Плазмохимический реактор для получения ультрадисперсных тугоплавких порошковых материалов

Полезная модель относится к области плазменных технологий и может быть использована при переработке тугоплавкого алюмосиликатного природного сырья в ультрадисперсные (нанодисперсные) порошковые материалы, которые могут быть использованы в качестве модифицирующих добавок для конструкционных и композиционных материалов, покрытий готовых изделий для повышения физико-механических характеристик.
Наиболее близкой по технической сущности (прототип) является плазменная установка для переработки тугоплавких силикатсодержащих материалов (патент № 169047, опубл. от 02.03.2017), содержащая плавильную печь с водоохлаждаемым металлическим корпусом. В крышке плавильной печи через изолятор установлен плазмотрон. В основании плавильной печи установлен графитовый анод. Под крышкой плавильной печи на корпусе плазмотрона перпендикулярно ему закреплена металлическая шайба. Металлическая шайба выполняет функцию защитного экрана, для чего ее диаметр превышает диаметр изолятора плазмотрона не менее чем в 1.5 раза. Защитный экран непрерывно охлаждается воздухом через канал, выполненный в изоляторе, расположенном в крышке плавильной печи. В средней боковой части плавильной печи расположен сливной желоб для выхода расплава. Для подачи порошкообразного сырья в плавильную печь служит шнековый питатель, закрепленный на противоположной сливному желобу боковой поверхности корпуса плавильной печи. Шнековый питатель соединен с загрузочным бункером и электроприводом. В верхней части плавильной печи над зоной плавления дополнительно закреплен патрубок для вывода наночастиц.
Недостатком известной установки является подверженность анодного узла к неравномерному износу, что приводит к снижению надежности и сроку службы установки в целом.
Целью создания технического решения является создание плазмохимического реактора, устраняющего эти недостатки.
Для решения поставленной задачи плазмохимический реактор для получения ультрадисперсных тугоплавких порошковых материалов (нанопорошков) содержит водоохлаждаемый цилиндрический корпус, крышку с электродуговым плазмотроном и основание с графитовым анодом. Плазмохимический реактор выполнен разборным, а корпус, крышка и основание выполнены полыми и включают подводящий и отводящий каналы охлаждающей жидкости. В нижней части водоохлаждаемого цилиндрического корпуса плазмохимического реактора размещен шнековый дозатор. В крышке плазмохимического реактора дополнительно установлены отвод парогазовой смеси и смотровое окно, расположенное под углом 45°. Отвод парогазовой смеси через магистраль соединен с электрофильтром. С внешней стороны водоохлаждаемого цилиндрического корпуса плазмохимического реактора установлена система внешнего магнитного поля в виде узлов, состоящих из четного количества квадратных металлических стержней, с расположенными на них катушками по которым протекает синусоидальный ток.
Плазмохимический реактор (Фиг.1) включает в себя водоохлаждаемый цилиндрический корпус 1, крышку 2 и основание 3 с графитовым анодом 4. Крышка 2 плазмохимического реактора включает соосно установленный электродуговой плазмотрон 5, отвод 6 для забора и охлаждения парогазовой смеси и смотровое окно 7, предназначенное для регистрации и фиксации происходящих процессов. Диаметр области визирования смотрового окна 7 составляет 150 мм, а расположено оно под углом 45°. В нижней части цилиндрического корпуса 1 плазмохимического реактора размещен шнековый дозатор 8 для подачи твердофазного материала 11. Для получения нанопорошка из парогазовой смеси отвод 6 через магистраль 13 соединен с электрофильтром 12. С целью повышения ресурса работы плазмохимического реактора в состав установки введена система внешнего магнитного поля. В качестве подвода магнитного поля выступают узлы 9 состоящие из квадратных металлических стержней, выполненных из трансформаторного железа, сечением 20/20 мм, длина 100 мм. На металлических стержнях установлены катушки, по которым протекает выпрямленный по двухполупериодной схеме синусоидальный ток промышленной частоты 50 Гц. Для равномерного распределения магнитного поля узлы 9 расположены на водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе 1 плазмохимического реактора с внешней стороны в количестве 6 штук. Плазмохимический реактор выполнен разборным, для удобства обслуживания, а корпус 1, крышка 2 и основание реактора 3 выполнены полыми с образованием водоохлаждающего канала для прохождения охлаждающей жидкости.
Плазмохимический реактор работает следующим образом.
Предварительно плазмохимический реактор заполняется твердофазным тугоплавким материалом 11 фракцией от 1 до 2 мм в количестве 1/5 от рабочего объема реактора. В узлы теплонапряженных элементов подается охлаждающая жидкость (вода) при давлении 3 бар. Затем осуществляется запуск электродугового плазмотрона 5. Под действием температуры в 5000 К дугового шнура 10, твердофазный материал 11 начинает плавиться, образуя на графитовом аноде 4 пленку расплава. При достижении толщины пленки 4-7 мм, с помощью шнекового дозатора 8 осуществляется подача дополнительного объема твердофазного материала 11 в плазмохимический реактор со скоростью 0.8 кг/ч. В процессе заполнения плазмохимического реактора расплавом, протекает его частичное испарение с образованием парогазовой смеси. Забор парогазовой смеси в электрофильтр 12 осуществляется через отвод 6, с помощью магистрали 13. При прохождении парогазовой смеси через отвод 6 осуществляется её охлаждение, а затем при прохождении через магистраль 13 в электрофильтр 12 осуществляется её конденсация и на стенках электрофильтра 12 формируется тонкодисперсный слой нанопорошка. Сбор нанопорошка осуществляется под действием вибрационного аппарата 14 мощностью 10 Вт в установленный соосно малогабаритный отсек 15.