Камера смешения трехструйного прямоточного реактора для плазмометаллургической переработки высокодисперсного сырья

Полезная модель относится к электротермическому оборудованию, к усовершенствованию конструкции камеры смешения трехструйного прямоточного реактора для плазмометаллургической переработки высокодисперсного сырья. Конструкция камеры смешения включает стальной водоохлаждаемый корпус с тремя приваренными к нему штуцерами для трех водоохлаждаемых равномерно расположенных по окружности под углом 30-45° к оси камеры плазмотронов и фланцем для стыковки камеры с секцией реактора. Для ввода высокодисперсного сырья в крышке установлена водоохлаждаемая фурма с внутренним диаметром 0,004-0,008 м таким образом, что нижний конец ее удален от точки соударения плазменных струй на расстояние 0,5÷1,0 калибров. Технический результат - снижение непроизводительных потерь сырья, предотвращение его самопроизвольного укрупнения и повышение эффективности переработки. 5 таблиц.

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.

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.

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.

Камера смешения трехструйного прямоточного реактора для плазмометаллургической переработки высокодисперсного сырья, включающая 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, отличающаяся тем, что плазмотроны установлены под углом 30-45° к оси камеры смешения, а для ввода высокодисперсного сырья установлена водоохлаждаемая фурма с внутренним диаметром 0,004-0,008 м таким образом, что нижний конец ее удален от точки соударения плазменных струй на расстояние 0,5÷1,0 калибров.