RU217538U1

RU217538U1 - Plasma-chemical reactor for obtaining ultrafine refractory powder materials

Info

Publication number: RU217538U1
Application number: RU2022130443U
Authority: RU
Inventors: Валентин Валерьевич Шеховцов; Геннадий Георгиевич Волокитин; Нелли Карповна Скрипникова; Ахрорбек Боходиржон Угли Улмасов
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2023-04-04

Abstract

Полезная модель относится к области плазменных технологий и может быть использована при переработке тугоплавкого алюмосиликатного природного сырья в ультрадисперсные (нанодисперсные) порошковые материалы, которые могут быть использованы в качестве модифицирующих добавок для конструкционных и композиционных материалов, покрытий готовых изделий для повышения физико-механических характеристик. Плазмохимический реактор для получения ультрадисперсных тугоплавких порошковых материалов содержит водоохлаждаемый цилиндрический корпус, крышку и основание. В основании установлен графитовый анод. Крышка плазмохимического реактора включает соосно установленный электродуговой плазмотрон, отвод для забора парогазовой смеси и смотровое окно. Отвод через водоохлаждаемую магистраль соединен с электрофильтром, для получения из парогазовой смеси нанопорошка. Смотровое окно предназначено для регистрации и фиксации происходящих процессов. Диаметр области визирования смотрового окна составляет 150 мм, а расположено оно под углом 45°. В нижней части цилиндрического корпуса плазмохимического реактора размещен шнековый дозатор для подачи твердофазного материала. С целью повышения ресурса работы плазмохимического в состав установки введена система внешнего магнитного поля. В качестве подвода магнитного поля выступают узлы, состоящие из квадратных металлических стержней, выполненных из трансформаторного железа. На металлических стержнях установлены катушки, по которым протекает выпрямленный по двухполупериодной схеме синусоидальный ток промышленной частоты 50 Гц. Для равномерного распределения магнитного поля узлы расположены на водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе плазмохимического реактора с внешней стороны в четном количестве. Плазмохимический реактор выполнен разборным, для удобства обслуживания, а на каждом теплонапряженном элементе присутствуют подводящий и отводящий каналы охлаждающей жидкости.

The utility model relates to the field of plasma technologies and can be used in the processing of refractory aluminosilicate natural raw materials into ultradispersed (nanodispersed) powder materials, which can be used as modifying additives for structural and composite materials, coatings of finished products to improve physical and mechanical characteristics. The plasma-chemical reactor for obtaining ultrafine refractory powder materials contains a water-cooled cylindrical body, a cover and a base. A graphite anode is installed at the base. The cover of the plasma-chemical reactor includes a coaxially mounted electric arc plasma torch, a branch for sampling the vapor-gas mixture and a viewing window. The outlet through a water-cooled line is connected to an electrostatic precipitator to obtain a nanopowder from a vapor-gas mixture. The viewing window is designed to register and fix ongoing processes. The diameter of the viewing area of the viewing window is 150 mm, and it is located at an angle of 45°. In the lower part of the cylindrical body of the plasma-chemical reactor there is a screw feeder for supplying solid-phase material. In order to increase the service life of the plasma-chemical plant, an external magnetic field system was introduced into the setup. Units consisting of square metal rods made of transformer iron serve as the supply of the magnetic field. Coils are installed on metal rods, through which a sinusoidal current of industrial frequency of 50 Hz, rectified according to a full-wave circuit, flows. For uniform distribution of the magnetic field, the nodes are located on the water-cooled cylindrical body of the plasma-chemical reactor from the outside in an even number. The plasma-chemical reactor is made collapsible for ease of maintenance, and each heat-stressed element has inlet and outlet channels of the coolant.

Description

Полезная модель относится к области плазменных технологий и может быть использована при переработке тугоплавкого алюмосиликатного природного сырья в ультрадисперсные (нанодисперсные) порошковые материалы, которые могут быть использованы в качестве модифицирующих добавок для конструкционных и композиционных материалов, покрытий готовых изделий для повышения физико-механических характеристик.The utility model relates to the field of plasma technologies and can be used in the processing of refractory aluminosilicate natural raw materials into ultradispersed (nanodispersed) powder materials, which can be used as modifying additives for structural and composite materials, coatings of finished products to improve physical and mechanical characteristics.

Наиболее близкой по технической сущности (прототип) является плазменная установка для переработки тугоплавких силикатсодержащих материалов (патент № 169047, опубл. от 02.03.2017), содержащая плавильную печь с водоохлаждаемым металлическим корпусом. В крышке плавильной печи через изолятор установлен плазмотрон. В основании плавильной печи установлен графитовый анод. Под крышкой плавильной печи на корпусе плазмотрона перпендикулярно ему закреплена металлическая шайба. Металлическая шайба выполняет функцию защитного экрана, для чего ее диаметр превышает диаметр изолятора плазмотрона не менее чем в 1.5 раза. Защитный экран непрерывно охлаждается воздухом через канал, выполненный в изоляторе, расположенном в крышке плавильной печи. В средней боковой части плавильной печи расположен сливной желоб для выхода расплава. Для подачи порошкообразного сырья в плавильную печь служит шнековый питатель, закрепленный на противоположной сливному желобу боковой поверхности корпуса плавильной печи. Шнековый питатель соединен с загрузочным бункером и электроприводом. В верхней части плавильной печи над зоной плавления дополнительно закреплен патрубок для вывода наночастиц.The closest in technical essence (prototype) is a plasma plant for processing refractory silicate-containing materials (patent No. 169047, publ. from 03/02/2017), containing a melting furnace with a water-cooled metal case. A plasma torch is installed through the insulator in the lid of the melting furnace. A graphite anode is installed at the base of the melting furnace. Under the cover of the melting furnace, a metal washer is fixed perpendicularly to the body of the plasma torch. The metal washer acts as a protective screen, for which its diameter exceeds the diameter of the plasma torch insulator by at least 1.5 times. The protective screen is continuously cooled by air through a channel made in an insulator located in the lid of the melting furnace. In the middle side part of the melting furnace there is a drain chute for melt outlet. To supply powdered raw materials to the melting furnace, a screw feeder is used, which is fixed on the side surface of the melting furnace housing opposite to the drain chute. The screw feeder is connected to a loading hopper and an electric drive. In the upper part of the melting furnace, above the melting zone, a branch pipe is additionally fixed for the withdrawal of nanoparticles.

Недостатком известной установки является подверженность анодного узла к неравномерному износу, что приводит к снижению надежности и сроку службы установки в целом.The disadvantage of the known installation is the susceptibility of the anode assembly to uneven wear, which leads to a decrease in the reliability and service life of the installation as a whole.

Целью создания технического решения является создание плазмохимического реактора, устраняющего эти недостатки.The purpose of creating a technical solution is to create a plasma-chemical reactor that eliminates these shortcomings.

Для решения поставленной задачи плазмохимический реактор для получения ультрадисперсных тугоплавких порошковых материалов (нанопорошков) содержит водоохлаждаемый цилиндрический корпус, крышку с электродуговым плазмотроном и основание с графитовым анодом. Плазмохимический реактор выполнен разборным, а корпус, крышка и основание выполнены полыми и включают подводящий и отводящий каналы охлаждающей жидкости. В нижней части водоохлаждаемого цилиндрического корпуса плазмохимического реактора размещен шнековый дозатор. В крышке плазмохимического реактора дополнительно установлены отвод парогазовой смеси и смотровое окно, расположенное под углом 45°. Отвод парогазовой смеси через магистраль соединен с электрофильтром. С внешней стороны водоохлаждаемого цилиндрического корпуса плазмохимического реактора установлена система внешнего магнитного поля в виде узлов, состоящих из четного количества квадратных металлических стержней, с расположенными на них катушками по которым протекает синусоидальный ток. To solve the problem, the plasma-chemical reactor for producing ultrafine refractory powder materials (nanopowders) contains a water-cooled cylindrical body, a cover with an electric arc plasma torch, and a base with a graphite anode. The plasma-chemical reactor is made collapsible, and the body, cover and base are made hollow and include inlet and outlet channels of the coolant. In the lower part of the water-cooled cylindrical body of the plasma-chemical reactor, a screw feeder is placed. In the cover of the plasma-chemical reactor, a steam-gas mixture outlet and a viewing window located at an angle of 45° are additionally installed. The outlet of the gas-vapor mixture through the line is connected to the electrostatic precipitator. From the outside of the water-cooled cylindrical body of the plasma-chemical reactor, an external magnetic field system is installed in the form of nodes consisting of an even number of square metal rods with coils located on them, through which a sinusoidal current flows.

Плазмохимический реактор (Фиг.1) включает в себя водоохлаждаемый цилиндрический корпус 1, крышку 2 и основание 3 с графитовым анодом 4. Крышка 2 плазмохимического реактора включает соосно установленный электродуговой плазмотрон 5, отвод 6 для забора и охлаждения парогазовой смеси и смотровое окно 7, предназначенное для регистрации и фиксации происходящих процессов. Диаметр области визирования смотрового окна 7 составляет 150 мм, а расположено оно под углом 45°. В нижней части цилиндрического корпуса 1 плазмохимического реактора размещен шнековый дозатор 8 для подачи твердофазного материала 11. Для получения нанопорошка из парогазовой смеси отвод 6 через магистраль 13 соединен с электрофильтром 12. С целью повышения ресурса работы плазмохимического реактора в состав установки введена система внешнего магнитного поля. В качестве подвода магнитного поля выступают узлы 9 состоящие из квадратных металлических стержней, выполненных из трансформаторного железа, сечением 20/20 мм, длина 100 мм. На металлических стержнях установлены катушки, по которым протекает выпрямленный по двухполупериодной схеме синусоидальный ток промышленной частоты 50 Гц. Для равномерного распределения магнитного поля узлы 9 расположены на водоохлаждаемом цилиндрическом корпусе 1 плазмохимического реактора с внешней стороны в количестве 6 штук. Плазмохимический реактор выполнен разборным, для удобства обслуживания, а корпус 1, крышка 2 и основание реактора 3 выполнены полыми с образованием водоохлаждающего канала для прохождения охлаждающей жидкости.The plasma-chemical reactor (Figure 1) includes a water-cooled cylindrical body 1, a cover 2 and a base 3 with a graphite anode 4. The cover 2 of the plasma-chemical reactor includes a coaxially mounted electric arc plasma torch 5, an outlet 6 for collecting and cooling the vapor-gas mixture and a viewing window 7 designed for registration and fixation of ongoing processes. The diameter of the viewing area of the viewing window 7 is 150 mm, and it is located at an angle of 45°. In the lower part of the cylindrical body 1 of the plasma-chemical reactor, there is a screw feeder 8 for supplying solid-phase material 11. To obtain a nanopowder from a vapor-gas mixture, outlet 6 is connected through line 13 to an electrostatic precipitator 12. In order to increase the service life of the plasma-chemical reactor, an external magnetic field system was introduced into the installation. Units 9, consisting of square metal rods made of transformer iron, with a cross section of 20/20 mm, and a length of 100 mm, serve as the supply of the magnetic field. Coils are installed on metal rods, through which a sinusoidal current of industrial frequency of 50 Hz, rectified according to a full-wave circuit, flows. For uniform distribution of the magnetic field nodes 9 are located on the water-cooled cylindrical housing 1 of the plasma-chemical reactor from the outside in the amount of 6 pieces. The plasma-chemical reactor is made collapsible for ease of maintenance, and the body 1, the cover 2 and the base of the reactor 3 are made hollow with the formation of a water-cooling channel for the passage of the coolant.

Плазмохимический реактор работает следующим образом.The plasma-chemical reactor operates as follows.

Предварительно плазмохимический реактор заполняется твердофазным тугоплавким материалом 11 фракцией от 1 до 2 мм в количестве 1/5 от рабочего объема реактора. В узлы теплонапряженных элементов подается охлаждающая жидкость (вода) при давлении 3 бар. Затем осуществляется запуск электродугового плазмотрона 5. Под действием температуры в 5000 К дугового шнура 10, твердофазный материал 11 начинает плавиться, образуя на графитовом аноде 4 пленку расплава. При достижении толщины пленки 4-7 мм, с помощью шнекового дозатора 8 осуществляется подача дополнительного объема твердофазного материала 11 в плазмохимический реактор со скоростью 0.8 кг/ч. В процессе заполнения плазмохимического реактора расплавом, протекает его частичное испарение с образованием парогазовой смеси. Забор парогазовой смеси в электрофильтр 12 осуществляется через отвод 6, с помощью магистрали 13. При прохождении парогазовой смеси через отвод 6 осуществляется её охлаждение, а затем при прохождении через магистраль 13 в электрофильтр 12 осуществляется её конденсация и на стенках электрофильтра 12 формируется тонкодисперсный слой нанопорошка. Сбор нанопорошка осуществляется под действием вибрационного аппарата 14 мощностью 10 Вт в установленный соосно малогабаритный отсек 15.Pre-plasma-chemical reactor is filled with solid-phase refractory material 11 fraction from 1 to 2 mm in the amount of 1/5 of the working volume of the reactor. Coolant (water) is supplied to the nodes of heat-stressed elements at a pressure of 3 bar. Then the electric arc plasma torch 5 is launched. Under the influence of a temperature of 5000 K of the arc cord 10, the solid-phase material 11 begins to melt, forming a melt film on the graphite anode 4. When the film thickness reaches 4-7 mm, with the help of a screw dispenser 8, an additional volume of solid-phase material 11 is fed into the plasma-chemical reactor at a rate of 0.8 kg/h. In the process of filling the plasma-chemical reactor with a melt, its partial evaporation proceeds with the formation of a vapor-gas mixture. The gas-vapor mixture is taken into the electrostatic precipitator 12 through outlet 6, using line 13. When the vapor-gas mixture passes through outlet 6, it is cooled, and then when passing through line 13 into electrostatic precipitator 12, it is condensed and a finely dispersed layer of nanopowder is formed on the walls of electrostatic precipitator 12. The collection of nanopowder is carried out under the action of a vibration apparatus 14 with a power of 10 W in a coaxially installed small-sized compartment 15.

Claims

A plasma-chemical reactor for producing ultrafine refractory powder materials, containing a water-cooled cylindrical body, a cover with an electric arc plasma torch and a base with a graphite anode, while said body, cover and base are hollow and include inlet and outlet channels of the coolant, in the lower part of the water-cooled cylindrical body of the plasma-chemical The reactor is equipped with a screw feeder, characterized in that the plasma-chemical reactor is made collapsible, in the lid of the plasma-chemical reactor, a vapor-gas mixture outlet and a viewing window located at an angle of 45 ° are additionally installed, the outlet of the vapor-gas mixture through the line is connected to an electrostatic precipitator, from the outside of the water-cooled cylindrical body of the plasma-chemical reactor an external magnetic field system was installed in the form of nodes consisting of an even number of square metal rods with coils located on them, through which a sinusoidal current flows.