КАМЕРА СМЕШЕНИЯ ТРЕХСТРУЙНОГО ПРЯМОТОЧНОГО РЕАКТОРА ДЛЯ ПЛАЗМОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО СЫРЬЯ

Полезная модель относится к электротермическому оборудованию, используемому для реализации нанотехнологий в металлургии, а именно, к усовершенствованию конструкции камеры смешения трехструйного прямоточного реактора для плазмометаллургической переработки высокодисперсного сырья.
Область применения предлагаемой конструкции камеры смешения - в качестве основного узла в составе трехструйного прямоточного плазмометаллургического реактора, перерабатывающего высокодисперсное сырье с размером частиц обычно менее 10 мкм для получения нанодисперсных порошков металлов, тугоплавких соединений, их композиций и других материалов.
Известна конструкция камеры смешения, оборудованная тремя плазмотронами [1, с.47, рис.1], характеризующаяся интенсивным тепло- и массообменном между струями, обеспечивающими гашение пульсаций температуры, давления и скорости, и выравнивание полей температур результирующего плазменного потока. Недостатком конструкции является отсутствие устройства для ввода высокодисперсного сырья, что предопределяет использование ее главным образом в качестве нагревателя газа для аэродинамических труб.
Из известных наиболее близкой к предлагаемой по конструктивному исполнению является конструкция камеры смешения [2, с.41, рис.8], которая состоит из водоохлаждаемого корпуса с тремя приваренными к нему штуцерами с резьбовыми соединениями для крепления трех равномерно расположенных по окружности под углом 90° к оси камеры водоохлаждаемых плазмотронов и фланцев для стыковки камеры в верхней части с водоохлаждаемой крышкой, имеющей патрубок для ввода высокодисперсного сырья, и в нижней - с секциями реактора. Такая конструкция камеры смешения обеспечивает возможность создания на ее основе прямоточного плазмометаллургического реактора большой мощности и достижение эффекта "вынужденной" турбулизации плазменного потока, способствующего интенсивному протеканию тепло- и массообмена по всему объему камеры смешения и приводящему к достижению высокой степени равномерности температурного поля результирующего потока уже на расстоянии в 1-2 диаметра от зоны соударения плазменных струй. Наряду с этим такая камера смешения имеет ряд существенных недостатков [3, с.119], обусловленных формированием восходящего потока газа, приводящим к потерям сырья вследствие образования в камере смешения выше зоны соударения
плазменных струй свода и гарнисажа и к снижению эффективности переработки сырья вследствие самопроизвольного укрупнения (коагуляции) его частиц в рассматриваемой зоне камеры смешения.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции камеры смешения трехструйного прямоточного реактора для плазмометаллургической переработки высокодисперсного сырья, направленное на улучшение условий ввода сырья в плазменный поток и повышение эффективности его переработки за счет предотвращения коагуляции.
Поставленная задача достигается тем, что в камере смешения трехструйного прямоточного реактора для плазмометаллургической переработки высокодисперсного сырья, включающей стальной водоохлаждаемый корпус с тремя приваренными к нему штуцерами с резьбовыми соединениями для трех водоохлаждаемых равномерно расположенных по окружности плазмотронов и фланцем для стыковки камеры с секцией реактора и устройство для ввода высокодисперсного сырья, плазмотроны установлены под углом 30-45° к ее оси, а для ввода высокодисперсного сырья установлена водоохлаждаемая фурма с внутренним диаметром 0,004-0,006 м таким образом, что нижний конец ее удален от точки соударения плазменных струй на расстояние 0,5-1,0 калибров (число калибров = x/D).
Камера смешения трехструйного прямоточного реактора для плазмометаллургической переработки высокодисперсного сырья представлена на чертеже. Камера смешения состоит из стального водоохлаждаемого корпуса 1, фланца 2 для стыковки с секцией 3 реактора, трех водоохлаждаемых плазмотронов 4, равномерно расположенных по окружности под углом 30°С к оси камеры, и водоохлаждаемой фурмы 5 для подачи высокодисперсного сырья.
Камера смешения работает следующим образом. После поджига в межэлектродном пространстве плазмотронов 4 электрических дуг и нагрева в них плазмообразующего газа истекающие из плазмотронов плазменные струи соударяются, эффективно перемешиваются между собой и вводимым в зону соударения через фурму 5 потоком высокодисперсного сырья и формируют турбулентный результирующий поток, истекающий в пристыкованную к камере смешения посредством фланца 2 секцию 3 реактора.
Результаты применения предлагаемой конструкции камеры смешения для переработки высокодисперсного сырья при различных значениях угла наклона плазменных струй, внутреннего диаметра фурмы и ее положения представлены в таблицах 1, 2, 3, 4, 5. Результаты приведены для процесса плазмометаллургического производства карбида кремния из микрокремнезема марки МК-85 со средним размером частиц 0,2 мкм. В таблице 1
представлены технологические условия осуществления процесса плазмометаллургического производства карбида кремния в реакторах, оборудованных камерами смешения двух типов: предлагаемого конструктивного варианта и варианта, используемого в работе [2]. В таблицах 2, 3, 4, 5 приведены результаты, описывающие влияние внутреннего диаметра фурмы и положения ее в камере смешения на величину потерь сырья и эффективность переработки при углах наклона плазменных струй соответственно 30° и 45°. Потери сырья определялись экспериментально балансовым методом. Эффективность переработки сырья, зависящая от степени его испарения [4, с.16], оценивалась по содержанию в карбиде кремния основной фазы - SiC.
Таблица 1Технологические условия осуществления процесса плазмометаллургического производства карбида кремния
Технологические условия
Предлагаемая конструкция камеры смешения
Прототип
Тип плазмотрона
ЭДП-104А
ЭДП-104А
Мощность трехструйного прямоточного плазменного реактора, кВт
80,0
80,0
Расход плазмообразующего газа - азота, нм<sup>3</sup>/ч
13,5
13,5
Среднемассовая температура потока азота на входе в реактор, К
5600
5600
Расход микрокремнезема марки МК-85, кг/ч
2,4
2,4
Расход углеводорода (технический пропан), кг/ч
2,65
2,65
Расход аммиака, кг/ч
3,2
3,2
Угол наклона плазменных струй к оси камеры смешения, град.
30
90
45
90
Примеры 1-6 (таблица 2). Для осуществления процесса плазмометаллургического производства карбида кремния используется камера смешения с углом наклона плазменных струй 30°, подача микрокремнезема в которую осуществляется через водоохлаждаемую фурму, нижний конец которой установлен на расстоянии 0,75 калибра от точки соударения плазменных струй. Внутренний диаметр фурмы изменялся в пределах от 0,004 до 0,014 м. Минимальные потери сырья (9,2-10,4%) и максимальная эффективность переработки (содержание SiC в карбиде кремния 85,5-85,2%) достигаются при внутреннем диаметре фурмы 0,004-0,008 м. В камере смешения с углом наклона плазменных струй 90° и вводом кремнезема через патрубок с внутренним диаметром 0,008 м, нижний конец которого установлен на расстоянии 2,25 калибра от точки соударения плазменных струй, потери сырья составляют 33,3%, а содержание SiC в карбиде кремния - 73,2%.
Примеры 7-12 (таблица 3). Для осуществления процесса плазмометаллургического производства карбида кремния используется камера смешения с углом наклона плазменных струй 30°, подача микрокремнезема в которую осуществляется через водоохлаждаемую фурму с внутренним диаметром 0,006 м, нижний конец которой установлен на расстоянии от точки соударения плазменных струй, варьируемом в пределах от 0,25 до 1,5 калибра. Минимальные потери сырья (8,8-11,7%) и максимальная эффективность переработки (содержание SiC в карбиде кремния 84,1-87,5%) достигаются при установке нижнего конца фурмы на расстоянии 0,50-1,0 калибра от точки соударения плазменных струй. В камере смешения с углом наклона плазменных струй 90° и вводом кремнезема через патрубок с внутренним диаметром 0,008 м, нижний конец которого установлен на расстоянии 2,25 калибра от точки соударения плазменных струй, потери сырья составляют 33,3%, а содержание SiC в карбиде кремния - 73,2%.
Примеры 1-6 (таблица 4). Для осуществления процесса плазмометаллургического производства карбида кремния используется камера смешения с углом наклона плазменных струй 45°, подача микрокремнезема в которую осуществляется через водоохлаждаемую фурму, нижний конец которой установлен на расстоянии 0,75 калибра от точки соударения плазменных струй. Внутренний диаметр фурмы изменялся в пределах от 0,004 до 0,014 м. Минимальные потери сырья (10,8-12,5%) и максимальная эффективность переработки (содержание SiC в карбиде кремния 83,2-84,0%) достигаются при внутреннем диаметре фурмы 0,004-0,008 м. В камере смешения с углом наклона плазменных струй 90° и вводом кремнезема через патрубок с внутренним диаметром 0,008 м, нижний конец которого установлен на расстоянии 2,25 калибра от точки соударения плазменных струй, потери сырья составляют 33,3%, а содержание SiC в карбиде кремния - 73,2%.
Примеры 7-12 (таблица 5). Для осуществления процесса плазмометаллургического производства карбида кремния используется камера смешения с углом наклона плазменных струй 45°, подача микрокремнезема в которую осуществляется через водоохлаждаемую фурму с внутренним диаметром 0,006 м, нижний конец которой установлен на расстоянии от точки соударения плазменных струй, варьируемом в пределах от 0,25 до 1,5 калибра.
Таблица 2Влияние внутреннего диаметра фурмы для подачи высокодисперсного сырья в камеру смешения на величину его потерь и эффективность переработки при угле наклона плазменных струй 30°
Примеры заявленного конструктивного решения
Прототип
1
2
3
4
5
6
1
Внутренний диаметр фурмы, м
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,008
Расстояние от точки соударения плазменных струй до нижнего конца водоохлаждаемой фурмы (для примеров 1-6) и нижнего конца неводоохлаждаемого патрубка (для примера 1 прототипа) в калибрах
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
2,25
Потери сырья в форме гарнисажа и свода, образующихся выше зоны соударения плазменных струй, кг (% от массы введенного в камеру смешения высокодисперсного сырья)
0,22 (9,2%)
0,25 (10,4%)
0,25 (10,2%)
0,40 (16,6%)
0,46 (19,1%)
0,54 (22,5%)
0,8 (33,3%)
Выход карбида кремния, % от теоретического
90,8
89,5
89,2
86,2
83,3
79,3
66,7
Эффективность переработки сырья (содержание SiC в карбиде кремния, %)
85,2
85,5
85,2
80,2
71,3
70,6
73,2
Таблица 3Влияние положения фурмы для ввода высокодисперсного сырья в камеру смешения на величину его потерь и эффективность переработки при угле наклона плазменных струй 30°
Примеры заявленного конструктивного решения
Прототип
7
8
9
10
11
12
1
Внутренний диаметр фурмы, м
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,008
Расстояние от точки соударения плазменных струй до нижнего конца водоохлаждаемой фурмы (для примеров 7-12) и нижнего конца неводоохлаждаемого патрубка (для примера 1 прототипа) в калибрах
0,25
0,50
0,75
1,0
1,25
1,5
2,25
Потери сырья в форме гарнисажа и свода, образующихся выше зоны соударения плазменных струй, кг (% от массы введенного в камеру смешения высокодисперсного сырья)
отмечаются случаи прожига фурмы
0,21 (8,8%)
0,25 (10,4%)
0,28 (11,7%)
0,36 (15,8%)
0,52 (21,6%)
0,8 (33,3%)
Выход карбида кремния, % от теоретического
91,3
89,5
88,3
85,0
78,3
66,7
Эффективность переработки сырья (содержание SiC в карбиде кремния, %)
87,5
85,5
84,1
61,3
62,6
73,2
Таблица 4Влияние внутреннего диаметра фурмы для подачи высокодисперсного сырья в камеру смешения на величину его потерь и эффективность переработки при угле наклона плазменных струй 45°
Примеры заявленного конструктивного решения
Прототип
1
2
3
4
5
6
1
Внутренний диаметр фурмы, м
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,008
Расстояние от точки соударения плазменных струй до нижнего конца водоохлаждаемой фурмы (для примеров 1-6) и нижнего конца неводоохлаждаемого патрубка (для примера 1 прототипа) в калибрах
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
2,25
Потери сырья в форме гарнисажа и свода, образующихся выше зоны соударения плазменных струй, кг (% от массы введенного в камеру смешения высокодисперсного сырья)
0,26 (10,8%)
0,29 (12,1%)
0,30 (12,5%)
0,44 (18,7%)
0,50 (20,8%)
0,58 (24,3%)
0,8 (33,3%)
Выход карбида кремния, % от теоретического
89,2
87,9
87,5
83,3
80,1
77,1
66,7
Эффективность переработки сырья (содержание SiC в карбиде кремния, %)
84,0
83,5
83,2
79,1
68,3
69,6
73,2
Таблица 5Влияние положения фурмы для ввода высокодисперсного сырья в камеру смешения на величину его потерь и эффективность переработки при угле наклона плазменных струй 45°
Примеры заявленного конструктивного решения
Прототип
7
8
9
10
11
12
1
Внутренний диаметр фурмы, м
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,008
Расстояние от точки соударения плазменных струй до нижнего конца водоохлаждаемой фурмы (для примеров 7-12) и нижнего конца неводоохлаждаемого патрубка (для примера 1 прототипа) в калибрах
0,25
0,50
0,75
1,0
1,25
1,5
2,25
Потери сырья в форме гарнисажа и свода, образующихся выше зоны соударения плазменных струй, кг (% от массы введенного в камеру смешения высокодисперсного сырья)
отмечаются случаи прожига фурмы
0,21 (8,8%)
0,29 (12,1%)
0,32 (13,3%)
0,42 (17,5%)
0,57 (23,8%)
0,8 (33,3%)
Выход карбида кремния, % от теоретического
89,5
87,9
86,6
82,5
76,3
66,7
Эффективность переработки сырья (содержание SiC в карбиде кремния, %)
85,5
83,5
82,2
62,2
61,4
73,2
Минимальные потери сырья (8,8-13,3%) и максимальная эффективность переработки (содержание SiC в карбиде кремния 82,2-85,5%) достигается при установке нижнего конца фурмы на расстоянии 0,50-1,0 калибра от точки соударения плазменных струй. В камере смешения с углом наклона плазменных струй 90° и вводом кремнезема через патрубок с внутренним диаметром 0,008 м, нижний конец которого установлен на расстоянии 2,25 калибра от точки соударения плазменных струй, потери сырья составляют 33,3%, а содержание SiC в карбиде кремния - 73,2%.
Таким образом, оптимальное сочетание заявленных конструктивных изменений камеры смешения трехструйного прямоточного реактора и минимальных потерь высокодисперсного сырья при максимальной эффективности его переработки достигается при углах наклона плазменных струй к оси камеры 30°-45° и подаче в нее высокодисперсного сырья через водоохлаждаемую фурму с внутренним диаметром 0,004-0,006 м, нижний конец которой установлен на расстоянии 0,50-1,0 калибра от точки соударения плазменных струй. Предложенная конструкция камеры смешения по сравнению с прототипом обеспечивает снижение потерь высокодисперсного сырья и повышение эффективности его переработки.
Список источников информации
1. Аньшаков А.С. Электродуговые плазмотроны / А.С.Аньшаков [и др.]. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1977. - с.47.
2. Моссэ А.Л. Обработка дисперсных материалов в плазменных реакторах / А.Л.Моссэ, И.С.Буров. - Минск: Наука и техника, 1980. - с.41.
3. Жуков М.Ф. Плазмотроны. Исследования. Проблемы / М.Ф.Жуков [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1995. - с.119.
4. Каламазов Р.У. Высокодисперсные порошки вольфрама и молибдена / Р.У.Каламазов, Ю.В.Цветков, А.А.Кальков. - М.: Металлургия, 1998. - с.16.