RU2021217C1

RU2021217C1 - Mineral fiber production installation

Info

Publication number: RU2021217C1
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Лактюшин; Татьяна Владимировна Лактюшина; Сергей Александрович Кратько; Юрий Павлович Маликов; Сергей Эдмундович Шабуня
Original assignee: Академический научный комплекс "Институт тепло- и массообмена им.А.В.Лыкова" АН Беларуси
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1994-10-15

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: installation has a plasmotron and a plasma reactor making up a single assembly. The plasma reactor is of a rectangular cross-section with a hole in the upper part for feeding the raw material and on outlet hole in the lower part for fiber and plasma jet. The lower part of one of the plasma reactor walls is provided with an inclined platform. The fiber and plasma jet outlet hole is formed by the plasma reactor walls and the inclined platform. The raw material feed hole is made in the vertical part of the above-indicated wall. The inertial surfaces of the vertical part of the above-indicated wall. The inertial surfaces of the walls, except for the wall provided with the inclined platform, have blind perforation. The wall with the inclined platform is mounted for movement in the plane parallel to the vertical axis of the plasma reactor. EFFECT: enhanced mineral fiber production process. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано при производстве различных минеральных волокон, в плазменной химии, плазменной металлургии в процессах плазменного напыления, наплавки и т.п. The invention relates to electrothermics and can be used in the production of various mineral fibers, in plasma chemistry, plasma metallurgy in plasma spraying, surfacing, etc.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является установка для получения минерального волокна, содержащая соединенные в один узел плазмотрон и плазменный реактор прямоугольного сечения с отверстием для ввода сырья в верхней чисти и с отверстием для выхода волокна и плазменной струи в нижней части. The closest technical solution to the invention is the installation for producing mineral fiber, containing a plasma torch and a rectangular plasma reactor connected in one assembly with an opening for introducing raw materials in the upper clean and with an opening for exiting the fiber and the plasma jet in the lower part.

К недостаткам известной установки необходимо отнести неэффективное использование тепловой и кинетической энергии плазменной струи, невозможность регулировки качества получаемого волокна. The disadvantages of the known installation include the inefficient use of thermal and kinetic energy of the plasma jet, the inability to adjust the quality of the resulting fiber.

Целью изобретения является улучшение качества получаемого волокна и повышение эффективности использования тепловой и кинетической энергии плазменной струи за счет выравнивания ее температурного и скоростного распределения по сечению плазменного реактора. The aim of the invention is to improve the quality of the obtained fiber and increase the efficiency of the use of thermal and kinetic energy of the plasma jet by aligning its temperature and velocity distribution over the cross section of the plasma reactor.

Поставленная цель достигается тем, что в установке для получения минерального волокна, содержащей соединенные в один узел плазмотрон и плазменный реактор прямоугольного сечения с отверстием для ввода сырья в верхней части и с отверстием для выхода волокна и плазменной струи в нижней, одна из стенок плазменного реактора выполнена в нижней части с наклонной площадкой, отверстие для выхода волокна и плазменной струи образованной струи образовано стенками плазменного реактора и наклонной площадкой, а отверстие для ввода сырья выполнено в вертикальной части указанной стенки, внутренние поверхности стенок, кроме стенки с наклонной площадкой, выполнены с несквозной перфорацией, а стенка с наклонной площадкой смонтирована с возможностью перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси плазменного реактора. This goal is achieved by the fact that in the installation for producing mineral fiber containing a plasma torch and a rectangular plasma reactor connected to one node with a hole for inputting raw materials in the upper part and with an opening for the exit of fiber and a plasma jet in the lower one, one of the walls of the plasma reactor is made in the lower part with an inclined platform, the hole for the exit of the fiber and the plasma jet of the formed jet is formed by the walls of the plasma reactor and the inclined platform, and the hole for the input of raw materials is made in Vertical, said wall portion, inner wall surface, except the wall of the ramp, shirts made with perforations, a wall with an inclined platform mounted movably in a plane parallel to the vertical axis of the plasma reactor.

На чертеже показана предлагаемая установка, продольный разрез. The drawing shows the proposed installation, a longitudinal section.

Установка состоит из электродугового плазмотрона 1, пристыкованного с помощью фланца 2 к плазменному реактору 3 прямоугольного сечения. Стенка реактора 4 имеет в своей нижней части наклонную площадку 5, а в вертикальной верхней части этой стенки расположено отверстие 6 для ввода сырья в полость реактора. На внутренних поверхностях стенок реактора, кроме стенки, имеющей наклонную площадку, выполнена несквозная перфорации 7. Наклонная площадка и стенки реактора образуют в его нижней части прямоугольную щель 8. Стенка, имеющая наклонную площадку, выполнена с возможностью для перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси реактора и фиксируется в нужном положении с помощью винтов 9. В стенках плазменного реактора выполнены каналы 10 для протекания охлаждающей жидкости. The installation consists of an electric arc plasmatron 1, docked with a flange 2 to a plasma reactor 3 of rectangular cross section. The wall of the reactor 4 has in its lower part an inclined platform 5, and in the vertical upper part of this wall there is an opening 6 for introducing raw materials into the cavity of the reactor. On the inner surfaces of the walls of the reactor, in addition to the wall having an inclined platform, non-through perforations are made 7. The inclined platform and the walls of the reactor form a rectangular slit in its lower part 8. The wall having an inclined platform is arranged to move in a plane parallel to the vertical axis of the reactor and fixed in position with screws 9. In the walls of the plasma reactor channels 10 are made for the flow of coolant.

Работает описанная установка следующим образом. The described installation works as follows.

На охлаждаемые элементы установки подают охлаждающую жидкость, в разрядную камеру плазмотрона подают плазмообразующий газ и одним из известных способов инициируют электрическую дугу в плазмотроне 1. Из сопла выходного электрода плазменная струя с вихревой структурой поступает в полость реактора 3. Так как плазменный реактор прямоугольного сечения, а на внутренних поверхностях стенок выполнена несквозная перфорация 7, вихревая структура плазменной струи, попадающей в полость плазменного реактора, разрушается. Части потока плазменной струи заходят в отверстия, выполненные на стенках, сжимаются там и снова выходят в направлении, перпендикулярном движению плазменной струи. При этом отверстия несквозной перфорации играют роль резонаторов газодинамического свистка ультразвуковых колебаний. Таким образом, внутренний объем плазменного реактора озвучивается акустическими колебаниями ультразвуковой частоты. Это обуславливает выравнивание температурного и скоростного распределения плазменной струи по сечению реактора. Из отверстия 6 подают сырье во внутреннюю полость плазменного реактора. Сырье может быть в виде порошка или штапика. Плазменная струя прижимает сырье к наклонной охлаждаемой площадке 5 и расплавляет его. Расплавленная масса под действием силы тяжести и под влиянием плазменной струи (угол между осью струи и наклонной площадкой больше 90^о) стекает в виде пленки по наклонной площадке в прямоугольную щель 8. Так как щель имеет меньшую площадь сечения, чем сечение вертикальной части плазменного реактора, в ней происходит увеличение скорости плазменной струи. Эта плазменная струя подхватывает расплав и вытягивает его в нити.Coolant is supplied to the cooled elements of the installation, plasma-forming gas is supplied to the discharge chamber of the plasma torch, and one of the known methods initiates an electric arc in the plasma torch 1. From the nozzle of the output electrode, a plasma jet with a vortex structure enters the cavity of the reactor 3. Since the plasma reactor is of rectangular cross section, perforation 7 was made on the inner surfaces of the walls, the vortex structure of the plasma jet entering the cavity of the plasma reactor is destroyed. Parts of the plasma jet stream enter holes made on the walls, are compressed there, and again exit in a direction perpendicular to the movement of the plasma jet. At the same time, openings of nonperforated perforation play the role of resonators of a gas-dynamic whistle of ultrasonic vibrations. Thus, the internal volume of the plasma reactor is voiced by acoustic vibrations of ultrasonic frequency. This leads to equalization of the temperature and velocity distribution of the plasma jet over the cross section of the reactor. From hole 6, feed is supplied to the internal cavity of the plasma reactor. The feed may be in the form of a powder or glazing bead. The plasma jet presses the raw material to the inclined cooled platform 5 and melts it. The molten mass under the influence of gravity and under the influence of a plasma jet (the angle between the axis of the jet and the inclined platform is greater than 90 ^° ) flows in the form of a film along the inclined platform into a rectangular slit 8. Since the slit has a smaller cross-sectional area than the vertical section of the plasma reactor, an increase in the velocity of the plasma jet occurs in it. This plasma jet picks up the melt and pulls it into filaments.

Для уменьшения толщины пленки расплава, а значит и для уменьшения толщины получаемых волокон на зону расплава накладывают акустические колебания, генерируемые плазменной струей. Эти колебания образуются от взаимодействия плазменной струи с отверстиями несквозной перфорации, выполненными на стенках плазменного реактора. To reduce the thickness of the melt film, and therefore to reduce the thickness of the obtained fibers, acoustic vibrations generated by the plasma jet are applied to the melt zone. These vibrations are formed from the interaction of the plasma jet with holes through holes made on the walls of the plasma reactor.

Для регулировки скорости истечения плазменной струи и управления качеством получаемого волокна в зависимости от состава сырья стенка плазменного реактора с наклонной площадкой выполнена с возможностью для перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси плазменного реактора. Это перемещение можно осуществить с помощью винтов 9. Для увеличения скорости истечения плазменной струи необходимо передвинуть стенку с наклонной площадкой в глубину плазменного реактора, а для уменьшения скорости - в обратном направлении. To adjust the velocity of the plasma jet and control the quality of the obtained fiber depending on the composition of the raw material, the wall of the plasma reactor with an inclined platform is configured to move in a plane parallel to the vertical axis of the plasma reactor. This movement can be carried out using screws 9. To increase the velocity of the plasma jet, it is necessary to move the wall with an inclined platform into the depth of the plasma reactor, and to reduce the speed, in the opposite direction.

П р и м е р. В качестве источника плазменной струи использовался плазмотрон типа ПОИСК-100 с цилиндрическим полым анодом и стержневым поршневым катодом. PRI me R. As a source of a plasma jet, a POISK-100 type plasma torch with a cylindrical hollow anode and a rod piston cathode was used.

Электропитание плазмотрона осуществлялось от источника постоянного тока типа АПР-404. В качестве плазмообразующего газа использовался сжатый воздух. Выходное сопло плазмотрона имело диаметр, равный 20 мм. Мощность плазмотрона колебалась от 30 до 80 кВт в различных режимах работы. Расход плазмообразующего воздуха изменялся в процессе экспериментов от 2 до 3 г/с. Температура плазменной струи изменялась от 1500 до 4000 К. The plasma torch was powered from a direct current source of the APR-404 type. Compressed air was used as the plasma-forming gas. The output nozzle of the plasma torch had a diameter of 20 mm. The power of the plasma torch ranged from 30 to 80 kW in various operating modes. The flow rate of plasma-forming air changed during the experiments from 2 to 3 g / s. The temperature of the plasma jet varied from 1500 to 4000 K.

Плазменный реактор был выполнен из меди, поперечное сечение входного отверстия реактора 20 х 40 мм, выходное отверстие 5 х 40 мм. На внутренней стороне стенок реактора, кроме стенки, имеющей наклонную площадку, были выполнены несквозные отверстия диаметром 5 мм, глубиной 5 мм. Все стенки реактора охлаждались водой. The plasma reactor was made of copper, the cross section of the reactor inlet was 20 x 40 mm, and the outlet was 5 x 40 mm. On the inner side of the walls of the reactor, in addition to the wall having an inclined platform, through holes with a diameter of 5 mm and a depth of 5 mm were made. All walls of the reactor were cooled by water.

В качестве сырья использовалась порошкообразная смесь для производства минерального волокна завода "Гомельстрой- материалы", в которую входили, мас.%:
Шлак Новолипецкого завода 43 Базальт Березовский 43 Доломит Витебский 14 Химический состав сырья, мас.%:
FeO + Fe₂O₃ SiO₂ Al₂O3 CaO MgO шлак - 2 43 5 40 5 базальт - 18 48 16 8-10 4-6 Расход порошкообразного сырья варьировался от 1 до 10 г/с.As a raw material, a powder mixture was used for the production of mineral fiber at the Gomelstroy-Materials plant, which included, wt.%:
Slag of the Novolipetsk plant 43 Basalt Berezovsky 43 Dolomite Vitebsk 14 Chemical composition of raw materials, wt.%:
FeO + Fe ₂ O ₃ SiO ₂ Al ₂ O3 CaO MgO slag - 2 43 5 40 5 basalt - 18 48 16 8-10 4-6 The consumption of powder raw materials varied from 1 to 10 g / s.

Порядок проведения экспериментов был следующий. The order of the experiments was as follows.

На охлажденные элементы плазмотрона и плазменного реактора подавалась под давлением 10 атм. вода, в плазмотрон подавался рабочий расход плазмообразующего воздуха, а из питателя - порошкообразное сырье. Затем с помощью осциллятора между катодом и анодом плазмотрона инициировалась электрическая дуга. Плазмообразующий воздух, стабилизирующий электрическую дугу на оси плазмотрона за счет вихревого течения, нагревается и истекает из сопла плазмотрона в полость плазменного реактора. На выходе из сопла на расстоянии 1-2 см сохраняется вихревая структура плазменного потока. Однако, так как внутренняя полость реактора выполнена в виде прямоугольника вихревое течение потока нарушается, но основной вклад в разрушение вихревой структуры плазменной струи, вытекающей из сопла плазмотрона вносят отверстия несквозной перфорации, которые являются резонаторами акустических колебаний. Протекая поперек оси отверстия, воздух заходит в него, сжимается там и затем выходит наружу. Это периодическое заполнение и опустошение несквозных отверстий происходит с частотой, зависящей от диаметра отверстия и его глубины. В нашем случае, отверстия несквозной перфорации обеспечивали колебания ультразвуковой частоты порядка 18-19 кГц. Как показали измерения, накладывание ультразвуковых колебаний на плазменную струю полностью разрушает вихревую структуру плазменной струи уже на расстоянии 2 калибров выходного отверстия плазмотрона. Как показали измерения, окружная скорость по сечению плазменной струи на расстоянии 60 мм от среза плазмотрона практически равно нулю. Это свидетельствует о полном разрушении вихревой структуры плазменной струи. Об этом же свидетельствует и выравнивание температуры струи по сечению реактора. The cooled elements of the plasma torch and plasma reactor were supplied under a pressure of 10 atm. water, a plasma-forming air working flow was supplied to the plasmatron, and powdered raw materials were supplied from the feeder. Then, using an oscillator between the cathode and anode of the plasma torch, an electric arc was initiated. Plasma-forming air, stabilizing the electric arc on the axis of the plasma torch due to the vortex flow, is heated and flows from the nozzle of the plasma torch into the cavity of the plasma reactor. At the exit from the nozzle, a vortex structure of the plasma flow is maintained at a distance of 1-2 cm. However, since the internal cavity of the reactor is made in the form of a rectangle, the vortex flow is disrupted, but the main contribution to the destruction of the vortex structure of the plasma jet flowing from the nozzle of the plasma torch is made by holes through holes that are resonators of acoustic vibrations. Flowing across the axis of the hole, air enters it, contracts there and then exits. This periodic filling and emptying of non-through holes occurs with a frequency depending on the diameter of the hole and its depth. In our case, the open-hole perforations provided oscillations of the ultrasonic frequency of about 18-19 kHz. As the measurements showed, the application of ultrasonic vibrations to the plasma jet completely destroys the vortex structure of the plasma jet already at a distance of 2 calibres of the plasma torch outlet. As the measurements showed, the peripheral velocity along the cross section of the plasma jet at a distance of 60 mm from the plasma torch cut-off is almost zero. This indicates the complete destruction of the vortex structure of the plasma jet. This is also evidenced by the alignment of the temperature of the jet along the cross section of the reactor.

Сырье, поступающее через отверстие в вертикальной части стенки, имеющей наклонную площадку, прижимается плазменной струей к указанной площадке, расплавляется на ней и вытягивается в нити. Расплав сырья, стекающий по наклонной части площадки, постоянно дополняется вновь поступающим сырьем, что способствует непрерывности процесса. The raw material entering through the hole in the vertical part of the wall having an inclined platform is pressed by the plasma jet to the specified area, melted on it and stretched into filaments. The melt of raw materials flowing down the inclined part of the site is constantly supplemented by newly incoming raw materials, which contributes to the continuity of the process.

Во время экспериментов получено минеральное волокно с диаметром 0,6 - 15 мкм. Толщина нити зависит от многих факторов: температуры плазменной струи, ее скорости, количества подаваемого материала, его индивидуальных свойств и т.д. During the experiments, a mineral fiber with a diameter of 0.6-15 microns was obtained. The thickness of the thread depends on many factors: the temperature of the plasma jet, its speed, the amount of supplied material, its individual properties, etc.

Claims

INSTALLATION FOR PRODUCING MINERAL FIBER, containing a plasmatron and a rectangular plasma reactor connected in a single unit with a hole for introducing raw materials in the upper part and an opening for the exit of fiber and a plasma jet in the lower one, characterized in that, in order to improve the quality of the obtained fiber and increase efficiency the use of thermal and kinetic energy of a plasma jet by equalizing its temperature and velocity distribution over the cross section of the plasma reactor, one of the walls of the plasma reactor and made in the lower part with an inclined platform, the hole for the exit of the fiber and the plasma jet is formed by the walls of the plasma reactor and the inclined platform, and the hole for the input of raw materials is made in the vertical part of the wall, the inner surface of the walls, except for the wall with the inclined platform, are made with perforated holes and the wall with an inclined platform is mounted to move in a plane parallel to the vertical axis of the plasma reactor.