Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические основы получения микросфер из тугоплавких оксидов в потоке термической плазмы. Монография
.pdf
51
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ
ОКСИДНЫХ МИКРОСФЕР
В СРЕДЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ
При рассмотрении вопросов по использованию потоков термической плазмы для технологических целей, в частности, по решению
проблем, связанных с нагревом и плавлением частиц конденсированного состояния, необходимо проводить комплексные исследования,
включающие теоретические и экспериментальные работы. Представленные в настоящем разделе результаты в области формирования полых микросфер на основе агломерированных частиц в потоке термической плазмы опубликованы в научных работах [142–146].
3.1. Разработка и создание электроплазменного стенда
для получения микросфер на основе агломерированных
тугоплавких оксидов
Сегодня промышленности требуется широкий спектр плазмотронов по мощностям, энтальпии нагреваемого газа, роду газа. Разрабатываемые плазмотроны и плазмохимические реакторы должны иметь
большой ресурс работы, высокую стабильность и регулируемость процессов. Основным недостатком существующих схем плазменных генераторов является относительно небольшой ресурс непрерывной работы
выходного электрода – анода, обусловленный контрагированностью
анодного пятна дуги и малой его подвижностью. Кроме того, мощность
плазмотронов определяется, главным образом, силой тока, но при больших его значениях возрастает скорость эрозии материала электрода
и снижается ресурс непрерывной работы плазмотрона.
С учетом возрастающих требований к плазменной технике разработан экспериментальный электроплазменный стенд, основным
направлением которого является получение микросфер на основе тугоплавких оксидов и силикатов [146]. На рис. 3.1 представлена схема
электроплазменного стенда и фотография процесса работы. Электроплазменный стенд включает в себя основные узлы: источник питания
типа АПР 402 У4 1 мощностью до 120 кВт, катодный узел 2 (марка
Технологические основы получения микросфер
52
ВПР-410) с вынесенным стабилизированным дуговым разрядом, анодный узел 3 и камеру сбора 4 микросфер и микрошариков. Анодный узел
состоит из полой графитовой вставки, установленной плотно внутрь
водоохлаждаемого трубчатого медного корпуса 5 для принудительного
водяного охлаждения. Снаружи медного корпуса установлен дополнительно регулируемый по току соленоид 6 с возможностью перемещения вдоль водоохлаждаемого медного корпуса.
Рис. 3.1. Экспериментальный электроплазменный стенд для получения
микросфер:
а – принципиальная схема электроплазменного стенда: 1 – источник питания; 2 – плазменный генератор (катод); 3 – полая графитовая трубка (анод);
4 – камера сбора; 5 – водоохлаждаемый медный корпус; 6 – регулируемый
соленоид; 7 – порошковый дозатор; 8 – инжекторы; 9 – шкаф управления;
10 – плазменная дуга; 11 – частицы; б – процесс работы электроплазменного стенда
Подача сырья осуществляется с помощью порошкового дозатора 7 по магистралям к инжекторам 8. Установка инжекторов 8 осуществлена под срез сопла плазменного генератора 2. Камера сбора готового продукта выполнена в виде заполненного водой отсека 4. Регулировка подачи плазмообразующего и транспортирующего газа
осуществляется с помощью системы управления 9. Позицией 10 отмечена плазменная струя, позицией 11 – микросферы (нагретые частицы).
Поток плазмы
Анод
Катод
а
б
3. Моделирование процессов формирования оксидных микросфер
53
При запуске катодного узла 2 и возбуждении рабочей дуги 10 про-
исходит привязка ее на внутреннею поверхность полой графитовой
вставки 3. За счет изменения положения соленоида 6 вдоль водоохлажда-
емого медного корпуса 5, а значит, и вдоль полой графитовой вставки 3,
можно управлять местом привязки плазменной дуги 10, тем самым продлевая срок службы анодного узла. Подача сырья осуществляется с помощью порошкового дозатора 7 через магистрали к инжекторам 8, кото-
рые, в свою очередь, позволяют вводить сырье в область формирования
плазменной дуги 10. Использование инжекторов позволит точечно и равномерно вводить частицы в плазменную дугу, исключая их слипание.
Транспортировка частиц осуществляется газом (например, сжатым воздухом). Транспортирующий газ совместно с частицами попадет в плазменный поток 10. В процессе нахождения частиц порошка 11 в высокотемпературном потоке происходит интенсивный нагрев частиц с последующим переходом их в расплавленное состояние. Далее за счет сил
поверхностного натяжения разогретая частица приобретает сферическую форму. Сформировавшиеся сферические частицы 11 попадают
в камеру сбора 4, где происходит их мгновенное остывание. Для исключения слипания частиц 11 между собой и ускорения их остывания камера
заполнена водой.
Представленная схема стенда конструктивно проста и позволяет
проводить обработку порошковых материалов различного размера
и температуры плавления за счет высокой концентрации энергии, реализуемой генератором плазмы.
Производительность электродугового плазмотрона определяется
расходом плазмообразующего газа и тепловой мощностью плазменной
дуги. Таким образом, произведена оценка расхода плазмообразующего
газа на геометрические параметры плазменной струи.
В зависимости от расхода плазмообразующего газа плазменная
струя может находиться в ламинарном или турбулентном состоянии.
На рис. 3.2 представлены снимки ламинарной (а) и турбулентной (б)
плазменной струи.
При сравнении турбулентной и ламинарной струи видно, что
зона активного нагрева (ядро) у ламинарного потока в два раза длиннее.
Также стоит отметить, что ламинарный поток стабилен и позволяет
обеспечить интенсивную обработку вводимых в него частиц.
Технологические основы получения микросфер
54
Рис. 3.2. Снимки формы плазменной струи при различном расходе плаз-
мообразующего газа:
а – ламинарное истечение плазменной струи Gg = 1,0 г/с; б – турбулентное
истечение плазменной струи Gg = 1,5 г/с
В процессе апробирования электроплазменного стенда установлено, что происходит интенсивный износ графитовой вставки и перегрев сопла катода, в связи с этим произведена модернизация анодного
и катодного узла.
Анодный узел. В качестве материала для изготовления анодного
узла использовалась медь марки М1. В табл. 3.1 представлены геометрические параметры и фотографии изготовленного анодного узла. Для
обеспечения интенсивного и равномерного ввода агломерированного
порошка в плазменную струю на выходе анодного узла сделаны отверстия для тангенциальной подачи порошка диаметром до 7 мм.
Катодный узел. В составе электроплазменного стенда, как описано выше, для генерации плазменного потока используется катодный
узел типа ВПР-410 (НПП «Плазматехкомплект», г. Екатеринбург). На
рис. 3.3 представлена схема плазменного генератора ВПР-410. Он состоит из двух основных частей: распределителя (I) и сменного катодного
блока (II). Распределитель включает в себя переходник 3, три штуцера 4.
В переходнике имеется отверстие М10 для присоединения кабеля, иду-
а
б
3. Моделирование процессов формирования оксидных микросфер
55
щего от клеммы «минус» источника питания. Сменный катодный блок
состоит: из электрододержателя 1, присоединительной гайки 2, изолятора 5, корпуса 6, сопловой втулки 7 и сопла 8.
Таблица 3.1
Геометрические характеристики и фотография анодного узла
Внешний диметр, мм
95
Внутренний диаметр, мм
75
Длина, мм
70
Рис. 3.3. Упрощенная схема плазменного генератора ВПР-410
Принцип работы катодного узла заключается в преобразовании
электрической энергии в тепловую с помощью сжатия электрической
дуги постоянного тока. В процессе работы интенсивному износу наиболее подвержены детали катодного узла – сопло и термохимическая
вставка (гафниевая вставка). Для увеличения эффективной тепловой
мощности и повышения ресурса работы генератора плазмы произведена модернизация катодного узла. На рис. 3.4 представлен чертеж модернизированного сопла.
50 мм
Технологические основы получения микросфер
56
По периметру сопла сделан канал для более интенсивного охлаждения. Данная операция позволила увеличить площадь охлаждения
сопла на 30 %. В качестве уплотнителя используется фторопластовая
прокладка. Диаметр отверстия сопла dc расточен до 8 мм, что позволяет
увеличить толщину плазменной дуги. Уменьшение длины канала lc
сопла на 5 мм позволит сократить разрушения от теплового воздействия плазменного потока.
Рис. 3.4. Эскиз модернизированного сопла
По результатам экспериментов установлено, что удельная эрозия гафниевой вставки и полого медного цилиндрического анода после 200 одноминутных включений при режиме работы плазмотрона
(I = 200–350 А, G
возд
= 1,0 г/с) составляет Gэр=10
–11
–10
–10
кг/Кл, Gэр =
= 4·10
–10
кг/Кл соответственно.
На рис. 3.5 представлена схема (а), техническое оформление (б)
и процесс работы (в) разработанного электродугового плазмотрона при
обработке агломерированного порошка фракцией 71–136 мкм.
Рассмотрим характеристику плазменной струи, исходящей из
электродугового плазмотрона. Температура и скорость плазменной
струи в выходном сечении сопла устанавливались путем расчета по измеренным значениям режимных параметров установки (рабочий ток I
и напряжение U дуги, тепловой КПД плазмотрона η, расход плазмообразующего газа на входе в плазмотрон G (воздух)). На рис. 3.6 представлена вольт-амперная характеристика (а) и тепловое КПД (б) плазменной струи при различном расходе плазмообразующего газа.
3. Моделирование процессов формирования оксидных микросфер
57
Рис. 3.5. Электроплазменный стенд для получения микросфер различ-
ной плотности на основе тугоплавких оксидов и силикатов:
а – схема; б – общий вид; в – фотография процесса работы
а б в
Технологические основы получения микросфер
58
Рис. 3.6. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) (а); тепловое КПД
плазменной струи (б). Расход плазмообразующего газа:
1 – 1,0 г/с; 2 – 1,5 г/с; 3 – 2,0 г/с
Как видно из анализа данных рис. 3.6, с увеличением расхода
плазмообразующего газа происходит снижение теплового КПД плазменной струи. Таким образом, можно утверждать, что оптимальным
расходом плазмообразующего газа является Gg = 0,5 г/с.
Удельная энтальпия плазменной струи определялась по соотношению [147]:
,
ggg
H W G=
(3.1)
75
80
85
90
95
100
200 250 300
I, A
U, В
40
50
60
200 250 300
1
2
3
I, A
η, %
а
б
3. Моделирование процессов формирования оксидных микросфер
59
где Wg= ηIU – тепловая мощность плазменной струи; Gg = Qвхρвх – массовый расход газа через плазмотрон. Температура плазменной струи
в выходном сечении сопла Tgо определялась по табличным данным зависимости Hg = f(Tg) [148]. Среднемассовая скорость плазмы в выходном сечении сопла рассчитывалась по соотношению:
( )
0
2
00
4
,
ρ
g
c g g
g
G
u
dT
=
(3.2)
где ρg0(T
g0
)
– плотность газа при температуре Tg0, определяемая по таб-
личным данным [148].
Для оценки степени термической ионизации плазмы в условиях
теплового равновесия использовалось выражение Саха:
2
3
21
2,4 10 ,
i
U
g
i
kT
nn
T
n
e
nn
−
(3.3)
где ni, nn – концентрация ионизированных и нейтральных атомов; Тg –
температура газа, K; k = 1,38·10
–23
Дж/K – постоянная Больцмана; Ui –
энергия ионизации газа, эВ.
В области формирования дугового разряда (катодный узел –
электродная вставка), температура газа в зависимости от силы тока
(200–400 А) находится на уровне (10–15)103 K. Таким образом, степень термической ионизации плазмы в прикатодном узле электродугового плазмотрона находится на отметке ni/nn = 10–50 %, следовательно, сформированную струю можно рассматривать, как сильноионизированный поток плазмы ni/nn ≥ 10 %. Стоит отметить, что
при работе электродугового плазмотрона осуществляется эрозия теплонапряженных элементов (сопло и анодный узел), следовательно,
образуются пары меди, которые взаимодействуют с потоком и вносят
существенный вклад в степень ионизации плазмы, т. к. пары меди
ионизируется при меньшей температуре. Полная термическая ионизация паров меди проходит при температуре ≈ 12 000 K. Из этого следует, что степень термической ионизации рассматриваемых потоков
плазмы находится на уровне ni/nn ≈ 50 %.
Технологические основы получения микросфер
60
В табл. 3.2 приведены режимные параметры работы плазмотрона
(I, U, P, η), а также характеристики газа в выходном сечении сопла (Hg,
ug0, Tg0) при массовом расходе плазмообразующего газа Gg = 1 г/с.
Оценка тепловых потерь на охлаждающие элементы электродугового
плазмотрона производилась с точностью 0,1 кВт, что позволяет получить объективные данные по среднемассовой энтальпии плазмы на выходном сечении сопла.
Таблица 3.2
Теплофизические характеристики плазменной струи
№
I, А
U, В
P, кВт
η, %
Hg, кДж/кг
Tg0, K
ug0, м/с
1
200
97
19,4
61,4
24131,9
6100
424
2
250
94
23,5
63,1
29936,8
6700
515
3
300
90
27,0
65,6
35739,3
7300
627
Примечание. I – рабочий ток дуги плазмотрона; U – напряжение дуги плазмотрона; P – мощность плазмотрона; – тепловой КПД плазмотрона; Hg– удельная энтальпия плазмы; Tg0 – температура газа в выходном сечении сопла плазмотрона; ug0 – скорость газа в выходном сечении сопла плазмотрона.
По результатам калориметрирования установлена удельная среднемассовая энтальпия Hg плазменной струи на срезе выходного сечения
сопла анодного узла, которая находится в интервале от 24131,9 до
35739,3 кДж/кг, что соответствует среднемассовой температуре Tg0 =
= 6100–7300 K. Полученные данные были необходимы для построения
математической модели формирования микросфер на основе агломерированных тугоплавких оксидов в потоке термической плазмы.
3.2. Диагностика конденсированной фазы в плазменной струе
В рамках диагностики конденсированной фазы в плазменной
струе произведена оценка скорости и температуры агломерированных
частиц многокомпонентного оксидного состава (золошлаковые отходы). Диагностика характеристик дисперсной фазы в потоке термической плазмы производилась с использованием комплекса [149, 150].
В состав диагностического комплекса входят два измерительных канала, работающих синхронно. Первый канал представлен цифровой ка-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]