установка для получения минерального волокна

Формула изобретения

УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО ВОЛОКНА, содержащая соединенные в единый узел плазмотрон и плазменный реактор прямоугольного сечения с отверстием для ввода сырья в верхней части и отверстием для выхода волокна и плазменной струи в нижней, отличающаяся тем, что, с целью улучшения качества получаемого волокна и повышения эффективности использования тепловой и кинетической энергии плазменной струи за счет выравнивания ее температурного и скоростного распределения по сечению плазменного реактора, одна из стенок плазменного реактора выполнена в нижней части с наклонной площадкой, отверстие для выхода волокна и плазменной струи образовано стенками плазменного реактора и наклонной площадкой, а отверстие для ввода сырья выполнено в вертикальной части указанной стенки, внутренние поверхности стенок, кроме стенки с наклонной площадкой, выполнены с несквозной перфорацией, а стенка с наклонной площадкой смонтирована с возможностью перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси плазменного реактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано при производстве различных минеральных волокон, в плазменной химии, плазменной металлургии в процессах плазменного напыления, наплавки и т.п.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является установка для получения минерального волокна, содержащая соединенные в один узел плазмотрон и плазменный реактор прямоугольного сечения с отверстием для ввода сырья в верхней чисти и с отверстием для выхода волокна и плазменной струи в нижней части.

К недостаткам известной установки необходимо отнести неэффективное использование тепловой и кинетической энергии плазменной струи, невозможность регулировки качества получаемого волокна.

Целью изобретения является улучшение качества получаемого волокна и повышение эффективности использования тепловой и кинетической энергии плазменной струи за счет выравнивания ее температурного и скоростного распределения по сечению плазменного реактора.

Поставленная цель достигается тем, что в установке для получения минерального волокна, содержащей соединенные в один узел плазмотрон и плазменный реактор прямоугольного сечения с отверстием для ввода сырья в верхней части и с отверстием для выхода волокна и плазменной струи в нижней, одна из стенок плазменного реактора выполнена в нижней части с наклонной площадкой, отверстие для выхода волокна и плазменной струи образованной струи образовано стенками плазменного реактора и наклонной площадкой, а отверстие для ввода сырья выполнено в вертикальной части указанной стенки, внутренние поверхности стенок, кроме стенки с наклонной площадкой, выполнены с несквозной перфорацией, а стенка с наклонной площадкой смонтирована с возможностью перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси плазменного реактора.

На чертеже показана предлагаемая установка, продольный разрез.

Установка состоит из электродугового плазмотрона 1, пристыкованного с помощью фланца 2 к плазменному реактору 3 прямоугольного сечения. Стенка реактора 4 имеет в своей нижней части наклонную площадку 5, а в вертикальной верхней части этой стенки расположено отверстие 6 для ввода сырья в полость реактора. На внутренних поверхностях стенок реактора, кроме стенки, имеющей наклонную площадку, выполнена несквозная перфорации 7. Наклонная площадка и стенки реактора образуют в его нижней части прямоугольную щель 8. Стенка, имеющая наклонную площадку, выполнена с возможностью для перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси реактора и фиксируется в нужном положении с помощью винтов 9. В стенках плазменного реактора выполнены каналы 10 для протекания охлаждающей жидкости.

Работает описанная установка следующим образом.

На охлаждаемые элементы установки подают охлаждающую жидкость, в разрядную камеру плазмотрона подают плазмообразующий газ и одним из известных способов инициируют электрическую дугу в плазмотроне 1. Из сопла выходного электрода плазменная струя с вихревой структурой поступает в полость реактора 3. Так как плазменный реактор прямоугольного сечения, а на внутренних поверхностях стенок выполнена несквозная перфорация 7, вихревая структура плазменной струи, попадающей в полость плазменного реактора, разрушается. Части потока плазменной струи заходят в отверстия, выполненные на стенках, сжимаются там и снова выходят в направлении, перпендикулярном движению плазменной струи. При этом отверстия несквозной перфорации играют роль резонаторов газодинамического свистка ультразвуковых колебаний. Таким образом, внутренний объем плазменного реактора озвучивается акустическими колебаниями ультразвуковой частоты. Это обуславливает выравнивание температурного и скоростного распределения плазменной струи по сечению реактора. Из отверстия 6 подают сырье во внутреннюю полость плазменного реактора. Сырье может быть в виде порошка или штапика. Плазменная струя прижимает сырье к наклонной охлаждаемой площадке 5 и расплавляет его. Расплавленная масса под действием силы тяжести и под влиянием плазменной струи (угол между осью струи и наклонной площадкой больше 90^о) стекает в виде пленки по наклонной площадке в прямоугольную щель 8. Так как щель имеет меньшую площадь сечения, чем сечение вертикальной части плазменного реактора, в ней происходит увеличение скорости плазменной струи. Эта плазменная струя подхватывает расплав и вытягивает его в нити.

Для уменьшения толщины пленки расплава, а значит и для уменьшения толщины получаемых волокон на зону расплава накладывают акустические колебания, генерируемые плазменной струей. Эти колебания образуются от взаимодействия плазменной струи с отверстиями несквозной перфорации, выполненными на стенках плазменного реактора.

Для регулировки скорости истечения плазменной струи и управления качеством получаемого волокна в зависимости от состава сырья стенка плазменного реактора с наклонной площадкой выполнена с возможностью для перемещения в плоскости, параллельной вертикальной оси плазменного реактора. Это перемещение можно осуществить с помощью винтов 9. Для увеличения скорости истечения плазменной струи необходимо передвинуть стенку с наклонной площадкой в глубину плазменного реактора, а для уменьшения скорости - в обратном направлении.

П р и м е р. В качестве источника плазменной струи использовался плазмотрон типа ПОИСК-100 с цилиндрическим полым анодом и стержневым поршневым катодом.

Электропитание плазмотрона осуществлялось от источника постоянного тока типа АПР-404. В качестве плазмообразующего газа использовался сжатый воздух. Выходное сопло плазмотрона имело диаметр, равный 20 мм. Мощность плазмотрона колебалась от 30 до 80 кВт в различных режимах работы. Расход плазмообразующего воздуха изменялся в процессе экспериментов от 2 до 3 г/с. Температура плазменной струи изменялась от 1500 до 4000 К.

Плазменный реактор был выполнен из меди, поперечное сечение входного отверстия реактора 20 х 40 мм, выходное отверстие 5 х 40 мм. На внутренней стороне стенок реактора, кроме стенки, имеющей наклонную площадку, были выполнены несквозные отверстия диаметром 5 мм, глубиной 5 мм. Все стенки реактора охлаждались водой.

В качестве сырья использовалась порошкообразная смесь для производства минерального волокна завода "Гомельстрой- материалы", в которую входили, мас.%:

Шлак Новолипецкого завода 43 Базальт Березовский 43 Доломит Витебский 14 Химический состав сырья, мас.%:

FeO + Fe₂O₃ SiO₂ Al₂O3 CaO MgO шлак - 2 43 5 40 5 базальт - 18 48 16 8-10 4-6 Расход порошкообразного сырья варьировался от 1 до 10 г/с.

Порядок проведения экспериментов был следующий.

На охлажденные элементы плазмотрона и плазменного реактора подавалась под давлением 10 атм. вода, в плазмотрон подавался рабочий расход плазмообразующего воздуха, а из питателя - порошкообразное сырье. Затем с помощью осциллятора между катодом и анодом плазмотрона инициировалась электрическая дуга. Плазмообразующий воздух, стабилизирующий электрическую дугу на оси плазмотрона за счет вихревого течения, нагревается и истекает из сопла плазмотрона в полость плазменного реактора. На выходе из сопла на расстоянии 1-2 см сохраняется вихревая структура плазменного потока. Однако, так как внутренняя полость реактора выполнена в виде прямоугольника вихревое течение потока нарушается, но основной вклад в разрушение вихревой структуры плазменной струи, вытекающей из сопла плазмотрона вносят отверстия несквозной перфорации, которые являются резонаторами акустических колебаний. Протекая поперек оси отверстия, воздух заходит в него, сжимается там и затем выходит наружу. Это периодическое заполнение и опустошение несквозных отверстий происходит с частотой, зависящей от диаметра отверстия и его глубины. В нашем случае, отверстия несквозной перфорации обеспечивали колебания ультразвуковой частоты порядка 18-19 кГц. Как показали измерения, накладывание ультразвуковых колебаний на плазменную струю полностью разрушает вихревую структуру плазменной струи уже на расстоянии 2 калибров выходного отверстия плазмотрона. Как показали измерения, окружная скорость по сечению плазменной струи на расстоянии 60 мм от среза плазмотрона практически равно нулю. Это свидетельствует о полном разрушении вихревой структуры плазменной струи. Об этом же свидетельствует и выравнивание температуры струи по сечению реактора.

Сырье, поступающее через отверстие в вертикальной части стенки, имеющей наклонную площадку, прижимается плазменной струей к указанной площадке, расплавляется на ней и вытягивается в нити. Расплав сырья, стекающий по наклонной части площадки, постоянно дополняется вновь поступающим сырьем, что способствует непрерывности процесса.

Во время экспериментов получено минеральное волокно с диаметром 0,6 - 15 мкм. Толщина нити зависит от многих факторов: температуры плазменной струи, ее скорости, количества подаваемого материала, его индивидуальных свойств и т.д.