Эта конструкция обеспечивает процесс плавления золошлаковых отходов и процесс выработки волокон в одну стадию, а также позволяет получить равномерный полный профиль температур 1400-1600 К за счет формирования в поперечном сечении камеры вращающейся электрической дуги. В результате непосредственного воздействия на плазменную струю повышается степень термической переработки золошлаковых отходов, сокращается время получения расплава. Однако использование цилиндрического графитового анода снижает качество расплава и получаемых из него минеральных волокон за счет «загрязнения» расплава графитированной массой.
Также известна установка для получения минерального расплава плазменным нагревом (RU 2355651, С03В 37/04, опубл. 20.05.2009), содержащая плазмотрон, состыкованный с ним в один узел плазменный реактор круглого сечения, устройство для подачи смеси из порошкообразного сырья и воздуха и модуль дополнительного расплава (плавильную печь) с выпускной леткой (сливным желобом) в боковой его части, установленный под плазменным реактором. Корпус плазменного реактора выполнен полым, образуя кольцевой канал для подачи воды, охлаждающей реактор. В процессе работы плазмотрона расплавленные частицы осаждаются на стенке водоохлаждаемого плазменного реактора, образовывая гарнисажный слой, который, обладая низкой теплопроводностью, защищает стенки реактора от разрушения. Устройство для подачи порошкообразного сырья и воздуха выполнено в виде улитки со спиралевидным каналом и закреплено под плазмотроном на корпусе плазменного реактора. Спиралевидный канал состыкован с отверстием на корпусе реактора. Катод плазмотрона соединен с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока, а в дно модуля дополнительного расплава вмонтирован графитовый анод. В модуле имеется перегородка, которая делит модуль на две зоны: большую - зону варки и меньшую - зону выработки расплава. Модуль и перегородка выполнены из огнеупорного материала. Равномерность прогрева расплава достигается благодаря закрученности поступающего потока сырья, которая увеличивает время его нахождения в потоке плазмы, и совместному нагреву сырья плазменной дугой и джоулевым нагревом за счет электропроводности расплава, который скапливается в модуле.
Недостатком данной установки является то, что в процессе ее работы стенки огнеупоров изнашиваются и требуют ремонта, что требует остановки процесса плавления и последующего ее ремонта. Кроме того, закрученное порошковое сырье подается сверху в плазменный реактор непосредственно в плазменную струю. В этом случае существует вероятность выдувания мелкодисперсных частиц потоком низкотемпературной плазмы и их недоплава, что также является недостатком.
Наиболее близкой по технической сущности является плазменная установка для получения тугоплавкого силикатного расплава (RU 2503628 С1, С03В 37/04, опубл. 10.01.2014). Установка содержит плазмотрон, снизу которого установлена плавильная печь, которая может быть выполнена любого сечения, например круглого. Корпус плавильной печи выполнен полымии с образованием водоохлаждающего канала. В верхней боковой части плавильной печи закреплен сливной желоб для выхода расплава. На дне плавильной печи вмонтирован графитовый анод. На противоположной сливному желобу боковой поверхности корпуса плавильной печи закреплено устройство для подачи порошкообразного сырья. Устройство для подачи порошкообразного сырья выполнено в виде шнекового питателя. Шнековый питатель соединен непосредственно с зоной плавления плавильной печи, а также с загрузочным бункером и электроприводом. Как правило, плазмотрон установлен в крышке печи через изоляцию. Установка RU 2503628 относительно проста в конструктивном исполнении, однако имеет существенный недостаток. Во время работы установки, под действием конвективных потоков и лучистой энергии диэлектрический материал, который служит изолятором плазмотрона в крышке печи, разрушается и покрывается электропроводным слоем углерода, в результате чего между катодом и анодом возникает пробой. Пробой нарушает режим работы установки и опасен для работы электродов, в результате чего надежность и срок службы установки снижается. Кроме того, в установке по прототипу зона плавления занимает практически весь объем печи, и расплав выводится через сливной желоб в ее верхней части. В таком исполнении установка позволяет получать только расплавы.
Полезная модель направлена на решение технической проблемы, которая заключается в повышении надежности и срока службы плазменной установки за счет снижения воздействия высокой энергии и температуры на изолятор, в результате чего он не выгорает, и одновременно на расширение области применения установки.
Техническая проблема решается следующим образом.
Плазменная установка для переработки тугоплавких силикатсодержащих материалов, как и прототип, содержит плазмотрон, установленный через изолятор в крышке печи, и плавильную печь с металлическим корпусом, который выполнен полым с образованием водоохлаждающего канала. В боковой части, как и в прототипе, имеется сливной желоб для выхода расплава. На противоположной сливному желобу боковой поверхности корпуса плавильной печи закреплено устройство для подачи порошкообразного сырья. Устройство для подачи порошкообразного сырья выполнено в виде шнекового питателя, соединенного непосредственно с зоной плавления плавильной печи, загрузочным бункером и электроприводом. На дне плавильной печи установлен графитовый анод.
В отличие от прототипа заявляемая плазменная установка дополнительно содержит защитный экран, выполненный в виде металлической шайбы, закрепленной перпендикулярно на корпусе плазмотрона под крышкой плавильной печи. Диаметр металлической шайбы превышает диаметр изолятора плазмотрона не менее чем в 1,5 раза. Защитный экран установлен с возможностью непрерывного охлаждения воздухом, для подачи которого в изоляторе выполнен дополнительный канал. Сливной желоб для выхода расплава в заявляемой установке, в отличие от прототипа, расположен в средней части плавильной печи, а в верхней части плавильной печи над зоной плавления дополнительно закреплен патрубок для вывода наночастиц.
Воздухоохлаждаемый защитный экран создает препятствие для лучистой энергии и конвективных потоков, поступающих снизу и содержащих проводящие частицы графита. Экспериментально установлено, что при диаметре экрана, равном или превышающим в 1,5 раза диаметр изолятора плазмотрона, защитный экран предотвращает выгорание и разрушение изолятора и исключает пробой между катодом и анодом. Повышается надежность и срок службы плазменной установки. Расположение зоны плавления со сливным желобом в средней части плавильной печи и наличие в верхней части свободной зоны способствуют образованию наночастиц в результате испарения и сублимации материала.
На фиг. 1 представлен общий вид заявленного устройства. На фиг. 2, 3 отдельно изображена схема установки защитного экрана, фронтальный вид и вид снизу соответственно.
Плазменная установка состоит из дугового плазмотрона 1, защитного экрана 2, который выполнен в виде металлической шайбы, изолятора 3, водоохлаждаемой крышки 4, изолятора крышки 6, устройства подачи сырья 8, водоохлаждаемого металлического корпуса 10, графитового анода 12. Силикатный расплав обозначен позицией 7, плазменный поток 11, тигель для сбора расплава 9, патрубок для вывода наночастиц 5. Диаметр металлической шайбы 2 превышает диаметр изолятора минимум в 1,5 раза.
Устройство работает следующим образом.
Предварительно объем плавильной печи заполняют тугоплавким силикатным сырьем. В крышку 4 и корпус 10 подают воду. Затем инициируют плазменный поток при помощи плазмотрона 1. Под действием высокой температуры (порядка 3000-5000°С) сырье начинает плавиться. После того как весь объем загруженного сырья перейдет в фазу расплава 7, с помощью устройства подачи сырья 8 в печь подают дополнительный объем порошкообразного сырья, которое смешивается с расплавом и равномерно расплавляются в нем. Как только расплав в печи достигает уровня сливного желоба, он вытекает в собирающий тигель 9. При этом под действием процессов испарения и сублимации в печи также образуются наночастицы кремнезема, которые в газовой фазе следуют в устройство сбора через патрубок 5.