RU2035128C1

RU2035128C1 - Plasma reactor for reprocessing refractory materials

Info

Publication number: RU2035128C1
Application number: RU93029536A
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Шевцов
Original assignee: Владимир Павлович Шевцов
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1993-05-27
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: material reprocessing. SUBSTANCE: with minimal interelectrode clearance 1= 30-60 mm characteristic of nominal operation mode of plasma reactor ratio 1/h is chosen within limits 1≅ l/h≅ 2,, where h is distance from level of pole pieces to ends of electrodes. Electrode feeding mechanism is manufactured with capability of feeding anode and cathode with different speeds. For registration of position of electrodes and attachment of feeding mechanism the latter is mounted on bracket having three degrees of freedom. Inner surface of sections is coated with oxide material, metal straps are placed at joints of longitudinal sections to enhance tightness of sectionalized chamber. EFFECT: enhanced efficiency and reliability of operation of plasma reactor while re[processing refractory materials. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к производству тугоплавких огнеупорных материалов и может быть использовано в металлургической и стекольной промышленности, например, для изготовления тиглей высокочастотных печей, футеровки высокотемпературных электропечей и др. The invention relates to the production of refractory refractory materials and can be used in the metallurgical and glass industries, for example, for the manufacture of crucibles of high-frequency furnaces, lining of high-temperature electric furnaces, etc.

Известно устройство, где с помощью направленных плазменных струй производится термообработка различных материалов. Устройство представляет собой реактор, в верхней части которого имеются три плазменных сопла, а в нижней поддон для расплава, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении. Генераторы плазмы и камера реактора снабжена электромагнитной системой для вращения плазменных струй вокруг оси камеры. Дисперсный материал подается по оси камеры в область схождения трех плазменных струй, вытекающих из сопел под углом к оси камеры. Материал захватывается вращающимися плазменными струями, нагревается и расплавляется с образованием слитка на поддоне, который затем извлекается из камеры [1] Недостатком известного устройства является периодичность процесса термообработки дисперсного материала, а также низкая производительность аппарата, вследствие малой протяженности плазменной зоны и резкого снижения температуры плазмы в направлении к расплаву. Плазменные струи в реакторе концентрируются в малой зоне, объем камеры лишь частично заполнен плазмой. Все это делает аппарат непригодным для плавления тугоплавких огнеупорных материалов, например, двуокиси циркония. A device is known where, using directional plasma jets, heat treatment of various materials is performed. The device is a reactor, in the upper part of which there are three plasma nozzles, and in the lower tray for the melt, made with the possibility of movement in the axial direction. Plasma generators and the reactor chamber are equipped with an electromagnetic system for rotating plasma jets around the axis of the chamber. The dispersed material is fed along the axis of the chamber to the convergence region of three plasma jets flowing from the nozzles at an angle to the axis of the chamber. The material is captured by the rotating plasma jets, heated and melted to form an ingot on a tray, which is then removed from the chamber [1] A disadvantage of the known device is the periodicity of the heat treatment of dispersed material, as well as the low productivity of the apparatus, due to the small length of the plasma zone and a sharp decrease in plasma temperature in direction to the melt. Plasma jets in the reactor are concentrated in a small zone, the chamber volume is only partially filled with plasma. All this makes the apparatus unsuitable for melting refractory refractory materials, for example, zirconium dioxide.

В другой камере поперечное магнитное поле создается между полюсами электромагнита, обмотки которого включены последовательно в цепь тока дуги. Как показали экспериментальные данные по распределению величины магнитной индукции вдоль оси плазмотрона, кривая распределения имеет ярко выраженный максимум на уровне полюсных наконечников электромагнита. Важно использовать это экстремальное значение индукции для максимального вытягивания петли дуги из межэлектродного промежутка. Вытягивание дуги приводит к росту напряжения и снижению тока дуги, и благоприятно влияет на формирование плавильной зоны в реакционном объеме и снижению эрозии электродов. In another chamber, a transverse magnetic field is created between the poles of an electromagnet, the windings of which are connected in series in the arc current circuit. As shown by experimental data on the distribution of magnetic induction along the axis of the plasma torch, the distribution curve has a pronounced maximum at the level of the pole tips of the electromagnet. It is important to use this extreme value of induction to maximize the extension of the arc loop from the interelectrode gap. The extension of the arc leads to an increase in voltage and a decrease in the arc current, and favorably affects the formation of the melting zone in the reaction volume and reduces erosion of the electrodes.

Экспериментально определено оптимальное расстояние от внешней поверхности электродов до стенки дуговой камеры. Оно выражается соотношением 1 ≅ L/l ≅ 5, где l минимальный зазор в свету между внутренними краями стержневых электродов. The optimal distance from the outer surface of the electrodes to the wall of the arc chamber is experimentally determined. It is expressed by the ratio 1 ≅ L / l ≅ 5, where l is the minimum clearance in the light between the inner edges of the rod electrodes.

Максимально возможному использованию магнитного поля способствует и выполнение камеры секционированной. Во-первых, секционирование дуговой камеры уменьшает влияние стенок на величину и фазу переменных составляющих магнитного поля. Во-вторых, нержавеющая сталь, из которой изготовлены секции, практически полностью пропускает переменное магнитное поле, не ослабляя его. The maximum possible use of the magnetic field also contributes to the implementation of the sectioned camera. Firstly, the partitioning of the arc chamber reduces the effect of the walls on the magnitude and phase of the alternating components of the magnetic field. Secondly, the stainless steel from which the sections are made almost completely passes an alternating magnetic field without weakening it.

Описанная конструкция обеспечивает повышение надежности установки за счет исключения пробоев на корпусе, а также повышение эффективности процесса обработки тугоплавких материалов благодаря дополнительному управлению магнитным полем путем перемещения электромагнитной системы вдоль оси камеры и определению оптимального расстояния от электродов до внешней стенки дуговой камеры. The described design provides increased reliability of the installation by eliminating breakdowns on the housing, as well as increasing the efficiency of the processing of refractory materials due to the additional control of the magnetic field by moving the electromagnetic system along the axis of the chamber and determining the optimal distance from the electrodes to the outer wall of the arc chamber.

Однако длительная эксплуатация установки в промышленных условиях показала некоторые недостатки в ее работе. Прежде всего есть резерв по повышению эффективности процесса переработки материалов путем более точного управления магнитным полем. Работа реактора показала, что не всегда используется максимальное значение магнитной индукции для возможно большего вытягивания петли дуги из межэлектродного промежутка. Видимо, следует увязывать местоположение полюсных наконечников электромагнита с расстоянием в свету между стержневыми электродами
Кроме того, в процессе длительной работы реактора выяснилось, что возможна разгерметизация камеры вследствие образования зазора между электроизолированными друг от друга секциями. Это происходит из-за выгорания электроизоляционного материала (стеклоткани).However, the long-term operation of the installation in an industrial environment showed some drawbacks in its operation. First of all, there is a reserve for increasing the efficiency of the material processing process by more precise control of the magnetic field. The operation of the reactor showed that the maximum value of magnetic induction is not always used for the greatest possible extension of the arc loop from the interelectrode gap. Apparently, the location of the pole tips of the electromagnet should be related to the distance in the light between the rod electrodes
In addition, during the long-term operation of the reactor, it turned out that it was possible to depressurize the chamber due to the formation of a gap between the sections insulated from each other. This is due to burnout of the insulating material (fiberglass).

И наконец, опыт эксплуатации реактора показал, что надежность его работы может быть повышена за счет более точной подачи стержневых электродов в процессе плавки с учетом разной скорости выгорания анода и катода, а также за счет мер, снижающих перегрев и эрозию электродов. And finally, the operating experience of the reactor showed that its reliability can be improved due to a more accurate supply of rod electrodes during the melting process, taking into account the different burning rates of the anode and cathode, as well as due to measures that reduce overheating and erosion of the electrodes.

В основу изобретения положена задача создания плазменного реактора, характеризующегося повышенным ресурсом и надежностью работы, а также высокой эффективностью переработки в нем тугоплавких материалов. Поставленная задача решается посредством устройства, содержащем дуговую камеру, выполненную из продольных электроизолированных секций, два стержневых электрода с механизмом подачи, окружающий дуговую камеру, магнитопровод с двумя парами полюсных наконечников с размещенными на них катушками, в котором, согласно изобретению, расстояние от максимума индукции магнитного поля полюсных наконечников до концов электродов (h) и минимальный зазор в свету между электродами (l) связаны зависимостью 1 ≅ l/h ≅ 2, а механизм подачи электродов выполнен с возможностью автоматической подачи анода и катода с разной скоростью. Кроме того, согласно изобретению, предусмотрены другие усовершенствования в механизме подачи электродов и в конструктивном исполнении самой камеры. В частности, в механизме подачи электродов предусмотрена водоохлаждаемая втулка, предохраняющая электроды от перегрева и снижающая их эрозию. Для фиксации положения электродов и крепления механизма подачи последний установлен на кронштейне, имеющем три степени свободы. Использование кронштейна позволяет к тому же электрически изолировать механизм подачи электродов от крышки реактора. Для повышения степени герметизации секционированной камеры в местах стыка продольных секций плотно приварены накладки из металлических полос, а внутренняя поверхность секций электроизолируется покрытием из оксидного материала, например, окиси алюминия. The basis of the invention is the creation of a plasma reactor, characterized by an increased resource and reliability, as well as high processing efficiency of refractory materials in it. The problem is solved by means of a device containing an arc chamber made of longitudinal electrically insulated sections, two rod electrodes with a feed mechanism surrounding the arc chamber, a magnetic circuit with two pairs of pole pieces with coils placed on them, in which, according to the invention, the distance from the maximum magnetic induction the field of the pole pieces to the ends of the electrodes (h) and the minimum clearance in the light between the electrodes (l) are connected by the dependence 1 ≅ l / h ≅ 2, and the electrode feed mechanism is made allows automatic feed of the anode and cathode at different speeds. In addition, according to the invention, other improvements are provided in the electrode feed mechanism and in the design of the chamber itself. In particular, a water-cooled sleeve is provided in the electrode feed mechanism, which protects the electrodes from overheating and reduces their erosion. To fix the position of the electrodes and fasten the feed mechanism, the latter is mounted on an arm having three degrees of freedom. The use of the bracket also makes it possible to electrically isolate the electrode feed mechanism from the reactor lid. To increase the degree of sealing of the sectioned chamber at the junction of the longitudinal sections, plates of metal strips are tightly welded, and the inner surface of the sections is electrically insulated by a coating of oxide material, for example, aluminum oxide.

Перечисленные конструктивные усовершенствования обеспечивают в целом эффективную и надежную работу плазменного реактора. The listed design improvements provide an overall efficient and reliable operation of the plasma reactor.

Заявляемые пределы соотношения 1 ≅ ≅ l/h ≅ 2 определяют номинальный режим работы реактора, когда расстояние между концами электродов l 30-60 мм. Выбор расстояния от концов электродов до максимума магнитной индукции в зависимости от расстояния в свету между концами электродов обеспечивает наиболее оптимальное использование магнитного поля. При выходе отношения l/h ≅ 1 за нижний предел не используется максимум магнитного поля, силы Лоренца оказывается недостаточно для вытягивания дуги. При l/h ≥2 и возникает опасность затягивания дуги на крышку реактора. The claimed limits of the ratio 1 ≅ ≅ l / h ≅ 2 determine the nominal mode of operation of the reactor, when the distance between the ends of the electrodes l 30-60 mm The choice of the distance from the ends of the electrodes to the maximum magnetic induction depending on the distance in the light between the ends of the electrodes provides the most optimal use of the magnetic field. When the ratio l / h ≅ 1 goes beyond the lower limit, the maximum of the magnetic field is not used, the Lorentz force is not enough to stretch the arc. At l / h ≥2, there is a danger of an arc being pulled onto the reactor cover.

Для выдерживания отношения l/h в заявляемых пределах важно поддержание концов электродов при работе реактора на одном уровне. To maintain the l / h ratio within the claimed limits, it is important to maintain the ends of the electrodes during operation of the reactor at the same level.

Как показала промышленная эксплуатация установки, это возможно при условии, что анод будет подаваться в два раза быстрее, чем катод. Такое условие обеспечивается специально разработанным блоком автоматического управления, работающим от трех независимых параметров (подача анода, подача катода и вытяжка наплавленного материала). As shown by the industrial operation of the installation, this is possible provided that the anode will feed twice as fast as the cathode. Such a condition is ensured by a specially developed automatic control unit operating from three independent parameters (anode feed, cathode feed and deposited material fusion).

Установка герметизирующих накладок в местах соединения продольных секций дуговой камеры, а также дополнительная электроизоляция их внутренних поверхностей существенно повышает ресурс работы реактора и устраняют опасность шунтирования и прожога камеры дугой. The installation of sealing linings at the junction of the longitudinal sections of the arc chamber, as well as additional electrical insulation of their internal surfaces, significantly increases the life of the reactor and eliminates the risk of shunting and burning the chamber by an arc.

На фиг. 1 схематически представлен общий вид реактора; на фиг.2 дуговая камера; на фиг.3 разрез по А-А на фиг.2. In FIG. 1 is a schematic overview of a reactor; figure 2 arc chamber; figure 3 a section along aa in figure 2.

Плазменная технологическая установка содержит дуговую камеру, составленную из продольных электроизолированных секций 1 с накладками 2 из полос нержавеющей стали, два стержневых электрода 3 с механизмом подачи электродов 4, связанным с блоком управления 5 (БУ) крышку 6, магнитную систему 7 с регулировочным винтом 8. Механизм подачи 4 крепится на кронштейне 9 и снабжен втулкой 10 для охлаждения электродов. Перерабатываемый материал подается из бункера 11 с барабанным питателем 12. The plasma processing unit contains an arc chamber composed of longitudinal electrically insulated sections 1 with overlays 2 made of stainless steel strips, two rod electrodes 3 with an electrode feeding mechanism 4, a cover 6 connected to a control unit 5 (BU), a magnetic system 7 with an adjusting screw 8. The feed mechanism 4 is mounted on the bracket 9 and is equipped with a sleeve 10 for cooling the electrodes. The processed material is fed from the hopper 11 with a drum feeder 12.

Реактор работает следующим образом. Предварительными экспериментальными плавками в зависимости от мощности реактора и вида перерабатываемого материала определяется конкретное расстояние l. Затем с помощью регулировочного винта 8 устанавливается в заявляемых пределах расстояние h от полюсных наконечников электромагнита 7 до концов графитовых электродов 3. После зажигания дуги между электродами и последующей их разведения до выбранного расстояния l из бункера 11 через питатель 12 подается шихта. В первые несколько минут, до образования гарнисажа на стенках камеры, шихта подается с пониженным расходом. Затем расход доводят до номинального и в процессе плавки поддерживают на этом уровне. Критерием стабильности процесса и оптимальности выбранных параметров является показания приборов на уровне максимально возможных значений (U 300-350 В, I 1000-1200А) и отсутствие пробоев в реакционной камере. Межэлектродный зазор l поддерживается при помощи механизма подачи электродов 4, куда поступает сигнал из блока управления 5 (БУ), имеет три независимых канала управления, каждый канал имеет релейные устройства, связанные с приводами механизмов подачи электродов и вытяжки расплава. Блок состоит из семи модулей и представляет собой цифровую схему циклического многоканального управления. Работа автоматического блока управления отличается высокой помехоустойчивостью и стабильностью заданного соотношения периодичности и длительности подачи, благодаря чему концы электродов в процессе плавки находятся точно на одном уровне, несмотря на разную скорость выработки анода и катода. The reactor operates as follows. Preliminary experimental melts, depending on the power of the reactor and the type of material being processed, determines the specific distance l. Then, with the help of the adjusting screw 8, the distance h from the pole tips of the electromagnet 7 to the ends of the graphite electrodes 3 is set within the claimed limits. After ignition of the arc between the electrodes and their subsequent dilution to the selected distance l from the hopper 11, a charge is fed through the feeder 12. In the first few minutes, before the formation of a skull on the walls of the chamber, the charge is fed at a reduced rate. Then, the flow rate is adjusted to the nominal value and is maintained at this level during the melting process. A criterion for the stability of the process and the optimality of the selected parameters is the readings at the maximum possible values (U 300-350 V, I 1000-1200A) and the absence of breakdowns in the reaction chamber. The interelectrode gap l is maintained by the electrode feeding mechanism 4, which receives a signal from the control unit 5 (control unit), has three independent control channels, each channel has relay devices associated with the drives of the electrode feeding mechanisms and the melt exhaust. The block consists of seven modules and is a digital cyclic multi-channel control circuit. The operation of the automatic control unit is characterized by high noise immunity and stability of a predetermined ratio of the frequency and duration of the feed, due to which the ends of the electrodes during the melting process are exactly at the same level, despite the different production speeds of the anode and cathode.

Испытания плазменного реактора с секционированной дуговой камерой и предлагаемыми усовершенствованиями в выполнении секций камеры и механизма подачи электродов с блоком управления показали надежную, экономичную и высокоэффективную работу установки. Tests of a plasma reactor with a partitioned arc chamber and the proposed improvements in the implementation of the chamber sections and the electrode feed mechanism with the control unit showed reliable, economical and highly efficient operation of the installation.

В настоящее время плазменная технологическая установка, усовершенствованная согласно изобретению, внедрена на Первоуральском динасовом и Красногоровском огнеупорных заводах по плавке кварцевого стекла, кроме того, установка внедрена на Подольском огнеупорном заводе по плавке двуокиси циркония. Завершен монтаж установки на карьере "Гора Хрустальная" Екатеринбургской области. At present, the plasma technological installation improved according to the invention has been introduced at the Pervouralsky Dinas and Krasnogorovsky refractory quartz glass melting plants, in addition, the installation has been introduced at the Podolsky refractory zirconium dioxide melting plant. Installation was completed at the Khrustalnaya Mountain quarry in the Yekaterinburg region.

Использование изобретения обеспечивает повышение производительности почти в два раза, повышение качества плавленного материала, экономию энергозатрат и значительное увеличение ресурса работы деталей и узлов установки. The use of the invention provides an almost twofold increase in productivity, an increase in the quality of the fused material, energy savings and a significant increase in the service life of parts and units of the installation.

Claims

1. PLASMA REACTOR FOR THE PROCESSING OF REFRIGERABLE MATERIALS, comprising an arc chamber made of longitudinal electrically insulated sections, a magnetic circuit surrounding it with two pairs of pole pieces with coils placed on them, and two rod electrodes connected to their movement mechanisms, characterized in that with a minimum electrode between the gap l 30 40 mm, the distance h from the ends of the electrodes to the middle of the magnetic circuit, where the maximum magnetic field induction is created, is selected in the range 1 ≅ l / h ≅ 2.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the arc chamber at the junction of the section on the outside is provided with metal plates, and the inner surface is covered with an insulating layer of oxide material.

3. The reactor according to claims 1 and 2, characterized in that the mechanisms for moving the electrodes are mounted on an arm having three degrees of freedom.

4. The reactor according to paragraphs. 1 to 3, characterized in that the mechanisms for moving the electrodes are equipped with a water-cooled sleeve.