СВЧ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к устройствам для прямого восстановления металлов группы железа из дисперсного оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями в плазменных печах.
В качестве наиболее перспективной конструкции для прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья современная техника предлагает цилиндрические плавильные камеры (циклоны), в которых восстановление происходит в тонкой пленке расплава сырья, создаваемой на стенке, за счет ввода дисперсного сырья восстановительным газом тангенциально к стенке, либо за счет вращения всей плавильной камеры. Примеры таких конструкций плазменных печей содержатся в обзорных работах (Ю.В.Цветков, С.А.Панфилов. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М., Наука, 1980 г., с.с.237-241, Энциклопедический словарь по металлургии, т.2, М., «Интернет Инжиниринг», 2000 г.).
Основным недостатком известных конструкций является невозможность управления энерговводом в пленку по пути ее движения, что не позволяет оптимизировать процесс восстановления.
Ближайшим прототипом устройства является СВЧ плазмохимический реактор, подсоединенный к источнику восстановительного газа и питателю шихты и состоящий из металлической разрядной камеры в виде трубы с крышкой, днищем, боковой стенкой и со сборником продукта под выпускным отверстием в днище, узла ввода СВЧ энергии с коаксиальной частью в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней и внутренней, расположенного вокруг внутренней трубы металлического тела в форме усеченного конуса, большее основание которого обращено к разрядной камере, причем внутренняя труба подключена к одному из полюсов источника электрического напряжения, металлического конусного кожуха, размещенного коаксиально металлическому телу и соединенного с внешней трубой, формирователя дополнительного вихревого газового потока, размещенных на боковой стенке разрядной камеры тангенциально к стенке сопел ввода рабочего газа и установленного вокруг разрядной камеры соленоида (RU №2270536). Ко второму полюсу источника
электрического напряжения подключена металлическая труба, установленная в днище. Стенка камеры может находиться под любым потенциалом, в том числе, под потенциалом земли.
Недостаток этого устройства заключается в том, что пленка расплава, обеспечивающая полное восстановление, образуется лишь на стенке трубы - сборника, в то время как дисперсная шихта движется через объем плазмы по кратчайшей траектории вдоль оси камеры и, несмотря на то, что именно вдоль оси производится основной энерговклад, шихта не успевает восстановиться. Поэтому увеличение вводимой энергии не приводит к росту производительности. Кроме того, ввод шихты через внутреннюю трубу узла ввода СВЧ энергии, диаметр которой связан с длиной электромагнитной волны, ограничивает производительность устройства.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в увеличении производительности процесса восстановления и оптимизации энергозатрат при получении железа необходимого качества.
Технический результат заключается в обеспечении гарантированного пропускания шихты через зону плазменного разряда и в достижении оптимального распределения энерговклада по пути движения пленки расплавленной шихты.
Указанный результат достигается в предлагаемой полезной модели, в предпочтительном варианте представляющей собой СВЧ плазмохимический реактор, подсоединенный к источнику восстановительного газа и питателю шихты и состоящий из металлической разрядной камеры в виде трубы с крышкой, днищем, боковой стенкой и со сборником продукта под выпускным отверстием в днище, узла ввода СВЧ энергии с коаксиальной частью в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней и внутренней, расположенного вокруг внутренней трубы металлического тела в форме усеченного конуса, большее основание которого обращено к разрядной камере, причем внутренняя труба подключена к одному из полюсов источника электрического напряжения, металлического конусного кожуха, размещенного коаксиально металлическому телу и соединенного с внешней трубой, формирователя дополнительного вихревого газового потока, размещенных на боковой стенке разрядной камеры тангенциально к стенке сопел ввода рабочего газа и установленного вокруг разрядной камеры соленоида, при этом конусный кожух снизу снабжен металлическим фартуком, выступающим в камеру и изолированным от нее, диаметр фартука превышает диаметр внешней трубы, во внутреннюю трубу с обеспечением электрического контакта и возможности перемещения введен полый графитовый электрод, его нижний конец выступает в камеру за пределы фартука, стенка камеры покрыта изнутри
кольцами теплозащитной футеровки, разделенными электропроводящими промежутками, сопла ввода газа размещены под крышкой камеры и дополнительно подсоединены к дозатору шихты, ко второму полюсу источника электрического напряжения подключена стенка камеры, формирователь дополнительного вихревого газового потока установлен внутри внешней трубы на ее стенке и соленоид выполнен трехсекционным.
Кроме того, фартук выступает в камеру на глубину, примерно равную n λ/2 (λ - длина электромагнитной волны, n=1, 2...) и диаметр камеры составляет 2-3 диаметра фартука, между конусным кожухом и металлическим телом установлен диэлектрический цилиндр, металлическая труба подсоединена к источнику восстановительного газа и перед соплом ввода газа установлен плазмотрон.
Используемые термины и определения.
Шихта - смесь, состоящая из рудного сырья (руда, концентрат), легирующих и рафинирующих добавок.
Питатель шихты - устройство, обычно содержащее бункер с исходным рудным сырьем и средство его подачи с заданной скоростью.
Сборник продукта - устройство, выполняемое обычно в виде подины или кристаллизатора.
Узел ввода СВЧ энергии содержит коаксиальную часть и преобразователь типа электромагнитной волны, распространяющейся по тракту, подсоединенному к источнику СВЧ энергии, к типу волны, используемому в устройстве. Коаксиальная часть выполнена в виде коаксиального волновода, служит для ввода СВЧ энергии в реакционную камеру и размещена между ней и преобразователем.
Преобразователь - устройство, в случае выполнения подводящего СВЧ тракта в виде прямоугольного волновода (одного или нескольких) содержащее прямоугольный волновод, подсоединенный к СВЧ тракту через герметизирующие диэлектрические окна связи, а к коаксиальной части узла ввода - с помощью коаксиально-волноводного перехода; в случае СВЧ тракта в виде коаксиального волновода преобразователем является петля или штырь, введенные в коаксиальную часть узла ввода через отверстие в боковой стенке ее внешней трубы.
Коаксиальный волновод - СВЧ тракт, состоящий из внешней и внутренней труб, тип волны и конфигурация электромагнитных полей в котором определяется его поперечными размерами.
Коаксиально-волноводный переход (КВП) - устройство, объединяющее прямоугольный и размещенный перпендикулярно его оси коаксиальный волноводы так,
что внешняя труба коаксиала (корпус) закреплена на широкой стенке прямоугольного волновода, а внутренняя труба коаксиала (центральный проводник) введена в его полость.
Плавный переход - устройство, соединяющее СВЧ тракты одинаковой конфигурации, но с разными размерами.
Конструкция реактора поясняется с помощью чертежа, на котором схематически представлен в продольном сечении предпочтительный вариант предлагаемого устройства.
СВЧ плазмохимический реактор содержит преимущественно металлическую охлаждаемую разрядную камеру 1 в виде трубы с крышкой 2, днищем 3, боковой стенкой 4 и с выпускным отверстием 5 в днище 3, узел 6 ввода СВЧ энергии в разрядную камеру 1, содержащий преобразователь 7 в виде, например, прямоугольного волновода и коаксиальную часть в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней 8 и внутренней 9, на которой установлено металлическое конусное тело 10, образующее вместе с конусным кожухом 11 переходный узел 12, укрепленный на кожухе 11 снизу фартук 13, трехсекционный соленоид 14, установленный вокруг разрядной камеры 1, установленные под крышкой 2 камеры 1 на ее боковой стенке 4 тангенциально к ней сопла 15 ввода рабочего газа, подсоединенные к источнику 16 восстановительного газа и питателю 17 шихты. Внутренняя труба 9 и камера 1 подключены к полюсам источника электрического напряжения (не показан). В трубу 9 вставлен с обеспечением электрического контакта и возможности перемещения полый графитовый электрод 18, нижний конец которого выступает в камеру за пределы фартука 13. Между металлическим телом 10 и конусным кожухом 11 введен диэлектрический цилиндр 19.
Под выпускным отверстием 5 установлен сборник 20 продукта (металла и шлака), снабженный отверстиями: 21 для выпуска шлака, 22 для выпуска металла и 23 для выхода газа. Отверстие 23 через систему очистки 24 отходящего газа подсоединено к трубопроводу 25, подающему восстановительный газ от источника 16 газа к соплам 15. Формирователь 26 дополнительного вихревого газового потока размещен на стенке кожуха 11.
27, 28 и 29 - СВЧ дроссели, обеспечивающие электрическую изоляцию узлов устройства и предотвращающие электромагнитное излучение из устройства в окружающее пространство. Дроссели 27 и 28 изолируют от узла 7 внутреннюю 9 и внешнюю 8 трубы, соответственно, дроссель 29 - фартук 13 от крышки 2 камеры 1. Роль устройств, предотвращающих излучение, могут также выполнять отрезки СВЧ
трактов, заполненные поглощающим СВЧ энергию материалом или запредельные для рабочей частоты. СВЧ дроссели - устройства более компактные и надежные.
Обычно рабочую температуру металлической стенки 4 камеры 1 поддерживают с помощью одного из методов интенсивного охлаждения, например, в режиме парообразования или жидким металлом, а для ее защиты от высокой температуры в реакционной камере применяют покрытие внутренней поверхности камеры 1 диэлектрической футеровкой. В отличие от обычных конструкций, футеровка в предлагаемой полезной модели выполнена в виде колец 30, разделенных металлическими кольцами 31, причем последние электрически соединены со стенкой 4 камеры 1.
Для обеспечения большой производительности реактора необходимо использовать камеру 1 большого диаметра (подобно дуговым печам с большой производительностью); при этом поперечные размеры труб 8 и 9, определяющие тип возбуждаемой в камере 1 электромагнитной волны, могут оказаться слишком малыми для введения СВЧ энергии в камеру 1 без отражений. Увеличение диаметра фартука 13 по отношению к трубе 8 позволяет снять это ограничение.
Устройство работает следующим образом. Через сопла 15 в камеру 1 вдувают первый поток восстановительного газа, а через формирователь 26 тангенциально к стенке конусного кожуха 11 вводят в пространство между трубой 18 и фартуком 13 второй поток восстановительного газа, который оказывается закрученным в этом пространстве вокруг оси, затем включают источник СВЧ энергии и инициируют дуговой разряд одним из известных способов, например, кратковременным касанием электродом 18 заранее установленной на днище камеры металлической полоски или использованием специально для этого предназначенного поджигающего электрода. Дуговой разряд, в свою очередь, инициирует СВЧ разряд в пространстве под конусным телом 10. Затем увеличивают СВЧ мощность до штатного значения, включают соленоид и устанавливают трубу 18 на заданном расстоянии от днища 3 камеры 1, увеличивают до заданной величины электрический ток и вводят шихту через сопла 15. Движущийся тангенциально к стенке 4 камеры 1 первый поток восстановительного газа смешивается со вторым потоком, созданным формирователями 26 и имеющим вид плазменного вихря. Частицы сырья прогреваются как под действием горячего плазменного газа, так и непосредственно СВЧ электромагнитным полем и будучи выброшенными центробежными силами на стенку 4 камеры 1 прилипают к ней, накапливаются и образуют пленку расплава шихты. Тогда ставшая электропроводной частично восстановленная пленка течет по кольцам 30, 31 и служит вторым электродом для
протекающего через плазму между этой пленкой и трубой 18 постоянного тока, который поддерживает плазменное состояние СВЧ разряда по всей длине зазора между трубой 18 и стенкой 4 камеры 1, прогревая пленку. Носители этого электрического тока, протекающего поперек осевого магнитного поля, необязательно строго перпендикулярно оси устройства, вовлекаются во вращение вокруг оси камеры 1 под действием сил Лоренца и поддерживают вращение газа во всем объеме камеры 1. Благодаря этому все частицы шихты под действием центробежных сил выбрасываются в пленку на стенке камеры 1, что исключает пролет частиц в выходное отверстие 5 без восстановления плазмой восстановительного газа. По мере движения пленки вниз растет степень ее восстановления, электропроводность и плотность поступающего на нее тока, что обеспечивает поступление в сборник 20 расплавленных и полностью восстановленных фракций.
Известно, что при создании вблизи цилиндрической стенки магнитного поля в виде поперечных по отношению к оси входящих и выходящих из стенки 4 силовых линий пятна дуги располагаются между этими поперечными участками силовых линий магнитного поля (RU №№1641179, 1218909, 1503673). Управление режимом энерговвода в пленку расплава, стекающего по стенке, возможно периодическим перемещением магнитного поля, в частности, сосной части его силовых линий, вдоль вертикальной оси камеры, так как при этом одновременно передвигается зона максимальной плотности электрического тока на стенке. При этом за счет управления вязкостью пленки удается оптимизировать ее толщину для получения заданной степени восстановления на всем пути ее движения, управлять температурой пленки, ее вязкостью и регулировать время ее пребывания в различных зонах по высоте камеры 1.
Перемещение магнитного поля вдоль оси устройства при стационарном положении самого соленоида реализовано путем переключения обмоток секций секционированного соленоида. Трехсекционный соленоид 14 содержит минимальное число секций, допускающее перемещение магнитного поля вдоль оси реактора без перемещения самого соленоида.
Пленка расплава через отверстие 5 поступает в сборник 20, где накапливается и разделяется на шлак и железо. С помощью обычных методов продукт в сборнике 20 подвергают рафинированию и легированию с получением стали заданной марки. Отходящий газ из сборника 20 направляют в систему очистки и добавляют к газу, подводимому от источника восстановительного газа 16.
Для увеличения срока службы графитовой трубы 18 за счет предотвращения разрушения ее кислородом, являющимся одним из продуктов технологического
2
процесса, она может быть подключена к источнику газа 16 для введения третьего потока восстановительного газа, например, природного газа, который в приосевой зоне циклонной камеры 1 вовлекается в восходящий поток газа и изолирует наружную поверхность трубы 18 от кислорода. Одновременно природный газ под действием кислорода преобразуется в синтез - газ (СО+Н), который является хорошим восстановителем.
Диэлектрический цилиндр 19 отделяет узел ввода 6 от реакционного пространства камеры 1 и дополнительно фиксирует взаимное положение труб 8 и 9.
Соотношение диаметров камеры 1 и фартука 13 в пределах 2-3 определено экспериментально из условия максимальной передачи энергии в камеру 1. Глубина погружения фартука 13 в камеру 1, выбранная из условия примерного равенства n λ/2, (λ - длина электромагнитной волны, n=1, 2...), диктуется тем же условием.
Вводимый через сопла 15 восстановительный газ при необходимости переводят в плазменное состояние с помощью плазмотронов (не показаны).
Так как плазма СВЧ разряда гарантированно заполняет весь объем камеры, включая приосевую зону, процессы плавления и восстановления охватывают всю массу поступающей шихты, независимо от размера ее частиц Поскольку при пропускании электрического тока в поперечном к оси направлении между стенкой 4 камеры 1 и осевым электродом, в данном случае трубой 18, исчезает дуговой канал, обычно являющийся причиной повышенного износа графитового осевого электрода, а плотность тока существенно снижается за счет распределения тока по всему объему, созданному СВЧ разрядом, то ведение шихты через сопла 15, размеры и количество которых ограничиваются только соображениями практической целесообразности, при отсутствии ограничений на вводимую энергию постоянного тока обеспечивает повышение производительности процесса восстановления. Оптимизация энергозатрат обеспечена благодаря тому, что восстановление пленки шихты происходит стабильно и равномерно на всей поверхности стенки камеры с управлением процессом энерговклада в зависимости от состава и скорости подачи шихты при использовании перемещаемого магнитного поля. Сочетание в одном процессе двух типов разряда позволяет, с одной стороны, вводить в плазму дешевую энергию постоянного тока в требуемых объемах, с другой стороны, вследствие присущих СВЧ разряду особенностей образовать и поддерживать разряд во всем объеме камеры, а также более эффективно, чем в обычном дуговом разряде нагревать частицы шихты.