МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПРИМЕРЫ ПРОЦЕССОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПЛАЗМЕННУЮ ТЕХНИКУ

Область применения плазмохимических установок чрезвычайно велика: плазменная металлургия; получение синтез-газа из при­родного метана; получение оксида азота из воздуха, получение цианистых и фтористых соединений и т. п.

Плазменная техника находит широкое применение для обработки дисперсных мате­риалов. С точки зрения физико-химических превращений процессы обработки материалов в низкотемпературной плазме можно разделить на две группы:

В которых обрабатываемый дисперсный материал подвергается в основном теплофизи - ческим превращениям. Это плазменные про­цессы напыления, сфероидизации и производ­ства ультрадисперсных порошков;

В которых обрабатываемый материал на­ряду с физическими превращениями подверга­ется также химическим превращениям с целью получения продуктов с иным химическим со­ставом. Это главным образом плазмохимиче - ские процессы синтеза, восстановления и тер­мического разложения.

При гомогенном плазмохимическом про­цессе, например при пиролизе метана, важным фактором, определяющим его эффективность, является задача смешения исходного газооб­разного сырья с плазмой, его нагрев до темпе­ратуры реакции и химические взаимодействия в реакторе. Применяют три способа ввода ис­ходных веществ в поток плазмы: спутный, поперечный и под углом к потоку. Для газооб­разного сырья наиболее эффективна поперечная подача через отверстия в реакционном канале. По такой схеме построены реакторы известных мировых производителей (рис. 4.6.7).

Электроразрядный реактор фирмы Хюльс (рис. 4.6.7, а), предназначенный для пиролиза природного газа, выполнен на базе линейного плазмотрона постоянного тока мощностью 8,2 МВт с холодным катодом и вихревой ста­билизацией разряда. Между катодом диамет­ром 150 мм и трубчатым анодом длиной 1500 мм и диаметром 100 мм в вихревую каме­ру подают метан (природный газ). В результате его пиролиза на выходе получают до 14,5 % ацетилена и 63,4 % водорода при расходе элек­троэнергии 103 кВт-ч на 1 кг ацетилена.

Реактор фирмы Дюпон (Франция) (рис. 4.6.7, б) коаксиального типа имеет графи­товый катод, непрерывно подаваемый в плаз­мотрон, а также магнитную систему 10 враще­ния дуги. Ввиду высокой частоты вращения дуги (8000 об/мин-1) происходит более равно­мерный прогрев сырья, что увеличивает выход ацетилена до 16... 18 %. Кроме того, появляется существенная доля этилена в выходном газе (до 5...7%).

При пиролизе жидких углеводородов наиболее перспективны реакторы, использую­щие в качестве плазмообразующего газа водо­род, например реактор фирмы Кнапзак - Грисхейм (Германия, рис. 4.6.7, в). Водород нагревается в электрической дуге, горящей между двумя или тремя расходуемыми графи­товыми электродами. Исходное сырье подается в реакционную камеру тангенциально с боль­шой скоростью, поэтому оно поднимается вверх вдоль конусообразного канала, в котором смешивается с водородной плазмой. Такая
организация ввода сырья позволяет снизить потери теплоты в реакторе, предотвратить его быстрое закоксовывание и увеличить общий КПД процесса пиролиза. Так, при использова­нии в качестве сырья крекинг-бензина выход ацетилена достигает 41,2 %, этилена 12 % [38].

Плазменное оборудование используется и в технологии выращивания монокристаллов тугоплавких веществ. Разработанный еще в конце 60-х годов XX века в Институте метал­лургии им. А. А. Байкова плазменно-дуговой метод получения монокристаллов тугоплавких металлов обеспечивает получение крупных монокристаллов диаметром до 50 мм (рис. 4.6.8) [11]. Исходная монокристаллическая затравка 5 тугоплавкого металла помещается на медный водоохлаждаемый шток, который с помощью передаточного механизма имеет возможность перемещаться вдоль вертикальной оси. Соосно с затравкой и медным штоком располагается плазмотрон. Между внутренним электродом 1 плазмотрона, являющимся катодом, и моно­кристаллической затравкой, являющейся ано­дом, возбуждается электрическая дуга 7. Для стабилизации дуги вдоль нее через плазмотрон пропускается поток инертного газа, который создает защитную атмосферу вокруг выращи­ваемого кристалла.

Плазма разогревает монокристалличе­скую затравку и создает на ее поверхности зону расплава 4. Сбоку в плазменную струю подается исходный материал в виде прутка 3, который, попадая в высокотемпературную зону, оплавляется, и жидкий металл каплями 6 стекает в зону расплава на торце монокристал­лической затравки, обеспечивая тем самым непрерывную подпитку расплава. Одновре­менно с процессом подпитки расплава жидким металлом происходит опускание затравки мо­нокристалла со скоростью, обеспечивающей нормальный процесс кристаллизации.

Процесс выращивания монокристаллов с помощью плазменной дуги предъявляет к кон­струкции плазмотрона специфические требо­вания. С одной стороны, нужно обеспечить аксиальную устойчивость плазменной дуги, что достигается ее газодинамическим сжатием.

С другой стороны, для обеспечения равномер­ного прогрева зоны расплава в радиальном направлении и уменьшения кривизны фронта кристаллизации необходимо иметь более ши­рокую дугу вблизи анода.

Этим требованиям в достаточной степени удовлетворяет электродуговой плазмотрон, входящий в комплект промышленной установ­ки плазменного выращивания монокристаллов тугоплавких металлов «Монокристалл ПД-3» (рис. 4.6.9). Он состоит из вольфрамового ка­тода 1 с держателем 2 и формирующего сопла 3. Вторым электродом плазменной горелки (ано­дом) служит выращиваемый монокристалл. Мощность такого плазмотрона составляет 30 кВт, которой достаточно для получения монокристаллов вольфрама диаметром 50 мм

Плазменный метод позволяет также проводить процессы выращивания монокри­сталлов оксидов металлов, в частности оксидов алюминия, и получать конечный продукт технического и ювелирного качества. В этом случае становится крайне необходимым вы­полнение требований к чистоте плазменной струи, поэтому применяют безэлектродные ВЧ-плазмотроны, плазма которых не загрязне­на продуктами эрозии электродов. Они позво­ляют проводить процесс выращивания моно­кристаллов в особо чистых условиях. Кроме того, большой ресурс работы ВЧ-плазмотронов снимает ограничения по длительности проведе­ния процесса, что дает возможность, не форси­руя технологический режим, получать кристаллы высокого качества. ВЧ-плазменная установка для выращивания монокристаллов рубина и сапфира состоит из высокочастотной катушки 9 (индуктора), внутри которой находится квар­цевая разрядная камера (рис. 4.6.10). Исходный материал в виде тонкодисперсного порошка оксида алюминия подается в центральную зону плазмы 2 с помощью специального устройства.

В этом случае не применим тангенциаль­ный способ подачи плазмообразующего газа, так как в плазмотроне образуются восходящие потоки газа, препятствующие транспорту по­рошка в зону кристаллизации. Плазмообра - зующий газ подается вдоль стенки разрядной камеры через кольцевое пространство толщи­ной около 1,5 мм, образованное наружной и промежуточной кварцевыми трубками 3 плаз­мотрона, причем промежуточная трубка не доходит до зоны плазмообразования. Эта труб­ка должна быть точно отцентрирована, так как

Ее положение определяет симметрию плазмы и удерживает ее от соприкосновения со стенками разрядной камеры плазмотрона.

Плазменная техника часто применяется в процессах сфероидизации различных дисперс­ных материалов. Наиболее перспективны в этом направлении установки на базе ВЧИ-плазмотронов. Так, при сфероидизации порошков тугоплавких материалов малая ско­рость плазменного потока, большой объем плазмы как в поперечном, так и в продольном ее сечении позволяют округлять частицы раз-

Личных тугоплавких материалов с большой эффективностью. Кроме того, при сфероидиза - ции порошков оксидов в нейтральной (напри­мер, аргоновой) плазме часто наблюдается нарушение исходного химического состава из- за реакций восстановления. Чтобы избежать этого, плазмохимический процесс сфероидиза - ции необходимо проводить в плазме кислорода или воздуха.

Малый ресурс работы дуговых плазмо­тронов в окислительных средах делает ВЧ-установки единственным средством прове­дения подобных процессов. На рис. 4.6.11 пока­зана схема плазмохимической ВЧ-установки

+

Рис. 4.6.11. Схема плазменной ВЧИ-установки для сфероидизации порошков:

1 - устройство ввода порошка; 2 - газоформирую - щая головка; 3, 7 - верхняя и нижняя крышки; 4 - корпус плазмотрона; 5 - индуктор; 6 - разрядная камера; 8 - закалочное устройство; 9 - приемное устройство; 10 - транспортирующий газ; 11- плазмо­образующий газ; 12 - охлаждающая вода

Для сфероидизации порошковых материалов. Специфика ВЧИ-плазменного разряда позволя­ет вводить обрабатываемый порошок непо­средственно по оси струи и использовать энер­гию ВЧИ-разряда наилучшим образом. Так как плотность тока на оси разряда равна нулю, введение порошка в центральную зону не на­рушает стабильного горения разряда.

Производительность такой установки от­носительно высокая: при мощности ВЧИ-разряда всего 6,5 кВт удается сфероидизи - ровать 1,5...2 кг/ч порошка оксида алюминия с исходным размером фракций 63... 100 мкм. Для сравнения отметим, что при аналогичной про­изводительности мощность дугового плазмо­трона должна быть порядка 100 кВт. В высоко­частотной плазме, характеризующейся низки­ми скоростями газа, обрабатываемые частицы двигаются медленно (2...5 м/с), что значитель­но повышает эффективность их обработки (табл. 4.6.1) [37].

Эффективность сфероидизации (тепловой КПД нагрева порошка, %) при различных спо­собах нагрева приведена ниже.

Дуговая плазма, нейтральная

Проволока........................................... 1... 1,5

Дуговая плазма, гранулированный

Порошок............................................. 1...5

Дуговая плазма, токоведущая

Проволока........................................... 8... 10

Высокочастотная плазма.............. 25...30

Еще одной областью применения плаз­менной техники является получение расплавов различных веществ из порошкообразного ис­ходного сырья. Для этого используются плаз­менные реакторы центробежного типа. При стабилизации плазменной струи вращающейся стенкой горизонтально расположенного реак­тора (рис. 4.6.12, а) плазменная струя генери­руется плазмотроном со стержневым катодом, а реактор выполнен в виде тигля из огнеупор­ного материала, который вращается электро­двигателем. Устройства такого типа работают в основном в дискретном режиме, т. е. реактор загружается материалом, который при враще­нии печи расплавляется, после чего печь на­клоняется и жидкий продукт выпускается в соответствующую емкость.

Для организации непрерывного процесса плавления реактор может выполняться с на­клонной или вертикальной осью вращения (рис. 4.6.12, б, в). Подача материала в расплав через верхнюю часть реакторного объема при­водит к вытеканию жидкого продукта через

Рис. 4.6.12. Плазменные реакторы -» центробежного типа:

А - горизонтальный; б - наклонный; в - вертикаль­ный; 1 - корпус реактора; 2 - вращающийся огне­упорный тигель; 3 - электроды плазмотрона; 4 - плаз - мообразующий газ; 5 - ввод дисперсного материала; 6 - охлаждающая вода; 7 - устройство вращения реактора; 8 - подшипник, 9 - выход продукта; 10 - домкрат; 11- сборник расплава; 12 - внешний кожух реактора; 13 - керамический свод реактора

Выходное отверстие. Таким образом, время удержания расплава в реакторе контролируется скоростью подачи сырья и эффективной глу­биной слоя расплава. Температура реакции регулируется мощностью на входе в реактор, скоростью подачи обрабатываемого материала и коэффициентом использования теплоты в реакторе. При оптимальной частоте его враще­ния и наиболее совершенной параболической форме достигаются минимальные тепловые потери, которые обеспечивают коэффициент использования теплоты реактора до 86 %.

Из многообразия технологического при­менения плазмохимических установок с цен­тробежными реакторами можно отметить про­цессы получения плавленного оксида алюми­ния, тугоплавкого стекла, а также различных металлов и других веществ из руд [10].