ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ГАЗОВОЙ АЗОТ-КИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ДЛЯ ТРЕХСТРУЙНОГО ПРЯМОТОЧНОГО ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО РЕАКТОРА

Полезная модель относится к электротермическому оборудованию, используемому для реализации нанотехнологии в металлургии и химических производствах, а именно, к усовершенствованию конструкции электродугового подогревателя смеси азота и кислорода, содержащей до 1,5% об. кислорода (т.н. «технического» азота) для трехструйного прямоточного химико-металлургического реактора.
Область применения предлагаемой конструкции электродугового подогревателя - в качестве основного оборудования, генерирующего высокотемпературный поток азота в составе трехструйного прямоточного химико-металлургического реактора для получения нанодисперсных порошков металлов, тугоплавких соединений, их композиций и других материалов.
Известна конструкция электродугового подогревателя азота [1, с.80, рис.3а], который состоит из водоохлаждаемого медного катода с вольфрамовой стержневой вставкой, выступающей из катода, завихрителя-изолятора для ввода рабочего газа (азота) и водоохлаждаемого медного анода. Недостатком конструкции является отсутствие устройств для обеспечения промышленно приемлемого ресурса работы катода и анода при нагреве кислородсодержащего азота. Предлагаемый в [1, с.80] многопозиционный катодный узел сложен в техническом исполнении, нетехнологичен в работе, в связи с чем не нашел практического применения.
Из известных наиболее близкой к предлагаемой по конструктивному исполнению является конструкция электродугового подогревателя кислородсодержащего азота [2, с.8], который состоит из водоохлаждаемого медного катода с вольфрамовой стержневой вставкой, выступающей из катода, завихрителя-изолятора для ввода инертного газа (аргона) для защиты вольфрамовой стержневой вставки от окисления, завихрителя-изолятора для ввода рабочего газа (кислородсодержащего азота), водоохлаждаемого медного анода с установленным на нем соленоидом для дополнительной подкрутки опорного конца электрической дуги с целью снижения скорости эрозии анода и обеспечения равномерности его эрозии по внутренней поверхности. Такая конструкция электродугового подогревателя обеспечивает возможность нагрева кислородсодержащего азота при приемлемых для промышленных условий ресурсах работы катода и анода. Наряду с этим такая конструкция имеет ряд существенных недостатков: 1) необходимость использования катода с вольфрамовой стержневой вставкой, выступающей из катода, наиболее устойчиво работающего в условиях защиты инертным газом, но имеющего большую поверхность окисления вольфрамовой вставки; 2) необходимость использования наряду с газом - теплоносителем (технический азот) инертного газа, обычно аргона, что усложняет систему газообеспечения трехструйного реактора; 3) реализация защитных свойств инертного газа (аргона) только по отношению к одному электроду - катоду; 4) необходимость использования предварительно подготовленного (осушенного) инертного газа (аргона); 5) необходимость усиления газовихревой стабилизации электрической дуги магнитной для снижения эрозии анода, что делает невозможным установку такого электродугового подогревателя с соленоидом на аноде в камере смешения трехструйного реактора по габаритным параметрам; 6) реализация отмеченных конструктивных особенностей обусловливает необходимость исполнения электродугового подогревателя с двумя завихрителями-изоляторами, что создает определенные трудности при поджиге дуги и регулировании межэлектродного расстояния.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции электродугового подогревателя газовой азотно-кислородной смеси для трехструйного прямоточного химико-металлургического реактора, направленное на улучшение конструкции катодного и анодного узлов и повышения эффективности их защиты от эрозии.
Технический результат достигается тем, что в электродуговом подогревателе газовой азот-кислородной смеси для трехструйного прямоточного химико-металлургического реактора, включающем водоохлаждаемый медный катод с вольфрамовой стержневой вставкой, завихрители-изоляторы для ввода защитного и рабочего газов и водоохлаждаемый медный анод, вольфрамовая стержневая вставка запрессована в катод вровень с его поверхностью, а завихрители-изоляторы объединены в один для ввода азот-кислородной смеси (рабочего газа) и метана (защитного газа) для связывания кислорода в монооксид углерода.
Электродуговой подогреватель газовой азот-кислородной смеси представлен на чертеже. Электродуговой подогреватель состоит из медного катода 1 с запрессованной в него вровень с его поверхностью вольфрамовой стержневой вставкой 2, рубашки водяного охлаждения катода 3, завихрителя-изолятора 4 для ввода азотно-кислородной смеси (рабочий газ) и метана (защитный газ), медного анода 5 и рубашки его водяного охлаждения 6. Во время работы между катодом и анодом устойчиво горит электрическая дуга 7.
Электродуговой подогреватель работает следующим образом. Через завихритель-изолятор 4 в него тангенциально вводится кислородсодержащий азот и метан. Поджиг электрической дуги осуществляется пробоем промежутка между катодом 1 и анодом 5 высоковольтным импульсом. Электрическая дуга 7 вытягивается в анод 5 и стабилизируется на оси электродугового подогревателя закрученным потоком азота.
Результаты применения предлагаемой конструкции электродугового подогревателя газовой азот-кислородной смеси при внесенных в него конструктивных изменениях представлены в таблице. Удельная эрозия электродов определялась экспериментально по изменению их массы во времени при заданном значении тока электрической дуги. Ресурс работы электродов определялся расчетным методом по величине удельной эрозии в соответствии с рекомендациями, изложенными в [3, с.90]. Анализ приведенных в таблице результатов показывает, что предлагаемая конструкция электродугового подогревателя газовой азот-кислородной смеси, соответствующей по составу используемому в производственных условиях в плазменных химико-металлургических реакторах техническому азоту, обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
- более рациональное исполнение катода и завихрителя-изолятора для рабочего и защитного газов;
- возможность установки электродугового подогревателя в камере смешения трехструйного прямоточного реактора без изменения его геометрических и теплотехнических характеристик;
- снижение удельной эрозии катода в 15, анода в 10 раз;
- повышение ресурса работы катода и анода в 1,5 раза.
Таблица - Характеристики и ресурсные показатели электродугового подогревателя (ЭДП) азот-кислородной смеси различных конструктивных вариантов исполнения
Характеристики и ресурсные показатели
ЭДП предлагаемой конструкции
ЭДП прототип
Мощность, кВт
50
50
Напряжение на электрической дуге, В
250
250
Ток электрической дуги, А
200
200
Стабилизация электрической дуги:
газовихревая
+
+
магнитная
-
+
Продолжение таблицы «Характеристики и ресурсные показатели электродугового подогревателя (ЭДП) азот-кислородной смеси различных конструктивных вариантов исполнения»
Характеристики и ресурсные показатели
ЭДП предлагаемой конструкции
ЭДП прототип
Тип катодной вставки: вольфрамовая стержневая
- выступающая из катода (диаметр 0,003 м, длина 0,006 м)
-
+
- запрессованная в катод (диаметр 0,003 м)
+
-
Поверхность катодной вставки, м<sup>2</sup>, подвергающаяся окислению
0,7·10<sup>-5</sup>
12,0·10<sup>-5</sup>
Тип анода: медный
+
+
с установкой соленоида
-
+
Завихрители-изоляторы для ввода газа:
азот-кислородной смеси
-
+
аргона для защиты катода
-
+
азот-кислородной смеси и метана (природного газа)
+
-
Конструктивная возможность установки ЭДП в камере смешения трехструйного прямоточного реактора
+
*)
Удельная эрозия, кг/Кл, при нагреве азот-кислородной смеси:
катода
1·10<sup>-10</sup>
1,5·10<sup>-9</sup>
анода
5·10<sup>-11</sup>
5·10<sup>-10</sup>
Ресурс работы, ч, при нагреве азот-кислородной смеси:
катода
120
80
анода
470
320
Удельная эрозия, кг/Кл, при нагреве азота, осушенного от влаги и очищенного от кислорода до его остаточного содержания 0,005% об.:
катода
8·10<sup>-11</sup>
1·10<sup>-10</sup>
анода
2·10<sup>-11</sup>
2·10<sup>-10</sup>
Продолжение таблицы «Характеристики и ресурсные показатели электродугового подогревателя (ЭДП) азот-кислородной смеси различных конструктивных вариантов исполнения»
Характеристики и ресурсные показатели
ЭДП предлагаемой конструкции
ЭДП прототип
Ресурс работы, ч, при нагреве азота, осушенного от влаги и очищенного от кислорода до его остаточного содержания 0,005% об.:
катода
141
113
анода
520
520
*) при соответствующем удлинении анода, сопровождающемся увеличением тепловых потерь с охлаждающей анод водой и снижением теплового коэффициента полезного действия ЭДП