УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО РАСПЛАВА ПЛАЗМЕННЫМ НАГРЕВОМ
PLANT FOR OBTAINING MINERAL FUSION BY PLASMA HEATING

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано для получения тугоплавких минеральных расплавов методом плазменной технологии в производстве волокон, обладающих тепло- и звукоизоляционными свойствами, в частности в производстве стеклянной ваты.
Плазменные технологии и установки находят широкое применение в стройиндустрии. Их применение в производстве минеральных волокон обусловлено рядом преимуществ в сравнении с традиционными технологиями, когда расплав осуществляют в традиционных плавильных агрегатах (вагранках, электроплавильных печах). К таким преимуществам следует отнести снижение энергозатрат и времени на расплав шихты в сравнении с традиционными технологиями, более полное использование затрачиваемой энергии.
Известна установка для получения минеральных тугоплавких расплавов супертонкого, преимущественно, базальтового волокна по патенту РФ на изобретение №2214371, МПК С03В 37/06, которая содержит приемник тугоплавких минеральных расплавов в виде воронки-стабилизатора. Воронка-стабилизатор соединена с вершиной пирамидального реактора с конической рабочей полостью, которая сообщается посредством сквозных каналов с секциями плазмотрона. Каждая секция плазмотрона выполнена в виде плазменной горелки, подключенной под избыточным давлением к источнику газообразного энергоносителя. Основание пирамидального реактора соединено с водоохлаждаемым проставком, имеющим полую рубашку, соединенную с источником подачи воды, и огнеупорную облицовку, образующую вертикальный подающий канал. Вертикальный подающий канал соединен с верхней зоной диффузора дутьевой головки. Дутьевая головка имеет в зоне вытяжки волокна диффузора тангенциальные сопла, подключенные через кольцевой раздаточный коллектор к трубопроводу подачи под давлением горячего газообразного энергоносителя. В коническую рабочую полость реактора через воронку-стабилизатор струя расплава поступает из плавильной печи. Здесь она нагревается под воздействием струй высокотемпературной плазмы. Нагретая до температуры вытяжки супертонкого волокна струя расплава поступает в расположенную ниже зону вытяжки диффузора, где под действием нагретого газообразного энергоносителя диспергируется на несвязанные между собой частицы, которые вытягиваются в супертонкое волокно. Хотя энергии на расплав расходуется меньше, чем при ваграночном или электротермическом методах, энергозатраты на расплав минерального материала с применением этой установки остаются высокими.
Известны установки для получения минеральных волокон плазменным нагревом, в которых подача дисперсного минерального материала осуществляется в плазменный реактор, являющийся одновременно плавильным агрегатом и устройством для раздува или перелива расплава в приемосборник. Устройство, реализующее способ получения минерального волокна плазменным нагревом по патенту РФ на изобретение №2060977, МПК С03В 37/04, содержит цилиндрический открытый сосуд (реактор), выполненный с возможностью вращения со скоростью не менее 4500-5000 об/мин, плазмотрон и устройство дозированной подачи шихты. Температура внутренней поверхности реактора превышает температуру плавления материала на 300-600°С. Процесс стекловарения в этом известном устройстве происходит в тонком слое расплава, движущегося в поле центробежной силы по внутренним стенкам реактора. Недостатком этого известного устройства является малая производительность, низкая безопасность. Установка для получения минеральной ваты по патенту РФ на изобретение №2270810, МПК С03В 37/06 содержит совмещенный плазменный реактор, который включает стержневой катод и цилиндрический графитовый анод. Последний одновременно служит тигелем при расплаве шихты. В нижней части реактора выполнен лоток для вытекания расплава. Снаружи реактора, в его средней части, установлена электромагнитная катушка, которая создает магнитное поле для вращения электрической дуги в поперечном сечении камеры реактора. Установка позволяет добиться равномерного профиля температур от 1400 до 1600 К и сократить время получения расплава. Недостатками являются повышенные энергозатраты.
Наиболее близкой к заявляемой установке является установка для получения минерального волокна патенту РФ на изобретение №2021217, МПК С03В 37/06, которая принята за прототип. Установка содержит соединенные в один узел электродуговой плазмотрон и плазменный реактор прямоугольного сечения с отверстием в верхней части для ввода сырья в виде порошка или штапика и отверстием в нижней части для выхода волокна и плазменной струи. Одна из стенок плазменного реактора в нижней части имеет наклонную площадку и выполнена с возможностью перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси реактора. При этом отверстие для ввода сырья расположено в вертикальной верхней части этой стенки, а отверстие для выхода волокна и плазменной струи образовано наклонной площадкой и стенками плазменного реактора. На внутренних поверхностях стенок реактора, кроме стенки с наклонной площадкой, имеется несквозная перфорация. В стенках плазменного реактора выполнены каналы для протекания охлаждающей жидкости. От взаимодействия плазменной струи с отверстиями несквозной перфорации образуются акустические колебания, которые обуславливают выравнивание температурного и скоростного распределения плазменной струи по сечению реактора. Плазменная струя прижимает поступившее во внутреннюю полость сырье к наклонной площадке и расплавляет его. Расплавленная масса под действием силы тяжести и плазменной струи стекает по наклонной площадке. Улучшение качества получаемого волокна происходит за счет выравнивания температурного и скоростного распределения плазменной струи по сечению реактора. Поскольку порошок сырья вводится непосредственно в струю плазмы, из-за высокой скорости потока плазмы частицы порошка не успевают проникнуть в центральные высокотемпературные области плазменной струи. Захват частиц порошка периферийной областью плазменной струи приводит к недостаточному прогреву и неравномерному прижатию сырья к наклонной площадке. Неравномерность прогрева ухудшает качество получаемых волокон. Предусмотренная устройством регулировка скорости плазменной струи путем перемещения стенки с наклонной площадкой либо в глубину плазменного реактора, либо обратно, усложняет конструкцию установки и сам процесс расплава.
Задача изобретения - упростить установку для получения минерального расплава плазменным нагревом и при низких энергозатратах обеспечить равномерный прогрев сырья для получения качественного минерального волокна.
Технический результат заключается в увеличении времени воздействия плазменной струи на минеральное сырье и обеспечении равномерной достаточной вязкости расплава на всем пути до вытягивания волокон.
Технический результат достигается следующим образом. Установка для получения минеральных волокон, содержащая, как и прототип, соединенные в один узел электродуговой плазмотрон и плазменный реактор с отверстием в верхней части корпуса для ввода внутрь реактора порошкообразного сырья и отверстием в нижней части для выхода расплава и плазменной струи, при этом в стенке корпуса плазменного реактора выполнен водоохлаждающий канал, в отличие от прототипа согласно изобретению дополнительно содержит устройство для подачи порошкообразного сырья и воздуха, закрепленное под плазмотроном на корпусе плазменного реактора, и модуль дополнительного расплава с выпускной леткой в боковой его части, установленный под плазменным реактором, в дно модуля вмонтирован электрод, который соединен с положительным полюсом источника постоянного тока и является анодом плазмотрона, а катод плазмотрона соединен с отрицательным полюсом источника постоянного тока, при этом устройство для подачи порошкообразного сырья и воздуха выполнено в форме улитки, а его спиралевидный канал состыкован с отверстием на корпусе реактора, кроме этого плазменный реактор выполнен круглым в сечении, а водоохлаждающий канал - кольцевым.
Модуль дополнительного расплава выполнен из огнеупорного материала и снабжен вертикальной поперечной перегородкой с отверстием в нижней ее части.
Таким образом, отличительными признаками заявляемой установки от прототипа, подтверждающими новизну устройства, заявляемого в качестве изобретения, являются следующие:
- имеется дополнительное устройство для подачи порошкообразного сырья и воздуха, закрепленное под плазмотроном на корпусе плазменного реактора;
- оно выполнено в форме улитки, спиралевидный канал которой состыкован с отверстием на корпусе реактора;
- под плазменным реактором установлен модуль дополнительно расплава с выпускной леткой в боковой его части;
- в дно модуля вмонтирован электрод, который соединен с положительным полюсом источника постоянного тока и является анодом плазмотрона, а корпус плазмотрона соединен с отрицательным полюсом источника постоянного тока;
- модуль расплава выполнен из огнеупорного материала;
- модуль снабжен вертикальной поперечной перегородкой с отверстием в ее нижней части;
- плазменный реактор выполнен круглым в сечении;
- водоохлаждающий канал выполнен кольцевым.
При подаче напряжения на электроды плазмотрона плазмообразующий газ инициируется в плазменную дугу. Порошок исходного сырья, поступающий с воздухом в устройство, имеющее форму улитки, закручивается в спиралевидном канале и, поступая внутрь плазменного реактора, по инерции продолжает крутиться в потоке плазмы. В результате такого кручения он дольше находится в потоке плазмы и под действием высокой температуры равномерно прогревается, расплавляется и небольшими порциями стекает в модуль дополнительного расплава. При отекании на дно модуля расплав постепенно нарастает и образует электропроводящую массу, температура которой не снижается за счет протекающего по ней тока. Таким образом, создается равномерная и достаточная вязкость расплава без привлечения дополнительной энергии.
Изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку оно явным образом не следует из уровня техники.
Во-первых, предложенная совокупность отличительных признаков не выявлена из уровня техники. Во-вторых, предложен новый путь решения поставленной задачи, не известный из уровня техники. В устройстве по патенту №2060977 для получения высококачественных волокон добиваются тонкого слоя расплава, движущегося в поле центробежной силы по внутренним стенкам реактора. Для получения качественного минерального волокна в прототипе (патент №2021217) за счет акустических колебаний выравнивают температуру и скорость распределения плазменной струи по сечению реактора. В установке по патенту №2270810 добиваются равномерного профиля температур за счет вращения электрической дуги в поперечном сечении камеры реактора в магнитном поле, создаваемым электромагнитной катушкой, установленной снаружи реактора. В обоих случаях воздействию подвергают непосредственно плазменную струю. В заявляемом устройстве равномерный прогрев дисперсного материала получают путем увеличения времени его пребывания в плазменном потоке.
На фиг.1 показан общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 - сечение А-А.
Установка содержит плазмотрон 1, состыкованный с ним плазменный реактор 2 круглого сечения, устройство для подачи порошкообразного сырья и воздуха 3, установленное на корпусе плазменного реактора 2 под плазмотроном 1, и модуль дополнительного расплава 4 с выпускной леткой 5. Устройство для подачи порошкообразного сырья и воздуха 3 выполнено в виде улитки со спиралевидным каналом. Корпус плазменного реактора выполнен полым с образованием кольцевого канала 6, в который через патрубок 7 подается охлаждающая реактор вода, а через патрубок 8 отводится отработанная. В дно модуля 4 вмонтирован электрод 9 из графита, подключенный к положительному полюсу источника постоянного тока (не показан). Катод плазмотрона 1 соединен с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока. Между анодом и катодом образуется плазменная дуга 10. Позицией 11 на фиг. 1 показано закрученное внутри плазменного реактора поступающее для расплава сырье. Перегородка 12 имеет отверстие 13 и делит модуль на две зоны: большую - зону варки 14 и меньшую - зону выработки расплава 15. Модуль и перегородка выполнены из огнеупорного материала.
Заявляемая установка соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку она может быть многократно реализована с достижением указанного технического результата.
Работа установки заключается в следующем. На электроды подается напряжение. Между катодом и анодом в процессе розжига образуется плазменная дуга. Чтобы избежать перегрева стенок плазменного реактора в кольцевой канал 6 подается вода. Внутрь плазменного реактора 2 с помощью воздуха через устройство 3 подают порошок тугоплавкого минерального материала. Пройдя по спиралевидному каналу, порошок закручивается и, попадая внутрь плазменного реактора 2, продолжает крутиться в потоке плазмы 10. Во время кручения он равномерно прогревается, расплавляется и стекает в модуль 4. Расплав, который скапливается в модуле, не только не остывает, но и подвергается, дополнительному совместному нагреву: плазменной дугой 10 и джоулеву нагреву вследствие электропроводности расплава. Самая высокая температура расплава достигается в зоне выработки 15, поэтому в случае попадания непроплавленных частиц на поверхность расплава в зону варки 14 они доплавляются в этой зоне. Через отверстие в перегородке 13 расплав перетекает в зону выработки 15. Выход расплава осуществляется через выпускную летку 5.