Основные технологические процессы с использованием ВЧ-плазмотронов

Синтез пигментной двуокиси титана В соответствии с принятой классификацией высокочастотных плазменных процессов и плазмотронов выбирается вариант ВЧ-плазмотрона, в наибольшей степени удовлетворяющего требованиям технологического процесса сжигания паров тетрахлорида титана (TiCl4) в активированном кислороде: ВЧ-плазмотрон атмосферного давления, с использованием ВЧИ-разряда, средней мощности, с диэлектрической цилиндрической разгруженной разрядной камерой без сопла, вихревого типа с дозвуковым истечением низкотемпературной плазменной струи (менее 2000 К) кислорода. Реакция гомогенного типа происходит в плазменной струе, истекающей в реактор, в котором образуется гетерогенный поток, состоящий из хлора, непрореагировавшего кислорода и взвеси пигментной двуокиси титана, направляемый на разделительные фильтры. Интенсификация технологического процесса осуществляется модуляцией параметров ВЧИ-разряда (путём анодной модуляции ВЧ-генератора), приводящая к возникновению акустических полей в зоне взаимодействия реагентов, а также наложением на зону взаимодействия электромагнитных полей, переизлучаемых ВЧ плазменной струёй из зоны индуктора. Перечисленные характеристики ВЧИ-плазмотрона и технологического процесса дают возможность получать пигментную двуокись титана высокого качества при непрерывной работе ВЧ плазменной опытно-промышленной установки в течение нескольких недель при концентрации хлора в отходящем пылегазовом потоке около 70%; хлор-газ направляется на хлорирование титанового сырья, чем и обеспечивается замкнутость технологического процесса. Лабораторная установка с нагревом кислорода в ВЧ индукционном разряде рассчитана на производительность не более 2 кг/час. Длительность работы установки ограничивалась пропускной способностью фильтров и не превышала 1 час. На основании результатов лабораторного исследования была разработана и введена в действие установка производительностью 42−100 кг/час. Длительность её непрерывной работы — 5 суток. Это одна из первых ВЧ плазменных технологических установок, имеющая стаж работы около 22 лет и наработку на ВЧИ-плазмотрон более 70 000 часов. Наряду с проведением опытных работ пигментная опытно-промышленная установка производит систематически выпуск продукции — хлоридной двуокиси титана. В течение нескольких лет работала более мощная ВЧ плазменная установка производительностью до 400 кг TiO2. В настоящее время спроектирована промышленная установка производительностью 700 кг TiO2 в час, то есть 5 тыс. тонн TiO2 в год. Технологически процесс по ряду параметров превосходит экономические и качественные показатели известных в настоящее время аналогичных способов, обеспечивает снижение удельных энергозатрат до 1 кВт· ч/кг при замкнутом технологическом цикле по хлору.

О перспективности использования ВЧИ-плазмотронов мощностью 1000 кВт в технологическом процессе получения пигментной двуокиси титана производительностью 27,6 тонн в сутки сообщили также Дандес и Торп. 7].

Сфероидизация гранулированных порошков. Особенности технологического процесса При взаимодействии порошковых материалов с плазмой в зависимости от времени пребывания, температуры плазмы и коэффициента теплообмена возможен как незначительный нагрев порошка, так и полное его испарение. Незначительное воздействие плазмы, приводящее лишь к оплавлению частиц и её сквозному прогреву, способствует её формоизменению, а также выкипанию лёгких фракций из объёма частицы и значительному испарению примесей с её поверхности.

Наиболее высокая производительность технологического процесса сфероидизации порошков получена использованием ВЧИ-плазмотронов. Преимущество было достигнуто посредством аксиального ввода обрабатываемого порошка при минимальном расходе транспортирующего газа. В этой модели пылегазовая смесь представляет плазмообразующую среду для ВЧИ-разряда. Степень передачи энергии ВЧИ-разряда в обрабатываемый порошок — 25−30%. Напомним, что в электродуговых плазмотронах удаётся передать в обрабатываемый гранулированный порошок от 1 до 5% мощности плазмы. Поэтому, несмотря на более низкий энергетический КПД ВЧ плазменной установки (60−0%) по сравнению с дуговым плазмотроном (85−90%), на стадии нагрева порошка эта разница с избытком компенсируется и более эффективным является ВЧИ плазменный способ обработки.

В модели расчёта нагрева, оплавления, проплавления и испарения частиц в плазме следует учесть ряд факторов, оказывающих влияние на достижение высокой производительности технологического процесса. К ним относятся:

• — режим энергопоглощения и энергопреобразования ВЧ-генератора;
• — электрои газодинамика ВЧИ разряда и разрядной камеры;
• — дисперсность и химический состав исходного порошка;
• — условия смешения холодного двухфазного потока, в том числе с плазмой ВЧИ-разряда;
• — равномерность распределения порошка по сечению камеры;
• — межфазный теплообмен;
• — термические, химические и термомеханические явления в частицах;
• — плавление, испарение и зарядка частиц;
• — ионизация пара и плазмообразующей среды;
• — скорости и траектории испаряющихся частиц;
• — интенсивность парообразования;
• — сечение рассеяния испаряющихся в плазме частиц;
• — протяжённость термически активной зоны;
• — время пребывания частиц в плазме;
• — условия закалки и формирования продукта;
• — осаждение конденсата на исходных частицах;
• — наличие примесей, легирующих добавок и катализаторов;
• — способ пассивации активного материала.

Среди перечисленных факторов роль некоторых из них может быть достаточно мала и не приниматься в расчёт. Однако для каждого обрабатываемого материала, уровня мощности ВЧИ-плазмотрона, рода плазмообразующего газа общая модель обработки порошков должна быть достаточно универсальной и корректироваться в зависимости от условий проведения конкретного технологического процесса плазменной обработки порошковых материалов. Мощность, расходуемая на обработку порошковых материалов, складывается из ряда составляющих: нагрева твёрдой частицы до плавления, плавление частицы, нагрев расплавленной частицы до кипения, испарение частицы, нагрев пара, ионизация материала частицы.

Так, мощность для испарения алюминиевого порошка размером частиц от 0,1 до 30 мкм при производительности процесса 1 г/с составляет от 15,1 до 22,2 кВт. При таких требованиях мощность дуговой установки составляет 500−1800 кВт, а мощность ВЧИ-разряда — 100−106 кВт.

Таким образом, при сфероидизации гранулированных порошков выгоднее использовать ВЧИ плазменные установки. 1].

Сфероидизация порошков тугоплавких окислов При сфероидизации порошков окислов в нейтральной, например аргоновой, плазме нередко нарушается химический состав окисла из-за частичного его восстановления. В том случае, когда такое диспропорционирование нежелательно, сфероидизацию следует проводить в кислородной плазме. Естественно, сто при таком подходе предпочтение должно быть отдано ВЧ плазменному нагреву кислорода или кислородсодержащего газа. Широкие технологические возможности для сфероидизации порошковых материалов открывает применение ВЧЕи ВЧИ-разрядов. Малая скорость плазменного потока, большой объём плазмы как в поперечном, так и в продольном её сечении позволяют округлять частицы различных тугоплавких материалов с большой эффективностью. Специфика ВЧИ плазменного разряда даёт возможность вводить обрабатываемый порошок непосредственно в центре струи и использовать энергию ВЧИ-разряда наилучшим образом. В приосевой области ВЧИ-разряда плотность тока равна нулю, поэтому подача порошка в центральную зону не нарушает стабильного горения разряда.

Производительность такой плазменной установки довольно высока (при мощности ВЧИ разряда 6,5 кВт — 1,5−2 кг/час порошка оксида алюминия с размером частиц 63−1000 мкм). Аналогичную производительность на дуговом плазмотроне получают при мощности 100 кВт.

В высокочастотной плазме не только существенно эффективнее процессы сфероидизации, но и обеспечивается возможность округления более крупных частиц. Например, в дуговой плазме удаётся сфероидизировать порошок оксида алюминия с размером частиц до 60−70 мкм, в том время как в ВЧИ плазме размер обрабатываемых частиц может быть увеличен до 600−800 мкм. Переход к обработке крупных фракций оксида алюминия или порошков тех же размеров, но из материала с высокой теплоёмкостью требует увеличения тепловых потоков от плазмы к порошку. Этому в значительной степени способствуют добавки кислорода в плазмообразующий газ. В кислородной плазме ВЧИ-разряда удалось сфероидизировать порошки двуокиси кремния, оксида магния и двуокиси циркония, который невозможно обработать в аргоновой плазме ВЧИ-разряда при той же мощности. 1].

Плазменный процесс получе…

Для того, чтобы ВЧИ-плазма обнаружила свои преимущества, нужно найти те оптимальные размеры и расходы, которые позволяли бы впрыскивать аэрозоль в плазму следующим образом:

• — чтобы не изменялись температура и проводимость плазмы (в противном случае изменяется нагрузка и мощность);
• — чтобы аэрозоль успел испариться, а молекула диссоциировать, возбудиться и излучить.

Для этого аэрозоль необходимо простреливать не касаясь кольца с током (по оси), и в то же время не слишком быстро, чтобы диссоциация и возбуждение успели состояться ещё в высокотемпературной зоне. Все эти иногда несовместимые условия обеспечивает ВЧИ-плазмотрон, модифицированный Фасселом.

Плазмотрон состоит из трёх концентрических труб, по которым подаётся газ, обычно аргон. В верхней части плазмотрона расположены витки индуктора, связанные с высокочастотным генератором. Плазма образуется в потоке аргона и выдувается в виде факела над обрезом трубы, а проба в виде аэрозоля подаётся по центральной трубке и вдувается внутрь плазменного факела. Внешний поток газа экранирует плазму от попадания атмосферных газов и охлаждает стенки ВЧИ-плазмотрона.

Высокая температура плазмы способствует тому, что аэрозоль пробы, находящийся в плазме около 1−2 мс гораздо большее время, чем в традиционных источниках возбуждения), успевает полностью испариться, а имеющиеся молекулярные соединения диссоциируют так, что вся проба переходит в атомарное состояние. Следствием являются достаточно низкие пределы обнаружения, кроме того, для более широкого круга элементов. В ИСП возможно определение почти всех элементов, включая такие сложные для анализа, как редкоземельные, актиноиды и труднолетучие. 1].