Плазменная печь

Изобретение относится к плазмохимической металлургии, в частности к устройствам для плазменной обработки порошкового металлосодержащего сырья, прямого восстановления металлов, получения ультрадисперсных порошков металлов и их соединений. Сущность изобретения состоит в том, что по оси плавильной камеры устанавливаются полые цилиндрические катод и анод, при этом катод установлен в верхней крышке и является одновременно выходным соплом СВЧ разрядной камеры. Созданный в СВЧ разрядной камере плазменный поток через катод направляется в анод и создает условия для возникновения постоянного электрического тока между катодом и анодом. Конструктивные особенности позволяют реализовать различные схемы подключения постоянного электрического напряжения к аноду и катоду. Исходный продукт вводится через СВЧ разрядную камеру, сбор продукта производится через днище плавильной камеры. Технический результат заключается в устранении ограничений на величину вводимой в плазменную печь электрической энергии и увеличении эффективности переработки сырья. Лысов Георгий Васильевич, Леонтьев Игорь Анатольевич, Павельев Александр Геннадиевич, Петров Евгений Алексеевич (RU) Медведев В.Н. (RU) Изобретение относится к плазмохимической металлургии, в частности к устройствам для плазменной обработки порошкового металлосодержащего сырья, например прямого восстановления металлов и получения ультрадисперсных нанопорошков металлов и их соединений. Устройства для прямого восстановления металлов на основе дуговых разрядов описаны в технической литературе, например известна плазменная печь для прямого восстановления металлов, содержащая охлаждаемую рабочую камеру с крышкой и устройством сбора готового продукта, питатель шихты, устройство ввода шихты и средство ввода восстановительного газа в рабочую камеру, полый катод, установленный на центральной оси с возможностью перемещения, анод, совмещенный с устройством сбора,и магнитную систему (патент РФ 2007463). В этом устройстве шихту и восстановительный газ вводят через полость катода; при этом износ катода (обычно графитового) определяется в основном двумя факторами: химическим - вследствие частичного восстановления руды за счет материала электрода и тепловым - за счет испарения материала катода вследствие его неравномерного нагрева током дуги на катод. Одновременно имеет место процесс сужения полости катода вследствие осаждения на нем углерода, образовавшегося в результате пиролиза при использовании в качестве восстановительного газа углеводородов. На начальной стадии периода расплавления, когда дуга горит на холодный металл, возникают частые обрывы дуг (А.В. Смирнов. Управление перемещением электродов в дуговой печи в экстремальных ситуациях// Электрометаллургия, 2001, 6, с. 21). Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является плазменная печь, содержащая плавильную разрядную камеру с крышкой, стенкой и днищем, средство сбора готового продукта, средства ввода реакционных газов в рабочую камеру, цилиндрический полый катод и анод, установленные на центральной оси устройства, средство подачи СВЧ-энергии в разрядную камеру, внешнюю трубу, в полости которой установлено средство ввода шихты, выполненное в виде охлаждаемой электропроводной внутренней трубы, патрубок ввода плазмообразующего газа на внешней трубе, завихритель газового потока, средства электрической изоляции катода от анода и магнитную систему вокруг упомянутой плавильной камеры (RU2315813, М. Кл. С 21 В 13/12, приор. 2006 г.). Эта печь содержит коаксиальную линию, внешнюю трубу и совмещенный со средством сбора анод. Шихту подают по внутренней трубе, СВЧ-энергию - по коаксиальной линии, образованной катодом и внешней трубой. Основной дуговой разряд горит между катодом и анодом, СВЧ-энергия поступает к нему с внешней стороны, СВЧ-энергия вводится по всей длине плазменного канала, но лишь часть ее воздействует на область у торца катода. Так как при увеличении тока основного разряда растет электропроводность созданного ею плазменного канала, уменьшается скин-сло (глубина проникновения СВЧ полей в плазму), уменьшается влияние СВЧ электромагнитных полей на процессы в прикатодной области, снижается ресурс катода и ухудшается стабилизация дуги в пространстве анод-катод. Таким образом,недостатком известной конструкции является ограничение производительности печи вследствие ограничений на величину вводимой в плазму электрической энергии. Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в увеличении производительности печи. Технический результат заключается в устранении ограничений на величину вводимой электрической энергии и увеличении эффективности переработки сырья. Указанный результат достигается благодаря тому, что средство возбуждения СВЧ-разряда размещено вне плавильной разрядной камеры и создает с помощью завихрителей вращающийся плазменный факел СВЧ-разряда внутри катода, а одновременное введение навстречу ему вращающегося потока восстановительного газа обеспечивает существование диффузного режима разряда у всей поверхности катода. Сущность изобретения заключается в том, что в плазменной печи, содержащей плавильную разрядную камеру с крышкой, стенкой и днищем, средство сбора готового продукта, средства ввода реакционных газов в рабочую камеру, цилиндрический полый катод и анод, установленные на центральной оси устройства, средство подачи СВЧ-энергии в разрядную камеру, внешнюю трубу, в полости которой установлено средство ввода шихты, выполненное в виде охлаждаемой электропроводной внутренней трубы, патрубок ввода плазмообразующего газа на внешней трубе, завихритель газового потока, средства электрической изоляции катода от анода и магнитную систему вокруг упомянутой плавильной разрядной камеры, катод установлен в отверстии крышки камеры, средство сбора выполнено в виде цилиндра, подсоединенного к днищу упомянутой плавильной камеры, в котором с осевым зазором относительно катода закреплен цилиндрический полый анод с возможностью перемещения и в котором вокруг анода выполнены отверстия, патрубок ввода восстановительного газа с первым завихрителем установлен на стенке этой камеры под ее крышкой, на упомянутой плавильной камере вдоль общей оси установлена камера СВЧ-разряда, образованная упомянутыми трубами и конусным соплом, закрепленным на нижней части внешней трубы и с помощью которого катод соединен с внешней трубой, между упомянутыми трубами помещена газопроницаемая диэлектрическая вставка, при этом над вставкой расположен первый патрубок ввода плазмообразующего газа, а под ней на внешней трубе - второй завихритель газа со вторым патрубком ввода плазмообразующего газа. При этом в одном варианте изобретения средства электрической изоляции в виде диэлектрических колец введены между соплом и внешней трубой или между соплом и катодом вместе с СВЧ-дросселем, а также между крышкой и стенкой упомянутой плавильной камеры или/и между днищем и стенкой упомянутой плавильной камеры, в другом варианте средства электрической изоляции в виде диэлектрических колец введены между днищем упомянутой плавильной камеры и средством сбора, а также между стенкой и крышкой упомянутой плавильной камеры и средство подачи СВЧ-энергии выполнено в виде коаксиально-волноводного перехода, содержащего прямоугольный волновод, широкая стенка и ось которого перпендикулярны оси устройства, подключенный к источнику СВЧ-энергии, и коаксиальную линию, образованную внешней и внутренней трубами. Кроме того, зазор вдоль оси между внутренней трубой и конусным соплом составляет около /2 ( длина рабочей электромагнитной СВЧ-волны в СВЧ-камере), катод выступает в упомянутую плавильную камеру из ее крышки на величину, составляющую (0,5-1) внутреннего диаметра катода, анод выступает в пространство упомянутой плавильной камеры на высоту, примерно равную внешнему диаметру анода, зазор между анодом и катодом примерно равен внутреннему диаметру анода, общая площадь отверстий в днище плавильной камеры вокруг анода меньше площади боковой поверхности осевого зазора между анодом и катодом, в боковой стенке камеры СВЧ-разряда установлено устройство инициирования СВЧ-разряда, печь снабжена механизмом перемещения анода, внутренняя труба, катод, днище упомянутой плавильной камеры и стенки обеих упомянутых камер выполнены водоохлаждаемыми, питатель шихты подключен к внутренней трубе через изолятор, в варианте исполнения внутренняя и внешняя трубы изолированы друг от друга и на внешней трубе установлен СВЧ-дроссель, а магнитная система выполнена в виде соленоида. Используемые термины Плазменная печь - устройство, содержащее два или более электродов, между которыми в среде плазмообразующего газа возбуждают электрический разряд, управляемый газо- или магнитодинамическими методами, плазму которого используют для нагрева газа, плавления и восстановления рудного сырья. Питатель - устройство, обычно содержащее бункер с исходным рудным сырьем и средство его подачи с заданной скоростью. Шихта - смесь, состоящая из рудного сырья (руда, концентрат), легирующих и рафинирующих добавок. Рудное, железорудное сырье - минеральное или техногенное сырье, содержащее один или более окислов, например, железа различной валентности. Коаксиально-волноводный переход - устройство преобразования СВЧ-волны коаксиальной линии в СВЧ-волну, распространяющуюся в волноводе, и наоборот. Обычно состоит из коаксиальной линии, выполненной в виде внешнего и внутреннего проводников, и расположенного перпендикулярно к ее оси прямоугольного волновода. На чертеже схематически представлено продольное сечение предпочтительного варианта устройства. В предпочтительном варианте плазменная печь содержит плавильную разрядную камеру 1 с крышкой 2, стенкой 3 и днищем 4 и камеру 5 СВЧ-разряда. Камера 1 включает цилиндрический полый анод 6,закрепленный на днище 4 с возможностью перемещения, катод 7, установленный в отверстии крышки 2 камеры 1, первый завихритель 8 газового потока на стенке 3 камеры 1, подсоединенный к патрубку ввода восстановительного газа (не показан), отверстия 9 вывода излишков отработанного газа, отверстия 10 в днище 4 камеры 1 и средство 11 сбора готового продукта в виде цилиндра с конусной нижней частью,подсоединенного к днищу 4 камеры 1. Камера 5 СВЧ-разряда включает внутреннюю металлическую охлаждаемую трубу 12 и внешнюю металлическую трубу 13, конусное сопло 14, средство подачи СВЧэнергии в виде коаксиально-волноводного перехода 15 с коаксиальной частью 16 и прямоугольным волноводом 17, пористую диэлектрическую вставку 18, первый патрубок 19 ввода плазмообразующего газа,второй завихритель 20 и подсоединенный к нему второй патрубок ввода плазмообразующего газа (не показан), СВЧ-дроссель 21 и диэлектрическое кольцо 22 между соплом 14 и внешней трубой 13. Соленоид 23 установлен вокруг камеры 1. Камеру 5 СВЧ-разряда образуют внутренняя труба 12, внешняя труба 13 и конусное сопло 14, закрепленное на нижней части внешней трубы 13. В другом варианте изобретения крышка 2, катод 7, сопло 14 и внешняя труба 13 электрически составляют единое целое. При этом для обеспечения возможности эксплуатации камеры 5 (в частности, ее трубы 13) при потенциале Земли, что может определяться требованиями электробезопасности, необходимо использовать источник питания дуги с высоким потенциалом на положительном электроде, что не всегда удобно. В предпочтительном варианте сопло 14 электрически соединено с катодом 7, но с помощью СВЧ-дросселя 21 и кольца 22 изолировано от внешней трубы 13 (или сопло 14 изолировано от катода 7), что позволило всегда использовать камеру 5 СВЧразряда при потенциале Земли. Средство ввода шихты совмещено с внутренней трубой 12. Величина зазора между трубами 12 и 13 зафиксирована диэлектрической вставкой 18, газопроницаемость которой связана с необходимостью недопущения в волновод плазмы разряда путем создания над вставкой 18 с помощью первого патрубка 19 ввода плазмообразующего газа избыточного давления по отношению к давлению в области под вставкой 18, создаваемому вторым патрубком ввода плазмообразующего газа,подсоединенным ко второму завихрителю 20. Камера 5 может быть закреплена на камере 1 без использования конусного сопла, а, например, установкой внешней трубы 13 - на крышке 2, но в таком случае необходимо принять дополнительные меры для направления потока шихты и плазмы СВЧ-разряда в отверстие катода 7. На внешней трубе 13 помещено обычно применяемое устройство инициирования СВЧ-разряда 24,выполненное в виде металлического штыря, кратковременно вводимого в камеру 5. Электрическая изоляция стенок 3 камеры 1 от крышки 2 может быть выполнена с помощью диэлектрического кольца 25, а от днища 4 - с помощью диэлектрического кольца 26. При необходимости днище 4 может быть изолировано от устройства сбора 11 диэлектрическим кольцом 27. В представленном здесь предпочтительном варианте средство подачи СВЧ-энергии в камеру 5 выполнено в виде коаксиально-волноводного перехода 15, состоящего из прямоугольного волновода 17 и коаксиальной линии 16, образованной трубами 12 и 13. Однако подача СВЧ-энергии в камеру 5 может быть осуществлена и другими средствами, например не прямоугольным, а круглым или коаксиальным волноводом. Рекомендуемый зазор между внутренней трубой 12 и конусным соплом 14, составляющий в варианте изобретения около половины длины рабочей электромагнитной волны, указан в качестве исходного при проектировании печи и последующей настройке СВЧ-узлов. Вследствие неопределенных граничных условий длина этого зазора должна уточняться при настройке камеры 5 по критерию минимальной отраженной мощности для обеспечения резонанса в области указанного зазора, в условиях которого происходит полная передача подводимой СВЧ-энергии в камеру 5. Настройка выполняется до начала эксплуатации печи, ее результаты фиксируются и в дальнейшем не меняются. Соотношения, согласно которым катод 7 выступает в упомянутую плавильную камеру 1 из ее крышки 2 на величину, составляющую (0,5-1) внутреннего диаметра катода 7, анод 6 выступает в пространство упомянутой плавильной камеры 1 на высоту, примерно равную внешнему диаметру анода 6, а зазор между анодом 6 и катодом 7 примерно равен внутреннему диаметру анода 6, подобраны экспериментально. Данные соотношения влияют на формирование вихревого потока газа в камере 1 с последующим формированием плазменного канала и справедливы для использованных размеров камеры 1(внутренний диаметр катода 30 мм, анод выступает на высоту 70 мм, внутренний диаметр анода 40 мм,зазор между анодом и катодом 40 мм) и режима работы печи U дуги=100 В, I дуги=400 А, Рсвч=4 кВт, для других размеров и режима они могут оказаться иными. Эти соотношения также являются исходными для проектирования и в процессе настройки режима работы камеры 1 могут быть уточнены. Для охлаждения печи при малой мощности может быть использовано воздушное охлаждение, однако при большой мощности, подводимой к печи, ее конструктивные элементы могут сильно нагреваться с последующим выходом из строя, поэтому внутренняя труба 12, катод 7, днище 4 упомянутой плавильной камеры 1 и стенки обеих упомянутых камер 1 и 5 должны быть выполнены водоохлаждаемыми. Магнитное поле может быть создано и постоянным магнитом, но в предлагаемом варианте применен соленоид 23 в связи с большими размерами камеры 1. Устройство работает следующим образом. На аноде 6 и катоде 7 устанавливают штатные напряжения (в предпочтительном варианте конструкции заземленным является анод). Через прямоугольный волновод 17 от источника СВЧ-энергии (не показан) в коаксиальный волновод 16 вводят СВЧ-энергию на волне типа ТЕМ. Плазмообразующий газ,например азот или аргоноводородная смесь, вводимый через патрубок 19, проникает через пористую вставку 18 и движется вдоль оси по зазору между трубами 12 и 13. Газ, вводимый через второй завихритель 20, движется тангенциально к поверхностям труб 12 и 13. С помощью устройства 24 под вставкой инициируют СВЧ-разряд. Инициирование СВЧ-разряда может быть выполнено и иным способом (например, кратковременным касанием внутренней трубой 12 катода 7 при пониженном напряжении между ними, использованием пускового плазмотрона, высокочастотным пробоем и т.д.), поэтому в одном из вариантов внутренняя труба 12 выполнена с возможностью перемещения. В случае инициирования СВЧразряда с использованием подачи напряжения на трубу 12 между ней и питателем шихты (не показан) необходимо установить изолятор, а между ней и трубой 13 - СВЧ-дроссель. Плазменный факел СВЧ-разряда во вращающемся потоке плазмообразующего газа движется в сторону камеры 1. Регулировкой соотношения расходов газа через патрубок 19 и завихритель 20 создают условия для горения и транспортировки факела плазмы СВЧ-разряда в сторону камеры 1. Экспериментально установлено, что удовлетворительным является примерно равное соотношение расходов. Через первый завихритель 8 восстановительный газ подают в камеру 1, инициируют дуговой разряд в зазоре между анодом 6 и катодом 7 путем подачи кратковременного высоковольтного импульса между ними или высокочастотным пробоем, используя возможность перемещения анода 6. Механизм перемещения может быть выполнен аналогично описанному в патенте RU1781306 или в виде цапфы на штанге. Поджиг дуги облегчен присутствием в этом зазоре плазмы СВЧ-разряда, которая центробежными силами вводится под нижний торец катода 7. Этому дополнительно способствует вращение дуги под действием создаваемого соленоидом 23 магнитного поля. Встречное движение вращающегося потока восстановительного газа турбулизирует плазму и препятствует ее выходу из-под нижнего торца катода 7 в сторону стенки 3 камеры 1. Как показали наши экспериментальные исследования, благодаря обтеканию плазмой СВЧ-разряда нижнего торца катода 7 пятно дугового разряда не перескакивает по поверхности торца, фиксируясь в отдельных точках, а трансформируется в диффузное плазменное кольцо у его поверхности. При этом обеспечиваются условия равномерного токоотбора с поверхности торца катода 7. Затем через внутреннюю трубу 12 шихту от питателя (не показан) подают в рабочую камеру 1. Общая площадь отверстий 10 в днище 4 плавильной камеры 1 вокруг анода 6 должна быть меньше площади боковой поверхности осевого зазора между анодом 6 и катодом 7, чтобы создать превышение давления восстановительного газа, подаваемого через патрубок ввода восстановительного газа и первый завихритель 8, в области между стенкой 3 и электродами (катодом 7 и анодом 6) по отношению к давлению в зазоре между ними и в полости анода 6. Меньшая суммарная площадь отверстий 10 в днище 4 по сравнению с площадью боковой поверхности зазора анод 6 - катод 7 обеспечивает прохождение существенной части восстановительного газа, вводимого через завихритель 8, через этот зазор в полость анода 6, вовлекая туда шихту, поступающую из камеры 5. Наличие отверстий 10 позволяет сбрасывать излишки объема газа, подаваемого через завихритель 8, и предотвращать сдувание дуги, одновременно захолаживая стенку 3, чтобы избежать ее разрушения. В зазоре анод 6 - катод 7 и полости анода 6 по мере продвижения шихты в направлении средства сбора 11 осуществляется плазмохимическое взаимодействие шихты с восстановительным газом в условиях нарастания температуры газа до величин, обеспечивающих плавление и восстановление шихты. Готовый продукт (восстановленный металл) собирается в средстве сбора 11, отходящие газы выходят через патрубок 9. В предлагаемом изобретении использован физический эффект, заключающийся в диффузном характере горения дуги, при котором токоотбор осуществляется равномерно со всей поверхности торца катода 7 при плотности тока, существенно меньшей, чем в прототипе, реализованный благодаря тому,что при вихревом характере движения плазмообразующего и восстановительного газов в осевом магнитном поле соленоида 26 плазма СВЧ-разряда и дугового разряда втягивается под нижний торец катода 7. При этом, как показали наши экспериментальные исследования, равномерный токоотбор с торца катода 7 осуществляется без заметной эрозии катода 7. Кроме того, СВЧ-разряд в прикатодной области дугового разряда стабилизирует дугу, так как даже при возможных перескоках дуги, наблюдаемых в известных устройствах, заполняющая эту область плазма СВЧ-разряда не допускает прекращения тока с обрывом основной дуги. Таким образом, обеспечение диффузного характера горения дуги путем введения плазмы СВЧразряда под нижний торец катода 7 позволяет устранить ограничения на величину вводимой электрической энергии и в результате этого увеличить эффективность переработки сырья. Увеличение подводимой электрической энергии позволяет также перерабатывать большее количество шихты в единицу времени и увеличить производительность печи. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Плазменная печь, содержащая плавильную разрядную камеру с крышкой, стенкой и днищем,средство сбора готового продукта, средства ввода реакционных газов в рабочую камеру, цилиндрический полый катод и анод, установленные на центральной оси устройства, средство подачи СВЧ-энергии в разрядную камеру, внешнюю трубу, в полости которой установлено средство ввода шихты, выполненное в виде охлаждаемой электропроводной внутренней трубы, патрубок ввода плазмообразующего газа на внешней трубе, завихритель газового потока, средства электрической изоляции катода от анода и магнитную систему вокруг упомянутой плавильной камеры, отличающаяся тем, что катод установлен в отверстии крышки камеры, средство сбора выполнено в виде цилиндра, подсоединенного к днищу упомянутой плавильной камеры, в котором с осевым зазором относительно катода закреплен цилиндрический полый анод с возможностью перемещения и в котором вокруг анода выполнены отверстия, патрубок ввода восстановительного газа с первым завихрителем установлен на стенке этой камеры под ее крышкой, на упомянутой плавильной камере вдоль общей оси установлена камера СВЧ-разряда, образованная упомянутыми трубами и конусным соплом, закрепленным на нижней части внешней трубы и с помощью которого катод соединен с внешней трубой, между упомянутыми трубами помещена газопроницаемая диэлектрическая вставка, при этом над вставкой расположен первый патрубок ввода плазмообразующего газа, а под ней на внешней трубе - второй завихритель газа со вторым патрубком плазмообразующего газа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства электрической изоляции в виде диэлектрических вставок введены между соплом и внешней трубой или между соплом и катодом вместе с СВЧдросселем, а также между крышкой и стенкой упомянутой плавильной камеры и/или между днищем и стенкой упомянутой плавильной камеры. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства электрической изоляции в виде диэлектрических вставок введены между днищем упомянутой плавильной камеры и средством сбора, а также между стенкой и крышкой упомянутой плавильной камеры. 4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что средство подачи СВЧ-энергии выполнено в виде коаксиально-волноводного перехода, содержащего прямоугольный волновод, широкая стенка и ось которого перпендикулярны оси устройства, подключенный к источнику СВЧ-энергии, и коаксиальную линию, образованную внешней и внутренней трубами. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор вдоль оси между внутренней трубой и конусным соплом составляет около /2 ( - длина рабочей электромагнитной СВЧ-волны в камере СВЧ-разряда). 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катод выступает в упомянутую плавильную камеру из ее крышки на величину, составляющую (0,5-1) внутреннего диаметра катода. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выступает в пространство упомянутой плавильной камеры на высоту, примерно равную внешнему диаметру анода. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор между анодом и катодом примерно равен внутреннему диаметру анода. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что общая площадь отверстий в днище плавильной камеры вокруг анода меньше площади боковой поверхности осевого зазора между анодом и катодом. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в боковой стенке камеры СВЧ-разряда установлено устройство инициирования СВЧ-разряда. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом перемещения анода. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя труба, катод, днище упомянутой плавильной камеры и стенки обеих упомянутых камер выполнены водоохлаждаемыми. 13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что питатель шихты подключен к внутренней трубе через изолятор. 14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя и внешняя трубы изолированы друг от друга и между ними установлен СВЧ-дроссель. 15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя труба выполнена с возможностью перемещения. 16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магнитная система выполнена в виде соленоида.