способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления
Классы МПК: | C03B19/10 изготовление стеклянных шариков H05H1/30 с использованием внешних электромагнитных полей, например высокой и сверхвысокой частоты |
Автор(ы): | Иванов Л.А., Киселев Н.Н., Побережный В.А., Слугин В.А., Сотенский М.Г. |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество "СПЕЦХИММОНТАЖ" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-03-28 публикация патента:
20.01.2002 |
Предложенная группа изобретений относится к технике и технологии низкотемпературной плазменной обработки материалов и может быть использована при производстве из термопластичных материалов микросфер, имеющих широкое применение в различных отраслях техники. Группа изобретений позволяет стабилизировать процесс по давлению и расходу рабочего газа, дифференцировать подачу материала по срезу питателя, что приводит к увеличению производительности, резкому снижению энергозатрат при обеспечении стабильно высокого качества сфероидизации. При обработке дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой материал вводят навстречу плазменному потоку в его примыкающую к внешней стороне выхода плазмотрона область. По сечению плазмотрона формируют стабильный по давлению и расходу поток рабочего газа. Подачу материала осуществляют со скоростью, убывающей по направлению движения плазменного потока. Устройство включает охлаждаемую разрядную камеру, размещенную в корпусе в виде цилиндрической трубы, установленный на входе в камеру газораспределительный узел, образующий с ней кольцевой канал, и питатель, обеспечивающий подачу материала в высокотемпературную область плазменного потока. Газораспределительный узел выполнен в виде установленной на оси плазмотрона с возможностью перемещения вдоль нее охлаждаемой цилиндрической вставки, выходной торец которой выполнен вогнутым, конусным с углом
при вершине, найденным из условия 90![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178086/176.gif)
120
. Вставка концентрично установлена в выполненной в основании головки плазмотрона полости в виде усеченного конуса с большим основанием в сторону разрядной камеры. Разрядная камера сопряжена с по крайней мере 2-мя ресиверными камерами, последняя из которых размещена в основании плазмотрона, и связана со входом разрядной камеры через газораспределительный узел. Ресиверные камеры последовательно соединены между собой равномерно распределенными по периметру по крайней мере 3 каналами. Цилиндрический корпус разрядной камеры на выходе сопряжен с охлаждаемым козырьком в форме полураструба, а выходная трубка насадки питателя выполнена в корпусе полураструба со скосом в сторону плазмотрона. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 2 ил. , 3 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178086/176.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178032/8773.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178032/8773.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178086/176.gif)
Формула изобретения
1. Способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой, включающий введение материала навстречу плазменному потоку, в его примыкающую к внешней стороне плазмотрона область, отличающийся тем, что по сечению плазмотрона формируют стабильный по давлению и расходу поток рабочего газа, а подачу материала осуществляют со скоростью, убывающей по направлению движения плазменного потока. 2. Устройство обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой, включающее охлаждаемую разрядную камеру, размещенную в корпусе в виде цилиндрической трубы, установленный на входе в камеру газораспределительный узел, образующий с ней кольцевой канал, и питатель, установленный с возможностью подачи материала в высокотемпературную область плазменного потока, отличающееся тем, что газораспределительный узел выполнен в виде установленной на оси плазмотрона с возможностью перемещения вдоль нее охлаждаемой цилиндрической вставки, причем ее выходной торец выполнен вогнутым, конусным с углом![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
Описание изобретения к патенту
Предлагаемая группа изобретений относится к технике и технологии низкотемпературной плазменной обработки материалов и может быть использована при производстве из термопластичных материалов микросфер, имеющих достаточно широкое применение в различных отраслях техники. В плазменных технологиях для обработки дисперсных материалов как правило используют дуговые и ВЧ-плазмотроны. Отличительной особенностью технологических процессов с использованием ВЧ- и СВЧ-плазмотронов является высокий ресурс установок на основе этих плазмотронов и возможность получения высокочистой плазмы, что в ряде технологий имеет принципиальное значение. Изучению проблем плазменных технологий посвящено не одно десятилетие. Несмотря на это вопрос совершенствования технологического процесса продолжает оставаться актуальным, а сама технология продолжает быть довольно тонким процессом, на эффективную реализацию которого влияет значительное количество технологических нюансов. Известен способ плазменной обработки дисперсных тугоплавких материалов /см. пат. РФ N 2128148, МПК С 03 В 19/10, приор. 03.09.97/, включающий введение материала спутно в высокотемпературную область плазменного потока, примыкающую к внешней стороне среза плазмотрона, по сечению которого формируют равномерный скоростной и тепловой потоки. Сформировать равномерный скоростной и тепловой поток описанными в изобретении средствами не представляется возможным, а получение приведенных результатов вообще проблематично. Известно устройство плазменной обработки дисперсных материалов /см. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов. "Наука", М. , 1973 г. , с. 226-227/, содержащее водоохлаждаемую разрядную камеру плазмотрона, газораспределительный узел и питатель, обеспечивающий ввод материала внутрь разрядной камеры. Это устройство не позволяет получать продукцию высокого качества и малопроизводительно из-за загрязнения стенок камеры вследствие вихревых потоков в зоне ввода материала. Известен выбранный нами в качестве прототипа способ плазменной обработки дисперсных термопластичных материалов /см. Бабальянц В. Ф. и др. Применение низкотемпературной плазмы в стекольно-ситалловой промышленности (обзор). М. , 1973, с. 40-43/, включающий инициирование разряда, формирование плазменного потока, подачу материала с помощью транспортирующего газа навстречу плазменному потоку в его высокотемпературную область, примыкающую к внешней стороне выхода плазмотрона. Этот способ не обеспечивает высокого качества сфероидизации и малоэффективен из-за больших энергетических затрат на транспортирующий газ. Известно выбранное нами в качестве прототипа устройство обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой /см. заявку Японии N 6058839, МПК H 05 H 1/30, публ. 03.08.94/, включающее охлаждаемую разрядную камеру, выполненную в виде набора из 3-х коаксиально установленных труб, газораспределительный узел, выполненный из набора расположенных по касательной к трубам с входного торца каналам, и питатель, установленный с возможностью подачи материала в высокотемпературную область потока, при этом индуктор плазмотрона выполнен с регулируемым шагом. Предложенное конструктивное решение со спутной подачей обрабатываемого материала и с комбинированной подачей рабочего газа не может обеспечить высокой производительности из-за неравномерности теплового потока и нестабильности скорости подаваемого газового потока. Большое количество подаваемого рабочего газа приводит к сжатию плазмоида и ведет к значительному ухудшению энергетических показателей процесса. Предлагаемая группа изобретений позволяет стабилизировать процесс по давлению и расходу газа, дифференцировать подачу материала по срезу питателя, что приводит к увеличению производительности, резкому снижению энергозатрат при обеспечении стабильно высокого качества сфероидизации. Такой технический эффект получен нами, когда- в способе обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой, включающем введение материала навстречу плазменному потоку, в его примыкающую к внешней стороне выхода плазмотрона область, по сечению плазмотрона формируют стабильный по давлению и расходу поток рабочего газа, а подачу материала осуществляют со скоростью, убывающей по направлению движения плазменного потока;
- в устройстве обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой, включающем охлаждаемую разрядную камеру, размещенную в корпусе в виде цилиндрической трубы, установленный на входе в камеру газораспределительный узел, образующий с ней кольцевой канал, и питатель, установленный с возможностью подачи материала в высокотемпературную область плазменного потока, газораспределительный узел выполнен в виде установленной на оси плазмотрона с возможностью перемещения вдоль нее охлаждаемой цилиндрической вставки, выходной торец которой выполнен вогнутым, конусным с углом
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178032/8773.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178032/8773.gif)
Количество каналов между ресиверными камерами, кратное трем, создает условия для эффективного перемещения газа из одной ресиверной камеры в другую без пульсаций. На фиг. 1 показана общая схема устройства, реализующего заявленную группу изобретений /пример конкретного исполнения по п. 4 формулы/, где разрядная камера - 1, ее цилиндрический корпус - 2. газораспределительный узел в виде цилиндрической вставки - 3 с коническим вогнутым торцем - 4, которая расположена в полости - 5 основания - 6 головки плазмотрона, между которыми образована кольцевая щель - 7. Цилиндрическая вставка - 3 сопряжена с последней ресиверной камерой - 8. которая сообщается с первой ресиверной камерой - 9 по меньшей мере тремя трубками - 10. Со стороны выхода - 11 разрядной камеры - 1 с осью - 12 установлен козырек - 13 в виде полураструба с плоским верхом, в котором выполнено сквозное отверстие - 14. в которое вставлена трубка - 15 насадки - 16, выполненной с прямоугольным поперечным сечением. Внутри насадки - 16 питателя на противоположных стенках расположены полочки - 17, сдвинутые по вертикали относительно друг друга на полушаг, причем свободные края - 18 полочек - 17 ориентированы горизонтально. Полочки - 17 наклонены вниз. Наиболее удаленная от выходного отверстия - 11 грань трубки - 15 клинообразной насадки -16 выполнена со скосом - 19 в сторону камеры - 1. Снаружи корпуса - 2 расположена кварцевая труба - 20, снаружи которой концентрично установлен индуктор - 21. А-А - ориентация поперечного сечения козырька 13 и трубки 15;
М - направление потока сфероидизируемых частиц;
P - направление потока плазмы за пределами разрядной камеры 1;
S - толщина потока М в направлении потока P плазмы;
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178033/946.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178023/947.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
Плазменный поток, имеющий на выходе плазмотрона высокую температуру, по ходу движения остывает по логарифмическому закону. Выполнение питающей трубки 15 со скосом в сторону разрядной камеры обеспечивает подачу материала с дифференцированной по срезу трубки скоростью: высокотемпературную зону у среза плазмотрона материал проходит с большей скоростью, более холодные зоны - с меньшей (см. эпюры скоростей на фиг. 2в). Разные скорости и соответственно разное время нагрева материала оптимально соответствуют и разным температурам потока, в результате теплофизические условия обработки материала выравниваются, что увеличивает долю высококачественного продукта по нашим данным в 1,5 раза. Если зону полураструба, где установлена трубка 15 насадки 16 питателя, выполнить плоской, то значительно возрастает доля обрабатываемого материала из-за предотвращения ухода частиц материала в поперечном направлении за пределы плазменного потока
ПРИМЕРЫ конкретного выполнения заявляемой группы изобретений. Примеры составлены на основе среднестатистических данных, полученных при работе шести установок, сконструированных по предлагаемой группе изобретений на предприятии "ЗАО СПЕЦХИММОНТАЖ". 1. Параметры устройства. Разрядная камера плазмотрона выполнена в виде решетки из шести водоохлаждаемых секций. Длина - 300 мм, наружный диаметр - 100 мм, внутренний диаметр - 80 мм. Корпус разрядной камеры - кварцевая трубка диаметром 103 мм, толщина стенки - 3
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178005/177.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178016/945.gif)
![способ обработки дисперсных термопластичных материалов индукционно связанной плазмой и устройство для его осуществления, патент № 2178392](/images/patents/291/2178033/946.gif)
Давление на выходе стабилизатора 1,5-2,0 кгс/см2
Расход газа (Q) 40-120 л/сек. Скорость подачи газа в рабочую зону 0,1-0,3 м/сек. Время обработки материала 10-30 мксек. Расход воды на охлаждение плазмотрона 1,8-2,2 м3/час. Стабильность расхода газа на выходе плазмотрона контролировалась в течение всего цикла работы установки. При давлении на входе плазмотрона, равном 0,8 кгс/см2, на выходе, с учетом теплового расширения, давление стабильно составляло 0,67 кгс/см2. На устройстве, реализующем описанные выше конструктивные решения и технические параметры, была проведена серия технологических наработок с варьированием энергетических и расходных характеристик. В табл. 2 приведены результаты технологических наработок в зависимости от выбранных режимов. Производительность процесса практически не зависела от гранулометрического состава сырья. Даны усредненные значения для смеси гранулометрического состава 200 - 480 мкм и оптимального режима подачи рабочего газа. В табл. 3 приведены физико-механические характеристики полученной продукции. Гранулометрический состав исходного материала от 200 до 560 мкм. Таким образом, технологический процесс, в котором реализована предложенная группа изобретений, обеспечивает получение продукции стабильно высокого качества при снижении энергозатрат. При этом используется широкий ассортимент стекол различного гранулометрического состава. Получаемая продукция пользуется значительным спросом как на Российском, так и на зарубежном рынке. Использование предложенной технологии позволяет отказаться от приобретения за рубежом дорогостоящей продукции.
Класс C03B19/10 изготовление стеклянных шариков
Класс H05H1/30 с использованием внешних электромагнитных полей, например высокой и сверхвысокой частоты