Электроплазменная установка для обработки порошковых материалов

2011/3

Из таблицы 4 видно, что доля фосфора в газовой фазе начиная с 2000 К уменьшается, хотя масса извлекаемого вещества, отнесенная к массе исходного состава, увеличивается. Это связано с тем, что массовая доля всей газовой фазы быстрее увеличивается за счет возгонки соединений, не содержащих фосфора. В интервале порядка 2000-2200 К происходит полное извлечение и некоторое уменьшение долевого содержания фосфорсодержащих соединений в газовой фазе.

Таблица 4

Т, К 1248 1348 1448 1548 1б48 1748

Рг, кг/кг 0,018282 0,018283 0,018283 0,018287 0,0183 0,01833б

1-z, кг/кг 0,01029 0,010291 0,010294 0,010307 0,010354 0,010491

РУО-z), кг/кг 0,001777 0,001777 0,00177б 0,001774 0,0017б7 0,001748

Т, К 1848 1948 2048 2148 2198 2200

Рг, кг/кг 0,018445 0,018811 0,019909 0,023339 0,0284б 0,043083

1-z, кг/кг 0,010891 0,012227 0,01б21 0,028б21 0,047125 0,100022

Рг/0-z), кг/кг 0,001б94 0,001538 0,001228 0,000815 0,000б04 0,430735

Литература

1. Файзулин Р.М., Карпова М.И., Садыков И.С. Возможности освоения резервных месторождений фосфатных руд Российской Федерации // Разведка и охрана недр. - 2000. № 6.

2. Сычев В.Г. Минеральные удобрения в сельском хозяйстве России: потребность и реальность // Журнал Рос. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 2005. Т. 49, № 3.

3. Парфенов О.Г. Фосфорсодержащие удобрения и экология // Новосибирск: Изд-во ГПНТБ СО АН СССР, 1990. - 102 с.

4. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справочное издание: в 4 т. - М.: Наука, 1978-1982.

5. JANAF Termochemical Tables (Third Edition). J. Phis. Chem. Ref. Data. Vol. 14 (1985) Suppl. No. 1.

Карпенко Евгений Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией плазменных процессов отдела физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН.

Ринчинов Александр Пурбуевич, старший преподаватель кафедры физики, Восточно-Сибирский государственный университет.

Шагдаров Валерий Баторович, кандидат технических наук, зав. кафедрой физики, Восточно-Сибирский государственный университет.

Karpenko Evgeniy Ivanovich, doctor of engineering, professor, head of laboratory of plasm processes of physical problems department, Buryat Scientific Center, SB RAS.

Rinchinov Alexandr Purbuevich, senior lecturer, department «Physics», East-Siberian Technological University.

Shagdarov Valeriy Batorovich, candidate of engineering, head of department «Physics», East- Siberian Technological University.

УДК 661.1

ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Е.И. Карпенко, А.П. Ринчинов, В.Б. Шагдаров

В статье представлены конструктивные особенности электроплазменной установки для обработки порошковых материалов, в том числе и порошков фосфатных руд. Описан ход работы установки и некоторые ее параметры в ходе выполнения экспериментов по плазменной обработке фосфатной руды.

Ключевые слова: фосфаты, реактор, электрическая дуга, температура, возгонка.

ELECTROPLAZMIC INSTALLATION FOR THE POWDERS PROCESSING E.I. Karpenko, A.P. Rinchinov, V.B. Shagdarov

The article presents structural features of elektroplazmic installations for the treatment of powder materials, including powders and phosphate ores. The progress of installation and some of its parameters during experiments on plasma processing of phosphate ore were described.

Keywords: phosphates, reactor, arc, temperature, distillation.

27Q

В лаборатории плазменных процессов при президиуме БНЦ СО РАН нами была спроектирована и создана экспериментальная установка для плазменной обработки порошковых материалов, в частности, для переработки тощих апатитовых руд в аргоновой или углеводородной плазме. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1, электрическая схема экспериментальной установки

- на рис. 2.

Рис.1. 1 - источник питания, 2 - питатель, 3 - каркас, 4 - плазмохимический реактор, 5 - газовый тракт, 6 - поддон, 7 - ороситель, 8 - газоотвод

Источник питания

Реостат

Реактор

Рис. 2. Электрическая схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка работает следующим образом. В камере между стержневым электродом и корпусом реактора с помощью тонкой медной проволочки замыкают электроды, к которым приложено напряжение источника. Это приводит к возникновению в межэлектродном пространстве электрической дуги. Электромагнитная катушка со стержневым катодом включена в электрическую цепь последовательно, поэтому в дуговой зоне в момент включения установки возникает осевое магнитное поле. Под действием силы Лоренца дуга начинает вращаться вокруг вертикальной оси камеры реактора, принимая форму «запятой». Апатитовый порошок фракцией меньше 100 мкм подается из бункера питателя в реактор через патрубок под углом 15 градусов к центру реактора, что позволяет ему попасть к концу стержневого электрода. Находясь в зоне электрической дуги, порошок плавится и в то же время отбрасывается под действием центробежной силы от катода к электрически положительной стенке. Частицы порошка проходят от начала электрической дуги до стенки максимальное

2011/3

расстояние. На прогретых стенках графитовой футеровки частицы плавятся, образуют капли и стекают по ней. В связи с вращением дугового столба расплав равномерно выносится по всей окружности камеры. При наполнении дна до бортика диафрагмы отработанный шлак стекает через диафрагму в поддон (шлакосборник). В процессе движения частицы апатита в объеме камеры, а также при образовании расплава на стенке и диафрагме происходит возгонка летучих соединений фосфора из расплава шихты.

Профиль поля температур имеет осевую симметрию и на ее распределение по сечению камеры существенное влияние оказывает наличие диафрагмы, которая приводит к выравниванию профиля температуры. В то же время экспериментально установлено, что отношение диаметра диафрагмы к диаметру реактора должно быть меньше значений 1/3^1/4, иначе возрастают тепловые потери через стенку и крышку реактора [1,2].

Весь объем реактора делится на три зоны: 1 - зона нагрева, объем реактора до вращающейся дуги; 2 - зона диссоциации и активации реагентов, т.е. средняя область реактора, где горит электрическая дуга; 3 - зона в нижней области реактора, где происходит плазмохимическая реакция. В зависимости от фракции порошка и температуры плавления становится возможным протекание химической реакции и в верхней, первой, зоне. В результате охлаждения крышки и стенок реактора становятся возможными рециркуляционные конвективные газовые потоки вверх в осевой области, охлажденные вниз, вдоль стенки. Самые мелкие частицы могут образовать в этой зоне псевдоожиженный слой. В нижней, третьей, зоне под действием диафрагмы и возвратных течений становится возможным образование рециркуляционных конвективных потоков газа в таком же направлении, что и в верхней зоне. Наличие рециркуляционных потоков в рабочей камере реактора, несомненно, улучшает тепломассообмен в реакционной зоне, а также препятствует просыпке непрореагировавших частиц порошка через диафрагму. Средняя, вторая, зона самая узкая, но и самая высокотемпературная - известно, что температура в центре дуги может достигать 12 тыс. градусов. Именно средняя зона прогревает объем реактора за счет конвективных потоков газа и частиц порошка, нагрева катода и стенок в области привязки дуги, а также за счет излучения самой дуги и пятен привязок дуги к электродам.

Ресурс работы плазменной установки определяется степенью износа графитовых стержневого и кольцевого электродов. Как показали результаты взвешивания до и после экспериментов с транспортирующим газом аргоном, средняя скорость износа стержневого и кольцевого электродов составляет 0,004 кг/ч при мощности дуги 12 кВт. При проведении экспериментов в атмосфере пропан-бутана износ электродов не обнаружен: в этом случае образуется защитный гарнисажный слой на катоде и аноде.

В результате возгонки летучие соединения вылетают через диафрагму и через газовый тракт попадают в ороситель (газовый тракт представляет собой соединенные между собой патрубки, что облегчает сбор сконденсировавшегося в нем вещества для химического анализа). В ороситель подается водный распыл. При взаимодействии с водным распылом соединения фосфора, кроме NaPO3 и KPO3 которые просто растворяются в воде, в ходе химических реакций образуют фосфорную кислоту. Остальные газы вылетают через газоотвод в атмосферу.

Литература

1. Ибраев Ш.Ш., Сакипов З.Б. Электродуговые реакторы совмещенного типа и методика их расчета. - Алма-Ата, 1991. - 48 с.

2. Ибраев Ш. Ш. Исследование аэротермохимических характеристик плазменного реактора для переработки высококонцентрированных двухфазных потоков: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Алма-Ата, 1979. - 185 с.

Карпенко Евгений Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией плазменных процессов отдела физических проблем, Бурятский научный центр СО РАН.

Рйнчинов Александр Пурбуевич, ст.преп. кафедры физики, Восточно-Сибирский государственный технологический университет.

Шагдаров Валерий Баторович, кандидат технических наук, зав.кафедрой физики, Восточно-Сибирский государственный технологический университет.

Karpenko Evgeniy Ivanovich, doctor of engineering, professor, head of laboratory of plasm processes of physical problems department, Buryat Scientific Center, SB RAS.

Rinchinov Alexandr Purbuevich, senior lecturer, department «Physics», East-Siberian Technological University.

Shagdarov Valeriy Batorovich, candidate of engineering, head of department «Physics», East-Siberian Technological University.