ЛАБОРАТОРНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЖИДКОФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

ЛАБОРАТОРНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ

ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ

Яковлев Е.А.

Химико-металлургический институт Национального центра по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан

Процессы, происходящие в жидкой фазе, используются для выплавки легированных сталей в инертной атмосфере, рафинирования, нагрева и десульфурации чугуна и т.д. При этом преследуется цель не допустить перегрева расплава и уноса легирующих элементов. В то же время существует группа процессов, противоположная первой, в которой необходимо перегреть расплав до температуры, при которой произойдет его разложение или испарение нужного компонента. В этом случае перемешивание расплава будет препятствовать выходу полезного продукта и рассеивать энергию.

Для проведения жидкофазных плазменных процессов была сконструирована лабораторная плазменнодуговая печь. В основу была положена конструкция лабораторного плазмотрона ЭДП-104 А, которая благодаря своей простоте и надежности завоевала широкую популярность в лабораториях. Вместо анода длиной 100 мм в корпусе плазмотрона с помощью гайки и двух резиновых прокладок укреплялся промежуточный анод 1 длиной 20 мм с соплом 2 диаметром 5-10 мм (рис.1). В корпус впаивался дополнительный штуцер для охлаждающей воды. Рабочим анодом служило дно печи 5, которое заземлялось, а после расплавления руды сам расплав. Корпус печи 4 изготавливался из углеграфитовой трубки диаметром 80 мм и высотой 80 мм, крышка 3 и днище печи - из графита.

Рис.1. Лабораторная плазменно-дуговая печь.

Печь оборудовалась герметизированным вибропневматическим дозатором, который позволял подавать концентрат после ее прогрева. Для конденсации продуктов разложения на выходе из печи устанавливался холодильник 6 длиной 500 мм, а для их улавливания циклон 7 и сетчатый фильтр 8. Так как печь работала при избыточном давлении (до 0,5 ати), то особое значение приобретала высокотемпературная герметизация печи. Для заделки швов были использованы обмазки на основе смеси магнезитового порошка с жидким стеклом, карбонитрида бора с жидким стеклом и углеродистая паста. Для изоляции промежуточного анода от крышки печи применялась шайба из листового асбеста.

Рис.2. Вольт-амперные характеристики плазменно-дуговой печи:

1-Q_воз= 1 м³/ч; 2-Q_воз=1,9 м³/ч; 3-Q_воз=1,2 м³/ч, d_сопла=8 мм; 4-Q_воз=0,7 м³/ч, Q_п-б=0,03 м³/ч; 5- Q_воз=0,7 м³/ч, Q_п-б=0,04 м³/ч; 6- Q_Ar=0,7 м³/ч; 7-Q_Ar=0,7 м³/ч, Q_H2=2,2 м³/ч; 1-2,4-7 -d_сопла=10 мм.

Обмазка наносилась и на наружную поверхность печи для исключения контакта графита с кислородом воздуха. Плазмотрон, крышка, корпус и днище печи стягивались в один блок четырьмя шпильками с пружинами для компенсации температурнных деформаций.

Основные параметры плазменно-дуговой печи

Электрическая мощность плазмотрона - 3-20 кВт;

Рабочий газ - воздух, азот, смесь воздуха с пропан-бутаном, аргон, водород, аргоноводородная смесь;

Максимально допустимый ток - 200 А;

Напряжение плазмотрона - 100-400 В;

Минимальный расход воздуха, азота - 0,7 м³/ч;

Объем печи - 0,5 дм^3.

Масса концентрата - 1-1,5 кг.

О температуре расплава ванны при плазменно-дуговой плавке имеется весьма мало сведений. Наиболее высокая температура имеет место, очевидно, на поверхности расплава непосредственно под опорным пятном дуги. Вблизи стенок температура расплава снижается. Исследования тепловой обстановки в зоне контакта плазменной струи с жидким расплавом показывают, что температура расплава ванны значительно превышает точку плавления, особенно в поверхностном слое (на 300-1000 ^оС). Вольфрам-рениевая термопара, вмонтированная в днище печи на глубину 10 мм от стенки к центру печи при работе показывала температуру 950-1380 ^оС при изменении мощности от 7,7 до 11,4 кВт.

На плазмено-дуговой печи были проведены эксперименты по плавке металлов, изучению растворимости в них разных газов, разложению расплавов, возгонке различных веществ из расплавов и т.д.