RU2743474C2 - Method of plasma synthesis of powders of inorganic materials and apparatus for implementation thereof - Google Patents
Method of plasma synthesis of powders of inorganic materials and apparatus for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743474C2 RU2743474C2 RU2019120709A RU2019120709A RU2743474C2 RU 2743474 C2 RU2743474 C2 RU 2743474C2 RU 2019120709 A RU2019120709 A RU 2019120709A RU 2019120709 A RU2019120709 A RU 2019120709A RU 2743474 C2 RU2743474 C2 RU 2743474C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- melt
- inorganic material
- powder
- jet
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
- B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/14—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes using electric discharge
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии, а более конкретно к плазменному производству из твердофазного исходного материала дисперсные и гранулированные порошки. Плазменное производство порошков включает плавление исходного материала и формирование из расплава порошков требуемого размера и состава. В настоящее время наиболее широко порошки производят из исходной порошкообразной шихты в плазменной струе, в которой осуществляют плавление и диспергирование материала. Наиболее энергоемким процессом является плавление материала. Используемые в настоящее время плазменные способы диспергирования материала имеют низкий коэффициент полезного использования (КПИ) электрической энергии, который при диспергирования материала в струе плазмы составляет η=2-6%, что является существенным недостатком плазменных процессов.The invention relates to powder metallurgy, and more specifically to plasma production of dispersed and granular powders from a solid-phase starting material. Plasma production of powders involves melting the starting material and forming powders of the required size and composition from the melt. At present, most widely, powders are produced from an initial powdery charge in a plasma jet, in which the material is melted and dispersed. The most energy consuming process is melting the material. The currently used plasma methods for dispersing the material have a low coefficient of useful use (KPI) of electrical energy, which, when the material is dispersed in a plasma jet, is η = 2-6%, which is a significant disadvantage of plasma processes.
В данном изобретении предложен плазменный способ производства порошков неорганических материалов, в котором процесс плавления и процесс диспергирования материала осуществляют раздельно - плавление материала производят в плавильном устройстве, например, в плазменно-дуговой печи, а диспергирование материала осуществляют посредством токоведущей плазменной струи. Оба процесса функционируют одновременно и параметрически связанны. Предложенный способ позволяет повысить КПИ электроэнергии и расширить технологические возможности процесса.This invention proposes a plasma method for producing powders of inorganic materials, in which the melting process and the material dispersion process are carried out separately - the material is melted in a melting device, for example, in a plasma arc furnace, and the material is dispersed by means of a current-carrying plasma jet. Both processes operate simultaneously and are parametrically linked. The proposed method allows you to increase the KPI of electricity and expand the technological capabilities of the process.
Известен и применяется способ производства порошков различных материалов - металлов, оксидов, карбидов, нитридов и т.д. в плазменной струе дуговых и высокочастотных плазмотронов (Н.Н Рыкалин, В.А. Петруничев и др., Получение сферических и тонкодисперсных порошков в низкотемпературной плазме, Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов, М. Наука, 1973, с. 220-230). Недостатком этого способа является низкий КПИ электрической энергии - η=2-3%.A known and applied method for the production of powders of various materials - metals, oxides, carbides, nitrides, etc. in the plasma jet of arc and high-frequency plasmatrons (N.N. Rykalin, V.A.Petrunichev et al., Production of spherical and finely dispersed powders in low-temperature plasma, Plasma processes in metallurgy and technology of inorganic materials, M. Nauka, 1973, p. 220- 230). The disadvantage of this method is the low KPI of electrical energy - η = 2-3%.
Известен способ производства порошков в плазменной струе в условиях МГД - объемного разряда, направленный на повышение КПИ электрической энергии, (А.Г. Сажнев, Г.И. Стельмах, Н.А. Чесноков. Некоторые особенности технологических плазмотронов для обработки дисперсных материалов, Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов, М. Наука, 1973, с. 230-236).A known method for the production of powders in a plasma jet under conditions of MHD - a volumetric discharge aimed at increasing the KPI of electrical energy, (A. G. Sazhnev, G. I. Stelmakh, N. A. Chesnokov. Some features of technological plasmatrons for processing dispersed materials, Plasma processes in metallurgy and technology of inorganic materials, M. Nauka, 1973, pp. 230-236).
Известен способ, в котором повышение КПИ электрической энергии увеличивают посредством обработки порошка во вращающейся плазменной струе, генерируемой плазмотроном с продольным магнитным полем, (Н.Н. Рыкалин, А.В. Николаев и др., Нагрев порошка в стабилизированной магнитным полем струе при плазменном напылении, Автоматическая сварка, №8, 1968, с. 29-33).There is a method in which an increase in the KPI of electrical energy is increased by processing the powder in a rotating plasma jet generated by a plasmatron with a longitudinal magnetic field (N.N. Rykalin, A.V. Nikolaev et al., Heating the powder in a magnetic-field-stabilized jet with a plasma spraying, Automatic welding, No. 8, 1968, pp. 29-33).
Известен способ, в котором для повышения КПИ электрической энергии обработку порошка производят во встречных плазменных струях, (А.В. Николаев, Исследование нагрева твердых частиц в плазмотроне со встречными струями. ФХОМ, №3, 1968 с. 33-39).The known method, in which to increase the KPI of electrical energy, the processing of the powder is carried out in oncoming plasma jets (AV Nikolaev, Study of heating solid particles in a plasmatron with counter jets. FKHOM, No. 3, 1968 pp. 33-39).
Недостатком производства порошков выше описанными способами с использованием МГД-объемного разряда, вращающейся пламенной струи и во встречных пламенных струях является незначительное увеличение КПИ электрической энергии - с η=2-3% до η=4-6%. Это обусловлено тем, что энергия плазменной струи, расходуемая на плавление и диспергирование порошкообразного исходного материала лимитируется временим взаимодействия исходного порошка и плазмы, которое при обработке порошка в струе плазмы составляет 10-4 - 10-2 с, и теплообменом исходного материала с плазмой.The disadvantage of producing powders by the methods described above using an MHD volume discharge, a rotating flame jet, and in counter flame jets is a slight increase in the KPI of electrical energy - from η = 2-3% to η = 4-6%. This is due to the fact that the energy of the plasma jet spent on melting and dispersing the powdery initial material is limited by the time of interaction of the initial powder and plasma, which, when processing the powder in a plasma jet, is 10 -4 - 10 -2 s, and by heat exchange of the initial material with the plasma.
Таким образом, при производстве порошков в плазменной струе КПИ электрической энергии составляет η=4-6%.. Это делает данный способ дорогостоящими и малопригодным для создания мощных высоко производительных установок для производства порошков.Thus, in the production of powders in a plasma jet, the KPI of electrical energy is η = 4-6%. This makes this method expensive and unsuitable for creating powerful highly productive installations for the production of powders.
Известен способ производства порошков, основанный на диспергировании расплава обрабатываемого материала, полученного в плавильном устройстве, высокоскоростным низкотемпературным газовым потоком. (В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия, М. Металлургия, 1987 792 с.) При этом для плавки исходного материала используют различные источники теплоты, в том числе плазменно-дуговой (B.C. Чередниченко, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузмин, НГТК, Новосибирск, 2008 602 с.).A known method for the production of powders, based on the dispersion of the melt of the processed material obtained in the melting device, high-speed low-temperature gas flow. (VN Antsiferov, GV Bobrov et al. Powder metallurgy and sprayed coatings, M. Metallurgy, 1987 792 p.) At the same time, various sources of heat are used to melt the initial material, including plasma-arc heat (BC Cherednichenko , A. S. Anshakov, M. G. Kuzmin, NGTK, Novosibirsk, 2008 602 p.).
Недостатком данного способа является то, что диспергирование струи расплава осуществляют газом, температура которого составляет Т=270-300 К. Образованный порошок при этом быстро охлаждаются, что отрицательно влияет на его обработку - сфероидизацию и физико-химический состав. Эффективность использования химически активных газов для обработки порошка - водорода, азота и др, газов также согласно закону Арениуса снижается. Кроме того, для получения требуемого высокоскоростного газового потока необходимо использовать сложные и дорогостоящие газовые компрессоры и значительные объемы газа. При этом при объединении оборудования в единую автоматизированную систему возникают определенные трудности. Все это усложняет и удорожает технологию производства порошка.The disadvantage of this method is that the dispersion of the melt jet is carried out with gas, the temperature of which is T = 270-300 K. The formed powder is rapidly cooled, which negatively affects its processing - spheroidization and physicochemical composition. The efficiency of using chemically active gases for powder processing - hydrogen, nitrogen, etc., gases also decreases according to the Arenius law. In addition, complex and expensive gas compressors and significant volumes of gas must be used to obtain the required high velocity gas flow. At the same time, certain difficulties arise when combining equipment into a single automated system. All this complicates and increases the cost of the powder production technology.
Известен способ производства порошков в том числе ультрадисперсного с размерами частиц менее 1000 нм посредством распыления механически раздробленной струи расплава, истекающей в свободное пространство реактора, токоведущими плазменными струями, создающими электрический ток в раздробленной струе расплава, что позволяет увеличить производительность процесса производства ультрадисперсного порошка. Этот способ производства порошков является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения и включает диспергирование в объеме реактора раздробленной струи расплава обрабатываемого материала токоведущими плазменными струями. (А.В. Болотов, А.В. Колесников, М.Н. Филькор, С.А. Болотов, Авторское свидетельство, «Способ получения ультрадисперсных порошков», 07.12.92, SU 1780242).A known method for the production of powders, including ultradispersed with particle sizes less than 1000 nm by spraying a mechanically crushed stream of melt flowing into the free space of the reactor, current-carrying plasma jets that create an electric current in a crushed stream of melt, which allows you to increase the productivity of the process of producing ultrafine powder. This method of producing powders is the closest analogue of the claimed invention and includes dispersing a crushed stream of melt of the processed material in the volume of the reactor by current-carrying plasma jets. (A.V. Bolotov, A.V. Kolesnikov, M.N. Filkor, S.A. Bolotov, Inventor's certificate, "Method for producing ultrafine powders", 07.12.92, SU 1780242).
Недостатком данного способа является сложность осуществления электрического контакта в свободном пространстве реактора между частицами раздробленного вибрирующего расплава и токоведущими плазменными струями, что снижает эффективность и возможность регулирования энергетического воздействия на расплав токоведущих плазменных струй и, в конечном итоге, уменьшает технологические возможности производства порошка.The disadvantage of this method is the complexity of electrical contact in the free space of the reactor between the particles of the crushed vibrating melt and the current-carrying plasma jets, which reduces the efficiency and the possibility of regulating the energy impact on the melt of the current-carrying plasma jets and, ultimately, reduces the technological capabilities of powder production.
Задача, на решение которой направлено наше изобретение, заключается в разработке способа плазменного производства порошков неорганических материалов и устройства для его осуществления, позволяющего повысить эффективность энергетического воздействия плазменной струи на расплав, обеспечить возможность регулирования энергетического воздействия струи на расплав, что позволяет уменьшить энергоемкость процесса и расширить технологические возможности производства порошка.The problem to be solved by our invention is to develop a method for the plasma production of powders of inorganic materials and a device for its implementation, which makes it possible to increase the efficiency of the energy effect of the plasma jet on the melt, to provide the possibility of regulating the energy effect of the jet on the melt, which makes it possible to reduce the energy consumption of the process and expand technological capabilities of powder production.
Техническим результатом изобретения, направленного на плазменное производство порошка, является высокая эффективность и широкие возможности регулирования энергетического воздействия на расплав исходного материала токоведущей плазменной струи, что позволяет уменьшить энергоемкость процесса и расширить размерный ряд производимого порошка.The technical result of the invention, aimed at the plasma production of powder, is high efficiency and ample opportunities for regulating the energy impact on the melt of the starting material of the current-carrying plasma jet, which makes it possible to reduce the energy consumption of the process and expand the size range of the produced powder.
Положительные особенности изобретения обусловлены следующими факторам:The positive features of the invention are due to the following factors:
- расплав исходного сырья создают в плавильном устройстве и подают в начальную область канала сопла струйного плазмотрона с самоустанавливающейся длинной дуги или плазмотрона с межэлектродной вставкой (МЭВ);- the raw material melt is created in the melting device and fed to the initial region of the nozzle channel of a jet plasmatron with a self-aligning long arc or a plasmatron with an interelectrode insert (MEW);
- диспергирование расплава осуществляют в канале сопла плазмотрона посредством кинетической энергии струи и энергии электропереноса в дуговых пятнах на расплаве, находящегося в канале сопла плазмотрона;- the dispersion of the melt is carried out in the channel of the nozzle of the plasmatron by means of the kinetic energy of the jet and the energy of electrical transfer in arc spots on the melt located in the channel of the nozzle of the plasmatron;
- размер производимого порошка определяется величиной и соотношением кинетической энергии струи и энергии электропереноса в дуговых пятнах в канале сопла, параметрами регулирования которых являются для кинетической энергии струи - мощность дуги и расход плазмообразующего газа, а для энергии электропереноса - ток дуги;- the size of the produced powder is determined by the magnitude and ratio of the kinetic energy of the jet and the energy of electric transfer in the arc spots in the nozzle channel, the control parameters of which are for the kinetic energy of the jet - the power of the arc and the flow rate of the plasma-forming gas, and for the energy of electric transfer - the arc current;
- кинетическая энергия струи, равная Рк=GpWp 2/2, где Gp и Wp - массовая и линейная скорости плазмы, составляет 1-5% мощности дуги диспергирующего плазмотрона или Рк≈0,1 - 0, 5 кВт, а энергия электропереноса в дуговых пятнах, равная Ре=ηеIUе, где I - ток дуги плазмотрона, Ue - вольтов эквивалент энергии, выделяющейся в пятнах дуги, ηе - коэффициент, учитывающий долю тока дуги, проходящего через расплав (ηе=0,5 - 0,8), составляет 5 -30% мощности дуги плазмотрона или Ре=ηе (0,8-10) кВт; при определенном соотношении кинетической энергии и энергии электропереноса возможно производить порошок размером 10 нм - 25 мм.- the kinetic energy of the jet, which is equal to F = G p W p 2/2 where G p, and W p - mass of plasma and a linear velocity of 1-5% dispersing arc power P to the plasma torch or ≈0,1 - 0, 5 kW, and the electric transfer energy in arc spots, equal to P e = η e IU e , where I is the arc current of the plasmatron, U e is the volt equivalent of the energy released in the arc spots, η e is the coefficient taking into account the fraction of the arc current passing through the melt (η e = 0.5 - 0.8), is 5-30% of the plasma torch arc power or P e = η e (0.8-10) kW; at a certain ratio of kinetic energy and electric transfer energy, it is possible to produce a powder with a size of 10 nm - 25 mm.
Технический результат достигается способом плазменного получения порошка неорганического материала, включающем плавление исходного неорганического материала в плавильном устройстве и диспергирование струи расплава неорганического материала в плазменном диспергаторе, причем в качестве плавильного устройства для плавления исходного неорганического материала используют плазменно-дуговую печь, содержащую плазмотрон, камеру и по меньшей мере один охлаждаемый тигель со сливным отверстием, через которое струю расплава неорганического материала подают в плазменный диспергатор в начальную область канала сопла струйного плазмотрона, при этом длина упомянутого канала сопла равна двум диаметрам упомянутого сопла, а диспергирование струи упомянутого расплава в плазменном диспергаторе осуществляют токоведущей плазменной струей в дуговом пятне, возникающем на струе расплава в канале сопла струйного плазмотрона, с получением порошка неорганического материала и обеспечивают поступление полученного порошка в приемник. The technical result is achieved by a method of plasma production of an inorganic material powder, including melting the initial inorganic material in a melting device and dispersing a stream of a melt of an inorganic material in a plasma disperser, and as a melting device for melting the initial inorganic material, a plasma-arc furnace containing a plasmatron, a chamber and at least one cooled crucible with a drain hole, through which a stream of inorganic material melt is fed into the plasma disperser into the initial region of the nozzle channel of the jet plasmatron, while the length of said nozzle channel is equal to two diameters of said nozzle, and the jet of said melt in the plasma disperser is dispersed by a current-carrying plasma a jet in an arc spot arising on a stream of melt in the channel of the nozzle of the jet plasmatron, to obtain a powder of inorganic material and ensure the flow of the resulting pore shka into the receiver.
Устройство для осуществления предложенного способа содержит плавильное устройство, плазменный диспергатор расплава неорганического материала, оснащенный струйным плазмотроном, источники исходного неорганического материала и плазмообразующего газа, вместе с тем оно содержит сборник отходящего из плавильного устройства и плазменного диспергатора газа, снабженный теплообменником и фильтрующим устройством, и приемник полученного неорганического порошка, при этом плавильное устройство представляет собой плазменно-дуговую печь для плавки исходного неорганического материала, содержащую плазмотрон, камеру и по меньшей мере один охлаждаемый тигель со сливным отверстием для подачи струи расплава в плазменный диспергатор в начальную область канала сопла плазмотрона для диспергирования расплава токоведущей плазменной струей в дуговом пятне, возникающем на упомянутой струе расплава, при этом длина канала сопла струйного плазмотрона равна двум диаметрам упомянутого сопла. A device for implementing the proposed method comprises a melting device, a plasma disperser for a melt of inorganic material equipped with a jet plasmatron, sources of the initial inorganic material and a plasma-forming gas, at the same time, it contains a collection of exhaust gas from the melting device and a plasma disperser equipped with a heat exchanger and a filter device, and a receiver the obtained inorganic powder, wherein the melting device is a plasma-arc furnace for melting the initial inorganic material, containing a plasmatron, a chamber and at least one cooled crucible with a drain hole for supplying a melt jet to a plasma disperser in the initial region of the plasma torch nozzle channel for dispersing the melt a current-carrying plasma jet in an arc spot arising on said melt jet, while the length of the nozzle channel of the jet plasmatron is equal to two diameters of the said nozzle.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Плазменные способы производства дисперсного порошка в плазменной струе с пространственным объединением процессов плавления и диспергирования порошкообразного исходного сырья имеют низкий КПИ электрической энергии η=2-6%, что является существенным недостатком. При пространственном разделении процессов плавления и диспергирования расплава и использовании для плавления материала энерго эффективного источника теплоты, например, плазменной дуги результирующий КПИ электрической энергии производства порошка увеличивается в несколько раз до η=30-60%. Для производства ультрадисперсных порошков предложено использовать токоведущие плазменные струи, что позволило расширить технологические возможности процесса и повысить производительность.Plasma methods for the production of dispersed powder in a plasma jet with spatial combination of melting and dispersion of powdery raw materials have a low KPI of electrical energy η = 2-6%, which is a significant drawback. With the spatial separation of the processes of melting and dispersion of the melt and the use of an energy efficient source of heat, for example, a plasma arc, for melting the material, the resulting KPI of the electric energy of powder production increases several times to η = 30-60%. For the production of ultrafine powders, it was proposed to use current-carrying plasma jets, which made it possible to expand the technological capabilities of the process and increase productivity.
Заявляемый способ производства порошка включает плавление исходного материала при температуре Т=1500-3500 К в плавильном устройстве и диспергирование расплава в канале сопла плазмотрона потоком токоведущей плазмы, температура и скорость которой составляют Т=10000-25000 К и Wp=500-1000 м/с.The claimed method for the production of powder includes melting the starting material at a temperature of T = 1500-3500 K in a melting device and dispersing the melt in the channel of the nozzle of the plasmatron with a current-carrying plasma flow, the temperature and speed of which are T = 10000-25000 K and W p = 500-1000 m / from.
Диспергация расплава осуществляется посредством кинетической энергии плазменной струи, мощность которой равна Ррк=GpWp 2/2 и энергии электропереноса в дуговых пятнах на расплаве в канале сопла плазмотрона (катодном или анодном) Ре=ηeI Ue. Скорость плазмы и мощность ее кинетической энергии при заданном размере частиц порошка можно оценить, используя выражение Wp=(8σm/cfγpdm)0,5, здесь cf - коэффициент аэродинамического сопротивления капли расплава потоку плазмы, γр - плотность плазмы, σm - поверхностное натяжение расплава, dm - диаметр образующихся частиц порошка. (В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия, М. Металлургия, 1987 792 с.).Dispersion of the melt is carried out by the kinetic energy of the plasma jet, the power P is equal to pk = G p W p 2/2 and electromigration energy in the arc spot on the melt channel in the nozzle of the plasma torch (cathode or anode) R e = η e IU e. The plasma velocity and the power of its kinetic energy for a given size of powder particles can be estimated using the expression W p = (8σ m / c f γ p d m ) 0.5 , here c f is the coefficient of aerodynamic resistance of the melt droplet to the plasma flow, γ p - plasma density, σ m is the surface tension of the melt, d m is the diameter of the formed powder particles. (VN Antsiferov, GV Bobrov et al. Powder metallurgy and sprayed coatings, M. Metallurgy, 1987 792 p.).
Мощность дуги плазмотрона диспергатора равна Рdp=UI==Рр/ηj, здесь U и I - напряжение и ток дуги, Рр - мощность плазменной струи, ηj энергетический КПД струйного плазмотрона, равный ηj=60-80%. Мощность плазменной струи определяется как 
Мощность электропереноса Ре=ηeI Ue обусловленна током дуги I и вольтовым эквивалентом энергии электропереноса в пятне Ue. Величина Ue определяется приэлектродным падением потенциала, работой выхода материала электрода, потенциалом ионизации газа и др. параметрами и равна примерно Ue≈8 В.The power of the electric transport P e = η e IU e is due to the arc current I and the volt equivalent of the energy of the electric transport in the spot U e . The U e value is determined by the near-electrode potential drop, the work function of the electrode material, the gas ionization potential, and other parameters and is approximately equal to U e ≈8 V.
Мощность, расходуемая на плавление материала, обычно превышает кинетическую мощность струи плазмы и мощность электропереноса диспергатора расплава. Так при производительности процесса диспергирования металла на основе железа Gm=0,075 кг/с (270 кг/ч) мощность, расходуемая на его плавление, например, в плазменно-дуговой печи, равна Рm=100 кВт. При использовании для диспергирования металла на основе железа только кинетической энергии плазменной струи аргона (энергия электропереноса не учитывается) с массовой и линейной скоростями плазмы соответственно Gp=0,5 10-3 кг/с и Wp=800 м/с, что имеет место при мощности струи Рр=10 кВт, температуре плазмы Т=13000 К и диаметре сопла плазмотрона dc=5 мм, возможно производить гранулы металлического продукта размером dm=8σm/cf γpWp 2=0,7 мм (cf=1, σm- 1,8 Дж/м2, γр-3 10-2 кг/м3). Кинетическая мощность плазменного потока в этом случае равна Рк=GpWp 2/2=160 Вт, что составляет около 0,2% от мощности, необходимой для плавления металла Рm.The power consumed to melt the material usually exceeds the kinetic power of the plasma jet and the power of electrical transfer of the melt disperser. So, with the productivity of the process of dispersing a metal based on iron G m = 0.075 kg / s (270 kg / h), the power spent on its melting, for example, in a plasma-arc furnace, is equal to P m = 100 kW. When using only the kinetic energy of an argon plasma jet to disperse a metal based on iron (the energy of electrical transfer is not taken into account) with the mass and linear plasma velocities, respectively, G p = 0.5 10 -3 kg / s and W p = 800 m / s, which has place with a jet power P p = 10 kW, plasma temperature T = 13000 K and a plasma torch nozzle diameter d c = 5 mm, it is possible to produce granules of a metal product with a size d m = 8σ m / c f γ p W p 2 = 0.7 mm (c f = 1, σ m - 1.8 J / m 2 , γ p -3 10 -2 kg / m 3 ). Kinetic power plasma flow in this case is equal to F = G p W p 2/2 = 160 W, which is about 0.2% of the power needed for melting metal P m.
При производстве дисперсного металлического порошка с размером частиц dm=7 мкм кинетическую энергию струи Рк и, соответственно, мощность струи Рр необходимо увеличить примерно на порядок, т.е. Рк≈1,6 кВт, а Рр≈100 кВт, что нежелательно, т.к. это приведет к значительному увеличению расхода энергии и усложнению плазменной аппаратуры. Поэтому при производстве дисперсного порошка необходимо использовать энергию электропереноса в дуговых пятнах, возникающих на расплаве в канале плазмотрона Ре. Мощность электропереноса Ре примерно на порядок превышающая кинетическую мощность струи Рк (при I=200 A, Ue=8 В и ηе=0,7 Ре=ηеIUе=1,12 кВт) и является существенным энергетическим фактором, определяющим дисперсность порошка и его физико-химические свойства. Энергия, выделяющаяся в пятнах дуги, производит нагреву расплава до температуры близкой к температуре кипения материала, поверхностное натяжение и вязкость материала расплава при увеличении температуры снижаются, а прохождение тока через образовавшиеся волокна расплава приводит к их перегреву за счет ленц-джоулевого тепла и разрушению в результате пинч-эффекта. При увеличении мощности электропереноса Ре дисперсность порошка возрастает и размер частиц может составлять 10-1000 нм. (А.В. Болотов, А.В. Колесников, М.Н. Филькор, С.А. Болотов, Авторское свидетельство, «Способ получения ультрадисперсных порошков», 07.12.92, SU 1780242).When producing dispersed metal powder with a particle size of d m = 7 μm, the kinetic energy of the jet P k and, accordingly, the power of the jet P p must be increased by about an order of magnitude, i.e. P k ≈1.6 kW, and P p ≈100 kW, which is undesirable, since this will lead to a significant increase in energy consumption and complication of plasma equipment. Therefore, in the production of dispersed powder, it is necessary to use the energy of electrical transfer in arc spots arising on the melt in the channel of the plasmatron P e . The power of electric transfer P e is approximately an order of magnitude higher than the kinetic power of the jet P k (at I = 200 A, U e = 8 V and η e = 0.7 P e = η e IU e = 1.12 kW) and is a significant energy factor determining the dispersion of the powder and its physicochemical properties. The energy released in the arc spots heats the melt to a temperature close to the boiling point of the material, the surface tension and viscosity of the melt material decrease with increasing temperature, and the passage of current through the formed melt fibers leads to their overheating due to the Lentz-Joule heat and destruction as a result pinch effect. With an increase in the power of electrical transfer P e, the dispersion of the powder increases and the particle size can be 10–1000 nm. (A.V. Bolotov, A.V. Kolesnikov, M.N. Filkor, S.A. Bolotov, Inventor's certificate, "Method for producing ultrafine powders", 07.12.92, SU 1780242).
В предлагаемом способе получения порошков электроперенос в дуговых пятнах на расплаве в канале сопла плазмотрона используется для регулирования дисперсности производимого порошка. Параметром регулирования дисперсности порошка является ток дуги плазмотрона I. При увеличении тока энергия электропереноса возрастает, температура расплава и дисперсность порошка увеличиваются, при уменьшении тока - энергия электропереноса, температура расплава и дисперсность порошка уменьшаются. При производстве дисперсных порошков с частицами dm<0,2 мм следует работать при значительных токах и низком напряжении дуги (плазмотрон с самоустанавливающейся длинной дуги), а при производстве гранул dm>0,2 мм следует работать при малых токах и высоком напряжении дуги (плазмотрон с МЭВ).In the proposed method for producing powders, electric transfer in arc spots on the melt in the nozzle channel of the plasmatron is used to control the dispersion of the produced powder. The parameter for controlling the dispersity of the powder is the arc current of the plasmatron I. With an increase in the current, the energy of electric transfer increases, the temperature of the melt and the dispersion of the powder increase, with a decrease in the current, the energy of electrical transfer, the temperature of the melt and the dispersion of the powder decrease. In the production of dispersed powders with particles d m <0.2 mm, one should work at significant currents and low arc voltage (plasmatron with a self-aligning long arc), and in the production of granules d m > 0.2 mm, one should work at low currents and high arc voltage (plasmatron with MEW).
В рассмотренном примере при производстве гранул с размером частиц dm=0,7 мм из материала на основе железа мощность плазменной дуги плавильного устройства равна Pdm=Pm/ηd=200 кВт (Pm=100 кВт, тепловой КПД печи ηd=50%), а мощность дуги плазмотрона диспергатора с учетом энергии электропереноса в пятнах дуги, равной Ре=1,12 кВт, Pdp=(Pp-Ре)/ηj=(10-1,12)/0,8=11,1 кВт (ηd - энергетический КПД плазмотрона ηd=0,8). Полная мощность, затраченная на производство гранулированного продукта, равна Pd=Pdm+Pdp=211,1 кВт. Результирующий КПИ электрической энергии при этом равен η=47%, а соотношение расходов металла и плазмообразующего газа равно Gl/Gp=150. Энергоемкость плазменной грануляции сплавов на железной основе рассмотренного примера составляет примерно 3 МДж/кг продукта.In the example considered, in the production of granules with a particle size of d m = 0.7 mm from an iron-based material, the power of the plasma arc of the melting device is P dm = P m / η d = 200 kW (P m = 100 kW, thermal efficiency of the furnace η d = 50%), and the power of the arc of the plasmatron of the disperser, taking into account the energy of electric transfer in the arc spots, equal to P e = 1.12 kW, P dp = (P p -P e ) / η j = (10-1.12) / 0 , 8 = 11.1 kW (η d is the energy efficiency of the plasmatron η d = 0.8). The total power spent on the production of a granular product is equal to P d = P dm + P dp = 211.1 kW. The resulting KPI of electrical energy is equal to η = 47%, and the ratio of the consumption of metal and plasma-forming gas is equal to G l / G p = 150. The energy consumption of plasma granulation of iron-based alloys of the considered example is approximately 3 MJ / kg of product.
При производстве порошка на основе железа с размером гранул dm=0,7 мм при совместном плавлении исходного порошкообразного материала и его сфероидизации в струе нейтральной плазмы КПИ электрической энергии составляет η=5%. Мощность плазмотрона при производительности процесса Gl=0,075 кг/с должна составлять при этом около Pdp=2 МВт, а энергоемкость грануляции исходного порошкообразного материала равнялась бы 10-30 МДж/кг.In the production of an iron-based powder with a granule size d m = 0.7 mm during co-melting of the initial powder material and its spheroidization in a jet of neutral plasma, the CRP of electrical energy is η = 5%. The power of the plasmatron with the process productivity G l = 0.075 kg / s should be about P dp = 2 MW, and the energy consumption of granulation of the initial powdery material would be equal to 10-30 MJ / kg.
При гранулировании струи расплава металла на основе железа струей холодного аргона расход последнего составлял бы Gp=l,2 10-3 кг/с, т.е. примерно в два раза больше, чем в случае использования струи аргоновой плазмы (диаметр сопла плазмотрона и форсунки d=5 мм).When a jet of iron-based metal melt was granulated with a jet of cold argon, the flow rate of the latter would be G p = l, 2 10 -3 kg / s, i.e. approximately two times more than in the case of using an argon plasma jet (the diameter of the nozzle of the plasmatron and the nozzle d = 5 mm).
Длинна канала сопла плазмотрона lс, в котором происходит обработка расплава энергией электропереноса в дуговых пятнах дуги, равна двум диаметрам сопла dc, т.е. lc=2dc. При lc<2dc энергия электропереноса будет использоваться не полностью, т.к. пятно дуги занимает область длинны канала, равную примерно 2dc. При lc>2dc в канале сопла будет образовываться нарост расплава в результате отсутствия в этой области дуговых пятен.The length of the nozzle channel of the plasmatron l c , in which the melt is processed by the electric transfer energy in the arc spots of the arc, is equal to two nozzle diameters d c , i.e. l c = 2d c . At l c <2d c, the energy of the electrical transfer will not be fully used, since the spot of the arc occupies an area of the channel length equal to approximately 2d c . For l c > 2d c , a melt build-up will form in the nozzle channel as a result of the absence of arc spots in this region.
Таким образом, заявляемые способ и устройство плазменного производства порошков неорганических материалов повышает эффективность энергетического воздействия плазменной струи на расплав, обеспечивает возможность регулирования размерного ряда порошка, уменьшает энергоемкость процесса, расширяет технологические возможности производства порошка и, в целом, улучшить экономичность процесса.Thus, the claimed method and device for plasma production of powders of inorganic materials increases the efficiency of the energy impact of the plasma jet on the melt, provides the ability to control the size range of the powder, reduces the energy consumption of the process, expands the technological capabilities of the powder production and, in general, improve the efficiency of the process.
Используемые термины и определения.Terms and definitions used.
Плазменное плавильное устройство - металлургический агрегат, источником теплоты в котором является плазменная дуга.Plasma melting device is a metallurgical unit, the source of heat in which is a plasma arc.
Плазменная дуга - стабилизированный в пространстве (газовым потоком, магнитным полем и др. средствами) дуговой разряд, характеризующийся низким напряжением 10-103 В и большим током 102-105 А.Plasma arc is an arc discharge stabilized in space (by a gas flow, a magnetic field, etc.), characterized by a low voltage of 10-10 3 V and a high current of 10 2 -10 5 A.
Плазмотрон - электротехнический аппарат для высокотемпературного нагрева газа до состояния плазмы.Plasmatron is an electrical apparatus for high-temperature heating of gas to a plasma state.
Гранула - округлая частица материала размером 0,2-25 мм.A granule is a rounded particle of material 0.2-25 mm in size.
Грануляция (гранулирование) - формирование твердых частиц определенных размеров и формы с заданными свойствами.Granulation (granulation) - the formation of solid particles of certain sizes and shapes with specified properties.
Диспергирование - тонкое измельчение твердых тел или распыление жидкостей, приводящее к образованию дисперсных систем и порошков).Dispersion - fine grinding of solids or spraying of liquids, leading to the formation of dispersed systems and powders).
На фиг. 1 представлено устройство для осуществления производства порошков из исходного твердофазного материала, посредством его плавления и последующего плазменной диспергации расплава. Устройство образует конструктивно-технологическую систему, включающую плавильное устройство, плазмо-струйный диспергатор, источники газа, фильтрующие устройства и утилизаторы тепловой энергии отходящих газов печи идиспергатора; источником теплоты плавильного устройства является плазменная дуга, которая горит между электродом плазмотрона и расплавом исходного материала, находящимся в лодочном или в цилиндрическом охлаждаемом тигле с эркерным выпуском расплава; расплав из сливного отверстия тигля печи (или тиглей печей) поступает в плазменный диспергатор в канал сопла плазмотрона; расплав в канале сопла диспергируют струей токоведущей плазмы; исходный сыпучий материал подают в ванну расплава через полость электрода или через сопло печного плазмотрона посредством транспортирующего и плазмообразующего газа; конечный целевой продукт в виде порошка поступает в сборник; отходящие из объема печи и диспергатора газы поступают в фильтрующие устройства для сбора побочных продуктов и утилизаторы тепловой энергии газа.FIG. 1 shows a device for the production of powders from an initial solid-phase material, by melting it and subsequent plasma dispersion of the melt. The device forms a constructive and technological system, including a melting device, a plasma-jet disperser, gas sources, filtering devices and heat utilizers of the waste gases of the furnace and disperser; the source of heat of the melting device is the plasma arc, which burns between the plasma torch electrode and the melt of the starting material in a boat or in a cylindrical cooled crucible with a bay window melt outlet; the melt from the outlet of the furnace crucible (or furnace crucibles) enters the plasma disperser into the plasma torch nozzle channel; the melt in the nozzle channel is dispersed by a current-carrying plasma jet; the original bulk material is fed into the melt bath through the electrode cavity or through the nozzle of the furnace plasmatron by means of a transporting and plasma-forming gas; the final target product in powder form enters the collection; The gases coming out of the furnace and the disperser go to filtering devices for collecting by-products and utilizers of gas thermal energy.
Плазменно-дуговая печь 1 включает плазмотрон 2, камеру и охлаждаемый тигель. Электрод плазмотрона и тигель плазменно-дуговой печи подключают к источнику тока 4. Исходное сырье поступает в печь от питателя 3. Плазмообразующий газ в плазмотрон печи поступает от источника газа 5, а отходящий газ в сборник газа 9, снабженного теплообменником и фильтрующим устройством. В результате теплового действия плазменной дуги в тигле печи образуется расплав обрабатываемого материала, который периодически или непрерывно из сливного устройства в виде расплава подают в канал сопла плазмотрона 8 диспергатора 10. В диспергаторе 10 из расплава посредством токоведущей плазменной струи производят порошок. Целевой продукт в виде порошка поступает в приемник продукта 11. Электропитание плазмотрона диспергатора поступает от источника 6, газ от источника 7, а отходящий газ поступает в сборник газа 9.Plasma-
Устройство, представленное на фиг. 1, функционирует следующим образом. На начальном этапе работы плазменную дугу печи возбуждают при уменьшенном токе методом касания электродом шихты. В результате теплового воздействия дуги наводят ванну расплава. При подаче шихты при наполнении тигля расплавом до необходимого уровня увеличивают ток дуги до значения, при котором температура расплава составляет 1500-3000 К. При заполнении тигля расплавом и непрерывной подаче шихты в ванну расплав при горящей дуге подают в диспергатор в канал сопла плазмотрона, откуда порошок обрабатываемого материала поступают в приемник готовой продукции. Слив расплава из тигля производят не полностью - оставляют «болото». Новый цикл грануляции материала начинают с возобновления подачи шихты и увеличения тока дуги до необходимого значения.The device shown in FIG. 1 operates as follows. At the initial stage of operation, the plasma arc of the furnace is excited at a reduced current by touching the charge with the electrode. As a result of the thermal effect, the arcs induce a molten bath. When the charge is fed when the crucible is filled with melt to the required level, the arc current is increased to a value at which the melt temperature is 1500-3000 K. When the crucible is filled with melt and the charge is continuously fed into the bath, the melt is fed into the disperser into the plasmatron nozzle channel, from where the powder of the processed material enter the receiver of finished products. The melt is not completely drained from the crucible - a "swamp" is left. A new cycle of material granulation begins with the resumption of the charge supply and an increase in the arc current to the required value.
Энергетические и расходные параметры процесса плазменной диспергации - мощность плазменной дуги печи, мощность плазмотрона диспергатора, их расходные параметры по обрабатываемому материалу, плазмообразующему газу и др. параметрам определяют согласно изложенным выше рекомендациям. Энерготехнологические параметры должны обеспечивать устойчивое горение плазменной дуги печи и плазмотрона диспергатора, работу теплообменников и фильтрующих устройств, а также учитывать экономические показатели (цены компактных и газообразных материалов и т.д.) и экологические факторы, обусловленные отходящими из печи и диспергатора газами.The energy and consumption parameters of the plasma dispersion process - the power of the plasma arc of the furnace, the power of the plasma torch of the disperser, their consumption parameters for the processed material, plasma-forming gas, and other parameters are determined according to the above recommendations. Energy technological parameters should ensure stable combustion of the plasma arc of the furnace and the disperser plasmatron, the operation of heat exchangers and filtering devices, and also take into account economic indicators (prices of compact and gaseous materials, etc.) and environmental factors caused by gases escaping from the furnace and disperser.
Энергоемкость предлагаемого способа диспергации сплавов на основе желеа токоведущей плазменной струей при тепловом К.П.Д. плазменной печи, энергетическом КПД плазменного диспергатора и КПД передачи энергии электроперенноса в дуговых пятнах соответственно ηd=0,5, ηj=0,8 и ηе=0,7 составляет примерно 3 МДж/кг продукта. При диспергации материала в нейтральной плазменной струе без разделения процессов плавления материала и его грануляции составляет 10-30 МДж/кг.The energy consumption of the proposed method of dispersion of alloys based on a jelly current-carrying plasma jet at thermal efficiency of the plasma furnace, the energy efficiency of the plasma disperser and the efficiency of the transfer of electric transport energy in the arc spots, respectively, η d = 0.5, η j = 0.8 and η e = 0.7 is approximately 3 MJ / kg of the product. When the material is dispersed in a neutral plasma jet without separating the processes of material melting and granulation, it is 10-30 MJ / kg.
Предлагаемое изобретение плазменной грануляции неорганических материалов позволяет снизить энергоемкость процесса в, уменьшить расход материалов, расширить технологические возможности процесса, улучшить качество грануляции и экономические показатели процесса. Изобретение может быть использовано на металлургических предприятиях для производства дисперсных и гранулированных металлических и керамических порошков.The proposed invention of plasma granulation of inorganic materials can reduce the energy consumption of the process, reduce the consumption of materials, expand the technological capabilities of the process, improve the quality of granulation and the economic performance of the process. The invention can be used at metallurgical enterprises for the production of dispersed and granular metal and ceramic powders.
Промышленная применимость изобретения, как это следует из описания устройства для осуществления предлагаемого способа плазменной диспергации неорганических материалов, обеспечивается широким использованием в промышленности отдельных элементов изобретения, но в других сочетаниях и с другими техническими результатами.The industrial applicability of the invention, as follows from the description of the device for implementing the proposed method for plasma dispersion of inorganic materials, is ensured by the widespread industrial use of individual elements of the invention, but in other combinations and with other technical results.
На фиг. 2 приведена фотография лабораторной установки для плазменной диспергации неорганических материалов. Установка имеет плазменно-дуговую печь с лодочным тиглем 13 и плазмотроном 14. Исходное сырье подают в печь из питателя 12. Расплав из печи подают в диспергатор 16 в начальную область канала сопла струйного плазмотрона 15. Диспергированный продукт поступает в сборник порошка 18. Положение плазменных дуг в печи и диспергаторе регулируют электромагнитами 17.FIG. 2 shows a photograph of a laboratory setup for plasma dispersion of inorganic materials. The installation has a plasma-arc furnace with a
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019120709A RU2743474C2 (en) | 2019-07-03 | 2019-07-03 | Method of plasma synthesis of powders of inorganic materials and apparatus for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019120709A RU2743474C2 (en) | 2019-07-03 | 2019-07-03 | Method of plasma synthesis of powders of inorganic materials and apparatus for implementation thereof |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2019120709A3 RU2019120709A3 (en) | 2021-01-11 |
| RU2019120709A RU2019120709A (en) | 2021-01-11 |
| RU2743474C2 true RU2743474C2 (en) | 2021-02-18 |
Family
ID=74185122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019120709A RU2743474C2 (en) | 2019-07-03 | 2019-07-03 | Method of plasma synthesis of powders of inorganic materials and apparatus for implementation thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2743474C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1780242A1 (en) * | 1990-06-19 | 1992-12-07 | Алма-Атинский Энергетический Институт | The method of obtaining ultrafine powders |
| RU2311225C1 (en) * | 2006-04-05 | 2007-11-27 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН | Plasma device for producing nano-powders |
| WO2016182631A1 (en) * | 2015-05-14 | 2016-11-17 | Ati Properties, Inc. | Methods and apparatuses for producing metallic powder material |
| RU2671034C1 (en) * | 2017-08-28 | 2018-10-29 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Installation for preparing particles of powder and method of its work |
| CN109304471A (en) * | 2018-10-30 | 2019-02-05 | 湖南天际智慧材料科技有限公司 | A kind of plasma powder by atomization equipment suitable for refractory metal |
-
2019
- 2019-07-03 RU RU2019120709A patent/RU2743474C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1780242A1 (en) * | 1990-06-19 | 1992-12-07 | Алма-Атинский Энергетический Институт | The method of obtaining ultrafine powders |
| RU2311225C1 (en) * | 2006-04-05 | 2007-11-27 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН | Plasma device for producing nano-powders |
| WO2016182631A1 (en) * | 2015-05-14 | 2016-11-17 | Ati Properties, Inc. | Methods and apparatuses for producing metallic powder material |
| RU2671034C1 (en) * | 2017-08-28 | 2018-10-29 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Installation for preparing particles of powder and method of its work |
| CN109304471A (en) * | 2018-10-30 | 2019-02-05 | 湖南天际智慧材料科技有限公司 | A kind of plasma powder by atomization equipment suitable for refractory metal |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2019120709A3 (en) | 2021-01-11 |
| RU2019120709A (en) | 2021-01-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3294482B1 (en) | Methods and apparatuses for producing metallic powder material | |
| JP6495323B2 (en) | Glass batch processing method and apparatus using dual source cyclone plasma reactor | |
| US9926197B2 (en) | Method and apparatus for producing compound powders | |
| JP2015221942A (en) | Apparatus and method for production of clean alloy solidified quickly | |
| US11839918B2 (en) | Method and apparatus for producing high purity spherical metallic powders at high production rates from one or two wires | |
| Hao et al. | Spheroidization of a granulated molybdenum powder by radio frequency inductively coupled plasma | |
| JPS5827937A (en) | Moving arc plasma reactor for chemical and metallurgical use | |
| RU2406592C2 (en) | Method and device to produce nanopowders using transformer plasmatron | |
| JP2020528106A (en) | Cost-effective production of large quantities of ultrafine spherical powder using thruster-assisted plasma atomization | |
| JP2002346377A (en) | Method for preparing ceramics or metallic spherical powder by hot plasma and apparatus therefor | |
| CN102674353A (en) | Method for preparing spherical wolfram carbide powder | |
| Zhang et al. | Spheroidization of tungsten powder by a DC arc plasma generator with multiple cathodes | |
| Zeng et al. | Effect of central gas velocity and plasma power on the spheroidizing copper powders of radio frequency plasma | |
| US4638488A (en) | Fine grains producing apparatus | |
| RU2743474C2 (en) | Method of plasma synthesis of powders of inorganic materials and apparatus for implementation thereof | |
| US4502885A (en) | Method for making metal powder | |
| WO1993002787A1 (en) | Process for the production of ultra-fine powdered materials | |
| CN108059164A (en) | Spherical TiC powder prepared by the plasma preparation method and this method of a kind of spherical shape TiC powder | |
| US20190217395A1 (en) | Methods of forming spherical metallic particles | |
| Novikov et al. | Processing of finely dispersed zirconium silicate powder in a high-frequency induction plasmatron jet. | |
| JP2002253953A (en) | Apparatus and method of manufacturing ultrafine particle | |
| CN108722325B (en) | Fine particle production apparatus and fine particle production method | |
| RU2749403C1 (en) | Device for producing metal powder | |
| CN206640857U (en) | A kind of annular uniform airflow power supplying device | |
| RU2749533C1 (en) | Plasma torch for production of powdered materials |