Разработка и исследование высокочастотной индукционной плазменной установки мощностью 1 МВА для новой технологии получения диоксида циркония из цирконового концентрата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Лисафин Александр Борисович

• Лисафин Александр Борисович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Лисафин Александр Борисович

Выводы по главе

Глава 2. Создание опытного высокочастотного индукционного плазменного оборудования

2.1. Основные узлы

Теплотехническая оценка скорости нагрева частиц циркона до температуры диссоциации в плазменном потоке

2.2. Особенности схемы электропитания ВЧИ-плазмотрона

Вывод по главе

Глава 3. Исследование энергетических характеристик работы опытной

плазменной ВЧИ-установки

3.1 Энергетический баланс основных элементов ВЧИ-установки

3.2. Распределение энергии ВЧИ-плазмотрона при различных режимах работы

3.3. Электрические параметры ВЧИ-плазмотрона при различных режимах работы

3.4. Расчет среднемассовой температуры плазменного разряда ВЧИ-плазмотрона

3.5. Расчет среднемассовой скорости плазменного разряда ВЧИ-плазмотрона

3.6. Блок-схема методики расчета ВЧИ-плазменной установки

Выводы по главе

Глава 4. Разработка и исследование двухстадийной технологии получения диоксида циркония из цирконового концентрата с последующим

выщелачиванием с использованием энергии высокочастотной индукционной плазменной техники

4.1. Основные свойства цирконового концентрата

4.2. Термодинамическое моделирование процесса обработки циркона в воздушной ВЧИ-плазме

4.3. Расчет термодинамического минимума для диссоциации циркона

4.4. Получение плазмообработанного циркона

4.4.1 Гранулометрический анализ циркона, обработанного в ВЧИ-плазме

4.4.4. Исследование микроструктуры частиц диссоциированного циркона

4.4.5. Элементный анализ плазмообработанной частицы циркона

4.5.1. Выщелачивания плазмообработанного цирконового концентрата.

Химический анализ диоксида циркония

Выводы по главе

Глава 5. Повышение эффективности процесса получения диоксида циркония из цирконового концентрата. Изучение экономической целесообразности использования энергии высокочастотной индукционной плазменной техники

5.1. Изучение степени влияния размера частиц циркона на качество выщелоченного продукта

5.2. Сравнительный анализ схем по переработке цирконового концентрата с использованием энергии дуговой и высокочастотной индукционной плазмы. Расчет производственных затрат

5.3. Разработка технологической схемы получения диоксида циркония

из плазмообработанного цирконового концентрата

Выводы по главе

Основные результаты и выводы

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование высокочастотной индукционной плазменной установки мощностью 1 МВА для новой технологии получения диоксида циркония из цирконового концентрата»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Диоксид циркония находит применение в различных отраслях промышленности, главным образом при производстве огнеупоров и пигментов для керамики. В последние 10 лет растет применение диоксида циркония в области теплобарьерных покрытий лопаток двигателей самолетов, газотурбинных установок теплоэлектростанций. Учитывая увеличение выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе, и увеличение пассажироперевозок самолетами - проблема получения значительных объёмов диоксида циркония становится важной. Порошковые материалы для теплобарьерных покрытий производят из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (У82) или другими редкоземельными элементами (Сё, Ей, Се) по технологии «индукционной плавки в холодном тигле», плавка в дуговой печи «на слив», химическими методами. В 2011 году в мире было потреблено 1-^1.5 тыс. т для технологии

атмосферно-плазменного напыления компонентов газовых турбин. До последнего времени промышленной технологии производства диоксида циркония в России не существовало: его потребность компенсировалась диоксидом циркония с бадделеитового месторождения Ковдорского ГОКа, а также импортом из зарубежных стран, стран бывшего СССР. Цирконий включен в список стратегических материалов для экономики России. Однако лишь в последние несколько лет начались работы по разработке цирконовых месторождений и опытно-промышленного получения диоксида циркония на территории России. Таким образом, процесс получения диоксида циркония из циркона становится актуальной проблемой для российской промышленности.

Основная многостадийная промышленная технология получения ZY02 из циркона основана на использовании хлора, что приводит к низкой

рентабельности производства товарной продукции и образованию больших объёмов экологически опасных жидких отходов.

Перспективным оборудованием для обработки цирконового концентрата и извлечения диоксида циркония является высокочастотная индукционная плазменная техника. Существующая высокочастотная индукционная плазменная техника имеет основное применение в области исследования и испытания космического оборудования, теплозащитных узлов, а также при проведении модельных испытаний космических аппаратов в различных атмосферах. Исходя из вышеперечисленных особенностей, создание высокочастотного индукционного оборудования для диссоциации циркона с целью получения диоксида циркония является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка конструкции и создание методики расчета высокочастотного индукционного плазменного оборудования и технологии для обработки цирконового концентрата для извлечения диоксида циркония.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- изучено современное оборудование и технологии процесса извлечения диоксида циркония из цирконового концентрата, определены недостатки существующих технологий и оборудования;

- выявлены преимущества использования высокочастотной индукционной плазмы для извлечения диоксида циркония;

- исследованы энергетические характеристики ВЧИ-плазмотрона (мощность 1 МВ-А), работающего на плазмообразующем газе - воздухе, определение оптимальных режимов работы при обработке цирконового концентрата;

- проведено математическое моделирование ВЧИ-плазмы плазмотрона (1 МВ-А) для определения основных тепловых и

газодинамических характеристик плазменной струи при обработке цирконового концентрата;

- изучены продукты плазменной обработки циркона и продуктов их выщелачивания.

- установлены взаимосвязи между мощностью плазменного разряда и качеством полученного диоксида циркония.

-установлены зависимости между размером выщелачиваемого материала и качеством получаемого диоксида циркония.

В работе использовались методы исследования, основанные на положениях теории электромагнитного и теплового полей, а также газовой динамики. Исследования электромагнитных, тепловых и газодинамических полей проводились с помощью компьютерного моделирования методами математической физики и вычислительной математики. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и опытных образцах с обработкой экспериментальных данных в программе Excel.

Научная новизна работы:

1. С учётом физических процессов, протекающих в высокочастотном индукционном плазменном разряде, влияющих на качество обработки конечного продукта, разработан новый комплексный метод определения энергетической и эффективной зоны плазменного реактора ВЧИ-плазменной установки мощностью 1 MB-А, включающий в себя математическое моделирование газодинамических и тепловых параметров плазмы при обработке цирконового концентрата.

2. Экспериментально калориметрированием и электрическими измерениями установлены зависимости: тепловых потерь излучением при разных расходах плазмообразующего газа; величины анодной мощности от расхода центрального и защитного газа, а также от угла открытия

тиристоров. Выявлены зависимости колебательной и анодной мощности от анодного напряжения.

3. Впервые, при установленных энергофизических и технологических условиях показана возможность и эффективность получения ZY02 по технологической схеме: диссоциацию цирконового концентрата в высокотемпературной плазменной струе высокочастотного индукционного плазмотрона, измельчение плазмодиссоциированного циркона, выщелачивание в растворе едкого натра.

Практическая значимость работы

Создана опытная высокочастотная индукционная плазменная установка и разработана новая двухстадийная технология получения 2т02. включающая диссоциацию цирконового концентрата в высокотемпературной плазменной струе высокочастотного индукционного плазмотрона с последующим выщелачиванием аморфного кремнезема. В результате получены: плазмо диссоциированный циркон, диоксид циркония, с содержанием ZЮ2 до 95%, аморфный 8102, с содержанием БЮ2 до 98%.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов обеспечена расчетными и экспериментальными данными, полученными на опытной высокочастотной индукционной установке мощностью 1 МВ-А, и использованием современных аттестованных методов оптической, сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, лазерно-дифракционное и для исследования полученных продуктов.

Публикации

По материалам диссертации имеется 10 публикаций, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК, 5 тезисов и докладов всероссийских и международных конференций:

1. Г. А. Фарнасов, А. Б. Лисафин, Особенности выбора рациональных режимов работы высокочастотной плазменной установки, Электрометаллургия, 2015, №2, с. 21-25.

2. Г.А. Фарнасов, А.Б. Лисафин, Исследование субмикронных частиц диоксида кремния, полученных после обработки цирконового концентрата в воздушной высокочастотной индукционной плазме, Перспективные материалы, 2015, №4, с. 38-43.

3. Г. А. Фарнасов, А.Б. Лисафин, Диссоциация циркона после обработки в воздушной высокочастотной индукционной плазме, Физика и химия обработки материалов, 2015, №2, с. 29-35.

4. А.Б. Лисафин, Г.А. Фарнасов, Исследование теплоэнергетических режимов работы высокочастотного индукционного плазмотрона мощностью 1000 кВт/0.44 МГц, Электрометаллургия, 2015, №7, с. 12-19.

5. А.Б. Лисафин, Г.А. Фарнасов, Исследование циркона, обработанного в воздушной высокочастотной индукционной плазме, VI Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (CLAPT—2015), 24-27 марта 2015г., Новосибирск.

6. S. Nguyen-Kuok, Yu. Malakhov, S. Fedorovich, M. Lukashevsky, I. Korotkikh, A. Ageev, A. Lisafin, The treatment of oxide powder in the RF plasma torch 1000 kW/0.44 MHz, The abstract of The XXII Europhysics Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (ESCAMPIG), Greifswald, Germany, July 15-19, 2014.

7. Yu. Malakhov, S. Nguen-Kuok, I. Korotkikh, A. Ageev, A. Lisafin, The treatment of oxide powder in the rf plasma torch, The abstracts of 12th Asia Pacific Conference on plasma science and technology, Adelaide, South Australia, Aug 31-Sept 5, 2014.

8. The treatment of the refractory oxide powder in RF plasma torch 1000 kW / 0.44 MHz by S. Nguyen-Kuok, Yu. Malakhov, I. Korotkikh and A. Lisafin, ISPC 2015, 22nd International Symposium on Plasma Chemistry, Sunday 5 July - Friday 10, July 2015, University of Antwerp, Belgium.

9. Лисафин А.Б., Исследование продуктов обработки цирконового концентрата в плазме высокочастотного индукционного разряда, XII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико - химия и технология неорганических материалов», 13-16 октября 2015 г., ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, Москва, Россия.

10.V. М. Gorbanenko, G. A. Farnasov, and А. В. Lisafin, Heat Power Working Regimes of a High Frequency (0.44 MHz) 1000 kW Induction Plasmatron, Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2015, No. 12, pp. 1-5.

Глава 1. Литературный обзор. Цель и задачи исследования. 1.1. Современное оборудование и промышленные технологии получения диоксида циркония из цирконового концентрата

Основным сырьём в мире для производства диоксида циркония является циркон. Россия имеет крупные запасы диоксида циркония - 9,8 млн т; страна занимает третье место в мире после Австралии и ЮАР. Эти две страны обеспечивают суммарно три четверти мирового выпуска концентратов циркония, доля же России в производстве циркониевого сырья в мире незначительна - менее 1%. Главные запасы циркона в нашей стране сосредоточены на месторождениях Брянской, Тамбовской, Томской областей, Забайкальского края и республики Тыва, однако промышленная добыча находится на крайне низком уровне. До 10% запасов диоксида циркония заключено в бадделеит-апатит-магнетитовом Ковдорском месторождении в Мурманской области (разрабатывает компания «ЕвроХим»), цирконий в котором находится в виде бадделеита (природный диоксид циркония) и является попутным компонентом бадделеит-апатит-магнетитовых руд. Такие руды весьма ценны, поскольку себестоимость получения соединений циркония из них самая низкая, запасы ограничены и период разработки бадделеитового месторождения не превышает 40 лет. За рубежом запасы бадделеита имелись только в месторождении Палабора в ЮАР, но к 2001 г. они были полностью выработаны [1]. Россия, будучи единственным производителем бадделеитового концентрата в мире, основную его часть экспортирует за рубеж (в Европу, Японию и Китай). В 2012 г. было продано 12 тыс. т произведенного концентрата за рубеж [1]. Также, в 2011 г. было импортировано около 5 тыс. т цирконового концентрата, в основном из Украины. Традиционным производителем цирконового концентрата на территории бывшего СССР является Украина, крупнейшими россыпными месторождениями являются Самотканское (Малышевское), Волчанское,

Тарасовское и Зеленоярское, в последние 10 лет активно разрабатываются ильменит-цирконовые месторождения в Казахстане. Крупнейшими мировыми производителями цирконового концентрата являются: Австралия, Южно-Африканская Республика, США. Прогнозируется ежегодный прирост потребления циркона для нужд керамики на 5% [2].

Мировое потребление диоксида циркония составляет порядка 45-50 тыс. тонн в год, основными областями применения являются керамические пигменты, абразивы, огнеупоры, кислородные сенсоры, стекло, искусственные ювелирные украшения, катализаторы и электроника [2]. Упоминание о промышленном производстве диоксида циркония на территории России относится к Чепецкому механическому заводу государственной корпорации РосАтом, производство в 2015 году составило 6 т [3,4].

Диоксид циркония является одним из наиболее востребованных химических соединений циркония. В СССР единственным производителем технического диоксида циркония был Верхнеднепровский горнометаллургический комбинат (ВГМК, Украина). Металлургический комплекс ВГМК при стабильной работе в 1986-1990 годах перерабатывал до 8 тыс. тонн в год циркона хлорированием. В структуре выпуска циркониевой продукции технический диоксид циркония (марки ЦрО-1, ЦрО-2 и ЦрО-К) составлял около 70 % масс, а остальные 30 % масс. -чистые химические соединения циркония и гафния.

Основные способы получения диоксида циркония. В мире существует несколько устоявшихся методов извлечения диоксида циркония из циркона. Наибольшее распространение на территории бывшего СССР получил хлорный метод. При переработке циркона хлорным способом высушенную смесь измельчённого цирконового концентрата, каменноугольного пека и нефтекокса, сульфидно-целлюлозного щёлока (связующий компонент) и силицида железа

(термодобавка, содержащая 90 % масс кремния) брикетируют и подвергают коксованию при 900-950 °С в восстановительной атмосфере. Хлорирование брикетов проводят в печах шахтного типа при температуре (1000±50) °С. Процесс протекает в соответствии с уравнением реакции:

ZrSi04 + 4С12 + 4С = ZrCl4 + SiCl4 + 4СО ( 1 )

Получение хлоридов циркония (Тсубл = 330 °С) и кремния (Ткнп = 57 °С) осуществляют, соответственно, в системах конденсации твёрдых и жидких хлоридов. Температура последней конденсационной камеры первой системы составляет 80-100 °С. В системе конденсации твёрдых хлоридов пары тетрахлорида циркония конденсируются с сопутствующими примесями - хлоридами железа и алюминия. В системе конденсации жидких хлоридов пары SiCl4 контактируют с охлаждённым жидким оборотным TiCl4 с образованием бинарной жидкости - смеси тетрахлоридов кремния (25% масс.) и титана (75% масс.) [5]. Полученный тетрахлорид циркония растворяют в воде с образованием солянокислого (100-110 г/л по НС1) раствора, содержащего 89-93 г/л циркония. Из раствора осаждают основной сульфат циркония следующим образом. При интенсивном перемешивании разбавляют (примерно в 6 раз) раствор водой, доводя концентрацию соляной кислоты в растворе до 15-18 г/л по НС1, одновременно добавляют концентрированную серную кислоту, из расчёта 0,5-0,6 50|~ — иона на каждый атом циркония, и поддерживают температуру образующейся пульпы в пределах 90-100 °С. Прокаливанием основного сульфата при температуре не менее 1200 °С получают диоксид циркония.

Хлорная технология переработки циркона на ВГМК (Украина) обладает рядом существенных недостатков: низкая рентабельность производства продукции и образование больших объёмов экологически опасных жидких отходов. Образование больших объёмов экологически

опасных сбросных солянокислых растворов (маточник с содержанием 15-18 г/л HCl) при осаждении основного сульфата циркония из раствора хлорида циркония в условиях современной организации производства недопустимо. Кроме того, к существенным недостаткам хлорного способа следует отнести высокий расход нерегенерируемого газообразного хлора, относительно низкое (не более 80 %) извлечение циркония из циркона в готовую продукцию [6] и кремния в тетрахлорид кремния, трудоёмкость и энергоёмкость производственных процессов подготовки исходной шихты для хлорирования, а также сложность технического устройства и эксплуатации оборудования. Указанные недостатки непосредственно и косвенно влияют на увеличение себестоимости получаемой продукции.

Другим способом получения ZrCh является фторидная переработка циркона. Данная тематика интенсивно изучается с середины XX века. Циркон хорошо взаимодействует с элементным фтором уже при температуре 300 °С, также циркон реагирует с фтористым водородом при температуре выше 600 °С [7]. Большинство фторидов способно взаимодействовать с цирконом, так как сродство ко фтору велико и у циркония, и у кремния. Привлекательность фторидной технологии заключается в возможности металлотермического получения циркония непосредственно из тетрафторида циркония (ZrF4) действием на него металлического кальция. Недостатком фторидной технологии является агрессивность и дороговизна фтора. Данную технологию производства циркония использует французская компания «Saint-Gobain».

Распространённым способом также является вскрытие циркона известью, которое происходит по реакции:

ЗСаО- (СаСОз) + ZrSi04=CaZr03+Ca2Si04+ ЗС02 Процесс спекания заключается в том, что измельченный циркон смешивают с известью или мелом с 10-20% избытком вскрывающего агента. В шихту добавляют СаСЬ в количестве 5-50% от массы

концентрата и спекают при 1200-1300 °С в течение 4-5 часов и более. Спек измельчают и направляют на кислотное разложение. Спек вначале обрабатывают 5-10% соляной кислотой, при этом растворяется избыточный СаО, оставшийся СаСЬ и большая часть СагБЮ^ Обработку спёков соляной кислотой ведут в две стадии. Первоначально при обработке на холоде 5-10%-ной соляной кислотой растворяется избыточный оксид кальция и разлагается ортосиликат кальция. Образующаяся коллоидная кремниевая кислота удаляется вместе с раствором. Не растворившийся остаток, содержащий цирконат кальция, выщелачивают 25- 30%-ной НС1 при нагревании до 70- 80°С, получая растворы, содержащие оксихлорид циркония. Процесс проходит по следующей реакции:

Са2г03+4НС1=гг0С12+СаС12+2Н20

Примерно по тем же режимам можно выщелачивать известковые спеки азотной кислотой, получая растворы, содержащие 2Ю(ЫОз)2. При обработке спека серной кислотой кальций остается в осадке в составе сульфата. Осадки безводного СаБ04 практически не поддаются фильтрации. В связи с этим обработку ведут при режимах, обеспечивающих образование лучше фильтруемого дигидрата СаБО^ЬЬО или его смеси с полугидратом Са804-0,5Н20. Для снижения потерь циркония сульфатный кек, количество которого велико (6 т на 1 т 7гОг), многократно промывают водой. В некоторых производственных схемах рационально сочетается выщелачивание известковых спеков соляной и серной кислотами, что обеспечивает получение различных соединений циркония. Недостатками этого метода являются высокие температуры процесса, что приводит к очень большим затратам электроэнергии. Также возникают трудности при фильтрации после выщелачивания [7].

Как видно, вышеперечисленные методы вскрытия циркона и извлечение диоксида циркония являются многостадийными,

использующие агрессивные кислоты и газы, которые наносят вред обслуживающему персоналу и окружающей среде.

Исследовав основные процессы извлечения диоксида циркония из циркона и определив их недостатки, автор ставит целью исследовать и создать технологию и оборудование по диссоциации циркона для последующего извлечения диоксида циркония путем выщелачивания. 1.2. Плазменные технологии переработки циркона Более привлекательными являются термические технологии переработки циркона. В начале 1930-х гг. появились сообщения о плавке в электропечи циркона с образованием моноклинного ZrC>2 и аморфного Si02 при последующем охлаждении расплава [8]. Сообщение о полной диссоциации циркона в ZrC>2 и аморфного SiC>2 появилось по сообщениям Куртиса и Соумана в 1953 году [9].

При температуре 1676 °С циркон диссоциирует по следующему уравнению:

ZrSi04^Zr02-Si02 (2)

Химическая инертность циркона делает процесс разделения оксида циркония и оксида кремния сложно выполнимым.

Процесс «Ionarc-plasma» один из первых плазменных процессов, который был использован для получения плазмеино-диссоциированного циркона (ПДЦ), являющегося товарным продуктом. Он происходит в дуговой плазменной печи с водоохлаждаемыми стенками [10]. Плазмообразующим газом является аргон, аноды плазматрона выполнены из графита. Цирконовый песок загружается в верхнюю часть вертикальной печи с производительностью около 180 кг/ч, здесь он проходит через горячую зону диаметром примерно 127 мм, длиной 910 мм. Расход электроэнергии составляет 1,32 кВт-ч/кг по сравнению с 9,9 кВт-ч/кг в нормальных печах для возгонки [11].

В США американская компания «Z-tech» LLC занимается производством плазмодиссоциированного циркона. Компания использует технологию дугового плазменного реактора. В этом процессе циркон термохимически трансформируется из одиночного кристаллического материала в смесь диоксида циркония (ZrCh) и аморфного диоксида кремния (Si02). Диоксид циркония, имеющий более высокую точку плавления, кристаллизуется первым, образуя массу тонких дендритов. Затем, в промежутках между дендритами застывает диоксид кремния в аморфной фазе. Частицы расплавленного циркона быстро остывают, покидая зону плазменного факела, и приобретают сферичную форму. Средняя крупность частиц составляет 140 микрон. ПДЦ находит применение в керамических пигментах и красках, огнеупорах, компонентах структурной керамики [12].

Основным и главным производителем ПДЦ в ЮАР является Южно-Африканская Корпорация Ядерной Энергии («NECSA»). В 1990-х годах компанией «NECSA» был разработан процесс для диссоциации циркона. Первая демонстрационная установка состояла из 3-х 30 кВт дуговых плазмотронов диаметром 100 мм, имеющих расположение в 120° относительно друг друга и 30° к вертикали. Большое количество экспериментов определило параметры для создания промышленной установки. Эта установка имела 3 дуговых плазмотрона мощностью 150 кВт каждый и общей производительностью 120 кг/ч [8]. По данным авторов [8], при 95% диссоциации всех частиц циркона в плазменной струе удельные затраты электроэнергии составляют 4-5 кВт-ч/кг, в среднем около 4 кВт-ч/кг. Необходимо отметить некоторое отличие в удельных затратах электроэнергии в сравнении с процессом «Ionarc-plasma». Основными узлами установки являются 3 источника питания, реактор, теплообменник, циклон, фильтр и газоочиститель. Установка для производства ПДЦ состоит из 3-х частей и имеет высоту 8 м. На верхнем

уровне происходит загрузка порошка циркона, в средней части находятся плазмотроны, реактор, панель оператора, газовые расходометры. В нижней части происходит выгрузка обработанного порошка. Реактор состоит из 4 зон: голова реактора, реакционная зона, зона охлаждения, клапан для выгрузки материала. 2 фракционный продукт скапливается на дне, большие частицы собираются на дне реактора, мелкие -на дне циклона. Отходящие газы проходят через систему фильтров и газопромыватели, где они разбавляются в 20 раз, а далее попадают в атмосферу. Полученный плазмодиссоциированный циркон направляют на дальнейшую обработку бифторидом аммония с целью получения тетрафторидов циркония и кремния для последующего получения ядерно-чистого металлического циркония.

Заслуживают внимания исследования плазмо-диссоциированного циркона ученых из Великобритании [13,14,15]. Исследователи из Университета Лейцестера в серии статей описывают свойства, состав, микроструктуру и химический состав циркона, полученного обработкой в плазме. Опыты проводились с использованием дугового плазмотрона мощностью менее 200 кВт. Температура в плазменной печи достигала 6000 °С. Согласно фазовой диаграмме [16] разложение циркона на диоксид циркония и диоксид кремния происходит при температуре 1676 °С. Важно отметить, что разложение достигается в твердом состоянии ниже минимальной точки плавления системы -БЮг. Энергетические затраты составляли от 2,4 до 21,3 кВт-ч/кг или в среднем 5 кВт-ч/кг, количество опытов было незначительным, чем и объясняется разброс в удельных энергозатратах [10].

В исследованиях, проведенных индийскими учеными, проводится изучение обработки циркона в дуговой плазме. Собранный из реактора обработанный продукт содержал определённое количество частиц графита, что объясняется эрозией электрода [17]. Отмечается, что по данной

технологии диссоциируется почти 90% исходного материала. Отмечено изменение плотности плазмо-диссоциированного циркона с 4,6 до 3,8 кг/м3. Требуется дополнительная сепарация непродисоциировавших частиц циркона, а также частиц графита.

Подводя итог развитию технологии диссоциации циркона с использованием энергии дугового плазмотрона, можно констатировать, что широкое развитие сдерживается его недостатками, среди которых невозможность длительной непрерывной работы при мощности свыше 300 кВт, значительная эрозия электродов, использование аргона в качестве плазмообразующего газа.

1.3. Высокочастотная индукционная плазменная техника

Вышеназванные ограничения отсутствуют при использовании техники для получения высокочастотной индукционной плазмы. Действительно [18], способ позволяет получать плазменный разряд большого объёма, т.е. обрабатывать в промышленном масштабе порошковые материалы; обеспечивает низкую скорость истечения плазмы (не более 150 м/с); создавать высокие среднемассовые температуры (до 6000 сс), достаточные для расплавления и испарения любого элемента периодической системы; характеризуется чистотой плазмы, что актуально при получении особо чистых материалов, ультрадисперсных и нанодисперсных порошковых материалов.

Высокочастотная индукционная плазменная техника (в зарубежной литературе - радиочастотная индукционная плазма/radio frequency induction plasma) является объектом пристального внимания в последние 20 лет. Причины этого являются как достоинство данной технологии, так и потребность новых секторов экономики в получении уникальных материалов с заданными свойствами.

Современный уровень развития ВЧИ-плазменной техники достиг мощностей в 10 МВт [19]. С точки зрения использования ВЧИ-

плазмотронов в промышленных масштабах следует рассматривать установки мощностью от 500 кВт и более. При этом производительность установки и качество товарного продукта полностью компенсирует затраты на её ввод и эксплуатацию.

Приведём здесь краткий обзор существующих мощных ВЧИ-плазмотронов.

В нашей стране есть несколько достаточно мощных ВЧИ-плазмотронов, созданных еще во времена СССР. Тематика их применения состоит в изучении поведения спускаемых аппаратов в атмосферах Земли, Марса и Венеры, а также в создании теплобарьерных покрытий для защиты космических аппаратов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лисафин Александр Борисович, 2017 год

- -

_

_ -

-

1

20

40

60 80 100 Диаметр плазмотрона, мм

Рис. 17. Давление внутри ВЧИ-разряда

Температура плазмы, К

120

8.36x10

-200

100 200 Радиус плазмотрона, мм

Рис.18. Температурное поле плазмы

о

а.

□

Я

и

75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

— Уровень первого витка индуктора

— Уровень второго витка индуктора

— Уровень третьего витка индуктора Уровень среза ВЧП-пчазмотрона

20 40 60 80 100 120

Диаметр плазмотрона, мм

Рис.19. Распределение скорости внутри ВЧИ-плазмы

в-в

8000 7600 7200 6800 6400 6000 5600 5200 4800 4400 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400

20 40 60 80 100

Диаметр плазмотрона, мм

Распределение температуры по зонам ВЧИ-плазмотрона

— Уровень первого витка индуктора

— Уровень второго витка индуктора Уровень третьего витка индуктора Уровень среза ВЧИ-ппазмотрона

Рис.20. Распределение температуры по основным зонам ВЧИ-плазмотрона

Рис.21. Фотография работы ВЧИ-плазмотрона В ВЧИ-плазмотроне наблюдается два основных механизма ускорения плазменного потока. Первый - термически механизм, обусловленный законом сохранения массы в результате изменения плотности газа из-за увеличения температуры. ВЧИ-плазма - это среда в которой протекает электрический ток и создается магнитное поле. Одним из главных механизмов создания возвратно-поступательных вихрей является сила Лоренца. Сила Лоренца (рис. 15.3-15.4), разгоняющая плазму в центр, к оси плазмотрона, приводит к возникновению замкнутых вихрей в верхней части индуктора. Напряженности магнитного и электрического поля изображены на рис. 15.1 и 15.2. Видно, что напряженность электрического поля в центре плазмотрона минимальна и максимальна у поверхности индуктора. Электромагнитная сила, разгоняющая ВЧИ-плазму к оси плазмотрона, приводит к увеличению (рис. 17) избыточного газостатического давления. Результаты расчета распределения удельной выделяемой мощности (рис. 15.5) и температуры связаны между собой.

Наглядно видно, что область с максимальной температурой плазмы полностью совпадает с областью максимальной удельной выделяемой мощности. Из-за высокой температуры в центре разряда плотность плазмы минимальна, а с уменьшением температуры растет на периферии разряда. Также стоит отметить, что радиус плазмоида, с температурой выше 3000 К, составляет около 45 мм. В итоге, эффективная зона обработки частиц различных материалов ограничивается 2/3 от всего диаметра разрядной камеры. Следовательно, для качественной обработки частиц следует стремиться обрабатывать частицы именно в этой зоне. По результатам моделирования была вычислена средняя температура ВЧИ-плазменного разряда, которая составила 4000 К. Средняя температура на срезе ВЧИ-плазматрона составила 4630 К.

Реакционная камера (рис.22), где происходят важные этапы плазменной обработки порошковых материалов, имеет 5^8 кратный диаметр по сравнению с разрядной камерой ВЧИ-плазмотрона. Основные реакции включают в себя нагревание, плавление, испарение, конденсация, затвердевание порошкового материала. В реакционной камере можно создавать небольшое разряжение, что позволяет вытягивать хвост факела ВЧИ-плазмотрона на 1,5-К2 м (автор наблюдал подобное явление при мощности в плазменном разряде 500 кВт). Увеличенная длина факела позволяет более качественно обрабатывать порошковые материалы -увеличивается время нахождения материала в горячей зоне вместе с увеличением объёма горячей зоны при небольшом уменьшении среднемассовой температуры факела. Нижняя часть реакционной камеры соединена с разбавителями воздуха, которые охлаждают отходящие газы.

Источник питания

Плазмотрон

БВВ БГ БК

Загрузочная камера Реакционная камера

0.41 кВ Шкаф вводной РТТ ЙШШСЙШВ- мшав. повышающий

1 МВт

Станция охлаждения 40м3^

К охлаждаемым узлам

Циклон

Циклон

Шнек выгрузки

Рис.22. Схема ВЧИ-плазменной установки (РТТ-регулятор тиристорный трехфазный, БВВ-блок высоковольтного выпрямителя, БГ-блок генераторный, БК-блок конденсаторный, РФ-рукавный фильтр)

Система газоудаления предназначена для забора, охлаждения и очистки воздуха, выходящего из реакционной камеры. Выход газа может подключаться к внешней системе газоудаления, состоящей из рукавного фильтра, дымососа и выхлопной трубы для сброса газа в атмосферу. В реакционной камере располагаются высокотемпературные термопары, измеряющие температуру горячих газов ниже плазменного факела (до 2000°с). Также в реакционной камере размещаются датчики разрежения, с помощью которых осуществляется управление вытяжным вентилятором для поддержания необходимого уровня разряжения в реакционной камере.

Важность реакционной камеры требует создания дополнительных условий для улучшения качества обработки и выхода готовой продукции. Так, канадская компания «Текла» использует теплоизоляцию в виде кварцевой колбы между плазменным факелом и водоохлаждаемой реакционной камерой, выполненной из нержавеющей стали. Это позволяет

поддерживать высокую температуру газа, которая влияет на качество и количество выходного продукта. Авторами из университета итальянского города Болонья [43] установлено, что создание защитного газового потока вдоль стенок реакционной камеры уменьшает уровень отложения продуктов конденсации на стенках реакционной камеры в 2 раза.

Место ввода порошка

На время нагрева частиц существенно влияет место ввода порошка в плазменный поток. Из отечественных и зарубежных литературных источников (рис. 23) известно несколько примеров ввода порошка в плазменную струю. Порошок можно вводить: по оси ВЧИ-плазмотрона по ходу движения воздуха в плазменный разряд с помощью водоохлаждаемого зонда; водоохлаждаемым зондом по оси плазмотрона на уровне среднего витка индуктора вместе с плазмообразующим газом

(а); водоохлаждаемым зондом сбоку, перпендикулярно оси плазмотрона

(б), водоохлаждаемым зондом снизу-вверх коаксиально плазменному факелу (в). Все эти способы имеют свои ограничения и недостатки: зарастание кварцевой камеры расплавленным порошком, влияние на стабильность работы ВЧ-генератора, снижение температуры плазмы, неудовлетворительное качество обрабатываемого материала, большой разброс обрабатываемого материала плазменными вихрями.

35 3> Х>

а)

Г11

а <х а

х>

V

зз

б)

п

II

в)

Рис.23. Примеры ввода порошка в плазменную струю: а) водоохлаждаемым зондом по оси плазмотрона на уровне среднего витка

индуктора вместе с плазмообразующим газом, б) водоохлаждаемым зондом сбоку, перпендикулярно оси плазмотрона, в) водоохлаждаемым зондом снизу-вверх коаксиально плазменного факела.

Типы инжекторов

В зарубежных исследованиях особое место уделяют выбору типа инжектора, через который осуществляют ввод материала.

I ш

■

а)

б)

в)

1Н

II

Рис.24. Геометрии инжекторов для радиального ввода материала: а) прямым инжектором, б) изогнутым инжектором, в) инжектора с двойным потоком

Канадская компания «Текла» осуществляет аксиальный ввод материала в ВЧИ-плазму и для этих целей используют водоохлаждаемый зонд, который опускается до уровня между первым и вторым витком индуктора. Изогнутые инжектора в основном используются в дуговых плазмотронах: частицы вводятся перпендикулярно на выходе плазменного потока. Изогнутый инжектор довольно сильно искажает движение потока транспортирующего газа и частиц, поэтому критическим становится длина участка Ь (рис.24). Так, например, частицы, движущиеся в изогнутом инжекторе, замедляются и попадают в область изогнутости, благодаря центробежным силам создаваемыми потоком газа. Распределение частиц в инжекторе становится несимметричным: 90% всех частиц концентрируются на внешней части кривизны инжектора. Проведено сравнение скоростей на выходе инжектора с разным радиусом кривизны К

для разного диаметра частиц. Установлено [67], что значительное уменьшение скорости частиц, в сравнении с прямым инжектором, наблюдается при большом радиусе кривизны участка инжектора из-за длительного времени соприкосновения частиц с стенкой инжектора. Однако кривизна инжектора незначительно влияет на скорость частиц с диаметром выше 20 мкм. Инжекторы с двойным потоком используются при обработке частиц с небольшой плотностью и с размером с18<20 мкм. Инжекторы подобного типа используют при производстве субмикронных порошков, а также наноразмерных материалов [18].

Довольно простым и надежным является способ ввода частиц под срез ВЧИ-плазмотрона водоохлаждаемым прямым зондом. Зонд углублялся внутрь плазменного потока на определенную длину в зависимости от фракции обрабатываемого материала. Данный метод был применен при работе на ВЧИ-плазменной установке мощностью 1 МВ-А.

Этот способ обеспечивает максимальное время нахождения частиц в высокотемпературной зоне, так как частицы вначале летят против плазменного потока, останавливаются и далее летят спутно, что позволяет частице нагреться, расплавиться, сфериодизироваться и частично испариться. Дополнительно, отсутствует влияние на плазменный разряд из-за вносимого дополнительного сопротивления частицами порошка. При вводе порошка аксиально сверху в плазменный разряд возникает проблема с тем, что в центре разряда существует зона с пониженной температурой. В результате, транспортирующий газ дополнительно захолаживает центральную зону разряда, частицы быстро пролетают горячую зону, не успевая в должном объеме и количестве расплавиться, что приводит к низкому коэффициенту использования всего объема плазменного разряда. Решение данной проблемы находят в подаче частиц через серию водоохлаждаемых зондов (до 3), что тем не менее имеет недостатки в связи потерями на нагрев зондов.

Расчет диаметра и расхода транспортирующего газа зондов подачи порошка в плазменный факел

По результатам экспериментов было установлено что наилучший эффект при вводе частиц в плазменную струю наблюдается при небольшом заглублении зондов в плазменную струю. По этой причине зонды должны выдерживать тепловую нагрузку от плазменной струи и расплавленных частиц, которые могут кратковременно налипать на зонды. Зондам необходимо обеспечить внешнее водяное охлаждение, чтобы предотвратить их преждевременное разрушение. Рассчитаем параметры зондов:

т = S • р • v (6)

хг -Г хг хг v 7

где - массовый расход транспортирующего газа (кг/с), .v -площадь сечения зонда (м2), рх, - плотность холодного транспортирующего газа (кг/м3), v^ - скорость транспортирующего газа (м/с).

По предварительным расчетам ВЧИ-плазменная установка должна обеспечивать обработку 150 кг цирконового концентрата в час. Для равномерной обработки порошка в плазменной струе предполагается вводить порошок через 4 зонда, следовательно, через каждый зонд будет вводиться 37,5 кг/ч = 10,4 грамма в секунду. Так как система подачи порошка в плазменную струю представлена пневматической установкой, то необходимо рассчитать скорость витания частиц для расчета массового расхода, скорость витания гарантирует транспортировку частиц.

v J2-g(PM~Pz) ^

вит л о

18//

где d- диаметр частиц (м), g- ускорение свободного падения (м/с2), рм- плотность частицы циркона (кг/м3), рг- плотность газа (кг/м3), ¡и-динамическая вязкость газовой среды. Для частиц с размером 100 мкм

скорость витания составила 1,4 м/с, для частиц с размером 150 мкм- 3,2 м/с.

Скорость витания частиц и скорость газового потока связаны зависимостью:

v = v • к (8)

хг вит 4 у

где к - коэффициент запаса. Значение коэффициента запаса следует принимать в интервале 1,5...2,0. Следовательно, скорость холодного газа составляет 2,8 м/с (для частиц с размером 100 мкм), 6,4 м/с (для частиц с размером 150 мкм). Массовый расход газа для зонда с диаметром выходного отверстия 8 мм для частиц размером 100 мкм составит 1,7-10"4 кг/с, для частиц 150 мкм - 4-10"4 кг/с. Отметим, что рассчитанные здесь массовые расходы относятся к скорости витания частиц, для того чтобы рассчитать массовый расход для скорости частиц, которые вводятся в плазменный факел (скорости около 5-7 м/с) необходимо произвести соответствующий пересчет.

Теплотехническая оценка скорости нагрева частиц циркона до температуры диссоциации в плазменном потоке

Известно, что процесс нагрева частиц определяется условиями внутренней и внешней теплопередачи. Внешняя теплопередача к поверхности частицы определяется интенсивностью радиационного излучения (плазмы) от теплоносителя к поверхности частицы, а также конвективным теплообменом между теплоносителем и твердыми частицами. Исследование процесса теплообмена между плазменным факелом и частицами циркона показало, что внешний теплообмен выражается критериальным уравнением:

Nu=7,7-10"3- Re0-99 (10)

где Nu=a-l/hr - критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность перехода тепла на границе поток-поверхность, в котором а [ккал/м2-ч-С]-

суммарный коэффициент теплопередачи излучением и конвекцией от потока к поверхности частиц; 1[м]-приведенный характерный размер (в данном случае-диаметр рабочего канала);

[ккал/м2-ч-С]- коэффициент теплопроводности теплоносителя;

Яе= - критерий Рейнольдса, характеризирующий соотношение сил инерции и трения в потоке, в котором: [м/с] - скорость потока;

1 [м] - характерный размер рабочего канала;

V [м2/с]- коэффициент кинематической вязкости теплоносителя.

С использованием уравнения (10) и справочных данных работы [25] были выполнены расчеты времени нагрева частиц циркона в плазменной струе для условий внешней теплопередачи.

Время нагрева рассчитывалось для двух характерных размеров частиц - 63 мкм и 160 мкм исходя из необходимости: от прогрева до температуры 2100°С, т.е. несколько превышающей температуру разложения циркона (1800°С) и заведомо свидетельствующей о завершении процесса.

При этом приняты два значения скорости газового потока, следовательно, и скорости движения частиц в плазмохимическом реакторе:

25 м/с - максимальная средняя скорость

10 м/с - скорость близкая к обычно наблюдаемым на практике

В указанных условиях и с учётом температуры плазменного разряда, равной 4000 °С время нагрева частиц до 2100 °С составило:

- для частиц 63 мкм - 1,9-10"4 при скорости потока 25 м/с

- для частиц 63 мкм - 4,8-10~4 при скорости потока 10 м/с

- для частиц 63 мкм - 4,89-10~4 при скорости потока 25 м/с

- для частиц 63 мкм - 12,24-10~4 при скорости потока 10 м/с

Далее необходимо оценить прогрев до заданной температуры частиц циркона тех же размеров исходя из условий внутреннего теплообмена, т.е. за счет теплопроводности циркона.

Для расчета использовалась зависимость для расчета времени нагрева [75].

т =

4 С т'Рт'г'

тг* кт Ст — 0.54 + 0.13 ■ Ю-3 ■

где

ср

кДж

кг-Ш

(П)

(12)

кг

3

кт = 1.3-0.63 4,

- удельная теплоемкость циркона, - плотность циркона, м

'Вт '

м-с\ (13)

- коэффициент теплопроводности циркона

Расчетные данные по определению времени прогрева до 2100 °С представлены ниже:

Размер частиц циркона, мкм Время прогрева до 2100 °С, с

63 мкм 2,05-10-3

160 мкм 13,21-10-3

Из сопоставления результатов расчета по уравнениям (9) и (10) следует, что при плазменном нагреве условия внешней теплопередачи не являются лимитирующими и скорость нагрева частиц до заданной температуры определяется теплопроводностью обрабатываемого материала - циркона.

Зная время прогрева частиц, можно рассчитать длину рабочей зоны плазмохимического реактора. При прогреве до 2100 °С рабочая камера должна иметь следующие значения:

Размер частиц, мкм 63 160

Скорость газового потока, м/с 25 10 25 10

Длина рабочей зоны, мм 51,25 20,5 330 132,1

Естественно, что данные результаты расчета являются идеализированным случаем, необходимо также учитывать, что после достижения точки диссоциации и плавления температура частиц должна достичь температуры, которой будет достаточно для недопущения слипания частиц и превращения их в конгломераты. Можно сделать вывод что на расстоянии 400-500 мм от среза плазматрона происходит завершение всех процессов нагрева, диссоциации и плавления частиц циркона. Поэтому на расстоянии 500-600 мм можно разместить устройства для быстрой закалки плазмообработанных продуктов.

Область моделирования обработки частиц.

Помимо моделирования ВЧИ-плазменного разряда необходимо изучить картину, которая наблюдается в реакционной камере, так как это важный узел обработки частиц. В качестве области моделирования были выбраны реальные размеры опытной установки (рис.25) с установленной мощностью 1 МВ-А, а также реакционной камеру, где происходит обработка порошковых материалов (нагрев, плавление, испарение и сфероидизация).

* - <

* р

Узел ввода порошка

Реакционная камера

Узел отвода запыленного газа

О

-50" -100 -150' -200 -250 -300 -350 -400" -450' -500' -550' -600'

Рис.25. Узел Рис.26. 2ё-модель узла Рис.27. Расчетная сетка

обработки ВЧИ- обработки с реакционной 2с1-модели плазмотрона камерой

Реакционная камера представляет собой водоохлаждаемую колонну высотой 2.5 м с боковым узлом для удаления мелкодисперсного порошка вместе с газовым потоком. Сила разрежения, создаваемая вытяжным вентилятором, позволяет производить в циклонах разделение газовой и дисперсных фаз, а также последующее охлаждение горячего газа для безопасного сброса в атмосферу. Также в модель были добавлены узлы для ввода закалочного газа в верхней части реакционной камеры для предотвращения слипания обработанных частиц циркона. На рисунке 25-26 приведена двухмерная модель и фотография реального узла обработки частиц в ВЧИ-плазме.

Расчетная сетка. При компьютерном моделировании важную роль играет расчётная сетка на которой происходит решение систем уравнений. Сетка должна быть особым образом подобрана таким образом, чтобы решение сходилось, не страдал конечный результат, полученное решение

укладывалось в допустимую точность, но при этом и не увеличивало время решения задачи до десятков часов и даже дней.

При моделировании узла обработки с реакционной камерой количество элементов расчетной сетки составляло 6323 единиц. Количество уравнений составляло 45295, время расчета 17 минут, расчет производился на компьютере с оперативной памятью 8 Гб, 2 процессорами intel core i-7 2.4 ГГц.

Моделирование тепловых и газодинамических процессов в реакционной камере

Входные данные. В качестве входных данных полей скоростей и температуры на срезе ВЧИ-плазмотрона использовали результаты из расчета поля скоростей и температуры ВЧИ-плазмотрона в предыдущем разделе. Скорость газа зондов, через которые происходит подача циркона в плазменный факел, составляла 0, 4 и 6 м/с. Расход газа через каждый узел, который осуществляет подачу закалочного газа с температурой 27 °С, составлял 50 м3/ч. Начальная температура в реакционной камере составляет 27 °С.

Моделирование №1. Моделирование узла обработки частиц проводили из условия что зонды, через которые происходит подача порошка, направлены перпендикулярно оси реакционной камеры, т.е. под углом 90 градусов к вертикали, глубина погружения в плазму-10 мм. Результаты представлены ниже.

Скорость газового потока, м/с

Температура, К

х10

О 200 400

Диаметр реакционной камеры, мм

Рис.28. Поле скорости газового потока без транспортирующего воздуха

Скорость газового потока, м/с

50

0

50 -50

-100

45

-150

40 2 2 -200

Си -250

35 и 2

га а -300

30 JS О X -350

£

О X -400

25 Я"

и -450

Он

20 сЗ Г -500

15 Й -550

-600

10 -650

5 -700

-750

0 100 200 300

Диаметр реакционной камеры, мм

Рис.29. Поле температуры без транспортирующего воздуха

Температура, К

Х10э

0 200 400

Диаметр реакционной камеры, мм

Рис.30. Поле скорости газового потока при скорости транспортирующего воздуха 4 м/с

0 200 400

Диаметр реакционной камеры, мм

Рис.31. Поле температуры газового потока при скорости транспортирующего воздуха 4 м/с

Скорость газового потока, м/с

Температура, К

О -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 -500 -550 -600 -650 -700 -750

х10 7

0 200 400

Диаметр реакционной камеры, мм

0 100 200 300 400

Диаметр реакционной камеры, мм

Рис.32. Поле скорости газового потока Рис.33. Поле температуры при скорости транспортирующего газового потока при скорости воздуха 6 м/с транспортирующего воздуха 6 м/с

На рис.28-29 видно, что безрасходный режим по транспортирующему газу не вносит влияний на газовую динамику плазменного потока, на температуру истечения плазмы. Температура газового потока на уровне ввода закалочного газа лежит в диапазоне от 3000 до 4000 К. Длина факела плазмы с температурой выше 3000 К составляет 500 мм. На данном участке происходят основные процессы сфероидизации и плавления частиц циркона. При использовании транспортирующего газа (рис.30-33) для подачи циркона в факел плазмы наблюдается деформирование газового потока, происходит значительное захолаживание плазмы, в результате температура выше 3000 К наблюдается на участке длиной 300 мм, дополнительно происходит увеличение скорости газового потока и его длины, скорость значительная и достигает 50 м/с.

Представляет интерес исследование влияния расхода закалочного газа на температуру плазменного потока, его газодинамические поля. Ниже представлен расчет с расходом закалочного газа в 245 мЗ/ч. Видно, что при таком режиме происходит резкое захолаживание горячего потока, при таком режиме можно производить новые материалы с регулируемой структурой поверхности, наноразмерные материалы.

Скорость газового потока, м/с Температура, К

Диаметр реакционной камеры, мм

Рис.34. Поле скорости газового Рис.35. Поле температуры газового

потока при расходе закалочного потока при расходе закалочного

воздуха 245 м3/ч воздуха 245 м3/ч

2.2. Термодинамическое моделирование процесса обработки циркона в воздушной ВЧИ-плазме

Для термодинамического анализа процесса плазменной обработки использовалась программа термодинамических расчетов многокомпонентных систем «Terra» [68], разработанная в МГТУ им. Баумана. В базе данных программы содержатся термодинамические функции для 3500 индивидуальных веществ в широком интервале температур от 300 до 10000 К. Предельное число химических элементов,

из которых может состоять исследуемая система, равно 50; число конденсированных фаз, рассматриваемых в ходе одного расчета, ограничено 200; число компонентов газовой фазы, образующихся в равновесии может достигать 800.

В качестве исходных данных для моделирования процесса плазменной обработки циркона задавались интервалы температур 300-8000 К. Предполагается, что максимальная температура воздушной ВЧИ-плазмы достигает 8000 К и обработка происходит при атмосферном давлении. Результаты расчета равновесного состава получены в виде матрицы основных параметров состояния термодинамической системы, содержания компонентов, соответствующих одному из равновесных состояний, заданных температурой и давлением. На их основе построены графики зависимостей мольных концентраций образующихся химических соединений в исследуемой системе в зависимости от температуры и давления. На рис. 36-39 представлен результат термодинамического расчета в виде зависимостей равновесного состава системы газообразных (рис. 36) и конденсированных (рис. 37) продуктов плазменной обработки циркона.

О 5 мас.^и

О 0.3 0.2 0 1 о

о

р-0 .1 И Па

Рис.36. Результаты термодинамического моделирования

N

X / 0

2г02(с> ^

02 ОГЧ \ Л 510 2г+ Ч ч \ у-^' 2г

9-

гооо юоо вам т, к

U .L J Z г О 2 (с ':>

0 .2

0 .15 Zr 02

Sin2(с)

0 .1

SiO Л

0 .05 fr 0 '|

Si02

0

1600 2000 2+00 2800 3200 3600 т.. к

р - 0 .1 И Па

Рис.37. Результаты термодинамического моделирования для конденсированной фазы в программе Terra (детально)

р=0 .1 М П а

Рис. 38 Результаты термодинамического моделирования для конденсированной фазы в программе Terra

о g мас аоли 0.1 0.3 0.2 0.1 0

1500 3000 1500 6000 7500 Т, К

р-0 .1 МП а

Рис.39. Результаты термодинамического моделирования для газовой фазы в программе Terra (детально)

Анализ результатов термодинамического моделирования показывает, что в изучаемой системе могут образовываться и одновременно существовать в равновесных условиях следующие молекулярные формы: ZrÖ2 (конд.), ZrO, NO, N, NO3, N2, S1O2 (конд.). При увеличении температуры выше 2600 К происходит увеличение концентрации SiO. При температуре выше 3500 К значительно увеличивается летучесть ZrO и Zr02. С практической точки зрения интерес представляет образование и концентрация вредных оксидов азота, образующихся при нагревании воздуха в плазме. При температуре примерно 6500 К происходит выравнивание концентраций молекулярного и атомарного азота. Видно (рис.39), что в диапазоне 2000-^4500 К возрастает концентрация оксида азота NO. NO соединяется с кислородом с образованием NO2. Диоксид азота раздражает дыхательные пути, при больших концентрациях может произойти отёк легких. Температура отходящих газов из реакционной камеры плазматрона составляет 1500^-2000 К. Для диссоциации оксида

азота можно использовать быструю закалку отходящих газов разбавлением внутрицеховым воздухом за счет работы вытяжного вентилятора.

2.3. Расчет термодинамического минимума для диссоциации циркона

При разработке новых технологических процессов важно предварительно оценить минимальный термодинамический минимум (ТДМ), который необходим для предварительного расчета затрат электроэнергии для перевода вещества в другое состояние. Однако не всегда термодинамический минимум соответствует реальным показателям на производстве, так как при его расчете рассматривается идеализированное приближение.

ТДМ = Ср8-(Тт-Т0) + На+ Н1П , МДж/кг (14)

где Ср8(300 К)= 0.6 кДж/кгтрад - удельная теплоёмкость циркона;

Нс1= 229 кДж/кг- теплота диссоциации циркона; Нт= 142 кДж/кг-теплота плавления диоксида кремния.

Итого, получаем, что термодинамический минимум необходимый для диссоциации циркона и плавления диоксида кремния составляет 1,571 МДж/кг или 0,4363 кВт-ч/кг. Необходимо отметить, что, по мнению автора, помимо диссоциации циркона необходимо учитывать также и плавление диоксида кремния. Частицы, которые попадают в плазму получают меньше половины энергии от плазмы, большое количество энергии теряется за счет излучения с поверхности частицы, в результате не достигается полное проплавление. По этой причине, для того чтобы достичь полного оплавления частицы циркона при большой загрузке материала (производительности) необходимо в 5-6 раз превысить термодинамический минимум диссоциации.

2.2. Особенности схемы электропитания ВЧИ-плазмотрона

Распределительный щит. Учитывая значительную единичную мощность установки, напряжение в силовую цепь подводят от сетевой подстанции сети 6/10 кВ через высоковольтный выключатель и понижающий трансформатор. Распределительная ячейка подстанции имеет автоматический выключатель на 2000 А с временем срабатывания в 1 с, который по показаниям трансформаторов тока, размещенных на фазах и нулевом проводе, производит аварийное выключение нагрузки. Для защиты потребителей и распределения электрической энергии на ВЧИ-плазменной установке используют распределительный щит. Щит оборудован автоматическим выключателем на 1800 А и времени размыкания в 15 мс (доступна точная настройка тока отключения и времени срабатывания), который обеспечивает аварийное отключение нагрузки (по показаниям трансформаторов тока, расположенным на шинах тиристорного регулятора) при коротких замыканиях, пробоях на индуктор, при факельных разрядах в высоковольтных частях установки, при выходе из строя генераторных триодов. Также в щите предусмотрена система резервного питания важных узлов установки (пульт управления, станция охлаждения). В щите установлены автоматические выключатели для питания цепей вентиляции, накала генераторных триодов, водоохлаждения, управления, загрузки и выгрузки материала. С помощью датчика мощности, расположенного в распределительном щите, измеряется напряжение питающей сети (для контроля колебаний питающего напряжения, идущего с подстанции), полная потребляемая мощность, активная и реактивная мощности, cos<p.

Регулятор тиристорный трехфазный (РТТ) предназначен для плавного регулирования напряжения, питающего генератор ВЧИ-плазменной установки. Регулирование выполняется на стороне низкого (380 В) напряжения силового трансформатора от 0 до 380 В.

Максимальный рабочий ток 1600 А. Тиристоры рассчитаны на 800 А и включены встречно-параллельно. Из-за больших токов, проходящих через тиристоры, требуется дополнительное водяное (деионизованная вода) охлаждение. Для защиты тиристоров от токов выше их номинала используют плавкие предохранители. Способ регулирования напряжения - фазовый. При фазовом методе на управляющие электроды тиристоров подают противофазные импульсы, сдвинутые относительно начала соответствующего полупериода напряжения питающей сети на угол управления а.

Регулирование осуществляют изменением формы кривой выходного напряжения, которая все больше отличается от синусоидальной по мере понижения действующего напряжения. Частота выходного напряжения равна 50 Гц (как и у питающей сети). Регулируется длительность подключения к питающей сети, но она не превышает половину периода частоты сети [45].

Регулирование напряжения в тиристорных преобразователях сопровождается снижением сояср и появлением высших гармоник. Серьезный недостаток фазоимпульсного регулирования - малый сояср основной гармоники и искажение формы кривой потребляемого тока (появление гармоник с номерами 3,5,7,9). Особенно значительны эти гармоники при работе на активную нагрузку и при больших углах открытия тиристоров (>40°), вызывающие значительные помехи.

Трансформатор трёхфазный силовой. Для повышения напряжения до уровня 10 кВ используют силовой трехфазный трансформатор мощностью 1000 кВ-А. Схема соединения звезда-треугольник.

Выпрямитель высоковольтный трехфазный предназначен для выпрямления переменного напряжения до 10 кВ в постоянное напряжение до 13 кВ. Выходной ток - до 120 А. В шкафу выпрямителя имеется

фотодатчик, осуществляющий защиту от высоковольтных дуговых разрядов.

Автором выбрана двухполупериодная трехфазная схема Ларионова-Греца, которую называют шестифазной. В ней роль нулевой точки трансформатора выполняет вторая группа вентилей, которая позволяет выпрямлять не фазное, а линейное напряжение.

Выходной фильтр высоковольтного выпрямителя ВЧИ-плазменной установки. Приведенная выше схема высоковольтного выпрямителя является источником токов и напряжений сложной формы и как следствие - гармоник, оказывающих негативное влияние на работу подводящих энергию систем и самих высоковольтных выпрямителей. Все гармоники разделяются на несколько групп. Первая и основная группа гармоник - в кривой выпрямленного напряжения, обусловленные волнистостью. Эта группа имеет невысокие частоты, нарушающие работу агрегата при питании от выпрямителя. Защита агрегата от влияния гармоник, уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения требует специальных мер, которые не допускали бы проникновение токов низких частот. Эти меры подразумевают установку фильтров, которые ослабляют величины гармоник с возможностью их циркуляции в замкнутой системе, минуя потребителя. Данные фильтры могут быть применимы для сглаживания волнистости выпрямленных напряжений и для замыкания во внутренних цепях ВЧ-генератора высокочастотного тока, как на основной частоте, так и на частотах высоких гармоник. Высоковольтный выпрямитель, собранный по шестифазной схеме, питает ВЧ-генератор постоянным током с пульсацией в 300 Гц. Для уменьшения волнистости необходимо установить фильтр, который доведет волнистость до требуемой величины. Таким фильтром, состоящим из индуктивности Ьф и ёмкости Сф служит фильтр низких частот. В дополнении к нему ставят фильтр высоких частот Сф]. Влияние фильтра высоких частот Сф1

значительно, т.к. неправильно выбранная емкость сказывается на работе ВЧ-генератора и вызывает увеличение сеточного напряжения на лампах, что может разрушить сетку лампы.

Высокочастотный ламповый генератор предназначен для получения тока высокой частоты (440±11 кГц). Генератор работает на двух параллельно включенных триодах марки ГУ-65А (или аналог ГУ-88А) по схеме автогенератора. При работе ВЧ-генератора на плазменную нагрузку осуществляют постоянный накал генераторных триодов.

Управление ВЧ-генератором осуществляется за счёт регулирования постоянного анодного напряжения за счёт воздействия на угол управления встречно-параллельных тиристоров, включенных на первичной стороне высоковольтного трансформатора. Такой вид регулирования имеет недостаток в связи с тем, что происходит искажение питающей сети, проявляющееся сильно при больших мощностях.

Особенности работы ВЧ-генератора на плазменную нагрузку. Процесс поджига плазмы эквивалентен для ВЧ-генератора переходу от режима холостого хода к номинальному режиму работы. Процесс обратный «поджигу» - срыв плазмы. Для ВЧ-генератора он эквивалентен переходу от режима полной загрузки к режиму холостого хода. Режим, когда плазма "лезет" на стенки камеры (что приводит к проплавлению кварцевой разрядной камеры), эквивалентен режимам близким к КЗ. При работе ВЧ-генератора необходимо обеспечить работу в режимы близкие к КЗ (на участках с падающей внешней характеристикой).

Работа ВЧИ-плазмотрона представляет собой сложный комплекс электромагнитных, тепловых и газодинамических процессов. Система ВЧИ-плазма и ВЧ-генератор представляет собой сильную связь между нагрузкой (ВЧИ-плазма) и источником питания. Нагрузка в виде ВЧИ-плазмы имеет дополнительную степень свободы: свобода размера плазмоида и свобода массового расхода плазмообразующего газа.

Возмущающими воздействиями являются колебания напряжения питающей сети и изменение эквивалентного сопротивления нагрузки. Изменение эквивалентного сопротивления нагрузки может происходить в результате колебаний массового расхода плазмообразующего газа.

Вывод по главе 2

1. Создана опытная ВЧИ-плазменная установка мощностью 1 МВ-А, для которой автором выбраны основные технические решения и режимы работы силового оборудования, обеспечивающие надежную работу и максимально вводимую мощность, а также качественная обработка цирконового концентрата.

2. Проведено математическое моделирование ВЧИ-плазменного разряда, а также реакционной камеры, которое позволило построить картину тепловых и газодинамических процессов, сделан расчет термодинамического минимума для диссоциации циркона, термодинамическое моделирование процесса обработки циркона в воздушной ВЧИ-плазме.

Глава 3. Исследование энергетических характеристик работы опытной плазменной ВЧИ-установки

3.1 Энергетический баланс основных элементов ВЧИ-установки

Для того, чтобы качественно управлять технологическим процессом обработки порошковых материалов в ВЧИ-плазме следует изучить тепловой режим работы ВЧИ-плазмотрона и ВЧ-генератора, определить мощность, которая доставляется в плазму, оценить потери на элементах установки, изучить взаимосвязь изменения электрических параметров и полезной мощности, а также потерь. Эффективность работы ВЧИ-плазменной установки определяется ее коэффициентом полезного действия, т.е. отношением мощности, получаемой в разряде, к мощности, потребляемой источником питания от промышленной сети. Традиционно для определения тепловых потерь используют калориметрический метод, основанный на измерении температуры и расходов охлаждающей воды на генераторных лампах, катушке обратной связи, влияющей на напряжение сетки генераторной лампы, конденсаторной батарее, токовводах, элементах и узлах конструкции ВЧИ-плазмотрона.

ВЧ-генератор работает на двух триодных лампах, каждая мощностью 500 кВт, по схеме автогенератора. Мощные вакуумные лампы, катушка обратной связи, колебательный контур охлаждаются деионизованной водой для отвода избыточного тепла. Измерения расхода и температуры воды осуществлялись с помощью вихреакустического расходомера марки Метран-305, показания с которого записывались в базу данных SCADA установки, погрешность измерения ±1%. Измерение тока, напряжения, полной, активной и реактивной мощности на низкой стороне трансформатора (380 В) осуществляется при помощи измерительного прибора РМ710 марки Schneider Electric, точность измерения тока 0,4 %, напряжения 0,3 %, класс 1 согласно МЭК 62052-21, измерение расхода газа

осуществлялось с использованием ротаметра марки РМ-06-100 ГУЗ, погрешность измерения расхода газа ±2,5 м3/ч, измерение температуры газа осуществлялось при помощи термоэлектрического преобразователя «Обнинской Термоэлектрической Компании» в керамическом чехле, модификации ТП - А 241 Л, класс допуска 3.

Анодную мощность определяют по показаниям электрических приборов по формуле (1):

Ра=Еа-1а, кВт (14)

где Еа- напряжение анодного питания, кВ 1а- анодный ток, А

Мощность потерь на элементах ВЧИ-установки:

АР=1,163-Ов-АТ, кВт (15)

где С и - расход охлаждающей воды, м3/ч АТ - приращение температуры охлаждающей воды, С 1,163 - коэффициент пропорциональности

Суммарная мощность потерь на генераторных лампах, катушке ОС, конденсаторной батарее, токовводах, индукторе, элементах и узлах конструкции ВЧИ-плазмотрона:

ХАР=АРл+АРос+АРкб+АРи+АРкп, кВт (16)

где АРЛ- потери на анодах генераторных ламп, кВт АР0С - потери в катушке обратной связи ВЧ-генератора, кВт АРкб- потери в шинах конденсаторной батареи, кВт АРИ- потери в индукторе, кВт АРкп- потери в корпусе ВЧИ-плазмотрона, кВт Колебательная мощность ВЧ-генератора

Рп=Ра-АРл, кВт (17)

Мощность, подводимая к плазмотрону:

Рпл=Рп-(ЛРос+Ркб), кВт (18)

Мощность, вкладываемая в плазменный разряд:

РПр=Рпл-(ЛРи+ЛРкп), кВт (19)

Коэффициент мощности ВЧИ-плазменной установки:

С05ф=Ра/8 (20)

Где 5 = у]/'; + Р; - кажущаяся мощность, кВ-А (по показаниям электрического прибора РМ710), ^.-реактивная мощность, кВ-Ар

КПД плазмотрона:

Т1пл=^-Ю0% (21)

"пл

Электрический КПД ВЧ-генератора:

Лпл=^-Ю0% (22)

"а

КПД ВЧИ-плазменной установки:

Лпя^-100% (23)

"а

В дополнении к вышеописанным формулам следует добавить, что необходимо также учитывать тепловые потери на сетке генераторной лампы, анодных дросселях, гридликах, нагрев диодов высоковольтного выпрямителя, тиристоров в регуляторе мощности, а также токоограничивающей катушке индуктивности, стоящей после тиристорного регулятора.

Эксперименты проводились при различных уровнях расхода плазмообразующего газа (воздуха) и мощности. Регулирование мощности производилось на низкой стороне силового трансформатора 0.4/10 кВ мощностью 1 МВ-А с помощью трёхфазного тиристорного регулятора путём изменения угла открытия тиристоров.

На рисунке 40 изображено изменение анодной мощности в зависимости от угла открытия тиристоров. Видно, что расход плазмообразующего газа 150 м3/ч приводит к большей анодной мощности; разница достигает 74 кВт в сравнении с расходом 270 м3/ч.

•G= 270 мЗ/ч

•G=150'm3/4

880

830

Н 780

CQ

а

. 730 Л н

£ 680

X

I 630

к 580 Я

х

S 530

о X

С 480

ь 430 380

» 820

/ У* 754

60 70 80 Угол открытия тиристоров, % 86

Рис.40. Изменение анодной мощности с увеличением угла открытия

тиристоров.

На рисунке 41 представлена зависимость колебательной мощности от анодной мощности ВЧ-генератора. Зависимость носит линейный характер: с увеличением анодной мощности растет колебательная мощность. Влияние расхода плазмообразующего газа незначительно до значения 500 кВт анодной мощности, однако выше этого значения влияние расхода плазмообразующего газа становится заметным, и разница в колебательной мощности при различных расходах достигает 70 кВт.

Ра .АНОДНАЯ МОЩНОСТЬ ВЧ-ГЕНЕРАТОРА, КВТ

Рис.41. Зависимость колебательной мощности от анодной мощности при различных расходах плазмообразующего газа

Экспериментально (рис.41) установлено, что расход плазмообразующего газа влияет на анодную мощность. Объяснение этому следующее. При увеличении/уменьшении расхода плазмообразующего газа происходит уменьшение/увеличение электропроводимости плазменного разряда. На рисунке 42 изображена зависимость анодной мощности от расхода защитного газа при постоянном расходе центрального газа и угле открытия тиристоров 60%. Как видно, изменение расхода защитного газа значительно влияет на анодную мощность за счет изменения нагрузки. При изменении расхода с 200 м3/ч до 100 м3/ч разность анодной мощности достигает 25^-41 кВт, т.е. 5-И0 %. Управление режимом расхода газа позволяет гибко подстраиваться под различные технологические процессы.

На рисунке 43 изображено изменение анодной мощности в зависимости от расхода центрального газа при постоянном расходе защитного газа в 200 м3/ч и угле открытия тиристоров 60%. Как видно из

графика, расход центрального газа также оказывает значительное влияние на анодную мощность.

Рис.42. Изменение анодной мощности в зависимости от расхода защитного газа при постоянном расходе центрального газа и угле открытия тиристоров 60%.

Рис.43. График изменения анодной мощности в зависимости от расхода центрального газа при постоянном расходе защитного газа в 200 м3/ч и угле открытия тиристоров 60%.

Газ при температурах выше 5000 К интенсивно излучает энергию. Данная особенность приводит к тому, что реальная мощность плазменного разряда снижается. Расчет потерь проводилось суммированием потерь на индукторе и корпусе ВЧИ-плазмотрона. Видна некоторая особенность в потерях в корпусе (рис.44), а именно: при расходе плазмообразующего газа в 200 м3/ч потери в 1.5 раза меньше, чем при расходе в 300 м3/ч.

30

350 400 450 500 550 600 650 700 750 Анодная мощность ВЧ-генератора (Ра), кВт

Рис.44. Зависимость мощности потерь в корпусе от анодной мощности при различных расходах плазмообразующего газа

Объяснить это можно значительно меньшим объёмом плазмоида на данных уровнях расхода плазмообразующего газа, что ведет к меньшим потерям излучением. С увеличением анодной мощности картина мощности излучения становится более привычной: на малых расходах плазмообразующего газа потери излучением максимальны.

Остановимся подробнее на динамике и закономерности потерь энергии ВЧИ-плазмотрона. Установлено (рис.45), что при малых расходах плазмообразующего газа потери в разрядной камере значительны, определяющим механизмом теплопередачи является теплопроводность. При увеличении расхода плазмообразующего газа, выше 220 м3/ч потери в

но

-о— ЗООмЗ/ч

250 мЗ/ч • ■ 200 мЗ/ч

разрядной камере снижаются и слабо зависят от расхода газа. Они происходят в основном за счёт конвективного и лучистого теплообмена разряда со стенками разрядной камеры.

76,0 75,0' 3 74,0 1 73,0 72,0

л

& 71,0 н

0

с 70,0 л

1 69'0 3 68,0 О

^ 67,0

66,0

75,2

1 -т, и1

72,7

70 А